[发明专利]一种氧化硅纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种可弯折的，拥有较高柔韧性和难燃性质的 氧化硅纳米纤维的制备方法。

背景技术

在油气储运和油田开发自动化智能化进程中，光纤传感器的开发成为当前动态监测的工 作热点。然而，光纤机械性能不佳。核心部分是高折射率氧化硅玻璃纤维，机械强度只有0.2 GPa左右，具有易碎的特点。由于运输问题以及安装操作人员的人为疏失，大部分光纤在安 装初期就无法正常使用。因而极大的限制了该项技术在油田企业大规模推广。在保证机械强 度的同时，开发出一种具有高柔韧性的氧化硅纤维材料成为迫切需要解决的问题。

长久以来，科学家一直致力于寻找兼具理想机械强度和柔韧性的新型纤维材料以满足化 工、电子、军事等领域的特殊要求。为此，科研人员对多种自然纤维材料(如蜘蛛丝、蚕丝 等)和人工合成纤维材料(如高分子聚合物纤维、合金纤维等)进行了大量的断裂机制研究。 然而，经过了数十年的努力，研发可同时具有高强度高延展性的纤维材料依然是一项巨大的 挑战。这主要源自于材料自身杨氏模量与机械强度属性之间的本质矛盾关系。通常，杨氏模 量低的材料具有较强的塑性变形能力，但这也意味着该材料原子之间的键合能力较弱，因而 导致机械强度的降低。自从碳纳米管被发现后，一维纳米纤维因其特有的微观结构和藉此衍 生的小尺寸效应所展现出与宏观纤维材料显著不同的高机械性能，宽泛的杨氏模量调变范围 以及可观的弹性形变极限(4％-7％)，使其成为了下一代高强度高延展性纤维的热门候选(S. Hao等，Science，2013，339，1191-1194.)。到目前为止，已经有多种高强度纳米纤维被研 发出来，例如：银纳米线，铜纳米线，锗纳米线，硫化物纳米线以及高分子聚合纳米纤维等。

随着对非晶固体，尤其是非晶氧化硅玻璃材料断裂变形机理的探索深入，越来越多的研 究意识到氧化硅分子结构具有较强的局部灵活性，特别是Si-O-Si键和O-Si-O键分别可以自 由旋转～9-12°和5°。在纳米尺度上，这一独特的长程无序网状结构会驱使缺陷位点自发 形成纳米空腔，减少断裂键以保持内部原子之间的关联性，降低体系内能。这些纳米空腔就 像粘性流体中的气泡，能够稀释原子密度，诱导产生局部粘性流区域，有效改善非晶氧化硅 材料局部区域的延展性能，表现出类似于金属合金的柔韧性。因此，当非晶氧化硅的尺度限 制在纳米级别，将会表现出与宏观氧化硅易碎性显著不同的机械效能(G.Brambilla等，Nano Lett.，2009，9，831-835)。此外，通过与一维纳米纤维结构结合，可以有效的将缺陷位对 机械强度的影响限制在很小的范围内，进而获得同时具备高机械强度(单轴拉伸强度可达8 GPa以上)和高延展性(延展率>100％)的氧化硅纳米纤维材料。

前期分子动力学模拟初步阐释了这一方案的可行性(Y.C.Chen等，Phys.Rev.Lett.， 2007，99，155506)。随后直接原子尺度实验研究进一步证实在纳米氧化硅纳材料中制造氧空 穴和离子缺陷，在保证较高机械强度的同时可以显著增强单轴拉伸延展性(K.Zheng等，Nat Comm.，2010，1，1-8)。尽管有部分报告显示超高强度氧化硅纳米线可以通过自上而下加工 技术和高温气相法来实现(L.M.Tong等，NanoLett.，2005，5，259-262)。但是由于合 成温度较高，往往造成纳米线产品中缺陷位较多，柔韧性不佳。到目前为止，依然缺少能够 在较低能耗下大规模制备高柔韧性氧化硅纳米纤维的有效方法。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种氧化硅纳米纤维的制备方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种氧化硅纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

a将硅溶胶与硝酸盐溶液混合并超声分散，待硝酸盐溶液溶解后加入乙二胺，搅拌均匀， 得到混合溶液；

b将步骤a得到的混合溶液移入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭后在高温烘 箱中静置，进行水热反应；

c反应完成后，取出反应釜并冷却至室温，收集得到反应釜内的沉淀物，再将沉淀物洗 涤后，得到氧化硅纳米纤维粗产物；

d将步骤c得到的氧化硅纳米纤维粗产物加入到盐酸溶液中，在恒温水浴下搅拌，除去 氧化硅纳米纤维粗产物中的杂质组分，再经离心分离，得到氧化硅纳米纤维成品。