[发明专利]具有分级结构的二氧化钛薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛薄膜材料领域，特别涉及具有分级结构的二氧化钛薄膜材料及其制备方法。

发明背景

二氧化钛是一种性能优异的粉体材料，具有无毒、环保、价格低廉等优点，广泛用于建筑涂料、光催化、太阳能电池等方面。二氧化钛的制备方法很多，常用的有化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、电化学方法、反应溅射法、液相沉积法、离子自组装技术等。气相法是将含有构成薄膜成分的一种或几种化合物和单质气体供给基片，在基片表面产生化学反应而形成不挥发的固态膜层或材料的方法，其原理见“TiO₂纳米薄膜的制备及应用进展”(李小甫，光电子技术与信息，2003，16(3)：6)和“纳米二氧化钛制备方法的研究进展”(马军委，无机盐工业，2006，38(10)：5)。气相法中应用较广泛的有四氯化钛气相法、钛醇盐气相沉积法磁控溅射法等，其技术方案和工艺路线在ZL01138059.4、ZL200610033694.4，ZL01806857.X、ZL01134335.4等中有详细叙述。

液相法包括溶胶-凝胶法、水热合成法等。溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化处理形成氧化物或其它固体化合物的方法.其过程为：将酯类或金属醇盐溶于溶剂，在溶剂中均匀混合并进行水解反应和聚合反应，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，采用旋涂法和提拉法制膜，然后经过热处理得到所需薄膜。其原理和工艺路线可参考“溶胶-凝胶法合成TiO₂纳米粉末和薄膜”(包定华，无机材科学报，1996，11(3)：454)。水热合成法是指在密封的压力容器中，以水为溶剂，在高温高压的条件下进行的化学反应，不需要高温煅烧和粉碎等后续处理，是一种制作陶瓷材料的新方法，在Hydrothermal synthesis of advanced ceramic powders(Dawson，America Ceramic Society Bull，1988，67(10)：1673)中有详细论述。近年来水热合成法也被用于二氧化钛材料的制备，见“超细TiO2的合成研究”(祖庸，西北大学学报，1998，28(1)：51)以及ZL02138370.7，ZL02150721.X、ZL01141981.4等。

利用上述方法也可以制备出二氧化钛薄膜，但制备出的二氧化钛薄膜一般均是单一结构或单一晶型的二氧化钛晶粒组成。利用不同形貌和晶型的二氧化钛纳微米材料通过有序复合、形成多重分级结构的二氧化钛薄膜材料的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供具有分级结构的二氧化钛薄膜材料。

本发明的再一目的是提供一种具有分级结构的二氧化钛薄膜材料的制备方法。

本发明的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料是由直径为2～6微米的二氧化钛纤维相互交织构成的厚度为20～100微米的二氧化钛薄膜，其中二氧化钛纤维是由以锐钛矿型的二氧化钛线为中心和有序生长在二氧化钛线上的金红石型的二氧化钛纳米棒组成，二氧化钛纳米棒的直径约为100～300nm、长度约为1～3微米。

所述的二氧化钛线的直径在0.2～2微米之间。

所述的相互交织的二氧化钛纤维使用静电纺丝法制得，所述的二氧化钛纳米棒由水热合成法制备。

所述的静电纺丝法是一种新型的制备纤维及无纺薄膜的方法，其原理和工艺可参考“Three-point bending of electrospun TiO₂ nanofibers”(Sung-HwanLee，Materials Science and Engineering A，Volume 398，Issues 1～2，2005，p77)和US2005109385-A1。

所述的静电纺丝法使用的静电纺丝设备一般由高压直流电源、给液装置、喷射装置和接收装置等四部分组成，其中高压直流电源的最大输出电压为30KV，喷射装置可以为单孔型、多孔型等，接收装置为导电的金属盘、金属网或导电玻璃等。该设备的结构可参考“静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景”(覃小红，《高科技纤维与应用》2004，29(2)：28)。

本发明的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料的制备方法包括以下步骤：

1).配制静电纺丝用二氧化钛前驱体溶胶，所述的静电纺丝用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为0.2～2％的聚乙烯吡咯烷酮(以下简称PVP)、质量浓度为10～30％的醋酸，质量浓度为10～30％的钛酸酯或钛酸盐及余量为乙醇组成；