一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)SiOC陶瓷纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于纖維材料領(lǐng)域，具體涉及一種S1C陶瓷纖維的制備方法，特別涉及一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅氧碳陶瓷(S1C)是由Si原子、C原子和O原子以共價鍵相連的四面體結(jié)構(gòu)，也可以看作是3102的硅氧四面體結(jié)構(gòu)中的O原子部分被C原子取代的產(chǎn)物。在S1C的分子結(jié)構(gòu)中，由于C原子取代了 S12硅氧四面體中部分O原子的位置，被取代的O原子只能與兩個Si原子成鍵，而C原子可與四個Si原子成鍵，所以C原子的引入使得[S14]四面體骨架的剛性加強。因此與S12陶瓷相比，S1C陶瓷具有很多優(yōu)良的物理性能，如強度高、高溫蠕變低、高溫穩(wěn)定性好、優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性等。
[0003]陶瓷纖維作為一種常見的材料，被廣泛應(yīng)用在基體增強、高溫隔熱、氣體過濾和催化負(fù)載等領(lǐng)域。隨著工業(yè)發(fā)展，傳統(tǒng)的致密陶瓷纖維已難以滿足各行業(yè)的應(yīng)用需求，為此人們嘗試通過改變陶瓷纖維進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)來優(yōu)化其各項物理性能。例如，將中空結(jié)構(gòu)引入到纖維中，可顯著減小纖維的熱導(dǎo)率，從而增強其隔熱特性；將纖維表面制備成多孔結(jié)構(gòu)，可顯著增加纖維的比較面積，從而增強其負(fù)載催化能力。目前，S1C纖維的主要制備方法為溶膠凝膠法和熔融紡絲法。這兩種方法均可較容易地制備出實心致密的S1C纖維，但卻難以進(jìn)一步制備出具有多孔或中空結(jié)構(gòu)的S1C纖維。圖1為典型的實心致密S1C纖維的掃描電鏡照片(Journal of Materials Scicence 2000，35，3155-3159)。
[0004]同軸靜電紡絲是一種新興的纖維制備工藝，在制備中空或多孔纖維方面有著獨特的優(yōu)勢，目前已成功制備出諸如Ti02、Si0^多種中空陶瓷纖維。同軸靜電紡絲工藝的主要原理是:首先，將目標(biāo)陶瓷產(chǎn)物的可溶性前驅(qū)體配置成殼層溶液，將與陶瓷前驅(qū)體不相容的有機物配置成芯層溶液；在特定的靜電紡絲工藝參數(shù)的作用下，芯層溶液和殼層溶液通過同軸針頭一同噴射出而形成一種具有殼/芯結(jié)構(gòu)的初生纖維。經(jīng)高溫?zé)峤夂螅跎w維中的殼層部分轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)陶瓷產(chǎn)物，芯層部分則因為高溫分解而消失，從而形成孔洞?？梢钥闯?，對于同軸靜電紡絲工藝，芯層溶液、殼層溶液以及紡絲過程中紡絲電壓、紡絲速率等都是十分重要的參數(shù)，而且這些參數(shù)也會根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的不同而變化。由于同軸靜電紡絲工藝參數(shù)對目標(biāo)產(chǎn)物比較敏感，目前尚未有關(guān)于同軸靜電紡絲制備中空多孔S1C纖維的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對目前S1C纖維結(jié)構(gòu)單一的不足，提供一種同軸靜電紡絲法制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法，該方法制備的S1C纖維的尺寸為亞微米級，且具有中空多孔結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0007]一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法，具體按以下步驟實施:
[0008](I)配制紡絲液，紡絲液由殼層紡絲液和芯層紡絲液組成:
[0009]殼層紡絲液配制:將聚甲基硅氧烷和聚乙烯吡咯烷酮溶于有機溶劑中，室溫下攪拌均勻，得到殼層紡絲液；
[0010]芯層紡絲液配制:芯層溶液選用石蠟、蓖麻油、二甲基硅油或10wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中的任意一種。
[0011](2)同軸靜電紡絲:
[0012]將步驟(I)得到的殼層紡絲液倒入殼層微量栗中，將步驟(I)得到的芯層紡絲液倒入芯層微量栗中，采用芯層直徑為0.5mm，殼層直徑為1.5mm的同軸噴頭作為噴射細(xì)流的噴絲頭，經(jīng)靜電紡絲，得到芯層為高分子聚合物、殼層為陶瓷前驅(qū)體的初生纖維；
