一种静电纺丝制备纳米二氧化钛的方法与流程

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种静电纺丝制备纳米二氧化钛的方法。

背景技术：

纳米二氧化钛材料是一种近年来发展较快的功能性纳米材料，它除了具有纳米材料特有的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应外，已经证实还具有优异的光催化活性、化学稳定性、热稳定性、超亲水性、非迁移性以及无毒性等多重特性，因此可作为抗紫外材料、光催化触媒等功能性材料，广泛应用于纺织、涂料、油墨、防晒霜、食品包装材料、造纸、锂电池、自洁玻璃/基板等行业中。纳米二氧化钛材料作为原料应用中，根据产品和工艺要求，通常都需要对纳米二氧化钛粉体进行后续加工处置，例如与该工序的其它原料复配、表面沉积复合材料或粉体的再加工等，这些操作多数都需要在分散溶剂体系(例如水或水性溶剂)中进行，而纳米二氧化钛材料从生产环节、运输环节到应用环节中，也需要借助分散溶剂保证粉体粒子不发生团聚。可以说纳米二氧化钛粉体的良好分散性是满足其众多应用效果的最基本要求。但是纳米二氧化钛粉体由于颗粒细小、比表面积大、表面能高、配位严重不足等性质导致其极易发生团聚，所以无论是储存运输，还是应用环节，解决不易实现纳米尺度均匀分散、使用效能低和应用成本高(包括储存运输和使用成本)等问题，都是纳米二氧化钛粉体研究和生产中需要面临和解决的核心问题。

现阶段制备纳米二氧化钛粉体最常采用的方法是溶胶-凝胶法，具体是以钛醇盐为前驱体，首先制备较小晶粒度和分散粒径的二氧化钛溶胶，然后经过干燥处理(一般是烘干后再高温煅烧)，去除有机溶剂、水、催化剂等，得到纳米二氧化钛粉体。但是在干燥处理过程中，尤其是在高温煅烧的过程中，纳米二氧化钛粉体逐渐趋于团聚，甚至在煅烧温度过高或煅烧时间过长时会发生严重粘结，因此，经过干燥处理得到的纳米二氧化钛粉体，还需进一步经过研磨和分散处理(例如引入分散剂聚甲基丙烯酸铵、γ-氨丙基三乙氧基硅烷等)，通过降低粉体粒子的表面能、调节粉体粒子表面电荷性质等方式，提高粉体在特定分散溶剂体系中的分散特性。

前述的溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛粉体的工艺技术，不仅制备工艺复杂，通常会面临产品应用特性损失的问题，尤其是在对二氧化钛溶胶进行干燥处理并对得到的纳米二氧化钛粉体进一步分散处理后，粉体的光催化活性较差，明显低于二氧化钛溶胶的光催化活性。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种静电纺丝制备纳米二氧化钛的方法，解决了现有技术制备的粉体活性差的问题，通过静电纺丝的方式来制备纳米级二氧化钛，粒径分布均匀，高催化活性高。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种静电纺丝制备纳米二氧化钛的方法，包括如下步骤：

步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中搅拌均匀形成钛醇液；

步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮加入至钛醇液中超声分散20-50min，微波反应2-5h，得到分散钛液；

步骤3，将分散钛液加入至高压静电纺丝装置内进行静电纺丝，得到纳米纤维；

步骤4，将纳米纤维浸泡至无水乙醇中微波反应2-4h，过滤后得到白色沉淀物；

步骤5，将白色沉淀物进行紫外光照处理30-60min，得到纳米二氧化钛。

所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇的浓度为100-200g/l，搅拌均匀的搅拌速度为1000-2000r/min。

所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的80-90％，所述超声分散的超声频率为20-40khz，温度为40-50℃，所述微波反应的微波功率为500-800w，温度为60-70℃。

所述步骤3中的静电纺丝的电压为50-90kv，推进速度为10-30μl/min，接收距离为15-30cm，滚筒转速为200-500r/min，温度为80-100℃。

所述步骤4中的纳米纤维在无水乙醇中的浓度为100-150g/l，所述微波反应的功率为1000-1500w，温度为30-40℃。

所述步骤5中的紫外光照处理的温度80-90℃，光照强度为3-10w/cm²。

步骤1将钛酸正丁酯溶解在无水乙醇中，并在搅拌过程中形成均匀分散。

步骤2将聚乙烯吡咯烷酮加入至钛醇液中超声反应，利用超声的离合能能够加快聚乙烯吡咯烷酮的溶解速度，同时能够将聚乙烯吡咯烷酮分散均匀；微波反应能够促进钛酸正丁酯和聚乙烯吡咯烷酮形成包裹反应，得到聚乙烯吡咯烷酮包裹二氧化钛。

步骤3将分散钛液进行静电纺丝，能够形成良好的纳米纤维，且纳米纤维以聚乙烯吡咯烷酮作为粘结剂，且纤维内均匀分布有纳米二氧化钛。

步骤4将纳米纤维放入无水乙醇中，并辅以微波反应，纳米纤维内的聚乙烯吡咯烷酮溶解在无水乙醇中，将纳米二氧化钛析出，形成白色沉淀。

步骤5将白色沉淀进行紫外光照处理，利用纳米二氧化钛在紫外条件下的性能，不仅能够将乙醇去除，同时将残留的聚乙烯吡咯烷酮降解，形成纳米级，且处于激活状态的纳米二氧化钛。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.本发明解决了现有技术制备的粉体活性差的问题，通过静电纺丝的方式来制备纳米级二氧化钛，粒径分布均匀，高催化活性高。

