CN103551588A - 一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，利用内嵌式导电电极，通过静电纺丝技术将含有AgNO3、AuCl3、CuCl2金属盐的纺丝溶液进行静电纺丝，通过分步氧化还原法，先在400～500℃空气氛下将金属盐氧化成金属氧化物，同时使部分聚合物氧化除去，再于800℃氮气保护下使聚合物碳化，并利用碳化的聚合物还原金属氧化物，获得管状金属纤维。本发明使用单通道电纺丝装置制备出核壳结构纳米纤维，所制备的纤维直径分布在400～600nm之间，纤维表面平滑，纤维直径均匀。金属管结构纳米纤维具有极大的比表面积以及管状结构，在电子工业、纳米传感器、超导体材料等领域具有潜在的应用价值。

Description

一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法
技术领域
本发明涉及功能化纳米纤维制备技术领域，尤其是涉及一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法。
背景技术
电纺丝技术是一种高效连续制备具有直径分布在几十纳米至几微米的纤维无纺布的方法。由于电纺丝制备的纳米纤维直径可通过相应的工艺参数而可以方便的调节，且纤维形态均匀可控，电纺丝技术近年来受到广泛关注，电纺丝纤维的应用范围不断拓展。由于电纺丝纤维具有高孔隙率、高比表面积等优点而广泛应用于组织工程支架、三维立体过滤支架等领域。为了提高电纺丝纤维的功能性，近年来，发展了多种制备方法以制备具有特殊结构的纳米纤维，如同轴电纺丝法制备具有核壳结构纳米纤维、多通道喷丝头制备具有多层通道的空心管状纳米纤维、采用定向收集装置制备具有取向态结构的纤维获得具有异向疏水性能等。
通过静电纺丝法制备金属纳米纤维管的技术鲜有报道，金翼水[金翼水.高功能性金属纳米纤维的制造及其性能评估[J].国外化纤技术,2011,40(10),47-49.]通过将静电纺丝和金属气相沉淀技术相结合制备出了金属纳米纤维管，但是金属气相沉淀技术很难使金属均匀包覆在纤维表面，所以制备出的金属纳米管表面凹凸不平，纳米管的形态不完善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中金属纳米管表面凹凸不平，纳米管的形态不完善的问题，提供一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，采用小分子的金属离子与非聚电解质共混纺丝，而获得核壳结构的纳米纤维，通过烧结还原过程获得金属纳米纤维管。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，包括以下步骤：
1）纺丝溶液的配制：配制聚丙烯腈（PAN）的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液；配制金属盐的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与金属盐的DMF溶液混合，使PAN和金属盐的摩尔比为2:1～1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口0-1mm，调节纺丝电压为15～20kV，纺丝距离为15～20cm，纺丝温度为30～50℃，流速为0.2～2mL/h，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在400～500℃空气氛下氧化；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
单通道电纺丝即为将纺丝溶液放入不导电的塑料针筒中，将电极穿过溶液，使电极从针筒的注射口穿出，然后进行静电纺丝，即形成所谓的单通道电纺丝。
具体地，所述PAN的DMF溶液的重量百分比浓度为16wt%～32wt%。
具体地，所述金属盐的DMF溶液的重量百分比浓度为8wt%～16wt%。
具体地，所述纤维在400～500℃空气氛下氧化时间为10～30min。
具体地，所述纺丝过程的环境湿度不大于40RH%，有利于在纺丝过程中纺丝溶剂的快速挥发，缩短在纺丝过程中的分子迁移时间，使得到的核壳结构纳米纤维的形态更加稳定。
具体地，所述金属盐为AgNO3、AuCl3和CuCl2中的一种。
本发明的有益效果是：通过选择合适的金属盐以及加速电纺丝过程纺丝射流的固化速率的方法避免了金属离子在纺丝过程中的核向迁移，从而保证了核壳结构的形成；选择了高碳含量的聚合物PAN参与共混纺丝，一方面保证了纤维形态均匀性和可控性，另一方面为金属氧化物还原成金属提供合适的碳源；通过对聚合物溶液浓度以及纺丝电压以及金属离子含量的简单调节，即可获得具有直径分布以及核壳直径比可调节的金属纳米纤维管。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是实施例一制备的金属银纳米纤维管的TEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步对本发明进行阐述，应理解，引用实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，包括以下步骤：
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%AgNO3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AgNO3的DMF溶液混合，使PAN和AgNO3的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0mm，调节纺丝电压为15kV，纺丝距离为15cm，纺丝温度为40℃，流速为0.2mL/h，环境湿度在40RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在500℃空气氛下氧化10min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管，如图1所示。
实施例2
1）纺丝溶液的配制：配制20wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%AgNO3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AgNO3的DMF溶液混合，使PAN和AgNO3的摩尔比为1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.4mm，调节纺丝电压为17kV，纺丝距离为18cm，纺丝温度为30℃，流速为1mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在400℃空气氛下氧化30min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例3
1）纺丝溶液的配制：配制32wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%AgNO3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AgNO3的DMF溶液混合，使PAN和AgNO3的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为1mm，调节纺丝电压为20kV，纺丝距离为20cm，纺丝温度为50℃，流速为2mL/h，环境湿度在35RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在450℃空气氛下氧化20min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例4
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制12wt%AgNO3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AgNO3的DMF溶液混合，使PAN和AgNO3的摩尔比为1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.5mm，调节纺丝电压为18kV，纺丝距离为19cm，纺丝温度为35℃，流速为1.5mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在480℃空气氛下氧化25min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例5
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制16wt%AgNO3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AgNO3的DMF溶液混合，使PAN和AgNO3的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.6mm，调节纺丝电压为16kV，纺丝距离为17cm，纺丝温度为50℃，流速为1.2mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在500℃空气氛下氧化28min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例6
一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，包括以下步骤：
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%AuCl3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AuCl3的DMF溶液混合，使PAN和AuCl3的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0mm，调节纺丝电压为15kV，纺丝距离为15cm，纺丝温度为40℃，流速为0.2mL/h，环境湿度在40RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在500℃空气氛下氧化10min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例7
