CN108642604B - 一维核壳结构的钛酸锶聚吡咯纳米复合纤维及制备方法 - Google Patents

一维核壳结构的钛酸锶聚吡咯纳米复合纤维及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维及制备方法，纳米复合纤维由聚合物聚吡咯体和钛酸锶钡纳米纤维材料组成，钛酸锶钡纳米纤维外包覆有聚吡咯并形成核壳结构，这种具有核壳结构的钛酸锶钡/聚吡咯纳米复合纤维采用静电纺丝法结合气相聚合的方法制备，在聚合过程中以钛酸锶钡纤维为硬模板，聚乙烯吡咯烷酮为软模板，形成了钛酸锶钡/聚吡咯纳米复合纤维的核壳结构。本发明一维纤维状吸波材料的吸波能力明显优于球状吸波材料，同时复合纤维的壳层厚度可控、壳层材料具有良好的导电性能，有助于复合材料吸波频段的扩大，并且复合纳米纤维具有良好的一维形貌、尺寸分布均匀、分散稳定性好、制备工艺简单易行等优点。

Description

一维核壳结构的钛酸锶聚吡咯纳米复合纤维及制备方法
技术领域
本发明属于功能材料制备领域，具体涉及一种一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维及制备方法。
背景技术
电磁波吸收材料在军用和民用领域有着广泛的应用，已经成为各国国防装备和民用防电磁辐射等领域的研究热点。目前，单一的吸波材料很难满足吸收强、频带宽、厚度薄、质量轻、抗腐蚀及成本低的发展要求，将不同吸波特性的材料进行复合是提高吸波材料性能的有效途径。钛酸钡类吸波材料，以介电损耗为主，主要包括电导损耗、弛豫极化损耗和谐振损耗。钛酸钡基材料不仅吸波性能好，同时还可以有效地减弱红外辐射信号，达到能有效损耗雷达波的能量。同时这类材料具有耐高温、介电常数可有效调控的优点，是制作多波段吸波材料的主要成分。
导电高分子材料通过控制聚合温度、调节掺杂去掺杂程度来调节材料的导电性，实现阻抗匹配和电磁波损耗。常见的导电高分子吸波材料有聚苯胺，聚吡咯，聚乙炔，聚苯硫，聚对亚苯等。单一导电高分子聚合物虽然具有较好的吸波特性，但吸收频带比较窄，现在通常将导电高分子吸波材料与其他材料复合来拓宽吸收频带。
最新研究表明，纤维状(或针状)吸波材料的吸波能力明显优于球状吸波材料，纤维状(或针状)吸波材料不仅具有纤维形状特别的优点，而且具有复合损耗(磁损耗和介电损耗)能力，因而具有重量轻的优点。因此，这种吸收剂可在很宽的频带内实现高吸收率，质量减轻40 %-60 %，克服了大多数磁性吸收剂存在的严重缺点。
发明内容
本发明提出了一种核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维及其制备方法，纳米复合纤维由聚合物聚吡咯体和钛酸锶钡纳米纤维材料组成，钛酸锶钡纳米纤维外包覆有聚吡咯并形成核壳结构，这种具有核壳结构的钛酸锶钡/聚吡咯纳米复合纤维采用静电纺丝法结合气相聚合的方法制备，在聚合过程中以钛酸锶钡纤维为硬模板，聚乙烯吡咯烷酮为软模板，形成了钛酸锶钡/聚吡咯纳米复合纤维的核壳结构。
实现本发明的技术方案是：一种一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维，纳米复合纤维是以钛酸锶纳米纤维为核、聚吡咯为壳体的一维核壳结构，钛酸锶纳米纤维的直径为100-200 nm，聚吡咯的外径为10-50 nm，长度10-100 μm。
所述纳米复合纤维采用静电纺丝法结合气相聚合法制备。
所述的一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，步骤如下：
（1）采用静电纺丝法制备钛酸锶纳米纤维，将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮加入到酒精中，形成均匀溶液，将钛酸锶纳米纤维分散到均匀溶液中，经过离心、干燥，得到表面具有氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的钛酸锶纳米纤维；
（2）将步骤（1）得到的表面具有氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的酸锶纳米纤维转移至盛有吡咯单体的气相室中进行氧化聚合，得到一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维。
所述步骤（1）中采用静电纺丝法制备钛酸锶纳米纤维的具体步骤如下：按照SrCO3与四异丙醇钛的物质的量之比为1：1称量原料，将原料溶解在体积分数为2-5 %的稀盐酸中，加入高聚物PVP制备出纺丝液，高聚物PVP与稀盐酸质量之比为1:（2-4）；将纺丝液加入到纺丝机中进行纺丝制备复合纳米纤维，将复合纳米纤维放入马弗炉中进行热处理，得到钛酸锶纳米纤维。
所述步骤（1）中氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮、钛酸锶纳米纤维和酒精的质量比为1：（0.5-5）：（1-10）：（1-6）。
所述步骤（2）中气相室的温度为0-50 ℃，聚合的时间为2-10 min，气相室中吡咯单体的浓度为200 g/m3-1000 g/m3。
本发明的有益效果是：本发明采用静电纺丝法结合气相聚合法制备钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维，复合纳米纤维具有良好的一维形貌结构，一维纤维状吸波材料的吸波能力明显优于球状吸波材料，同时复合纤维的壳层厚度可控、壳层材料具有良好的导电性能，有助于复合材料吸波频段的扩大，并且复合纳米纤维具有良好的一维形貌、尺寸分布均匀、分散稳定性好、制备工艺简单易行等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1纳米复合纤维的透射电子显微镜（TEM）图谱。
图2是实施例1制备的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维吸波性能图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，步骤如下：
（1）采用静电纺丝法制备钛酸锶纳米纤维：按照SrCO3与四异丙醇钛的物质的量之比为1：1称量原料，将原料溶解在体积分数为2 %的稀盐酸中，加入高聚物PVP制备出纺丝液，高聚物PVP与稀盐酸质量之比为1:2；将纺丝液加入到纺丝机中进行纺丝制备复合纳米纤维，将复合纳米纤维放入马弗炉中进行热处理，得到钛酸锶纳米纤维；
（2）将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮将加入到酒精中，形成均匀的溶液，将钛酸锶纳米纤维分散到上述溶液中，所述的氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮、钛酸钡纳米纤维和酒精的添加量的质量比为1：0.5：1：1。之后经过离心、干燥，得到表面具有氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的酸锶纳米纤维；
