一种制备ITO中空微纳米纤维的方法与流程

本发明属于光电微纳米材料制备技术领域，具体涉及一种中空结构的铟锡氧化物(ITO)微纳米纤维的制备方法。

背景技术：
随着对纳米材料研究的发展，一些新型的纳米结构也逐渐得到了深入的研究，其中最为广泛的是中空结构的纳米纤维。中空结构的纳米纤维是由许多纳米粒子形成的直径在纳米或微米级别并具有中空腔的纤维状纳米材料。与其他结构的材料相比，中空结构的纳米纤维表现出优异的物理和化学特性，比如高的比表面积、高通量、低密度等。其中空腔是包裹各种功能材料的最佳载体，所得到的中空状体系就构成了多种功能的纳米纤维。另外，铟锡氧化物(ITO)本身具有优良的透明导电性能，使ITO中空微纳米纤维较适用于光、电催化，传感器，纳米流体等领域。近年来，制备具有较高比表面积的中空纤维已越来越受重视，很多研究致力于此结构纳米材料的制备。中空纳米纤维的制备方法主要包括热致相分离法、溶剂致相分离法和静电纺丝法等。热致相分离法是将聚合物与高沸点的非溶剂在高温下混合，形成均相溶液，然后在挤出的过程中降温，聚合物和稀释剂因温度下降而产生相分离，形成中空纤维膜，随后用乙醇等有机溶剂对纤维膜中残留的稀释剂进行清洗，如[ZL98807444.3]所述。热致相分离法的不足在于对纺丝工艺的控制要求较高，需精确控制稀释剂与聚合物之间的相分离过程。X.Xia等人将氯化锡和PVP溶于乙醇与DMF的混合溶液中，通过静电纺丝法制备出纳米纤维，由于双溶剂的挥发速度不同导致氯化锡与PVP产生相分离，在经过后续的高温煅烧过程得到了SnO2中空纤维，该方法需选用挥发速度不同的双溶剂。常用的溶液纺丝法主要为同轴静电纺丝法。[201310024342.2]是将纺丝溶液注入同轴喷丝头的外管，通空气进入内管，进行同轴静电纺丝，此方法操作简单，但是需要特制的具有内外管状结构的喷丝头，采用两相体系，对静电纺丝中的参数的控制更为严格。离心力纺丝是近几年兴起的一种可制备纳米纤维的方法，其原理主要为：当喷丝器在高速旋转的过程中产生的离心力克服聚合物的表面张力时，聚合物溶液或熔体便形成射流，射流在经过拉伸细化的过程中溶剂挥发或固化形成纤维。在原料的选择上，离心力不再受材料极性的限制，因此离心纺丝可选择无机盐含量较高的纺丝液，从而经过后续的煅烧得到中空结构的ITO微纳米纤维。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种制备ITO中空微纳米纤维的方法。该方法利用离心纺丝法，选用水为纺丝溶液的唯一溶剂。为解决技术问题，本发明的解决方案是：提供一种制备ITO中空微纳米纤维的方法，包括以下步骤：(1)将无机盐加入水中，以磁力搅拌至全部溶解；再加入聚合物搅拌均匀，制成纺丝溶液；所述无机盐是In(NO3)3·4.5H2O与SnCl4·5H2O的混合物，其摩尔质量比为In(NO3)3·4.5H2O∶SnCl4·5H2O＝10∶1；所述聚合物为聚乙烯吡烙烷酮(PVP)，其用量是In(NO3)3·4.5H2O的质量的1/2；(2)将纺丝溶液用注射器注入喷丝器中，以针尖角度为45°的点胶针头作为喷丝器的喷嘴，在点胶针头和收集板之间施加以5kV的电压(用于收集纤维)；使喷丝器保持在2000rpm的恒定转速进行纺丝，纺丝所得的ITO/PVP复合纤维沉积于收集板表面；(3)将ITO/PVP复合纤维置于马弗炉中进行煅烧：以1℃/min的速度升温至600～800℃，保温2h后随炉体自然降温至室温，得到ITO中空微纳米纤维。本发明中，制备所获的ITO中空微纳米纤维：外径为1000～1300nm，孔径为350～1100nm，壁厚为100～325nm。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明的制备方法简单，工艺条件易实现，可适用于多种无机微纳米纤维的纺丝。(2)本发明制备得到的微纳米纤维具备高通量的特点，在传感器等领域有潜在的应用前景。