CN106637506A - 一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，包括以下步骤：将高分子量的PVP溶于去离子水中，搅拌均匀，滴加钛的前驱体溶液，充分搅拌，形成静电纺丝液；将静电纺丝液置于注射器中，施加高压，利用锡箔纸接收得到二氧化钛纳米纤维；将液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，高温烧结，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。本发明的制备方法简单，制备的纤维为纳米级，既具有纳米材料的特性，又具有液态金属和二氧化钛的高强度、导热导电、抗静电、抗菌、光催化等性能。

Description

一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维及其制备方法。
背景技术
二氧化钛是由氧元素与钛元素组成的二元化合物，具有优异的光响应性、无毒、稳定、成本低、对环境好，还具有抗菌除臭抗紫外等多种性能，而且有研究表明，纳米级的二氧化钛的具有块体材料所不具有的性能，如小尺寸效应，表面效应和量子尺寸效应等。
二氧化钛纳米纤维是一种具有多晶结构的氧化钛纤维，经纺丝、烧结/溶解制备的二氧化钛纤维为网状多孔型纳米纤维连续的二氧化钛纤维具有强度高、韧性好、耐水流气流冲击等性能，可以被运用于服装、光催化、污染防控等多个领域。但是二氧化钛也具有带隙宽等缺点，将二氧化钛与其他载体相复合有望得到性能更加优异的二氧化钛复合材料。
中国专利CN 103121712B公开的一种以纤维素纤维为模板制备超长纤维状二氧化钛的方法，将天然纤维分散液中依次加入四氯化钛、硫酸铵、盐酸和氨水，加热搅拌陈化，得到附着二氧化钛的天然纤维，将附着二氧化钛的天然纤维经清洗干燥后，高温烧结，出去天然纤维，得到超长纤维状二氧化钛。该方法制备的超长状二氧化钛受然然纤维的长度和直径限制，长度为毫米或厘米级，直径为微米级，二氧化钛的应用仍受到很大程度的限制。中国专利CN 104549201A公开的光催化剂氧化石墨烯掺杂二氧化钛纳米纤维及其制备方法和应用，将二氧化钛凝胶纤维经高温烧结得到二氧化钛纳米纤维，再将二氧化钛纳米纤维分散在乙醇中，并加入氧化石墨烯，得到氧化石墨烯掺杂的二氧化钛纳米纤维，利用氧化石墨烯提高光催化反应中的光电转化效率。中国专利CN 104383947A公开的一种磷酸银/二氧化钛纳米复合材料及其制备方法，首先利用静电纺丝技术将酞酸丁酯、聚乙烯吡咯烷酮、二甲基甲酰胺及酸溶液制备形成二氧化钛纳米纤维，将二氧化钛纳米纤维分散于去离子水中，加入银盐和磷酸二氢盐，避光搅拌，得到负载磷酸银纳米颗粒的二氧化钛纳米纤维，使材料在紫外光和可见光区域都具有较强的催化活性。
由上述现有技术可知，目前对二氧化钛纳米纤维的改性大多是在二氧化钛纳米纤维附着功能性物质提高二氧化钛的光催化性能，对于二氧化钛纳米纤维本身的机械性能方面研究的很少。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维及其制备方法，利用高分子量的PVP与二氧化钛前驱体作为原料，经静电纺丝技术纳米二氧化钛连续纤维，然后纳米二氧化钛连续纤维浸渍于液体金属中进行烧结，得到液态金属/二氧化钛纳米纤维。本发明的制备方法简单，制备的纤维既具有纳米材料的特性，又具有液态金属和二氧化钛的高强度、导热导电、抗静电、抗菌、光催化等性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维，所述液态金属/二氧化钛纳米连续纤维包括液态金属和二氧化钛，所述二氧化钛形成网状结构，所述液态金属填充于网状结构的缝隙，所述液态金属为钠钾铝镁的混合物。
作为上述技术方案的优选，所述液态金属/二氧化钛纳米连续纤维是经静电纺丝、浸渍和高温烧结方法制备而成。
本发明还提供一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将高分子量的PVP溶于去离子水中，搅拌均匀，滴加钛的前驱体溶液，充分搅拌，形成静电纺丝液；
(2)将步骤(1)制备的静电纺丝液置于注射器中，施加高压，利用锡箔纸接收得到二氧化钛纳米纤维；
(3)将液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将步骤(2)制备的二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，高温烧结，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，高分子量的PVP的相对分子量为30000-50000。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，钛的前驱体溶液的质量分数为5-15％，滴加速度为2-3ml/min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，静电纺丝液中PVP、钛的前驱体和去离子水的质量比为10-20:5-8:50-80。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，高压的强度为15-25kV，接受距离为20-25cm，注射器的推进速度为5-10ml/h。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，二氧化钛纳米纤维的直径为500-800nm，长度不低于50cm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，液态金属溶液中钠钾铝镁的重量比为1:1:5:3。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，高温烧结的温度条件为：以室温为起点，以10℃/min的速率升高至450-500℃，保温2-3h，自然降温至200℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的液态金属/二氧化钛纳米连续纤维中二氧化钛因烧结成网络状，含有许多孔隙，液态金属填充到孔隙中，形成复合纤维，烧结后的二氧化钛纤维的强度和韧性下降较大，液态金属不仅弥补了二氧化钛纤维机械强度不足，还赋予二氧化钛纳米纤维导电导热等性能。
(2)本发明制备的液态金属/二氧化钛纳米连续纤维采用高分子量的PVP作为高分子量基底制备纳米二氧化钛连续纤维，未烧结之前的纳米二氧化钛纤维的机械性能良好，直径均匀，形态好，有利于烧结后二氧化钛纳米纤维的直径和形态的完好。
(3)本发明制备的液态金属/二氧化钛纳米连续纤维将未烧结的纳米二氧化钛纤维浸渍于液态金属中，将PVP烧结后留下的缝隙瞬时填充液态金属，防止空气的渗透，而且液态金属的渗透更加有利于二氧化钛由锐钛晶型向金红石晶型方向转变，有利于提高二氧化钛纳米纤维的光催化性能。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)按重量份计，将10份的相对分子量为30000的PVP溶于50份的去离子水中，搅拌均匀，以2ml/min的流速滴加含5份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为5％，以750rpm充分搅拌30min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以5ml/h的速度推进，施加15kV的高压，在距离20-25cm处，利用锡箔纸接收得到直径为500nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至450℃，高温烧结保温2h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
实施例2：
(1)按重量份计，将20份的相对分子量为50000的PVP溶于80份的去离子水中，搅拌均匀，以3ml/min的流速滴加含8份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为15％，以1000rpm充分搅拌60min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以10ml/h的速度推进，施加25kV的高压，在距离25cm处，利用锡箔纸接收得到直径为800nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至500℃，高温烧结保温3h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
