一种静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法技术

本发明专利技术公开了一种静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法，属于材料制备技术领域。上述方法包括：分别称取核层、壳层聚合物溶解于对应的溶剂中，采用同轴静电纺丝，调整纺丝参数，制备得到同轴结构的碳化硅前驱体微球，然后于真空烘箱中干燥；所述壳层聚合物包括聚碳硅烷；将碳化硅前驱体微球在空气氛围中进行热处理完成固化交联；将固化交联后的微球在氮气氛围中进行高温热分解，消除微球核层基体，壳层聚合物转化为碳化硅，即可得到碳化硅中空微球。本发明专利技术方法成功克服了低分子量聚碳硅烷前驱体在常温下不易成型、难以直接电喷转化成微球的问题，且得到的碳化硅中空微球具有低密度、耐高温的特性，具有较强应用性。具有较强应用性。具有较强应用性。

【技术实现步骤摘要】
一种静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法


[0001]本专利技术涉及材料合成和制备
，特别是指一种静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法。

技术介绍

[0002]碳化硅是一种具有良好力学、高导热率、高介电常数、耐高温、耐腐蚀、耐磨等优异性能的先进陶瓷材料。近几年，由于碳化硅优异的力学和热学性能，使得碳化硅材料在航空航天、国防、石油化工、新能源等领域都有着广泛的应用。
[0003]目前，碳化硅主要有常压烧结、热压烧结碳化、反应烧结、静电纺丝法等几大类制备方法。不同的制备方法的工艺条件各有差异，得到的碳化硅性能不同。其中前3种方法常常需要添加烧结助剂，易引入杂质相，影响产品性能等问题。而静电纺丝法是一种具有无烧结添加剂、分子结构可设计性、陶瓷成分可控且纯度高、产品性能良好等独特优势的方法，可通过有机聚合物热分解转化为碳化硅。静电纺丝被认为是一种制备聚合物微球的有效技术，其制备工艺可设计性强，易于实现功能掺杂和微纳结构设计。静电纺丝技术是先进陶瓷制备技术的重大研究突破，在制备碳化硅低维(如纤维、薄膜、涂层)陶瓷方面具有广泛的应用前景。
[0004]尽管静电纺丝技术的优势十分显著，但在制备碳化硅微球方面却存在一定困难。中国专利CN106757529A公开了一种具有电磁吸波效应的柔性疏水碳化硅纳米纤维布的制备方法，采用静电纺丝法技术和聚合物转化陶瓷结合得到碳化硅纳米纤维。
[0005]但是，低分子量的聚碳硅烷前驱体在常温下不易成型，采用单轴的静电纺丝技术难以直接电喷转化成微球。故采用静电纺丝技术制备碳化硅中空微球领域仍存在空白。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法。本专利技术方法成功克服了低分子量聚碳硅烷前驱体在常温下不易成型、难以直接电喷转化成微球的问题，填补了采用同轴静电纺丝法制备碳化硅中空微球的空白，且得到的碳化硅中空微球具有低密度、耐高温的特性，具有较强应用性。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：
[0008]一方面，本专利技术提供一种静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法，利用同轴静电纺丝方法，分别在同轴针头内外两个纺丝通道加入一种或几种不同的聚合物，通过调节静电纺丝参数，制备核壳直径可控的碳化硅前驱体微球，进一步合理调配碳化硅前驱体微球煅烧工艺，消除核层聚合物基体，得到碳化硅中空微球。具体的，包括以下步骤：
[0009](1)分别称取核层、壳层聚合物溶解于对应的溶剂中，室温下磁力搅拌得到均匀的核层、壳层纺丝液，采用同轴静电纺丝，调整纺丝参数，制备得到同轴结构的碳化硅前驱体微球，然后于60℃真空烘箱中干燥2h；所述壳层聚合物包括聚碳硅烷；
[0010](2)将碳化硅前驱体微球在空气氛围中进行热处理完成固化交联；
[0011](3)将固化交联后的微球在氮气氛围中进行高温热分解，消除微球核层基体，壳层聚合物转化为碳化硅，即可得到碳化硅中空微球。
[0012]进一步的，所述步骤(1)中，核层聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚苯乙烯(PS)、聚环氧乙烷(PEO)等可用于静电纺丝并且易制备微球的聚合物。
[0013]进一步的，所述壳层聚合物还包括高分子量聚合物聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等可用于直接静电纺丝成微球的聚合物。
[0014]优选的，有机溶剂为与聚合物对应的常温下具有高挥发性的良溶剂，所述壳层聚合物溶剂为N，N
‑
二甲基甲酰胺和/或三氯甲烷；所述核层聚合物溶剂为N，N
