一种铁氧体纳米纤维带及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种铁氧体纳米纤维带及其制备方法，步骤如下：称取可形成铁氧体的金属盐，溶于一种有机溶剂中，加入适量去离子水，搅拌均匀得到金属盐溶液A；称取占总溶液质量比为13-20wt%的有机粘结剂，溶于无水乙醇中，搅拌均匀，得到溶液B；然后将B溶液慢慢滴加到A溶液中，搅拌3-5小时得到可纺性前驱体溶液C。将溶液C采用静电纺丝法进行静电纺丝制成前驱体纤维，然后干燥处理；将干燥好的前驱体纤维在空气气氛中快速升温至600～900℃，煅烧1～3小时，得铁氧体纳米纤维带，长度为200nm-20μm，宽度为50nm-1μm，厚度为20-80nm，纳米带上孔径为0-30nm。本发明制备得的产品疏松多孔，可用作催化剂、催化剂载体材料、药物输送材料、磁记录材料和电磁防护材料。
【专利说明】一种铁氧体纳米纤维带及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料及其制备领域，特别涉及一种铁氧体纳米纤维带及其制备方法。
【背景技术】
[0002]尖晶石型锌铁氧体材料因具有良好的化学稳定性和热稳定性以及优异的气敏特性、光催化活性等在磁记录材料，催化材料，气敏材料以及吸波材料等领域有着潜在的应用前景。但是，随着科学技术的发展，原有的块体和粉体锌铁氧体材料的性能已很难满足现有技术的发展需要。因此，具有更大比表面积，以及纳米材料的特有效应的纳米结构锌铁氧体材料受到了科研工作者的广泛关注。纳米结构铁氧体材料有助于提高锌铁氧体的固有性能，扩大其应用领域和应用范围。在纳米结构材料中，纳米纤维是一种具有高比表面积和高长径比的纳米结构材料，其具有明显的形状各向异性和质量轻等优点，因此相对纳米粉体颗粒具有更大的潜在应用价值。但是由于纳米纤维的内径较小或为实心纤维，在用于负载光催化和生物粒子时，由于其有效表面积相对于纳米纤维带的表面积大大减小，且颗粒之间的相互作用较大等原因，限制了纤维材料在光催化和生物医疗领域的应用效果。如将纳米纤维沿其长度方向“剪开”，形成一个“纳米带”，将大大扩充纳米材料的可应用表面积，从而提闻材料的负载能力和催化性能。
[0003]纳米纤维带的制备技术主要包括溶胶凝胶法、模板法、流延法等。但是，这些方法都存在着一定的问题，如模板法无法控制纤维带的均匀性，而且制备过程复杂，很难实现大批量生产。流延法则很难制备疏松多孔的纤维带，且纤维带的厚度受到很大限制。因此，这些制备纳米纤维带的方法在实际应用中受到了很大限制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种铁氧体纳米纤维带及其制备方法，以制备出疏松多孔的高性能的铁氧体纳米纤维带，实现大批量生产。
[0005]为了解决以上技术问题，本发明采用溶胶静电纺丝技术制备铁氧体纳米纤维带，具体技术方案如下:
一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤一，称取可以形成铁氧体的金属盐，溶于亲水有机溶剂中，加入去离子水，搅拌至完全溶解，得到金属盐溶液A ;
步骤二，称取占总溶液质量比为13-20wt%的有机粘结剂，溶于无水乙醇中，搅拌至完全溶解，得到一种粘性溶液B ；
步骤三，将步骤二中的所述溶液B慢慢加入到溶液A中，搅拌均匀，得到可纺性前驱体溶液；
步骤四，将步骤三所得可纺性前驱体溶液在相对湿度小于60%的环境下，进行静电纺丝制成前驱体纤维，然后置于烘箱中在低于80°C条件下干燥处理；步骤五，将干燥好的前驱体纤维在空气气氛中快速升温至60(T90(TC，煅烧f 3小时，即得到所需铁氧体纳米纤维带。
[0006]所述步骤一中的金属盐为硝酸盐、碳酸盐、氯化物中的任一种或多种，所述金属盐的阳离子为Ba2+，Sr2+，Ni2+，Zn2+，Mg2+，Co2+中的任一种或多种；金属铁盐为硝酸盐、醋酸盐、氯化物中的任一种或多种。
[0007]所述步骤一中亲水有机溶剂为N-N 二甲基甲酰胺DMF、N-N 二甲基乙酰胺DMAC中的任一种，或二者的混合物。
[0008]所述步骤二中有机粘结剂为聚乙烯醇PVA和聚乙烯吡咯烷酮PVP中的任一种或二者的混合物，占溶液总质量的13~20%。
[0009]所述步骤三中慢慢滴加是指能使B溶液在A溶液中迅速分散，形成均匀溶液。
[0010]所述步骤四中静电纺丝的过程为:将所述步骤三所得可纺性前驱体溶液倒入注射器中，然后将注射器固定于微流泵上，推进速率为0.6-lmL/h，喷嘴与接收铝箔的距离为13-20cm，在喷嘴与接收铝箔之间加15~20kV的静电场进行纺丝得到铁氧体前驱体纳米纤维。