[0013](3)燒結(jié):
[0014]將步驟(2)得到的初生纖維在氬氣或氮氣氣氛中800-1000°C下鍛燒l_3h，自然冷卻至室溫，即得到中空多孔S1C陶瓷纖維。
[0015]步驟(I)中，殼層有機溶劑為叔丁醇、乙醇、甲醇和N-N 二甲基甲酞胺的任意一種或混合溶液。
[0016]步驟(I)中，殼層紡絲溶液中聚甲基硅氧烷的加入量與聚乙烯吡咯烷酮的加入量的質(zhì)量比為1-3。
[0017]步驟⑴中，有機溶劑的加入量與聚乙烯吡咯烷酮的加入量的質(zhì)量比為10-15。
[0018]步驟(2)中，所采用的同軸靜電紡絲參數(shù):芯層紡絲液紡絲速率為0.05-0.5ml/h，殼層紡絲液紡絲速率為0.5-3.0ml/h，紡絲電壓為12-20kV，紡絲距離為8_17cm。
[0019]本發(fā)明將聚甲基硅氧烷和聚乙烯吡咯烷酮溶解在特定溶液中，為殼層溶液；取石蠟、二甲基硅油或聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中的任意一種為芯層溶液；將殼層溶液和芯層溶液以恒定的流速分別輸入到同軸針頭的外層和內(nèi)層，在一定的紡絲距離、紡絲電壓下得到前驅(qū)體纖維。纖維經(jīng)高溫?zé)峤夂蟊憧傻玫街锌斩嗫譙1C纖維。本發(fā)明制備的S1C纖維具有多種形貌，纖維表面可平滑也可多孔，纖維內(nèi)部可為中空結(jié)構(gòu)，也可為多孔結(jié)構(gòu)。
[0020]本發(fā)明利用同軸靜電紡絲技術(shù)分別制備了表面光滑截面為中空結(jié)構(gòu)的S1C纖維、表面多孔截面為中空結(jié)構(gòu)的S1C纖維和表面及截面都為多孔的S1C纖維，所制備出的纖維在高溫隔熱、催化負(fù)載等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0021]圖1是典型的實心致密S1C纖維的SEM照片。
[0022]圖2是實施例1中中空多孔S1C纖維的SEM照片。
[0023]圖3是實施例2中中空多孔S1C纖維的SEM照片。
[0024]圖4是實施例3中中空多孔S1C纖維的SEM照片。
【具體實施方式】
[0025]實施例1:
[0026]一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法，包括以下步驟:
[0027](I)室溫下，將3.0g聚甲基硅氧烷、1.0g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以轉(zhuǎn)速15rpm攪拌溶解在15g異丙醇溶劑中，攪拌至固體全部溶解，溶液呈無色透明液體，該溶液作為殼層紡絲溶液。以純二甲基硅油作為芯層紡絲溶液。
[0028](2)室溫下，將配置的二甲基硅油和殼層紡絲溶液分別以0.05mL/h和0.5mL/h的流速輸入到同軸針頭的芯層和殼層，其中芯層噴絲頭直徑為0.08mm，殼層噴絲頭直徑為
0.6mm，紡絲電壓為15kV，接收距離為12cm。
[0029](3)在氬氣中，將前驅(qū)體纖維從室溫以2°C /min升溫至800°C，并在800°C保持3小時，然后自然冷卻至室溫，最終得到S1C纖維。
[0030]如附圖2掃描電鏡(SEM)圖所示，制備出的產(chǎn)物為表面光滑截面為中空結(jié)構(gòu)的S1C纖維。
[0031]實施例2:
[0032]一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法，包括以下步驟:
[0033](I)室溫下，將4.0g聚甲基硅氧烷、1.5g聚乙烯吡咯烷酮以轉(zhuǎn)速15rpm攪拌溶解在15g乙醇溶劑中，攪拌至固體全部溶解，溶液呈無色透明液體，該溶液作為外層溶液。以純液體石蠟作為芯層紡絲溶液。
[0034](2)室溫下，將配置的液體石蠟和殼層紡絲溶液分別以0.15mL/h和0.7mL/h的流速輸入到同軸針頭的芯層和殼層，其中芯層噴絲頭直徑為0.12mm，殼層噴絲頭直徑為
1.2mm，紡絲電壓為20kV，接收距離為17cm。
[0035](3)在氮氣中，將前驅(qū)體纖維從室溫以2°C /min升溫至1000 °C，并在1000 °C保持2小時，然后自然冷卻至室溫，最終得到S1C纖維。
[0036]如附圖3掃描電鏡(SEM)圖所示制備出的產(chǎn)物為表面多孔截面為中空結(jié)構(gòu)的S1C纖維。
[0037]實施例3:
[0038]一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法，包括以下步驟:
[0039](I)室溫下，將0.9g聚甲基硅氧烷、0.9g聚乙烯吡咯烷酮以轉(zhuǎn)速15rpm攪拌溶解在Sg異丙醇和2gN，N- 二甲基甲酰胺的混合溶液中，攪拌至固體全部溶解，溶液呈無色透明液體，該溶液作為外層溶液。以固相含量為10%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液作為芯層溶液。