2.本发明采用高压静电纺丝工艺制备纳米纤维，不仅能够利用分散钛液和高压静电纺丝来控制纳米纤维粒径，而且能够利用聚乙烯吡咯烷酮的包裹确保纳米二氧化钛的分散性。

3.本发明的高压静电纺丝中产生的乙醇气体通过回收后至直接使用，同时纳米纤维浸泡后产生的废液为聚乙烯吡咯烷酮的乙醇液，经回收后可以作为聚乙烯吡咯烷酮加入工艺中。

4.本发明提供的工艺产生的废液回收利用率，几乎无废气废液产生，满足环保要求。

附图说明

图1是本发明实施例1的纳米二氧化钛的扫描电镜图。

具体实施方式

结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。

实施例1

一种静电纺丝制备纳米二氧化钛的方法，包括如下步骤：

步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中搅拌均匀形成钛醇液；

步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮加入至钛醇液中超声分散20min，微波反应2h，得到分散钛液；

步骤3，将分散钛液加入至高压静电纺丝装置内进行静电纺丝，得到纳米纤维；

步骤4，将纳米纤维浸泡至无水乙醇中微波反应2h，过滤后得到白色沉淀物；

步骤5，将白色沉淀物进行紫外光照处理30min，得到纳米二氧化钛。

所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇的浓度为100g/l，搅拌均匀的搅拌速度为1000r/min。

所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的80％，所述超声分散的超声频率为20khz，温度为40℃，所述微波反应的微波功率为500w，温度为60℃。

所述步骤3中的静电纺丝的电压为50kv，推进速度为10μl/min，接收距离为15cm，滚筒转速为200r/min，温度为80℃。

所述步骤4中的纳米纤维在无水乙醇中的浓度为100g/l，所述微波反应的功率为1000w，温度为30℃。

所述步骤5中的紫外光照处理的温度80℃，光照强度为3w/cm²。

经检测，实施例1中的纳米二氧化钛的粒径为100nm，如图1所示

实施例2

一种静电纺丝制备纳米二氧化钛的方法，包括如下步骤：

步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中搅拌均匀形成钛醇液；

步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮加入至钛醇液中超声分散50min，微波反应5h，得到分散钛液；

步骤3，将分散钛液加入至高压静电纺丝装置内进行静电纺丝，得到纳米纤维；

步骤4，将纳米纤维浸泡至无水乙醇中微波反应4h，过滤后得到白色沉淀物；

步骤5，将白色沉淀物进行紫外光照处理60min，得到纳米二氧化钛。

所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇的浓度为200g/l，搅拌均匀的搅拌速度为2000r/min。

所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的90％，所述超声分散的超声频率为40khz，温度为50℃，所述微波反应的微波功率为500-800w，温度为70℃。

所述步骤3中的静电纺丝的电压为90kv，推进速度为30μl/min，接收距离为30cm，滚筒转速为500r/min，温度为100℃。

所述步骤4中的纳米纤维在无水乙醇中的浓度为150g/l，所述微波反应的功率为1500w，温度为40℃。

所述步骤5中的紫外光照处理的温度90℃，光照强度为10w/cm²。

实施例3

一种静电纺丝制备纳米二氧化钛的方法，包括如下步骤：

步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中搅拌均匀形成钛醇液；

步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮加入至钛醇液中超声分散40min，微波反应4h，得到分散钛液；

步骤3，将分散钛液加入至高压静电纺丝装置内进行静电纺丝，得到纳米纤维；

步骤4，将纳米纤维浸泡至无水乙醇中微波反应3h，过滤后得到白色沉淀物；

步骤5，将白色沉淀物进行紫外光照处理40min，得到纳米二氧化钛。

所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇的浓度为150g/l，搅拌均匀的搅拌速度为1500r/min。

所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的85％，所述超声分散的超声频率为30khz，温度为45℃，所述微波反应的微波功率为600w，温度为65℃。

所述步骤3中的静电纺丝的电压为70kv，推进速度为20μl/min，接收距离为25cm，滚筒转速为400r/min，温度为90℃。

所述步骤4中的纳米纤维在无水乙醇中的浓度为130g/l，所述微波反应的功率为1000-1500w，温度为35℃。

所述步骤5中的紫外光照处理的温度85℃，光照强度为8w/cm²。

性能检测

综上所述，本发明具有以下优点：

1.本发明解决了现有技术制备的粉体活性差的问题，通过静电纺丝的方式来制备纳米级二氧化钛，粒径分布均匀，高催化活性高。

2.本发明采用高压静电纺丝工艺制备纳米纤维，不仅能够利用分散钛液和高压静电纺丝来控制纳米纤维粒径，而且能够利用聚乙烯吡咯烷酮的包裹确保纳米二氧化钛的分散性。

3.本发明的高压静电纺丝中产生的乙醇气体通过回收后至直接使用，同时纳米纤维浸泡后产生的废液为聚乙烯吡咯烷酮的乙醇液，经回收后可以作为聚乙烯吡咯烷酮加入工艺中。

4.本发明提供的工艺产生的废液回收利用率，几乎无废气废液产生，满足环保要求。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。