[0011]所述步骤五中快速升温为15-20°c /min。
[0012]利用所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法制备得到的铁氧体纳米纤维带，其特征在于:制备的铁氧体纳米纤维带化学式为具有尖晶石结构的MFe2O4和磁铅石结构的NFe12O19 ；MFe204 中的 M 为 Ni，Zn，Co，Cu，Mg 中的任一种或多种；NFe12O19 中的 N 为 Sr, Ba 中的任一种或二者的混合；纤维带长度为200nm-20 μ m,宽度为50nm_l μ m,厚度为20_80nm，纳米带上孔径为0_30nm。
[0013]本发明具有有益效果。本发明利用溶胶静电纺丝技术制备铁氧体纳米纤维带，可以有效控制纤维带的宽度和厚度，同时可以实现纤维带的多孔和疏松结构，具有更大的比表面积，有利于催化材料和生物材料的负载，同时可以用于催化剂材料、磁记录材料、电磁防护材料和结构吸波材料。此外，本方法具有原料来源广泛，实验操作简单，易于大批量生产等优点。该方法具有较强的适应性，同样适用于其它铁氧体纳米纤维带的制备。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为铁氧体纳米纤维带的制备流程图；
图2为实施例1制备的ZnFe2O4纳米纤维带的X射线衍射XRD图；
图3为实施例1制备的ZnFe2O4纳米纤维带的扫描电子显微镜SEM图；
图4为实施例2制备的ZnFe2O4纳米纤维带的扫描电子显微镜SEM图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0016]本发明的铁氧体纳米纤维带的制备流程如图1所示。
[0017]实施例1
步骤1:将0.118g硝酸锌，0.436g硝酸铁(Fe (NO3)3^H2O)溶于DMF溶液中，加入IOmL的去离子水，磁力搅拌10小时，得到金属盐溶液。将0.736g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入
4.5g无水乙醇中，经磁力搅拌约5小时使PVP完全溶解，得到PVP乙醇溶液。将所得PVP乙醇溶液慢慢滴加到金属盐溶液中，搅拌24h，得到均匀的具有粘度的前驱体溶液。
[0018]步骤2:将所得前驱体溶液转移到带有容积为ImL的不锈钢针头的塑料注射器中，针头与铝箔之间的距离为18cm，在电场强度为20kV、溶液流速为lmL/h、环境相对湿度60%以下的条件下进行静电纺丝，制备出前驱体纤维，并将其置入烘箱中于80°C干燥24小时；
步骤3:将干燥后的前驱体纤维放置于石英舟中，在空气气氛中以20°C /min升温速率升温到700°C，并保温2小时，自然冷却至室温，即可得到宽度在250±20 nm，厚度在30±5 nm的锌铁氧体纳米纤维带，所得纤维具有疏松多空的结构特征，其中孔径大小为2-15nm，所得的铁氧体纤维带的X射线衍射XRD图如图2所示，所得的铁氧体纤维带的扫描电子显微镜SEM图如图3所示。
[0019]实施例2
步骤1:将0.118g硝酸锌，0.436g硝酸铁(Fe (NO3)3^H2O)溶于DMF溶液中，加入IOmL的去离子水，磁力搅拌10小时，得到金属盐溶液。将0.526g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入
4.5g无水乙醇中，经磁力搅拌约5小时使PVP完全溶解，得到PVP乙醇溶液。将所得PVP乙醇溶液慢慢滴加到金属盐溶液中，搅拌24h，得到均匀的具有粘度的溶液。
[0020]步骤2:与实施例1同；
步骤3:将干燥后的前驱体纤维放置于石英舟中，在空气气氛中以18°C /min升温速率升温到600°C，并保温2小时，自然冷却至室温，即可得到宽度在600±50 nm，厚度在50±5nm的锌铁氧体纳米纤维带，且所得铁氧体纤维带孔较少，孔径尺寸为20±5nm，所得的纳米纤维带的扫描电子显微镜图 片如图4所示。
[0021]实施例3
步骤1:将0.118g硝酸锌，0.436g硝酸铁(Fe (NO3)3^H2O)溶于DMF溶液中，加入IOmL的去离子水，磁力搅拌10小时，得到金属盐溶液。将0.65g聚乙烯醇(PVA)加入4.5g无水乙醇中，经磁力搅拌约5小时使PVP完全溶解，得到PVA乙醇溶液。将所得PVA乙醇溶液慢慢滴加到金属盐溶液中，搅拌24h，得到均匀的具有粘度的溶液。
