专利名称：氮化钛纳米纤维的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高比表面积的氮化钛纳米纤维的制备方法。
背景技术：
氮化钛是一种具有高硬度(显微硬度为21GPa)，高熔点Q95(TC )，化学稳定性好， 良好的电导率和化学稳定性，优异的抗腐蚀性和抗磨损性等特点的新型陶瓷材料。其中，由 于高比表面积的氮化钛可作为增强相，有效提高金属和陶瓷等基体的强度和韧性，可以分 散在其它材料中形成导电网络以提高导电性能，具有良好的脱氢催化效果。因此，是一种具 有广阔应用前景的添加材料及高效催化剂。一般制备高比表面积的氮化钛纳米纤维的方法 有模板法、碳热氮化法等，而这些制备方法普遍存在着操作条件苛刻、反应过程不易控制、 孔道易于坍塌、生产成本高等问题，从而制约着高比表面积的氮化钛材料的实际应用。因 此，寻找简便、经济、有效的制备方法一直陶瓷材料领域研究者关注的热点之一。近年来，利用静电纺丝技术可以制备高质量、直径可控的聚合物和无机材料纳米 纤维，是一种值得进一步深入研究的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种容易操作的制备高比表面积的氮化钛纳米纤维的方 法，用该方法制备的氮化钛纳米纤维具有纯度高，分布均勻，纤维较长，比表面积高等特征。本发明采用静电纺丝的工艺，将含有醋酸锌、钛酸正丁酯和聚乙烯吡咯烷酮的N， N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的混合溶液进行纺丝。通过先后在空气、氨气中高温处理，去除 聚合物和含锌化合物，最终得到高比表面积的氮化钛纳米纤维。通过对纤维的微观形貌进 行测试证实了其高比表面积的结构。具体的讲，本发明将二水醋酸锌、钛酸正丁酯和聚乙烯吡咯烷酮溶于N，N- 二甲基 甲酰胺和无水乙醇的混合溶液，配制成用于纺丝的前驱体溶液。将前驱体溶液用静电纺丝 的方法制备出前驱体纤维。然后分别在空气和氨气气氛中高温处理，最终得到高比表面积 的氮化钛纳米纤维。—种氮化钛纳米纤维的制备方法，其特征在于该方法按照下列顺序步骤进行a.前驱体溶液的配制将二水醋酸锌溶于N，N_ 二甲基甲酰胺中，向其中加入无水 乙醇，然后依次加入钛酸正丁酯、聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均勻；b.静电纺丝将前驱体溶液置入具有喷丝头的注射器中，进行纺丝，纺丝的条件 为进样速率为0. 3 lml/h，板间电压为1 ^cv/cm，得到前驱体纤维；C.将前驱体纤维在空气中600 800°C进行热处理，时间为3 5小时，然后自然 冷却至室温，得到钛锌氧化物复合纳米纤维； d.将钛锌氧化物复合纳米纤维置于真空管式炉中，在氨气气氛下高温处理制得高 比表面积的氮化钛纳米纤维。 在上述a步骤中，将摩尔比为1 2的钛酸正丁酯和二水醋酸锌溶于体积比为2 1的N，N- 二甲基甲酰胺和无水乙醇的溶液中，钛酸正丁酯的摩尔浓度为0. 1-0. 5mol/ L，加入聚乙烯吡咯烷酮，其摩尔浓度为0. 0005-0. 0008mol/L，搅拌均勻，从而制得用于静电 纺丝的前驱体溶液。在上述b步骤中，将前驱体溶液置入注射器中，注射器前段连接直径为0. 5 1. 6mm的喷丝头，注射器置于医用微量注射泵中。在上述d步骤中，将钛锌氧化物复合纳米纤维(TiZn2O4复合纳米纤维)置于真空 管式炉中，在氨气气氛保护下，900 1200°C热处理2 5小时，然后自然冷却至室温，从而 得到高比表面积的氮化钛纳米纤维。本发明与传统的模板法、碳热还原法相比较，设备和工艺过程简单，实验可控性 好，制备成本低，纤维直径均勻，可望促进高比表面积的氮化钛纳米纤维的在催化和添加剂 等方面的实际应用。本发明制备的高比表面积的氮化钛纳米纤维通过场发射扫面电镜(FE-SEM)、透射 电镜(TEM)和氮气吸脱附测试仪等现代分析仪器证实和其他制备方法相比，静电纺丝法制 备氮化钛纳米纤维具有更高的比表面积。