(3)本发明选择的溶剂为水，在确保实验安全环保的同时进一步增加了ITO纳米纤维应用于生活中的电子元器件领域的安全性和可能性。附图说明图1是实施例1中的中空ITO纳米纤维的SEM图(放大倍数为7000倍)。图2是实施例2中的中空ITO纳米纤维的SEM图(放大倍数为7000倍)。图3是实施例3中的中空ITO纳米纤维的SEM图(放大倍数为7000倍)。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明的具体实现方式进行阐述。实施例1：制备ITO中空微纳米纤维的方法，包括以下步骤：(1)将无机盐加入水中，以磁力搅拌至无机盐全部溶解，再加入聚合物搅拌均匀，制成纺丝溶液；所述无机盐是In(NO3)3·4.5H2O与SnCl4·5H2O的混合物，按摩尔质量比In(NO3)3·4.5H2O∶SnCl4·5H2O＝10∶1准确称取原料，所述聚合物为聚乙烯吡烙烷酮(PVP)，其质量比为In(NO3)3·4.5H2O∶PVP＝2∶1；(2)将纺丝溶液用注射器注入喷丝器中，以针尖角度为45°的点胶针头作为喷丝器的喷嘴，在点胶针头和收集板之间施加5kV的电压对纤维起到收集的作用，喷丝器保持在2000rpm的恒定转速进行纺丝，在收集板上沉积一层ITO/PVP复合纤维；(3)将复合纤维置于马弗炉中进行煅烧，以1℃/min的升温速度，升温至600℃保温2h，然后随炉体自然降温至室温，得到ITO中空微纳米纤维；本实施例制备所获的ITO中空微纳米纤维：外径平均值为1000nm，孔径平均值为350nm，壁厚平均值为325nm。实施例2制备ITO中空微纳米纤维的方法，包括以下步骤：(1)将无机盐加入水中，以磁力搅拌至无机盐全部溶解，再加入聚合物搅拌均匀，制成纺丝溶液；所述无机盐是In(NO3)3·4.5H2O与SnCl4·5H2O的混合物，按摩尔质量比In(NO3)3·4.5H2O∶SnCl4·5H2O＝10∶1准确称取原料，所述聚合物为聚乙烯吡烙烷酮(PVP)，其质量比为In(NO3)3·4.5H2O∶PVP＝2∶1；(2)将纺丝溶液用注射器注入喷丝器中，以针尖角度为45°的点胶针头作为喷丝器的喷嘴，在点胶针头和收集板之间施加5kV的电压对纤维起到收集的作用，喷丝器保持在2000rpm的恒定转速进行纺丝，在收集板上沉积一层ITO/PVP复合纤维；(3)将复合纤维置于马弗炉中进行煅烧，以1℃/min的升温速度，升温至700℃保温2h，然后随炉体自然降温至室温，得到ITO中空微纳米纤维；本实施例制备所获的ITO中空微纳米纤维：外径平均值为1300nm，孔径平均值为1100nm，壁厚平均值为100nm。实施例3制备ITO中空微纳米纤维的方法，包括以下步骤：(1)将无机盐加入水中，以磁力搅拌至无机盐全部溶解，再加入聚合物搅拌均匀，制成纺丝溶液；所述无机盐是In(NO3)3·4.5H2O与SnCl4·5H2O的混合物，按摩尔质量比In(NO3)3·4.5H2O∶SnCl4·5H2O＝10∶1准确称取原料，所述聚合物为聚乙烯吡烙烷酮(PVP)，其质量比为In(NO3)3·4.5H2O∶PVP＝2∶1；(2)将纺丝溶液用注射器注入喷丝器中，以针尖角度为45°的点胶针头作为喷丝器的喷嘴，在点胶针头和收集板之间施加5kV的电压对纤维起到收集的作用，喷丝器保持在2000rpm的恒定转速进行纺丝，在收集板上沉积一层ITO/PVP复合纤维；(3)将复合纤维置于马弗炉中进行煅烧，以1℃/min的升温速度，升温至800℃保温2h，然后随炉体自然降温至室温，得到ITO中空微纳米纤维；本实施例制备所获的ITO中空微纳米纤维：外径平均值为1200nm，孔径平均值为800nm，壁厚平均值为200nm。以上举例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实验方式并不受上述实施例的限制，还可以有多种无机材料中空纤维的制备，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。