柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法技术

本发明专利技术提供了柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法，该方法采用静电纺纳米纤维纱线设备，该方法包括以下步骤：1)制备纺丝前驱液：配置含有机高分子材料、钛源和/或硅源的纺丝前驱液；2)电纺纳米纤维纱线：将纺丝前驱液注入静电纺纳米纤维纱线设备的储液机构中，开启设备，电纺纤维经加捻器加捻形成前驱体纳米纤维纱线；3)煅烧：对前驱体纳米纤维纱线进行煅烧处理，加热至180～240℃预热后，升温至600～800℃的温度保温3～5小时得柔性纳米纱线。该方法可制得能大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线结构，可拓展无机纳米纤维材料的应用领域，且该制备方法简单，具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法
本专利技术属于纳米纤维
，具体涉及柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法。
技术介绍
近年来，通过静电纺丝法制备的无机纳米纤维有SiO2、ZrO2、TiO2、Al2O3、ZnO等数十种，电纺无机纳米纤维虽种类较多，但多数脆性较大，不能弯折，限制了其在柔性器件中的应用。可通过在静电纺丝装置中加设加捻器构成静电纺纳米纤维纱线设备，从而将纳米纤维制成纱线结构，来提高电纺纳米纤维的柔韧性。例如，中国专利CN110607582A公开了一种静电纺制备连续PAN压电纱线的方法，可采用静电纺纳米纤维纱线设备制备PAN压电纱线。但是，基于纯无机纳米纤维的脆性，即便将其制成纱线结构也不能达到理想的提高材料柔韧性能的作用，无法获得可大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线结构。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术提供了柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法，通过该方法可制得能大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线结构，可拓展无机纳米纤维材料的应用领域，且该制备方法简单，具有很好的应用前景。为了达到上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，采用静电纺纳米纤维纱线设备，所述静电纺纳米纤维纱线设备包括双喷头静电纺丝装置，和以及用于将所述双喷头静电纺丝装置喷射出的纤维加捻成纱线的加捻器，所述双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别接高压电源的正极和负极，所述制备方法包括以下步骤：1)制备纺丝前驱液：配置含有机高分子材料、钛源和/或硅源的纺丝前驱液，所述硅源为硅酸四乙酯，所述钛源为钛酸四丁酯；2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液注入双喷头静电纺丝装置的储液机构中，调节纺丝距离和纺丝电压，开启静电纺纳米纤维纱线设备，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，经过加捻器加捻后，形成前驱体纳米纤维纱线；3)煅烧：对步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线进行煅烧处理，加热至180～240℃，预热1～2小时，然后升温至600～800℃的保温温度，保温3～5小时后，降温至室温，即得柔性纳米纱线。作为优选，所述步骤1)中，所述纺丝前驱液包含聚乙烯醇、硅酸四乙酯、磷酸和水。作为优选，所述步骤1)为：在反应釜中依次加入聚乙烯醇和去离子水，在50℃的水浴搅拌待聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温得质量百分百11％的聚乙烯醇溶液，作为溶液A；在另一反应釜中将硅酸四乙酯、去离子水和磷酸按质量比1∶1∶0.02的比例配置成溶液，并在室温下搅拌至形成透明溶液，作为溶液B；将溶液A和溶液B按质量比为1∶1的比例混合，并在室温下搅拌均匀即得纺丝前驱液。作为优选，所述步骤3)中保温温度设为800℃。作为优选，所述步骤3)为：将步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线放入管式炉中，在空气氛围中以5℃/min的升温速率加热至180℃，预热1小时，然后以3℃/min的升温速率加热至800℃，在800℃的温度中保温4小时，自然降温的室温之后，获得了无杂质的柔性无机纳米纤维纱线。作为优选，所述双喷头静电纺丝装置包括两个纺丝喷头，储液机构，高压电源和收集极，所述储液机构包括与两个所述纺丝喷头对应设置的两个储液容器和两个用于控制纺丝喷头的出液速度的纺丝液驱动装置，所述高压电源包括一个正高压电源和一个负高压电源，一个纺丝喷头连接所述正高压电源的正极，另一纺丝喷头连接所述负高压电源电源负极，所述正高压电源负极和所述负高压电源正极均接地设置；两个所述纺丝喷头的喷射口设于同一水平高度，且两个所述纺丝喷头的喷射口相对设置，所述加捻器设为喇叭型，所述加捻器的中轴线竖直设置，所述加捻器的大喇叭口位于两个所述喷射口中间，所述收集极设为滚筒收集极，所述滚筒收集极设于所述加捻器大喇叭口的正下方以收集前驱体纳米纤维纱线，所述收集极接地。作为优选，所述储液容器设为注射器针管，所述纺丝喷头设为注射器针头，所述纺丝液驱动装置设为微量注射泵，所述注射器针管安装在所述微量注射泵上；所述滚筒收集极的收集滚筒的转速为0～500转/分钟，所述加捻器的大喇叭口与所述收集滚筒的竖直距离为10～45厘米，所述加捻器的中轴线与收集滚筒的中轴线垂直设置；所述步骤2)中，所述纺丝喷头喷射口与收集极间的竖直间距为20～25cm，正高压电源的电压为15kV～20kV，负高压电源的电压为-15kV～-20kV，纺丝喷头的出液速率为18～25微升/分钟。作为优选，所述步骤2)中，设备开启时，设置纺丝喷头喷射口与滚筒收集极的竖直距离为20cm，正高压电源电压为16kV，负高压电源电压为-16kV；两个所述微量注射泵的推进速率均为18微升/分钟；设置滚筒收集极的转速为6转/分钟。本专利技术还公开了一种柔性无机纳米纤维纱线由上述的制备方法制得。