[0022]步骤2:与实施例1同；
步骤3:将干燥后的前驱体纤维放置于石英舟中，在空气气氛中以20°C /min升温速率升温到800°C，并保温2小时，自然冷却至室温，即可得到宽度180土 10nm，厚度在20土5nm的锌铁氧体纳米纤维带。
[0023]实施例4
步骤1:将0.1lSg醋酸锌，0.436g硝酸铁(Fe(NO3)3.9H20)溶于DMAC溶液中，加入IOmL的去离子水，磁力搅拌10小时，得到金属盐溶液。将0.526g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入4.5g无水乙醇中，经磁力搅拌约5小时使PVP完全溶解，得到PVP乙醇溶液。将所得PVP乙醇溶液慢慢滴加到金属盐溶液中，搅拌24h，得到均匀的具有粘度的溶液。
[0024]步骤2:与实施例1同；
步骤3:将干燥后的前驱体纤维放置于石英舟中，在空气气氛中以15°C /min升温速率升温到750°C，并保温2小时，自然冷却至室温，即可得到宽度在350±20nm厚度在30±5nm的锌铁氧体纳米纤维带。
【权利要求】
1.一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，称取可以形成铁氧体的金属盐，溶于亲水有机溶剂中，加入去离子水，搅拌至完全溶解，得到金属盐溶液A ; 步骤二，称取占总溶液质量比为13-20wt%的有机粘结剂，溶于无水乙醇中，搅拌至完全溶解，得到一种粘性溶液B ； 步骤三，将步骤二中的所述溶液B慢慢加入到溶液A中，搅拌均匀，得到可纺性前驱体溶液； 步骤四，将步骤三所得可纺性前驱体溶液在相对湿度小于60%的环境下，进行静电纺丝制成前驱体纤维，然后置于烘箱中在低于80°C条件下干燥处理； 步骤五，将干燥好的前驱体纤维在空气气氛中快速升温至60(T900°C，煅烧f 3小时，即得到所需铁氧体纳米纤维带。
2.如权利要求1所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于:所述步骤一中的金属盐为硝酸盐、碳酸盐、氯化物中的任一种或多种，所述金属盐的阳离子为Ba2+，Sr2+，Ni2+，Zn2+，Mg2+，Co2+中的任一种或多种；金属铁盐为硝酸盐、醋酸盐、氯化物中的任一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于:所述步骤一中亲水有机溶剂为N-N 二甲基甲酰胺DMF、N-N 二甲基乙酰胺DMAC中的任一种，或二者的混合物。
4.如权利要求1所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于:所述步骤二中有机粘结剂为聚乙烯醇PVA和聚乙烯吡咯烷酮PVP中的任一种或二者的混合物，占溶液总质量的13?20%。
5.如权利要求1所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于:所述步骤三中慢慢滴加是指能使B溶液在A溶液中迅速分散，形成均匀溶液。
6.如权利要求1所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于:所述步骤四中静电纺丝的过程为:将所述步骤三所得可纺性前驱体溶液倒入注射器中，然后将注射器固定于微流泵上，推进速率为0.6-lmL/h，喷嘴与接收铝箔的距离为13-20cm，在喷嘴与接收铝箔之间加15?20kV的静电场进行纺丝得到铁氧体前驱体纳米纤维。
7.如权利要求1所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法，其特征在于:所述步骤五中快速升温为15-20°C /min。
8.利用权利要求1所述的一种铁氧体纳米纤维带制备方法制备得到的铁氧体纳米纤维带，其特征在于:制备的铁氧体纳米纤维带化学式为具有尖晶石结构的MFe2O4和磁铅石结构的NFe12O19 ；MFe2O4中的M为Ni，Zn，Co，Cu，Mg中的任一种或多种;NFe12019中的N为Sr, Ba中的任一种或二者的混合；纤维带长度为200ηπι-20μπι，宽度为50nm_l μ m，厚度为20-80nm,纳米带上孔径为0_30nm。
【文档编号】D01D5/00GK103556304SQ201310512527
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】孟献丰, 刘通, 纪永康, 吴亚军, 沈湘黔 申请人:江苏大学