柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法与流程

本发明属于纳米纤维技术领域，具体涉及柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法。

背景技术：

近年来，通过静电纺丝法制备的无机纳米纤维有sio2、zro2、tio2、al2o3、zno等数十种，电纺无机纳米纤维虽种类较多，但多数脆性较大，不能弯折，限制了其在柔性器件中的应用。

可通过在静电纺丝装置中加设加捻器构成静电纺纳米纤维纱线设备，从而将纳米纤维制成纱线结构，来提高电纺纳米纤维的柔韧性。例如，中国专利cn110607582a公开了一种静电纺制备连续pan压电纱线的方法，可采用静电纺纳米纤维纱线设备制备pan压电纱线。

但是，基于纯无机纳米纤维的脆性，即便将其制成纱线结构也不能达到理想的提高材料柔韧性能的作用，无法获得可大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线结构。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明提供了柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法，通过该方法可制得能大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线结构，可拓展无机纳米纤维材料的应用领域，且该制备方法简单，具有很好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，采用静电纺纳米纤维纱线设备，所述静电纺纳米纤维纱线设备包括双喷头静电纺丝装置，和以及用于将所述双喷头静电纺丝装置喷射出的纤维加捻成纱线的加捻器，所述双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别接高压电源的正极和负极，所述制备方法包括以下步骤：

1)制备纺丝前驱液：配置含有机高分子材料、钛源和/或硅源的纺丝前驱液，所述硅源为硅酸四乙酯，所述钛源为钛酸四丁酯；

2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液注入双喷头静电纺丝装置的储液机构中，调节纺丝距离和纺丝电压，开启静电纺纳米纤维纱线设备，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，经过加捻器加捻后，形成前驱体纳米纤维纱线；

3)煅烧：对步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线进行煅烧处理，加热至180～240℃，预热1～2小时，然后升温至600～800℃的保温温度，保温3～5小时后，降温至室温，即得柔性纳米纱线。

作为优选，所述步骤1)中，所述纺丝前驱液包含聚乙烯醇、硅酸四乙酯、磷酸和水。

作为优选，所述步骤1)为：在反应釜中依次加入聚乙烯醇和去离子水，在50℃的水浴搅拌待聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温得质量百分百11％的聚乙烯醇溶液，作为溶液a；在另一反应釜中将硅酸四乙酯、去离子水和磷酸按质量比1∶1∶0.02的比例配置成溶液，并在室温下搅拌至形成透明溶液，作为溶液b；将溶液a和溶液b按质量比为1∶1的比例混合，并在室温下搅拌均匀即得纺丝前驱液。

作为优选，所述步骤3)中保温温度设为800℃。

作为优选，所述步骤3)为：将步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线放入管式炉中，在空气氛围中以5℃/min的升温速率加热至180℃，预热1小时，然后以3℃/min的升温速率加热至800℃，在800℃的温度中保温4小时，自然降温的室温之后，获得了无杂质的柔性无机纳米纤维纱线。

作为优选，所述双喷头静电纺丝装置包括两个纺丝喷头，储液机构，高压电源和收集极，所述储液机构包括与两个所述纺丝喷头对应设置的两个储液容器和两个用于控制纺丝喷头的出液速度的纺丝液驱动装置，所述高压电源包括一个正高压电源和一个负高压电源，一个纺丝喷头连接所述正高压电源的正极，另一纺丝喷头连接所述负高压电源电源负极，所述正高压电源负极和所述负高压电源正极均接地设置；两个所述纺丝喷头的喷射口设于同一水平高度，且两个所述纺丝喷头的喷射口相对设置，所述加捻器设为喇叭型，所述加捻器的中轴线竖直设置，所述加捻器的大喇叭口位于两个所述喷射口中间，所述收集极设为滚筒收集极，所述滚筒收集极设于所述加捻器大喇叭口的正下方以收集前驱体纳米纤维纱线，所述收集极接地。

作为优选，所述储液容器设为注射器针管，所述纺丝喷头设为注射器针头，所述纺丝液驱动装置设为微量注射泵，所述注射器针管安装在所述微量注射泵上；所述滚筒收集极的收集滚筒的转速为0～500转/分钟，所述加捻器的大喇叭口与所述收集滚筒的竖直距离为10～45厘米，所述加捻器的中轴线与收集滚筒的中轴线垂直设置；所述步骤2)中，所述纺丝喷头喷射口与收集极间的竖直间距为20～25cm，正高压电源的电压为15kv～20kv，负高压电源的电压为-15kv～-20kv，纺丝喷头的出液速率为18～25微升/分钟。

作为优选，所述步骤2)中，设备开启时，设置纺丝喷头喷射口与滚筒收集极的竖直距离为20cm，正高压电源电压为16kv，负高压电源电压为-16kv；两个所述微量注射泵的推进速率均为18微升/分钟；设置滚筒收集极的转速为6转/分钟。

