CN102747599B - 三维纳米结构纤维材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维纳米结构纤维材料及其制备方法。材料为聚合物纤维表面复合有站立的纳米片，其中，纳米片的片厚为5～80nm、片宽为20～300nm、片高为5～500nm，其由伽马羟基氧化铝或氢氧化铝或两者的混合物构成，聚合物纤维的直径为10nm～10μm、长度≥100nm，其由醋酸纤维素、二乙酸纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基缩丁醛中的一种或两种以上的混合物组成；方法为先将金属铝与聚合物纤维按质量比为1∶1～10000的比例混合后浸没于浓度为0.01～60wt％的碱性溶液中，得混合溶液，再将混合溶液置于密闭状态，于80～180℃下保温6～96h，得中间产物，接着，先洗涤掉中间产物中的过量铝，再将其干燥，制得三维纳米结构纤维材料。它可广泛地用作吸附剂和催化剂的载体。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维材料及制备方法，尤其是一种三维纳米结构纤维材料及其制备方法。
背景技术
纳米结构通常是指0.1～100nm的超微结构，是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维的、二维的、三维的体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造超原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。伽马羟基氧化铝(γ-A100H)、氢氧化铝和氧化铝的尺度在纳米量级时，常被用作吸附剂、催化剂的载体和干燥剂；可是，当伽马羟基氧化铝、氢氧化铝和氧化铝为纳米粉体时，却因其极易团聚而使得吸附性能严重下降，导致了性能的劣化，极大地限制了性能的有效发挥。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种其上的伽马羟基氧化铝或氢氧化铝不会发生团聚现象的三维纳米结构纤维材料。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述三维纳米结构纤维材料的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：三维纳米结构纤维材料包括聚合物纤维，特别是，
所述聚合物纤维的表面复合有站立的纳米片；
所述纳米片的片厚为5～80nm、片宽为20～300nm、片高为5～500nm，其由伽马羟基氧化铝或氢氧化铝或两者的混合物构成；
所述聚合物纤维的直径为10nm～10μm、长度≥100nm，其由醋酸纤维素、二乙酸纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基缩丁醛中的一种或两种以上的混合物组成。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述三维纳米结构纤维材料的制备方法采用水热法，特别是完成步骤如下：
步骤1，先将金属铝与聚合物纤维按照质量比为1∶1～10000的比例相混合后浸没于浓度为0.01～60wt％的碱性溶液中，得到混合溶液，再将混合溶液置于密闭状态，于温度为80～180℃下保温6～96h，得到中间产物；
步骤2，先洗涤掉中间产物中的过量铝，再将其干燥，制得三维纳米结构纤维材料。
作为三维纳米结构纤维材料的制备方法的进一步改进，所述的碱性溶液为氨水、尿素溶液、氢氧化钠溶液、六次亚甲基四胺溶液、季铵盐溶液中的一种或两种以上的混合物；所述的洗涤掉中间产物中过量铝的洗涤液为水；所述的将三维纳米结构纤维材料置于无氧气氛中，于200～1200℃下煅烧至少0.5h，得到纤维为碳质、纳米片为氧化铝的三维纳米结构纤维材料；所述的将三维纳米结构纤维材料置于乙醇或丙酮或甲酸或N，N二甲基甲酰胺或空气中，于400～1200℃下煅烧至少0.5h，得到氧化铝纳米片组成的管状三维纳米结构纤维材料。
相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的目标产物分别使用扫描电镜和X射线衍射仪进行表征，由其结果可知，目标产物为其表面复合有站立的纳米片的纤维；其中，纳米片的片厚为5～80nm、片宽为20～300nm、片高为5～500nm，其由伽马羟基氧化铝或氢氧化铝或两者的混合物构成，纤维为聚合物纤维，聚合物纤维的直径为10nm～10μm、长度≥100nm，其由醋酸纤维素、二乙酸纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基缩丁醛中的一种或两种以上的混合物组成。其二，这种基于复合在聚合物纤维表面上的、由伽马羟基氧化铝或氢氧化铝或两者的混合物构成的具有高分散性的纳米片所形成的目标产物，可广泛地用作吸附剂和催化剂的载体。其三，制备方法既制得了其上的伽马羟基氧化铝或氢氧化铝不会发生团聚现象的目标产物，又有着工艺过程简单，耗能少、时间短，适于大规模的工业化生产的优点。