（3）再将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的酸锶纳米纤维转移至盛有聚合物单体的气相室中进行氧化聚合，得到一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维。气相室的温度为0℃，聚合的时间为10 min，气相室中吡咯单体的浓度为1000 g/m3。
该实施例1制备的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的透射电子显微镜（TEM）如图1所示，最终合成的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维，钛酸锶纳米纤维外包覆有聚吡咯并形成核壳结构，钛酸锶纳米纤维内径为100-200 nm，聚吡咯外径为10-50 nm，长度10-100 μm。
该实施例1制备的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维吸波性能图谱，从图中可以看出，钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维具有良好的吸波性能，在3.6 GHz左右达到-25 dB，其中大于-5 dB频率范围从1.5 GHz到4.6 GHz，吸波频段范围较宽，频宽达到了3.1 GHz。
实施例2
一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，步骤如下：
（1）采用静电纺丝法制备钛酸锶纳米纤维：按照SrCO3与四异丙醇钛的物质的量之比为1：1称量原料，将原料溶解在体积分数为4 %的稀盐酸中，加入高聚物PVP制备出纺丝液，高聚物PVP与稀盐酸质量之比为1:3；将纺丝液加入到纺丝机中进行纺丝制备复合纳米纤维，将复合纳米纤维放入马弗炉中进行热处理，得到钛酸锶纳米纤维；
（2）将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮将加入到酒精中，形成均匀的溶液，将钛酸锶纳米纤维分散到上述溶液中，所述的氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮、钛酸锶纳米纤维和酒精的添加量的质量比为1：5：10：6，之后经过离心、干燥，得到表面具有氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的酸锶纳米纤维；
（3）再将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的酸锶纳米纤维转移至盛有聚合物单体的气相室中进行氧化聚合，得到一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维，气相室的温度为50℃，聚合的时间为2 min，气相室中吡咯单体的浓度为200 g/m3。
实施例3
一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，步骤如下：
（1）采用静电纺丝法制备钛酸锶纳米纤维：按照SrCO3与四异丙醇钛的物质的量之比为1：1称量原料，将原料溶解在体积分数为5 %的稀盐酸中，加入高聚物PVP制备出纺丝液，高聚物PVP与稀盐酸质量之比为1:4；将纺丝液加入到纺丝机中进行纺丝制备复合纳米纤维，将复合纳米纤维放入马弗炉中进行热处理，得到钛酸锶纳米纤维；
（2）将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮将加入到酒精中，形成均匀的溶液，将钛酸锶纳米纤维分散到上述溶液中，所述的氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮、钛酸锶纳米纤维和酒精的添加量的质量比为1：3：5：4，之后经过离心、干燥，得到表面具有氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的酸锶纳米纤维；
（3）再将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的酸锶纳米纤维转移至盛有聚合物单体的气相室中进行氧化聚合，得到一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维。气相室的温度为40℃，聚合的时间为5 min，气相室中吡咯单体的浓度为500 g/m3。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维，其特征在于：纳米复合纤维是以钛酸锶纳米纤维为核、聚吡咯为壳体的一维核壳结构，钛酸锶纳米纤维的直径为100-200nm，聚吡咯的外径为10-50 nm，长度10-100 μm。
2.根据权利要求1所述的一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维，其特征在于：所述纳米复合纤维采用静电纺丝法结合气相聚合法制备。
3.权利要求1或2任一项所述的一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）采用静电纺丝法制备钛酸锶纳米纤维，将氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮加入到酒精中，形成均匀溶液，将钛酸锶纳米纤维分散到均匀溶液中，经过离心、干燥，得到表面具有氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的钛酸锶纳米纤维；
（2）将步骤（1）得到的表面具有氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮的钛酸锶纳米纤维转移至盛有吡咯单体的气相室中进行氧化聚合，得到一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维。
4.根据权利要求3所述的一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中采用静电纺丝法制备钛酸锶纳米纤维的具体步骤如下：按照SrCO3与四异丙醇钛的物质的量之比为1：1称量原料，将原料溶解在体积分数为2-5 %的稀盐酸中，加入高聚物PVP制备出纺丝液，高聚物PVP与稀盐酸质量之比为1:（2-4）；将纺丝液加入到纺丝机中进行纺丝制备复合纳米纤维，将复合纳米纤维放入马弗炉中进行热处理，得到钛酸锶纳米纤维。
5.根据权利要求3所述的一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮、钛酸锶纳米纤维和酒精的质量比为1：（0.5-5）：（1-10）：（1-6）。
6.根据权利要求3所述的一维核壳结构的钛酸锶/聚吡咯纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中气相室的温度为0-50 ℃，聚合的时间为2-10 min，气相室中吡咯单体的浓度为200 g/m3-1000 g/m3。
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