1）纺丝溶液的配制：配制20wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%AuCl3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AuCl3的DMF溶液混合，使PAN和AuCl3的摩尔比为1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.4mm，调节纺丝电压为17kV，纺丝距离为18cm，纺丝温度为30℃，流速为1mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在400℃空气氛下氧化30min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例8
1）纺丝溶液的配制：配制32wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%AuCl3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AuCl3的DMF溶液混合，使PAN和AuCl3的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为1mm，调节纺丝电压为20kV，纺丝距离为20cm，纺丝温度为50℃，流速为2mL/h，环境湿度在35RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在450℃空气氛下氧化20min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例9
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制12wt%AuCl3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AuCl3的DMF溶液混合，使PAN和AuCl3的摩尔比为1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.5mm，调节纺丝电压为18kV，纺丝距离为19cm，纺丝温度为35℃，流速为1.5mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在480℃空气氛下氧化25min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例10
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制16wt%AuCl3的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与AuCl3的DMF溶液混合，使PAN和AuCl3的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.6mm，调节纺丝电压为16kV，纺丝距离为17cm，纺丝温度为50℃，流速为1.2mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在500℃空气氛下氧化28min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例11
一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，包括以下步骤：
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%CuCl2的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与CuCl2的DMF溶液混合，使PAN和CuCl2的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0mm，调节纺丝电压为15kV，纺丝距离为15cm，纺丝温度为40℃，流速为0.2mL/h，环境湿度在40RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在500℃空气氛下氧化10min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例12
1）纺丝溶液的配制：配制20wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%CuCl2的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与CuCl2的DMF溶液混合，使PAN和CuCl2的摩尔比为1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.4mm，调节纺丝电压为17kV，纺丝距离为18cm，纺丝温度为30℃，流速为1mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在400℃空气氛下氧化30min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例13
1）纺丝溶液的配制：配制32wt%的PAN的DMF溶液；配制8wt%CuCl2的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与CuCl2的DMF溶液混合，使PAN和CuCl2的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为1mm，调节纺丝电压为20kV，纺丝距离为20cm，纺丝温度为50℃，流速为2mL/h，环境湿度在35RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在450℃空气氛下氧化20min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例14
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制12wt%CuCl2的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与CuCl2的DMF溶液混合，使PAN和CuCl2的摩尔比为1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.5mm，调节纺丝电压为18kV，纺丝距离为19cm，纺丝温度为35℃，流速为1.5mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在480℃空气氛下氧化25min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
实施例15
1）纺丝溶液的配制：配制16wt%的PAN的DMF溶液；配制16wt%CuCl2的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与CuCl2的DMF溶液混合，使PAN和CuCl2的摩尔比为2:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口的长度为0.6mm，调节纺丝电压为16kV，纺丝距离为17cm，纺丝温度为50℃，流速为1.2mL/h，环境湿度在38RH%，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在500℃空气氛下氧化28min；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）纺丝溶液的配制：配制PAN的DMF溶液；配制金属盐的DMF溶液；将PAN的DMF溶液与金属盐的DMF溶液混合，使PAN和金属盐的摩尔比为2:1～1:1，获得电纺丝溶液；
2）电纺丝过程：将步骤1）获得的电纺丝溶液加入到电纺丝注射器中，把导电电极插入注射器中，导电电极穿过溶液至喷丝口，所述导电电极露出喷丝口0-1mm，调节纺丝电压为15～20kV，纺丝距离为15～20cm，纺丝温度为30～50℃，溶液流速为0.2～2mL/h，经过静电纺丝过程，得到核壳结构纳米纤维；
3）金属纳米纤维管的制备：将步骤2）所制备的纤维在400～500℃空气氛下氧化；通入氮气保护的条件下，以2℃/min的升温速率升温至800℃，保持温度3h后自然冷却至室温，获得金属纳米纤维管。
2.根据权利要求1所述的一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，其特征在于：所述PAN的DMF溶液的浓度为16wt%～32wt%。
3.根据权利要求1所述的一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，其特征在于：所述金属盐的DMF溶液的浓度为8wt%～16wt%。
4.根据权利要求1所述的一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，其特征在于：所述纤维在400～500℃空气氛下氧化时间为10～30min。
5.根据权利要求1所述的一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，其特征在于：所述纺丝过程的环境湿度不大于40RH%。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于单通道电纺丝法制备金属纳米纤维管的方法，其特征在于：所述金属盐为AgNO3、AuCl3和CuCl2中的一种。
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