[0040](2)室溫下，將配置的芯層和殼層紡絲溶液分別以0.5mL/h和3.0mL/h的流速輸入到同軸針頭的芯層和殼層，其中芯層噴絲頭直徑為0.4mm，殼層噴絲頭直徑為1.5mm，紡絲電壓為12kV，接收距離為8cm。
[0041](3)在氮氣中，將前驅(qū)體纖維從室溫以2°C /min升溫至900°C，并在900°C保持I小時，然后自然冷卻至室溫，最終得到具有中空結(jié)構(gòu)的S1C纖維。
[0042]如附圖4掃描電鏡(SEM)圖所示制備出的產(chǎn)物為表面和截面都為多孔狀的S1C纖維。
[0043]本發(fā)明公開和提出的一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改變條件路線等環(huán)節(jié)實現(xiàn)，盡管本發(fā)明的方法和制備技術(shù)已通過較佳實施例子進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
、精神和范圍內(nèi)對本文所述的方法和技術(shù)路線進(jìn)行改動或重新組合，來實現(xiàn)最終的制備技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
【主權(quán)項】
1.一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)S1C陶瓷纖維的方法，其特征是步驟如下: (1)配制紡絲液，紡絲液由殼層紡絲液和芯層紡絲液組成: 殼層紡絲液配制:將聚甲基硅氧烷和聚乙烯吡咯烷酮溶于有機溶劑中，室溫下攪拌均勻，得到殼層紡絲液； 芯層紡絲液配制:芯層溶液選用石蠟、蓖麻油、二甲基硅油或10被％的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中的任意一種； (2)同軸靜電紡絲: 將得到的殼層紡絲液倒入殼層微量栗中，將得到的芯層紡絲液倒入芯層微量栗中，經(jīng)靜電紡絲，得到芯層為高分子聚合物、殼層為陶瓷前驅(qū)體的初生纖維； (3)燒結(jié): 將得到的初生纖維在氬氣或氮氣氣氛中800-1000°C下鍛燒l_3h，自然冷卻至室溫，SP得到中空多孔S1C陶瓷纖維。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是微量栗采用芯層直徑為0.5mm，殼層直徑為1.5mm的同軸噴頭作為噴射細(xì)流的噴絲頭。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是殼層有機溶劑為叔丁醇、乙醇、甲醇和N-N二甲基甲酞胺的任意一種或混合溶液。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是殼層紡絲溶液中聚甲基硅氧烷的加入量與聚乙烯吡咯烷酮的加入量的質(zhì)量比為1-3。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是有機溶劑的加入量與聚乙烯吡咯烷酮的加入量的質(zhì)量比為10-15。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所采用的同軸靜電紡絲參數(shù):芯層紡絲液紡絲速率為0.05-0.5ml/h，殼層紡絲液紡絲速率為0.5-3.0ml/h,紡絲電壓為12_20kV，紡絲距離為 8-17cm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同軸靜電紡絲制備具有中空多孔結(jié)構(gòu)SiOC陶瓷纖維的方法，將聚甲基硅氧烷和聚乙烯吡咯烷酮溶于有機溶劑中，室溫下攪拌均勻，得到殼層紡絲液；芯層溶液選用石蠟、蓖麻油、二甲基硅油或10wt％的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中的任意一種。將得到的殼層紡絲液倒入殼層微量泵中，采用芯層直徑為0.5mm，殼層直徑為1.5mm的同軸噴頭作為噴射細(xì)流的噴絲頭，經(jīng)靜電紡絲，得到芯層為高分子聚合物、殼層為陶瓷前驅(qū)體的初生纖維；將得到的初生纖維在氬氣或氮氣氣氛中800-1000℃下鍛燒1-3h，自然冷卻至室溫，即得到中空多孔SiOC陶瓷纖維。所制備出的纖維在高溫隔熱、催化負(fù)載等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
【IPC分類】D01F1/08, D01F9/10, D01F9/08, D01F8/16, D01D5/00, D01D5/34
【公開號】CN105256406
【申請?zhí)枴緾N201510732790
【發(fā)明人】郭安然, 董學(xué), 張晶, 劉家臣
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月2日