作为优选，为纯二氧化硅纳米纤维纱线，其最大弯曲曲率大于等于4.2。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法，该方法通过静电纺纳米纤维纱线技术和特殊的煅烧工艺控制，可制得能大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线，能够拓展无机纳米纤维材料的应用领域，且该制备方法简单，具有很好的应用前景。附图说明图1为本实施例所用的静电纺纳米纤维纱线设备的结构示意图；图2为实施例1的制得的无机纳米纤维纱线的SEM照片；图3为实施例2的制得的无机纳米纤维纱线的SEM照片；图4为实施例3的制得的无机纳米纤维纱线的SEM照片；图5为煅烧保温温度与纱线最大曲率关系曲线；图6为样品二氧化硅纳米纤维纱线的光谱测试图；图1中：1-纺丝喷头，2-储液容器，3-纺丝液驱动装置，4-正高压电源，5-负高压电源，6-滚筒收集极，7-加捻器。具体实施方式下面，通过示例性的实施方式对本专利技术进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，采用静电纺纳米纤维纱线设备，所述静电纺纳米纤维纱线设备包括双喷头静电纺丝装置，和以及用于将所述双喷头静电纺丝装置喷射出的纤维加捻成纱线的加捻器7，所述双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头1分别接高压电源的正极和负极，所述制备方法包括以下步骤：1)制备纺丝前驱液：配置含有机高分子材料、钛源和/或硅源的纺丝前驱液，所述硅源为硅酸四乙酯，所述钛源为钛酸四丁酯；2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液注入双喷头静电纺丝装置的储液机构中，调节纺丝距离和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，采用静电纺纳米纤维纱线设备，所述静电纺纳米纤维纱线设备包括双喷头静电纺丝装置，和以及用于将所述双喷头静电纺丝装置喷射出的纤维加捻成纱线的加捻器，所述双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别接高压电源的正极和负极，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：/n1)制备纺丝前驱液：配置含有机高分子材料、钛源和/或硅源的纺丝前驱液，所述硅源为硅酸四乙酯，所述钛源为钛酸四丁酯；/n2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液注入双喷头静电纺丝装置的储液机构中，调节纺丝距离和纺丝电压，开启静电纺纳米纤维纱线设备，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，经过加捻器加捻后，形成前驱体纳米纤维纱线；/n3)煅烧：对步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线进行煅烧处理，加热至180～240℃，预热1～2小时，然后升温至600～800℃的保温温度，保温3～5小时后，降温至室温，即得柔性纳米纱线。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，采用静电纺纳米纤维纱线设备，所述静电纺纳米纤维纱线设备包括双喷头静电纺丝装置，和以及用于将所述双喷头静电纺丝装置喷射出的纤维加捻成纱线的加捻器，所述双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别接高压电源的正极和负极，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)制备纺丝前驱液：配置含有机高分子材料、钛源和/或硅源的纺丝前驱液，所述硅源为硅酸四乙酯，所述钛源为钛酸四丁酯；
2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液注入双喷头静电纺丝装置的储液机构中，调节纺丝距离和纺丝电压，开启静电纺纳米纤维纱线设备，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，经过加捻器加捻后，形成前驱体纳米纤维纱线；
3)煅烧：对步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线进行煅烧处理，加热至180～240℃，预热1～2小时，然后升温至600～800℃的保温温度，保温3～5小时后，降温至室温，即得柔性纳米纱线。


2.根据权利要求2所述的柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述纺丝前驱液包含聚乙烯醇、硅酸四乙酯、磷酸和水。


3.根据权利要求2所述的柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述步骤1)为：在反应釜中依次加入聚乙烯醇和去离子水，在50℃的水浴搅拌待聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温得质量百分百11％的聚乙烯醇溶液，作为溶液A；在另一反应釜中将硅酸四乙酯、去离子水和磷酸按质量比1∶1∶0.02的比例配置成溶液，并在室温下搅拌至形成透明溶液，作为溶液B；将溶液A和溶液B按质量比为1∶1的比例混合，并在室温下搅拌均匀即得纺丝前驱液。


4.根据权利要求2所述的柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中保温温度设为800℃。


5.根据权利要求4所述的柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述步骤3)为：将步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线放入管式炉中，在空气氛围中以5℃/min的升温速率加热至180℃，预热1小时，然后以3℃/min的升温速率加热至800℃，在800℃的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫旭，代章，秦梅，闫芳芳，孟鑫，朱淑芳，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37