[发明专利]一种同轴静电纺丝制备表面粗糙二氧化硅纤维的方法

说明书

技术领域：

本发明特别涉及一种同轴静电纺丝制备表面粗糙的超细二氧化硅纤维的方法，属于超细二氧化硅纤维材料领域。

背景技术：

二氧化硅纤维(玻纤)性价比高，广泛用作聚合物复合材料的增强材料，产品涉及汽车、航天航空、医疗器械、电器绝缘等领域。与常规纤维相比，超细纤维具有较大的比表面积，较高的表面能和活性，易表面功能化且机械性能优良，在过滤、生物医药、纳米催化、纳米复合材料等领域存在巨大的潜在用途。Hao Feng等利用静电纺丝技术制备了超细二氧化硅纤维，并用作牙齿增强材料，取得良好效果。

目前，静电纺丝法是制备超细纳米纤维的主要方法之一。静电纺丝技术是使带电的高分子溶液(或熔体)在高压静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。静电纺丝技术中，同轴静电纺技术是制备核壳结构纤维的重要方法，其原理是，电纺过程中，壳层粘性溶液在高压电场中通过对核层溶液形成“摩擦剪切力”而带动核层溶液形成同轴射流，该同轴射流的形成是成功制备同轴纳米纤维的关键因素。该方法是对核层纤维进行表面修饰的有效手段之一。

电纺制备的超细二氧化硅纳米纤维由于具有高比表面积、高强度等优点，引起了科研工作者的广泛兴趣。通常以正硅酸乙酯为硅源，结合溶胶凝胶原理，利用静电纺丝技术可成功制备二氧化硅纤维。

现有静电纺丝技术制备的二氧化硅纤维表面呈光滑状态，与同直径的表面修饰为粗糙状的纤维相比，比表面积较小，并且与基体材料结合时，缺乏物理啮合作用，界面较弱。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种同轴静电纺丝技术制备表面粗糙二氧化硅纤维的方法。使纤维表面更粗糙，增大比表面积，改善界面结合，进而提高复合材料的性能，使纤维具有更重要的应用价值。

本发明提供的一种同轴静电纺丝制备表面粗糙二氧化硅纤维的方法，具体制备条件和步骤如下：

步骤一：将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂(所述溶剂优选N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、无水乙醇或去离子水)中，制成质量浓度为1～60％的均一聚合物溶液；另将正硅酸乙酯溶于由酸性水溶液与无水乙醇组成的混合溶液中，制成质量浓度为1～95％的溶胶溶液，然后将聚合物溶液和溶胶溶液按溶质聚乙烯吡咯烷酮与正硅酸乙酯质量比为1∶0.01～40的比例混合，制成核层前驱体溶液。

所述酸性水溶液优选pH值为1～6的盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、碳酸或磷酸的水溶液中的一种。

酸性水溶液与无水乙醇的体积比优选为1∶0.2～5。

步骤二：将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂(溶剂与步骤一中所用溶剂相同)中，搅拌形成质量浓度1～50％的均一溶液；然后将白炭黑加入上述溶液中，加入的量为白炭黑与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1～50∶100，制成壳层前驱体溶液。

步骤三：核层前驱体溶液和壳层前驱体溶液置于喷丝头为套筒结构的静电纺丝装置中，静电纺丝装置是由高压电源、注射泵、喷丝头及接收器组成的纺丝装置。设置静电纺丝参数为，核层溶液喷丝头内径0.1～0.5mm，壳层溶液喷丝头内径0.6～1.0mm，对于喷丝头的壁厚没有特殊要求，只要内外层(核壳层)能够相互套合即可。核层溶液流速0.1～1.6ml/h，壳层溶液流速0.1～2.0ml/h，电压5～25KV，接收器距离6～30cm，纺丝环境温度0～60℃，纺丝环境相对湿度1～80％，待射流稳定后，用接收器接收，可得到核壳结构的纤维网膜。

步骤四：将步骤三所得纤维网膜于300～500℃下(可将纤维网膜置于空气气氛的高温控制箱中)保温2～24h，然后升温到600～1200℃烧蚀0.5～4h，自然冷却至室温，这一处理使有机物得以去除，即得到表面粗糙的二氧化硅纤维，纤维直径分布在200～1000nm。