本发明还公开了一种柔性无机纳米纤维纱线由上述的制备方法制得。

作为优选，为纯二氧化硅纳米纤维纱线，其最大弯曲曲率大于等于4.2。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的柔性无机纳米纤维纱线及其制备方法，该方法通过静电纺纳米纤维纱线技术和特殊的煅烧工艺控制，可制得能大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线，能够拓展无机纳米纤维材料的应用领域，且该制备方法简单，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本实施例所用的静电纺纳米纤维纱线设备的结构示意图；

图2为实施例1的制得的无机纳米纤维纱线的sem照片；

图3为实施例2的制得的无机纳米纤维纱线的sem照片；

图4为实施例3的制得的无机纳米纤维纱线的sem照片；

图5为煅烧保温温度与纱线最大曲率关系曲线；

图6为样品二氧化硅纳米纤维纱线的光谱测试图；

图1中：1-纺丝喷头，2-储液容器，3-纺丝液驱动装置，4-正高压电源，5-负高压电源，6-滚筒收集极，7-加捻器。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法，采用静电纺纳米纤维纱线设备，所述静电纺纳米纤维纱线设备包括双喷头静电纺丝装置，和以及用于将所述双喷头静电纺丝装置喷射出的纤维加捻成纱线的加捻器7，所述双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头1分别接高压电源的正极和负极，所述制备方法包括以下步骤：

1)制备纺丝前驱液：配置含有机高分子材料、钛源和/或硅源的纺丝前驱液，所述硅源为硅酸四乙酯，所述钛源为钛酸四丁酯；

2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液注入双喷头静电纺丝装置的储液机构中，调节纺丝距离和纺丝电压，开启静电纺纳米纤维纱线设备，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头1分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，经过加捻器7加捻后，形成前驱体纳米纤维纱线；

3)煅烧：对步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线进行煅烧处理，加热至180～240℃，预热1～2小时，然后升温至600～800℃的保温温度，保温3～5小时后，降温至室温，即得柔性纳米纱线。

采用静电纺丝工艺制备无机纳米纤维材料时，需要先电纺具有有机高分子成分的前驱体纳米纤维，再对所得前驱体纳米纤维进行煅烧，以结晶形成无机纤维，并去除有机成分，但是，采用常规煅烧方法制得的去除了有机成分的无机纳米纤维脆性较大，不能随意弯折。而发明人发现，利用静电纺丝技术制成前驱体纳米纤维纱线，再对前驱体纳米纤维纱线的煅烧方法和煅烧温度的控制，采用低于常规煅烧温度的特殊温度范围进行煅烧，可以制得无有机成分且能大幅度弯曲的纯无机纳米纤维纱线，有利于拓展无机纳米纤维材料的应用领域。且该制备方法简单，具有很好的应用前景。

具体的，所述步骤1)中，所述纺丝前驱液包含聚乙烯醇、硅酸四乙酯、磷酸和水。纺丝前驱液包含硅酸四乙酯，终产物可制得sio2无机纳米纤维。

具体的，所述步骤1)为：在反应釜中依次加入聚乙烯醇和去离子水，在50℃的水浴搅拌待聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温得质量百分百11％的聚乙烯醇溶液，作为溶液a；在另一反应釜中将硅酸四乙酯、去离子水和磷酸按质量比1∶1∶0.02的比例配置成溶液，并在室温下搅拌至形成透明溶液，作为溶液b；将溶液a和溶液b按质量比为1∶1的比例混合，并在室温下搅拌均匀即得纺丝前驱液。

具体的，所述步骤3)中保温温度设为800℃。

具体的，所述步骤3)为：将步骤2)所得前驱体纳米纤维纱线放入管式炉中，在空气氛围中以5℃/min的升温速率加热至180℃，预热1小时，然后以3℃/min的升温速率加热至800℃，在800℃的温度中保温4小时，自然降温的室温之后，获得了无杂质的柔性无机纳米纤维纱线。

具体的，如图1所示，以下实施例所采用的双喷头静电纺丝装置包括两个纺丝喷头1，储液机构，高压电源和收集极，所述储液机构包括与两个所述纺丝喷头1对应设置的两个储液容器2和两个用于控制纺丝喷头的出液速度的纺丝液驱动装置3，所述高压电源包括一个正高压电源4和一个负高压电源5，一个纺丝喷头1连接所述正高压电源4的正极，另一纺丝喷头1连接所述负高压电源电源5负极，所述正高压电源4负极和所述负高压电源5正极均接地设置；两个所述纺丝喷头1的喷射口设于同一水平高度，且两个所述纺丝喷头1的喷射口相对设置，所述加捻器7设为喇叭型，所述加捻器7的中轴线竖直设置，所述加捻器7的大喇叭口位于两个所述喷射口中间，所述收集极设为滚筒收集极6，所述滚筒收集极6设于所述加捻器7大喇叭口的正下方以收集前驱体纳米纤维纱线，所述收集极接地。