实施例3：
(1)按重量份计，将15份的相对分子量为40000的PVP溶于60份的去离子水中，搅拌均匀，以2.5ml/min的流速滴加含6份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为8％，以800rpm充分搅拌40min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以6ml/h的速度推进，施加20kV的高压，在距离22cm处，利用锡箔纸接收得到直径为600nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至480℃，高温烧结保温2.5h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
实施例4：
(1)按重量份计，将13份的相对分子量为35000的PVP溶于60份的去离子水中，搅拌均匀，以2.3ml/min的流速滴加含6份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为12％，以950rpm充分搅拌50min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以6ml/h的速度推进，施加18kV的高压，在距离20cm处，利用锡箔纸接收得到直径为560nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至480℃，高温烧结保温2.5h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
实施例5：
(1)按重量份计，将10份的相对分子量为50000的PVP溶于80份的去离子水中，搅拌均匀，以3ml/min的流速滴加含7份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为13％，以1000rpm充分搅拌50min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以6ml/h的速度推进，施加20kV的高压，在距离25cm处，利用锡箔纸接收得到直径为800nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至500℃，高温烧结保温2h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
实施例6：
(1)按重量份计，将20份的相对分子量为40000的PVP溶于80份的去离子水中，搅拌均匀，以2ml/min的流速滴加含8份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为5％，以1000rpm充分搅拌30min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以10ml/h的速度推进，施加15kV的高压，在距离20cm处，利用锡箔纸接收得到直径为800nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至500℃，高温烧结保温2h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
实施例7：
(1)按重量份计，将10份的相对分子量为50000的PVP溶于80份的去离子水中，搅拌均匀，以2.7ml/min的流速滴加含5份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为13％，以750rpm充分搅拌40min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以10ml/h的速度推进，施加15kV的高压，在距离25cm处，利用锡箔纸接收得到直径为600nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至450℃，高温烧结保温2.5h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
实施例8：
(1)按重量份计，将20份的相对分子量40000的PVP溶于75份的去离子水中，搅拌均匀，以2.5ml/min的流速滴加含7.5份的钛的前驱体的溶液，钛的前驱体的溶液的质量分数为8％，以800rpm充分搅拌60min，形成静电纺丝液。
(2)将静电纺丝液置于注射器中，以10ml/h的速度推进，施加20kV的高压，在距离20cm处，利用锡箔纸接收得到直径为700nm，长度不低于50cm二氧化钛纳米纤维。
(3)将重量比为1:1:5:3的钠钾铝镁液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，完全浸没二氧化钛纳米纤维，置于高温烧结炉中，以室温为起点，以10℃/min的速率升高至500℃，高温烧结保温3h，自然降温至200℃，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
经检测，实施例1-8制备的液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的机械性能、光催化性、抗菌、抗紫外性能的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的机械强度良好，光催化、抗菌和抗紫外性能较好。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维，其特征在于：所述液态金属/二氧化钛纳米连续纤维包括液态金属和二氧化钛，所述二氧化钛形成网状结构，所述液态金属填充于网状结构的缝隙，所述液态金属为钠钾铝镁的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维，其特征在于：所述液态金属/二氧化钛纳米连续纤维是经静电纺丝、浸渍和高温烧结方法制备而成。
3.一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将高分子量的PVP溶于去离子水中，搅拌均匀，滴加钛的前驱体溶液，充分搅拌，形成静电纺丝液；
(2)将步骤(1)制备的静电纺丝液置于注射器中，施加高压，利用锡箔纸接收得到二氧化钛纳米纤维；
(3)将液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将步骤(2)制备的二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，高温烧结，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
4.根据权利要求3所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，高分子量的PVP的相对分子量为30000-50000。
5.根据权利要求3所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，钛的前驱体溶液的质量分数为5-15％，滴加速度为2-3ml/min。
6.根据权利要求3所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，静电纺丝液中PVP、钛的前驱体和去离子水的质量比为10-20:5-8:50-80。
7.根据权利要求3所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，高压的强度为15-25kV，接受距离为20-25cm，注射器的推进速度为5-10ml/h。
8.根据权利要求3所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，二氧化钛纳米纤维的直径为500-800nm，长度不低于50cm。
9.根据权利要求3所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，液态金属溶液中钠钾铝镁的重量比为1:1:5:3。
10.根据权利要求3所述的一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，高温烧结的温度条件为：以室温为起点，以10℃/min的速率升高至450-500℃，保温2-3h，自然降温至200℃。
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