一种具有导电磁性吸附三功能纳米电缆及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体说涉及一种具有导电磁性吸附三功能纳米电缆及其制备方法。
【背景技术】
[0002]—维纳米结构材料的制备及性质研究是目前材料科学研究领域的前沿热点之一。纳米电缆(Nanocables)由于其独特的性能、丰富的科学内涵、广阔的应用前景以及在未来纳米结构器件中占有的重要战略地位，近年来引起了人们的高度重视。同轴纳米电缆的研究起步于90年代中期，2000年以后发展比较迅猛，到目前为止，人们采用不同的合成方法，不同种类的物质已成功制备出了上百种同轴纳米电缆，如:Fe/C、Zn/ZnO、C/C、SiC/C、SiGaN/S1xNy以及三层结构的Fe-C-BN和α -Si 3N4_Si_Si02等。根据纳米电缆芯层和鞘层材质不同，可分为以下几类:半导体-绝缘体、半导体-半导体、绝缘体-绝缘体、高分子-金属、高分子-半导体、高分子-高分子、金属-金属、半导体-金属等。
[0003]制备碳纳米纤维材料的前驱体通常有这三种聚合物:聚丙烯腈PAN、纤维素和沥青。在这些前驱体中，PAN由于具有较高的碳产率、热稳定性以及优越的力学性能已经得到了广泛关注。经过高温石墨化处理的碳纤维具有良好的导电性。如果碳纤维具有多孔结构，将具有良好的吸附功能，可以广泛用于含有机污染物和重金属离子的污水处理。四氧化三铁Fe3O4磁性纳米晶是一种重要而广泛应用的磁性材料，由于具有独特的磁响应性质，可被应用到生物医学领域的药物输送、生物燃料电池薄膜、微波吸收以及电磁设备等方面。多功能纳米材料是将多种功能高度集成，实现多功能集于一种材料上，其比单一功能纳米材料具有更广阔的应用，已经成为材料科学研究的前沿热点之一。如果将Fe3O4纳米晶与多孔碳纳米纤维复合，形成[Fe304/C] iC纳米电缆，其中芯层为Fe3O4纳米晶与碳纤维复合，壳层为多孔碳，@表示芯壳结构，@前面的物质构成芯层，@后面的物质构成壳层，这种纳米电缆将具有导电、磁性和吸附三功能。用于污水处理时，可以方便地利用外加磁场将纳米电缆分离出来，回收后重新利用；此外，导电磁性吸附三功能纳米电缆将在小型集成电路、锂离子电池、微芯片、纳米器件、纳米机械和生物医学等领域有重要的应用前景。目前未见[Fe3O4/
c]iC导电磁性吸附三功能纳米电缆的相关报道。
[0004]专利号为1975504的美国专利公开了一项有关静电纺丝方法(electrospinning)的技术方案，该方法是制备连续的、具有宏观长度的微纳米纤维的一种有效方法，由Formhals于1934年首先提出。这一方法主要用来制备高分子纳米纤维，其特征是使带电的高分子溶液或熔体在静电场中受静电力的牵引而由喷嘴喷出，投向对面的接收屏，从而实现拉丝，然后，在常温下溶剂蒸发，或者熔体冷却到常温而固化，得到微纳米纤维。近些年来，在无机纤维制备技术领域出现了采用静电纺丝方法制备无机化合物如氧化物纳米纤维的技术方案，所述的氧化物包括Ti02、ZrO2, Y2O3, Y2O3:RE3+(RE3+= Eu' Tb' Er'Yb3+/Er3+)、N1、Co304、Mn203、Mn304、CuO、Si02、A1203、V205、ZnO、Nb205、Mo03、Ce02、LaMO3 (M=Fe、Cr、Mn、Co、N1、Al)、Y3A15012、La2Zr2O7等金属氧化物和金属复合氧化物。董相廷等使用单个喷丝头、采用静电纺丝技术制备了 PAN/Eu(BA)3Phen复合发光纳米纤维[化工新型材料，2008, 36 (9)，49-52];王策等使用单个喷丝头、采用静电纺丝法制备了聚乙烯吡咯烷酮/四氧化三铁复合纳米纤维[高等学校化学学报，2006，27 (10) ,2002-2004];Ji等人将FeCl3.6H20和PAN混合溶于N，N- 二甲基甲酰胺DMF中得到纺丝液，进行静电纺丝得到PAN/FeCl3复合纳米纤维，再进行碳化处理后得到负载Q-Fe2O3的碳纳米纤维[ACS Appl.Mater.1nterfaces, 2012, 4, 2672-2679] ；Hassan 等人以 PAN 和Fe (NO3) 3.9H20作为反应物，采用单轴静电纺丝技术制备了多孔C/Fe304复合纳米纤维[Colloids and Surfaces B:B1interfaces, 2013, 106, 170-175] ;Lang 等人米用单轴静电纺丝技术制备了 Fe304/C 微米带[ACS Appl Mater Interfaces, 2013，5，1698-1703]。