具体实施例方式实施例1:称量1. 29 g的二水醋酸锌溶于5ml N, N- 二甲基甲酰胺中，待溶解后加入2. 5ml 的无水乙醇，然后向其中加入Ig钛酸正丁酯(锌钛的摩尔比为2 1)和0.5g聚乙烯吡 咯烷酮，搅拌12h。将喷丝溶液置入具有喷丝头的注射器中，施加直流高压电源20KV，调节 喷丝头与接收板之间的距离为15cm，设定溶液流速为0.;3ml/h。从而可以实现前驱体溶液 的连续成丝。将纺丝所得的前驱体纤维装入磁舟，然后将磁舟置于箱式炉中，在空气气氛中 600°C下烧结池，然后自然冷却至室温。将所得钛锌氧化物复合纤维置于真空管式炉中，在 氨气气氛保护中1000°C再烧结证，然后自然冷却至室温，最终得到直径为IOOnm左右的高 比表面积的氮化钛纳米纤维。利用静电纺丝法制备的高比表面积的氮化钛纳米纤维通过FE-SEM和TEM测试表 明纳米纤维的直径为IOOnm左右，通过XRD测试证明其为单一的氮化钛晶体结构，通过氮气 吸脱附测试仪测试证实了其高比表面积的纳米结构。
权利要求
1.一种氮化钛纳米纤维的制备方法，其特征在于该方法按照下列顺序步骤进行a.前驱体溶液的配制将二水醋酸锌溶于N，N-二甲基甲酰胺中，向其中加入无水乙 醇，然后依次加入钛酸正丁酯、聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均勻；b.静电纺丝将前驱体溶液置入具有喷丝头的注射器中，进行纺丝，纺丝的条件为进 样速率为0. 3 lml/h，板间电压为1 ^iv/cm，得到前驱体纤维；c.将前驱体纤维在空气中600 800°C进行热处理，时间为3 5小时，然后自然冷却 至室温，得到钛锌氧化物复合纳米纤维；d.将钛锌氧化物复合纳米纤维置于真空管式炉中，在氨气气氛下高温处理制得高比表 面积的氮化钛纳米纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在a步骤中，将摩尔比为1:2的钛酸正丁酯 和二水醋酸锌溶于体积比为2 1的N，N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的溶液中，钛酸正丁酯 的摩尔浓度为0. 1-0. 5mol/L，加入聚乙烯吡咯烷酮，其摩尔浓度为0. 0005-0. 0008mol/L, 搅拌均勻，从而制得用于静电纺丝的前驱体溶液。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于在b步骤中，将前驱体溶液置入注射器中， 注射器前段连接直径为0. 5 1. 6mm的喷丝头，注射器置于医用微量注射泵中。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于在d步骤中，将钛锌氧化物复合纳米纤维 (TiZn2O4复合纳米纤维)置于真空管式炉中，在氨气气氛保护下，900 1200°C热处理2 5小时，然后自然冷却至室温，从而得到高比表面积的氮化钛纳米纤维。
全文摘要
本发明公开了一种高比表面积的氮化钛纳米纤维的制备方法。本发明将二水醋酸锌、钛酸正丁酯和聚乙烯吡咯烷酮溶于N，N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的混合溶液，配制成用于纺丝的前驱体溶液。将前驱体溶液用静电纺丝的方法制备出前驱体纤维。然后分别在空气和氨气气氛中高温处理，最终得到高比表面积的氮化钛纳米纤维。本发明与传统的模板法、碳热还原法相比较，设备和工艺过程简单，实验可控性好，制备成本低，纤维直径均匀。
文档编号D01D10/02GK102094261SQ20091011769
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者孙东飞, 薛群基, 阎兴斌 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所