[发明专利]一种取向排列钛酸钡纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用静电纺丝技术制备取向排列钛酸钡纳米纤维的制备方法。

背景技术

钛酸钡(BTO)具有优异的压电、介电和铁电性能，因此其在微电子以及光电子领域具有广泛的运用，例如多层陶瓷电容器(MLCC)，铁电随机存取储存器(FRAM)和铁电场效应晶体管(FDRAM)等。

目前合成钛酸钡的方法有很多，包括高温固相烧结法，溶胶-凝胶法和水热合成法。总的来说可以分为固相法和液相法两大类。固相烧结法是指将固体反应原料按照配比混合，采用研磨的方法使之粉碎并均匀混合，然后在高温下使之反应制备的方法。高温固相法生产钛酸钡的主要原料是碳酸钡和二氧化钛。此方法成本低，产量高，仍是合成钛酸钡粉体的重要方法。但是该方法所得到的钛酸钡产物纯度不够高，粉体颗粒尺寸大，不能对产物形貌进行精确控制。

溶胶-凝胶法则是一种以液相反应为基础，将金属醇盐或者无机醇水解并使之溶胶凝胶化，然后将其干燥并烧结得到粉体的一种方法。与传统的固相烧结法相比，这种方法得到的钛酸钡纯度高，粉体尺寸小。但是无法得到一维结构的钛酸钡纳米线(纤维)，无法满足实验科研领域对钛酸钡一维纳米材料的需求。

水热合成法制备钛酸钡是通过在高温高压的条件下合成钛酸钡，这种方法一般在特定的反应釜中进行。通过改变温度和压力以及原料的配比，可以对得到的钛酸钡进行形貌及尺寸进行控制，例如纳米线，纳米粒子等。但是水热法得到的纳米线的长径比相对较小，且无法控制纳米线之间的相互排列。

目前已经有关于钛酸钡纳米棒、纳米线的相关报道。国家发明专利(专利号ZL200510032583.7)提供了一种钛酸钡纳米棒的制备方法。此方法以烷基酚聚氧乙烯(10)醚(OP-10)、正乙醇、环己烷和水组成微乳液，以钛酸丁酯和氢氧化钡为原料，通过反束装微乳液具有的自组装特性制备出钛酸钡纳米棒。国家发明专利(专利号201410008576.2)提供了一种钛酸钡纳米针的制备方法。此方法以钛酸钡、钛酸四丁酯为原料，水为溶剂。利用水热合成法得到钛酸钡纳米针白色絮状产物。

虽然与纳米针、纳米线同属于一维纳米材料，但是取向排列的钛酸钡纳米纤维相比长径比更大，结构均一性更好。基于其特殊的结构特性，这种结构的钛酸钡纳米纤维与其他材料复合，可以显著增加表面极化效应从而提高击穿强度。这将为制备高储能密度柔性介电材料提供一种新的途径，在高储能密度介电电容器领域发挥巨大作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术钛酸钡纤维合成中存在的不足，提供一种制备具有取向排列的钛酸钡纳米纤维的方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种取向排列钛酸钡纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)纺丝液的制备：将乙酸钡与钛酸四丁酯按照摩尔比1:1的比例溶解在乙酸中，制备前驱体溶液，前驱体溶液中乙酸钡的质量百分数为5％-30％；将一定量聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇中，制备高分子溶液基体，高分子溶液基体中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分数为10％-20％；将前驱体溶液与聚乙烯吡咯烷酮溶液搅拌混合均匀，得到纺丝液；

(2)钛酸钡/聚乙烯吡咯烷酮复合纤维的制备：将前述纺丝液用微量注射泵将静电纺丝液从注射器中注出进行静电纺丝，高压发生器的阳极与注射器末端连接，阴极与收集装置中的导体收集板相连，所述收集装置由绝缘基板和纵向平行布设于绝缘基板上的两块导体收集板组成，两个导体收集板之间的距离控制为5mm-30mm，导体收集板的长度控制为30mm-50mm，其中：静电纺丝电场强度控制为0.5kv/cm-2kv/cm，微量注射泵流速即静电纺丝液流速控制为0.1-0.5ml/h，纺丝过程在15℃-25℃下进行，静电纺丝产物横向收集于两块导体收集板之间；

(3)高度取向钛酸钡纳米纤维的制备：对得到的钛酸钡/聚乙烯吡咯烷酮复合纤维进行热处理除去聚乙烯吡咯烷酮得到高度取向的钛酸钡纳米纤维。

按上述方案，纺丝液中乙酸钡与聚乙烯吡咯烷酮的质量比优选控制为0.6-1.5：1。

按上述方案，静电纺丝时间为0.5-2min。

按上述方案，所述的热处理为：将得到的复合纤维放入管式炉中，以2-8℃/min的速率升至600℃-900℃，保温1-3小时，再以2-8℃/min的速率降至室温。

按上述方案，钛酸钡纳米纤维直径可控制在100nm-300nm。