为了探索将静电纺丝技术进行改进，采用同轴喷丝头，将纺丝溶液分别注入到内管和外管中，当加高直流电压时，内外管中的纺丝液同时被电场力拉出来，固化后形成同轴纳米电缆，该技术即是同轴静电纺丝技术。王策等用该技术制备了二氧化硅@聚合物同轴纳米纤维[高等学校化学学报，2005，26 (5)，985-987];董相廷等利用该技术制备了 Ti02iSi02M 微米同轴电缆[化学学报，2007，65 (23)，2675-2679]、ZnOiS1 2同轴纳米电缆[无机化学学报，2010，26(1)，29-34]、Al203/Si02同轴超微电缆[硅酸盐学报，2009，37(10)，1712-1717] ；Han, et al 采用该技术制备了 PC (Shell)/PU (Core)复合纳米纤维[Polymer Composites, 2006，10，381-386]。目前，未见利用同轴静电纺丝技术制备[Fe304/C]@C导电磁性吸附三功能纳米电缆的相关报道。
[0005]利用静电纺丝技术制备纳米材料时，原料的种类、高分子模板剂的分子量、纺丝液的组成、纺丝过程参数对最终产品的形貌和尺寸都有重要影响。本发明以PAN、乙酰丙酮铁Fe (acac) 3和DMF的混合液为芯层纺丝液，以PAN和DMF的混合液为壳层纺丝液，控制芯层和壳层纺丝液的粘度至关重要，采用同轴静电纺丝技术，在最佳的工艺条件下进行静电纺丝，得到[PAN/Fe (acac)3]OPAN同轴纳米电缆，将其进行碳化热处理得到结构新颖的[Fe3O4/C]@C导电磁性吸附三功能纳米电缆。
【发明内容】
[0006]在【背景技术】中使用了单轴静电纺丝技术制备了 a -Fe203/C复合纳米纤维、多孔C/Fe3O4复合纳米纤维和Fe 304/C微米带。【背景技术】中的使用同轴静电纺丝技术制备了金属氧化物@金属氧化物、无机物@高分子及高分子@高分子纳米电缆，所使用的原料、模板剂、溶剂和最终的目标产物都与本发明的方法有所不同。本发明使用同轴静电纺丝技术结合碳化热处理过程制备了结构新颖的[Fe304/C]@C导电磁性吸附三功能纳米电缆，芯层直径为125nm，壳层厚度为82nm，同轴纳米电缆的直径为289nm，长度大于100 μ m。
[0007]本发明是这样实现的，首先制备出用于同轴静电纺丝技术的具有一定粘度的芯层和壳层纺丝液，控制芯层和壳层纺丝液的粘度至关重要。应用同轴静电纺丝技术进行静电纺丝，在最佳的工艺条件下，制备出[PAN/Fe (acac)3]OPAN同轴纳米电缆，将其进行碳化热处理得到结构新颖的[Fe304/C]@C导电磁性吸附三功能纳米电缆。其步骤为:
[0008](I)配制纺丝液
[0009]称取1.1g分子量为86000的聚丙烯腈PAN,加入到1g N, N- 二甲基甲酰胺DMF中，在70°C下磁力搅拌3h，进行溶解，然后再加入1.1g乙酰丙酮铁Fe (acac) 3，在常温下继续搅拌12h，得到芯层纺丝液；将1.1g PAN加入到1g DMF中，在70°C下磁力搅拌3h，得到壳层纺丝液；
[0010](2)制备[PAN/Fe(acac)3]@PAN 同轴纳米电缆
[0011]以一支带有截平的12#不锈钢针头的5mL注射器作为内纺丝管，一支带有ImL塑料喷枪头的1mL注射器作为外纺丝管，内纺丝管所带不锈钢针头的尖端处于外纺丝管所带塑料喷枪头的中间部分，将芯层纺丝液加入到内纺丝管中，壳层纺丝液加入到外纺丝管中进行同轴静电纺丝，采用竖喷方式，接收装置为一个水平放置的铁丝网，纺丝参数为:纺丝电压为IIkV,针尖与铁丝网的距离为15cm，环境温度为20_25°C，相对湿度20%~40%,得到[PAN/Fe (acac) 3] OPAN同轴纳米电缆；