静电纺丝法制备β-SiC/SiO2纤维、SiO2和SiO2/ZnO中空纳米纤维及其性能研究

摘要

本文分别以聚碳硅烷(PCS)和正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用静电纺丝法制备了β-SiC/SiO2微/纳米纤维、疏水β-SiC/SiO2纤维、SiO2中空纳米纤维和SiO2/ZnO中空纳米纤维。系统研究了工艺参数对产物形貌的影响,优选出制备工艺,并以红外光谱仪(IR)、X-射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光分光光度计对产物组成、物相、微观形貌及光致发光性能进行了表征。研究内容如下:
　　1、以PCS为原料,采用溶液静电纺丝技术制备出前驱体,经不熔化处理及煅烧获得β-SiC/SiO2微/纳米纤维。系统研究了PCS浓度、溶剂种类、溶剂配比、添加物、不熔化处理条件等对制备产物形貌的影响及产物光致发光性能。研究结果表明:前驱体不熔化处理的优选条件为于马弗炉中,190℃下保温8h;将前驱体于真空气氛炉中,1200℃下,保温2h,即转变为目标产物β-SiC/SiO2微/纳米纤维,产物基本保持了前驱体纤维的形貌;以二甲苯为溶剂,控制纺丝液中PCS的浓度为60%～70%,可制得表面光滑,直径为10μm的β-SiC/SiO2微米纤维,在纺丝液中添加10wt%的TBAB/DMF,可使β-SiC/SiO2微米纤维直径降低至1～2μm;以二甲苯和DMF为溶剂,控制PCS的浓度为45%～50%,二甲苯与DMF的质量比为2∶1,可制得平均直径约为500nm,形貌均一的β-SiC/SiO2纳米纤维;其光致发光光谱表明β-SiC/SiO2微米纤维在367nm和466nm处有发光峰。
　　2、以十七氟癸基三乙氧基硅烷(AC-FAS)为表面改性剂,对所制备的β-SiC/SiO2微/纳米纤维进行表面改性,制得疏水β-SiC/SiO2纤维,并研究了纤维形貌对改性后材料的输水性能的影响及疏水β-SiC/SiO2纤维的光致发光性能。研究结果表明:β-SiC/SiO2纤维越细,表面越粗糙,疏水性能越好。Β-SiC/SiO2纳米纤维经改性后,水接触角可达148°。光致发光光谱显示疏水β-SiC/SiO2微米纤维存在338nm和410nm处的发射,疏水β-SiC/SiO2纳米纤维在336nm和416nm处有发光峰,可见纤维直径改变,疏水β-SiC/SiO2纤维发光峰的峰位略有改变,但变化很小。
　　3、以正硅酸乙酯(TEOS)或添加纳米ZnO的正硅酸乙酯(TEOS)为原料,乙醇为溶剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为高分子模板剂,采用溶液静电纺丝技术制备了SiO2中空纳米纤维和SiO2/ZnO中空纳米纤维,对原料配比、模板剂用量、纺丝电压、进样速率、纳米ZnO用量等工艺参数进行了优化,并对所制备材料的物相结构、微观形貌、比表面积及光致发光性能进行了研究。得到如下结果:
　　(1)制备SiO2中空纳米纤维前驱体的优选工艺为TEOS与乙醇的体积比为1∶3,模板剂PVP用量为50.0～62.5mg·mL-1,进样速率为1.0～1.5mL·h-1,纺丝电压为25～30kV,纺丝距离为15cm。按此工艺制备前驱体纤维,经不熔化处理及煅烧,可得到直径为300～600nm,壁厚约为150nm,内径约为30nm的SiO2中空纳米纤维。光致发光光谱表明SiO2中空纳米纤维在288nm和370nm处有发光峰。
　　(2)按照(1)的优选工艺条件在TEOS/PVP/乙醇溶液中添加纳米ZnO,制备SiO2/ZnO中空纳米纤维。着重研究了纳米ZnO用量对产物形貌的影响,结果表明,加入ZnO有利于成管,但并非越多越好,优选ZnO的量为10～20mg·mL-1。在优选条件下制得直径为300～500nm,壁厚约100nm,内径约300nm,形貌均匀,表面较光滑的SiO2/ZnO中空纳米纤维。光致发光光谱表明SiO2/ZnO中空纳米纤维在288nm和300～500nm处存在发光峰。与SiO2/ZnO中空纳米纤维相比,SiO2/ZnO中空纳米纤维在蓝光区有较强发光。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 一维纳米材料的研究概述

1.1.1 一维纳米材料的研究进展

1.1.2 一维纳米材料的经典制备方法

1.1.3 一维纳米材料的应用

1.2 静电纺丝技术介绍

1.2.1 静电纺丝的概念和基本原理

1.2.2 静电纺丝的装置

1.2.3 静电纺丝的影响因素

1.2.4 静电纺丝纤维的种类和应用

1.3 静电纺丝法制备一维纳米材料

1.3.1 静电纺丝法制备一维纳米材料的研究进展

1.3.2 基于静电纺丝的一维纳米材料的制备方法

1.4 课题的选题依据及主要研究内容

1.4.1 选题依据

1.4.2 主要研究内容

1.5 项目来源

2 β-SiC/SiO2纤维的制备及其性能研究

2.1 实验原料及设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验仪器

2.1.3 分析测试仪器

2.2 实验方法

2.2.1 β-SiC/SiO2微米纤维的制备

2.2.2 β-SiC/SiO2纳米纤维的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 β-SiC/SiO2微米纤维制备工艺的优化

2.3.2 β-SiC/SiO2纳米纤维制备工艺的优化

2.3.3 β-SiC/SiO2纤维的表征与结果分析

2.4 本章小结

3 β-SiC/SiO2纤维的改性与性能研究

3.1 实验原料及设备

3.1.1 实验原料

3.1.2 实验仪器

3.1.3 分析测试仪器

3.2 实验方法

3.2.1 β-SiC/SiO2纤维的预处理

3.2.2 改性剂的配制

3.2.3 疏水β-SiC/SiO2纤维的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 疏水β-SiC/SiO2纤维的接触角测试分析

3.3.2 疏水β-SiC/SiO2纤维的形貌分析

3.3.3 疏水β-SiC/SiO2纤维的物相分析

3.3.4 疏水β-SiC/SiO2纤维的光致发光性能

3.4 本章小结

4 SiO2中空纳米纤维和SiO2/ZnO中空纳米纤维的制备与性能研究

4.1 实验原料及设备

4.1.1 实验原料

4.1.2 实验仪器

4.1.3 分析测试仪器

4.2 实验方法

4.2.1 前驱体溶液的配制

4.2.2 静电纺丝制备前驱体纤维

4.2.3 中空纳米纤维的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 SiO2中空纳米纤维和SiO2/ZnO中空纳米纤维制备工艺的优化

4.3.2 SiO2中空纳米纤维的表征与结果分析

4.3.3 SiO2/ZnO中空纳米纤维的表征与结果分析

4.4 本章小结

5 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.1.1 本文的主要结论

5.1.2 论文创新点归纳

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成绩