‑
二甲基甲酰胺、去离子水和三氯甲烷中的至少两种。
[0015]进一步的，所述聚碳硅烷浓度为1
‑
10wt％；所述高分子量聚合物浓度为1
‑
10wt％；核层纺丝液浓度为4
‑
10wt％。优选的，所述聚碳硅烷浓度为1
‑
8wt％；所述高分子量聚合物浓度为1
‑
8wt％；核层纺丝液浓度为6
‑
8wt％。
[0016]进一步的，所述同轴静电纺丝方法是指利用购置的同轴针头作为喷丝头，并使用静电纺丝设备，利用同轴结构带来的核壳异质效应实现核壳结构前驱体微球；碳化硅前驱体微球粒径为1
‑
10微米；
[0017]所述同轴静电纺丝的纺丝参数为：纺丝电压为15～25kV，喷丝头到接收板的距离为10～23cm，室温温度为25～30℃，核层溶液推进速度为0.01～0.02mL/min，壳层溶液推进速度为0.01～0.02mL/min。优选的，所述纺丝参数：纺丝电压18kV，喷丝头到接收板的距离为15～23cm，室温温度在25～30℃，核层推进速度0.014～0.018mL/min，壳层推进速度0.014～0.018mL/min。
[0018]进一步的，所述步骤(2)中，热处理固化交联温度为190℃，恒温时间6
‑
9h，优选6h。
[0019]进一步的，所述步骤(3)中，高温煅烧升温速度为10
‑
25℃/min，升温目标为1200
‑
1600℃，恒温时间为2
‑
6h。所述高温煅烧升温速度优选5～10℃/min，升温目标优选1300～1500℃，恒温时间优选2～3h。
[0020]同轴静电纺丝，结构示意图见图1，它是在传统静电纺丝技术上发展起来的新方法，可制备连续的核壳结构纳米材料。纺丝时，将核层和壳层纺丝液分别装在两个不同的注射器中，并与两根同轴但内径不同的针管组成的喷丝系统相连接，在高压电场作用下，壳层纺丝液流出后与核层纺丝液汇合，固化前两种液体不会混合到一起。壳层纺丝液在高压场中拉伸，并在核层纺丝液交界面产生强大的剪切应力，使核层纺丝液在剪切应力作用下，沿着壳层同轴运动，同时拉伸变形并固化成为超细同轴复合纳米纤维或微球。
[0021]为此，本专利技术以核层聚合物为聚合物支撑骨架，以掺杂有高分子量聚合物的聚碳硅烷为壳层聚合物，采用同轴静电纺丝法制备核壳碳化硅前驱体微球，成功克服了低分子量的聚碳硅烷前驱体在常温下不易成型，难以直接电喷转化成微球的问题，同时核层聚合物与壳层中掺杂的高分子量聚合物在高温下裂解可形成碳化硅中空微球，降低材料密度。本专利技术填补了采用静电纺丝法制备碳化硅中空微球领域的空白，得到的碳化硅中空微球具有低密度、耐高温的特性，具有较强应用性。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]1.本专利技术填补了采用静电纺丝法制备碳化硅中空微球领域的空白，实验操作简单；
[0024]2.本专利技术采用同轴静电纺丝法，以核层聚合物为支撑骨架，以掺杂有高分子量聚合物的聚碳硅烷为壳层(核层聚合物优选PVP、PEO、PVA、PS，掺杂的高分子量聚合物优选PEO、PAN、PS、PVP等可直接电纺成微球的聚合物)，制备核壳碳化硅前驱体微球，成功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别称取核层、壳层聚合物溶解于对应的溶剂中，室温下磁力搅拌得到均匀的核层、壳层纺丝液，采用同轴静电纺丝，调整纺丝参数，制备得到同轴结构的碳化硅前驱体微球，然后于60℃的真空烘箱中干燥2h；所述壳层聚合物包括聚碳硅烷；(2)将碳化硅前驱体微球在空气氛围中进行热处理完成固化交联；(3)将固化交联后的微球在氮气氛围中进行高温热分解，消除微球核层基体，壳层聚合物转化为碳化硅，即可得到碳化硅中空微球。2.根据权利要求1所述的静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，核层聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚环氧乙烷中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法，其特征在于，所述壳层聚合物还包括高分子量聚合物，所述高分子量聚合物为聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法，其特征在于，所述壳层聚合物的对应溶剂为N，N
‑
二甲基甲酰胺和三氯甲烷；所述核层聚合物的对应溶剂为N，N
‑
二甲基甲酰胺、去离子水和三氯甲烷中的至少两种。5.根据权利要求4所述的静电纺丝法制备碳化硅中空微球的方法，其特征在于，所述聚碳硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘凯，张明慧，赵彪，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：