具体的，所述储液容器2设为注射器针管，所述纺丝喷头1设为注射器针头，所述纺丝液驱动装置3设为微量注射泵，所述注射器针管安装在所述微量注射泵上。

具体的，所述滚筒收集极6的收集滚筒的转速为0～500转/分钟，所述加捻器7的大喇叭口与所述收集滚筒的竖直距离为10～45厘米，所述加捻器7的中轴线与收集滚筒的中轴线垂直设置。

具体的，所述步骤2)中，所述纺丝喷头1喷射口与收集极间的竖直间距为20～25cm，正高压电源的电压为15kv～20kv，负高压电源的电压为-15kv～-20kv，纺丝喷头的出液速率为18～25微升/分钟。

实施例1

一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法包括以下步骤：

1)制备纺丝前驱液：在反应釜中依次加入聚乙烯醇(pva，相对分子量80000)1.1g，去离子水8.9g，在50℃的水浴中搅拌4小时，待pva完全溶解，在自然条件下冷却至室温，得到质量分数为11％的pva溶液，作为溶液a；在另一反应釜中将硅酸四乙酯(teos)、去离子水、磷酸按质量比为1∶1∶0.02的比例配置成溶液，并在室温下搅拌4小时，形成透明溶液作为溶液b，将溶液a和溶液b按质量比为1∶1的比例混合，并在室温下搅拌3小时，得纺丝前驱液；所述溶液b中，teos作为硅源，磷酸的作用是促进teos的水解过程；

2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液分别注入双喷头静电纺丝装置的两个注射器针管中，设置纺丝喷头1喷射口且与滚筒收集极6的竖直距离为20cm，开启正高压电源4和负高压电源5，设置正高压电源电压16kv，负高压电源电压-16kv，开启两个微量注射泵，两个微量注射泵的推进速率均为18微升/分钟，设置滚筒收集极6的转速为6转/分钟，开启加捻器7电机，使加捻器绕其中轴线旋转(加捻器转速120r/min)，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头1分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，在收集滚筒上方的加捻器7下方集聚、抱合成纤维束，经过加捻器7加捻后，卷绕在滚筒收集极6上形成前驱体纳米纤维纱线，纺丝10分钟后，关闭双喷头静电纺丝装置，在收集滚筒表面上收集到固化好的前驱体纳米纤维纱线；

3)煅烧：将步骤2)所得的前驱体纳米纤维纱线放入煅烧方舟中，将方舟水平放入管式炉内，通过管式炉下方的调整器调整好加热参数，在空气氛围中以每分钟5℃的升温速率加热至200℃，预热1小时，然后以每分钟3℃的升温速率加热至800℃的保温温度，保温4小时后，自然降温至室温，关闭管式炉电源，取出方舟，得到纯sio2的柔性无机纳米纤维纱线，所得柔性无机纳米纤维纱线形貌如图2所示。

实施例2

一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法包括以下步骤：

1)制备纺丝前驱液：在反应釜中依次加入0.01mol钛酸四丁酯(tbt)，0.1mol无水乙醇，将聚乙烯吡咯烷酮(pvp，相对分子量1300000)按1∶8(pvp∶tbt)的重量比加入溶液，搅拌4小时，待pvp完全溶解，得到均匀纺丝前驱液；其中tbt作为钛源；

2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液分别注入双喷头静电纺丝装置的两个注射器针管中，设置纺丝喷头1喷射口且与滚筒收集极6的竖直距离为25cm，开启正高压电源4和负高压电源5，设置正高压电源电压16kv，负高压电源电压-16kv，开启两个微量注射泵，两个微量注射泵的推进速率均为1毫升/小时，设置滚筒收集极的转速为6转/分钟，开启加捻器7电机，使加捻器绕其中轴线旋转(加捻器转速100r/min)，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头1分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，在收集滚筒上方的加捻器7下方集聚、抱合成纤维束，经过加捻器7加捻后，卷绕在滚筒收集极6上形成前驱体纳米纤维纱线，纺丝10分钟后，关闭双喷头静电纺丝装置，在收集滚筒表面上收集到固化好的前驱体纳米纤维纱线；

3)煅烧：将步骤2)所得的前驱体纳米纤维纱线放入煅烧方舟中，将方舟水平放入管式炉内，通过管式炉下方的调整器调整好加热参数，在空气氛围中以每分钟5℃的升温速率加热至180℃，预热1小时，然后以每分钟3℃的升温速率加热至600℃的保温温度，保温3小时后，自然降温至室温，关闭管式炉电源，取出方舟，得到纯tio2的柔性无机纳米纤维纱线，所得柔性无机纳米纤维纱线形貌如图3所示。

