[发明专利]一种通过静电纺丝制备二维片层结构纳米二氧化钛纤维的方法

说明书

本发明提供一种通过静电纺丝制备二维片层结构纳米二氧化钛纤维的方法，该方法是将聚乙烯吡咯烷酮溶解于有机溶剂作为混合溶液A，将乙酰丙酸、硝酸和钛酸四丁酯添加至有机溶剂中所得混合溶液作为混合溶液B，将混合溶液A与混合溶液B以等质量的方式混合后作为纺丝液在限定条件下进行静电纺丝，即得二维片层结构纳米二氧化钛纤维。方法利用含硝酸的双组分混合溶液作为纺丝液，并对静电纺丝的工艺参数进行了调整，从而使得静电纺丝过程中纺丝在径向受力形变形成二维片层结构的纳米二氧化钛纤维；该方法制备所得纤维其主要宽度集中于1～10μm，主要厚度集中于15～150nm，具有良好的二维片层结构。

技术领域

本发明属于高分子材料及其制备技术领域，尤其涉及一种通过静电纺丝制备二维片层结构纳米二氧化钛纤维的方法。

背景技术

二氧化钛在光学性质上有很高的折射率，在电学性质上则具有很高的介电常数，因此无机材料工业中它是制备高折射率光学玻璃以及电容器陶瓷、热敏陶瓷和压电陶瓷的主要原料。

现有技术中，通常采用溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛，在经过煅烧后所得纳米二氧化钛材料为粉末状，在电子显微镜下其外表形貌呈现为微纳米级的球形或不规则形状。但随着研究的逐步发展，二氧化钛类介电填料受到了原本材料形貌为球形或者线性的限制，导致复合材料的性能提升幅度有限。虽然目前还没有一个制备二维介电填料的普及方法，但通过计算拟合模型能够初步证实当填料的形貌为二维片层时，其介电性能是球形、线性、无规则等形貌中最优的一种。例如在《Polymer Nanocomposites electrical andthermal properties》一书中提到二维填料在制备复合介电材料方面有较大潜力，只可惜现在还没有二维的高介电的陶瓷绝缘填料。

静电纺丝作为制备纳米材料的主要方式之一，往往被应用于制备微纳米球和一维纳米结构材料。目前，A.Koski在Materials Letters期刊上发表了“Effect of molecularweight on fibrous PVA produced by electrospinning”一文中指出，当利用具有限定分子量的有机物作为静电纺丝的纺丝液主要组分时，通过静电纺丝工艺有概率制备得到二维片状结构的宽带纺丝。但上述文献中并没有对静电纺丝制备二维片状结构纺丝的机理和原理进一步探究，同时其方法局限于利用具有特定分子量的有机物作为纺丝液主要组分，无法应用于无机类纳米材料的静电纺丝工艺制备。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足之处，提供一种通过静电纺丝制备二维片层结构纳米二氧化钛纤维的方法，该方法利用含硝酸的双组分混合溶液作为纺丝液，并对静电纺丝的工艺参数进行了调整，从而使得静电纺丝过程中纺丝在径向受力形变形成二维片层结构的纳米二氧化钛纤维；该方法制备所得纤维其主要宽度集中于1～10μm，主要厚度集中于15～150nm，具有良好的二维片层结构。

为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

一种通过静电纺丝制备二维片层结构纳米二氧化钛纤维的方法，包括以下步骤：

(1)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于静电纺丝用有机溶剂中，混合均匀后得混合溶液作为混合溶液A，所述混合溶液A中聚乙烯吡咯烷酮的含量为5～25wt％；

(2)将乙酰丙酸、硝酸和钛酸四丁酯添加至静电纺丝用有机溶剂中，溶解、混合均匀后得混合溶液作为混合溶液B；其中，混合溶液B中乙酰丙酸5～20wt％，硝酸0.3～1.5wt％，钛酸四丁酯10～15wt％；

(3)将混合溶液A与混合溶液B以等质量的方式混合后，搅拌至少2h使之混合均匀，然后超声处理至少15min除去混合溶液中的气泡，作为纺丝液；

(4)将步骤(3)所得纺丝液进行静电纺丝，收集得到二维片层结构纳米二氧化钛纤维；其中，所述静电纺丝的工艺条件为：温度控制为25～60℃，湿度维持在40～80％，纺丝过程中的电压为1.3～2kV/cm。