实施例3

一种柔性无机纳米纤维纱线的制备方法包括以下步骤：

1)制备纺丝前驱液：在反应釜中依次加入0.01mol钛酸四丁酯(tbt)，0.1mol无水乙醇，将聚乙烯吡咯烷酮(pvp，相对分子量1300000)按1∶8(pvp∶tbt)的重量比加入溶液，搅拌4小时，待pvp完全溶解，得到均匀纺丝前驱液；其中tbt作为钛源；

2)电纺纳米纤维纱线：将步骤1)配得的纺丝前驱液分别注入双喷头静电纺丝装置的两个注射器针管中，设置纺丝喷头1喷射口且与滚筒收集极6的竖直距离为25cm，开启正高压电源4和负高压电源5，设置正高压电源电压16kv，负高压电源电压-16kv，开启两个微量注射泵，两个微量注射泵的推进速率均为1毫升/小时，设置滚筒收集极的转速为6转/分钟，开启加捻器7电机，使加捻器绕其中轴线旋转(加捻器转速100r/min)，在电场力的作用下，双喷头静电纺丝装置的两个纺丝喷头1分别喷射出一束电纺射流，两束电纺射流在飞行过程中由于携带的异种电荷互相吸引、混合，在收集滚筒上方的加捻器7下方集聚、抱合成纤维束，经过加捻器7加捻后，卷绕在滚筒收集极6上形成前驱体纳米纤维纱线，纺丝10分钟后，关闭双喷头静电纺丝装置，在收集滚筒表面上收集到固化好的前驱体纳米纤维纱线；

3)煅烧：将步骤2)所得的前驱体纳米纤维纱线放入煅烧方舟中，将方舟水平放入管式炉内，通过管式炉下方的调整器调整好加热参数，在空气氛围中以每分钟5℃的升温速率加热至240℃，预热1小时，然后以每分钟3℃的升温速率加热至800℃的保温温度，保温3小时后，自然降温至室温，关闭管式炉电源，取出方舟，得到tio2/sio2复合的柔性无机纳米纤维纱线，所得柔性无机纳米纤维纱线形貌如图4所示。

实施例5煅烧条件对材料性能影响实验

以实施例1步骤2)制得的前驱体纳米纤维纱线作为样品，实验煅烧温度对终产物柔性无机纳米纤维纱线的柔性和纯度的影响：

煅烧保温温度对终产物柔性影响实验：

通过该实验测试保温温度对终产物柔性的影响，实验过程可简述为：450℃至1000℃每间隔50℃作为一个保温温度测试点，对应准备一个样品，各样品煅烧步骤中均先将前驱体纳米纤维纱线置于管式炉内，在空气氛围中以每分钟5℃的升温速率加热至200℃，预热1小时，然后各样品分别以每分钟3℃的升温速率加热至其保温温度，保温4小时后，自然降温至室温，得终产物样品，对终产物样品的弯曲曲率进行测试(曲率测试仪器：kes-fb2-sh单根弯曲测试仪)，并绘制样品最大曲率与保温温度的关系曲线，如图5所示，图5中x轴零点对应未进行煅烧的前驱体纳米纤维纱线的最大完全曲率，从图5结果可以看出，当保温温度低于550℃时，纱线最大弯曲曲率随煅烧温度升高而升高，当煅烧温度高于550℃时，随煅烧温度升高，纱线最大弯曲曲率降低，保温温度高于800℃后，纱线最大弯曲曲率随保温温度升高降低迅速下降，发明人分析，此现象应为煅烧温度超过800℃后，较高的煅烧温度形成的二氧化硅结晶过大，导致了纱线最大弯曲曲率减小，纱线柔韧性明显降低。

煅烧保温温度对终产物纯度影响实验：

分别对上述实验中保温温度为550℃和800℃所得终产物样品进行光谱分析，以确定其成分含量，分析结果如图6所示，图6中，(a)对应保温温度550℃所得终产物样品，其c含量(wt％)仍然为13.21，该终产物样品中有机物并未完全去除；(b)对应保温温度800℃所得终产物样品，其c含量基本为0，故800℃的保温温度可以制得高纯度且具有较好柔性的sio2柔性无机纳米纤维纱线。

同理，采用相同的实验方法，发明人发现了制备纯tio2的柔性无机纳米纤维纱线的煅烧步骤的优化保温温度为600℃，制备tio2/sio2复合的柔性无机纳米纤维纱线的煅烧步骤的优化保温温度为800℃。

以上所述，仅是本发明的实施例证而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明的技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。