作为有益效果的进一步体现，一是碱性溶液优选为氨水、尿素溶液、氢氧化钠溶液、六次亚甲基四胺溶液、季铵盐溶液中的一种或两种以上的混合物，不仅使得原料的来源较为丰富，还使制备工艺更易实施且灵活便捷；二是洗涤掉中间产物中过量铝的洗涤液优选为水，既价廉，又物美；三是优选将三维纳米结构纤维材料置于无氧气氛中，于200～1200℃下煅烧至少0.5h，得到纤维为碳质、纳米片为氧化铝的三维纳米结构纤维材料，除使目标产物的性能更加稳定之外，还拓展了其用途；四是优选将三维纳米结构纤维材料置于乙醇或丙酮或甲酸或N，N二甲基甲酰胺或空气中，于400～1200℃下煅烧至少0.5h，得到氧化铝纳米片组成的管状三维纳米结构纤维材料，不仅增大了目标产物的比表面积，还极大地改变了其使用的范围。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是对制得的目标产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。其中，图1a为低倍SEM照片，由其可看出，目标产物为众多的纤维状物；图1b为高倍SEM照片，由其可看出，目标产物为纤维状物的表面复合有站立的纳米片。
图2是分别对静电纺聚丙烯腈纤维和制得的目标产物使用X射线衍射(XRD)仪进行表征的结果之一。XRD谱图中的曲线a为静电纺聚丙烯腈纤维的谱线，曲线b为由聚丙烯腈纤维的表面复合有伽马羟基氧化铝纳米片构成的目标产物的谱线。
图3是对再处理后的目标产物使用扫描电镜进行表征的结果之一。由其可看出，经处理过的目标产物中的纤维状物已呈纳米片组成的管状。
具体实施方式
首先从市场购得或用常规方法制得：
金属铝，优选为金属铝粉；
作为聚合物纤维的醋酸纤维素纤维、二乙酸纤维素纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚甲基缩丁醛纤维和上述纤维材料中的一种或两种以上的混合物组成的纤维，纤维的直径为10nm～10μm、长度≥100nm；
作为碱性溶液的氨水、尿素溶液、氢氧化钠溶液、六次亚甲基四胺溶液、季铵盐溶液中的一种或两种以上的混合物。接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先将金属铝与聚合物纤维按照质量比为1∶1的比例相混合后浸没于浓度为0.01wt％的碱性溶液中，得到混合溶液；其中，聚合物纤维为聚丙烯腈纤维，碱性溶液为六次亚甲基四胺溶液。再将混合溶液置于密闭状态，于温度为80℃下保温96h，得到中间产物。
步骤2，先洗涤掉中间产物中的过量铝；其中，洗涤液为水。再将其干燥，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线b所示的三维纳米结构纤维材料。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先将金属铝与聚合物纤维按照质量比为1∶2500的比例相混合后浸没于浓度为0.1wt％的碱性溶液中，得到混合溶液；其中，聚合物纤维为聚丙烯腈纤维，碱性溶液为六次亚甲基四胺溶液。再将混合溶液置于密闭状态，于温度为105℃下保温72h，得到中间产物。
步骤2，先洗涤掉中间产物中的过量铝；其中，洗涤液为水。再将其干燥，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线b所示的三维纳米结构纤维材料。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先将金属铝与聚合物纤维按照质量比为1∶5000的比例相混合后浸没于浓度为1wt％的碱性溶液中，得到混合溶液；其中，聚合物纤维为聚丙烯腈纤维，碱性溶液为六次亚甲基四胺溶液。再将混合溶液置于密闭状态，于温度为130℃下保温50h，得到中间产物。
步骤2，先洗涤掉中间产物中的过量铝；其中，洗涤液为水。再将其干燥，制得如图1所示，以及如图2中的曲线b所示的三维纳米结构纤维材料。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先将金属铝与聚合物纤维按照质量比为1∶7500的比例相混合后浸没于浓度为30wt％的碱性溶液中，得到混合溶液；其中，聚合物纤维为聚丙烯腈纤维，碱性溶液为六次亚甲基四胺溶液。再将混合溶液置于密闭状态，于温度为155℃下保温28h，得到中间产物。
步骤2，先洗涤掉中间产物中的过量铝；其中，洗涤液为水。再将其干燥，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线b所示的三维纳米结构纤维材料。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先将金属铝与聚合物纤维按照质量比为1∶10000的比例相混合后浸没于浓度为60wt％的碱性溶液中，得到混合溶液；其中，聚合物纤维为聚丙烯腈纤维，碱性溶液为六次亚甲基四胺溶液。再将混合溶液置于密闭状态，于温度为180℃下保温6h，得到中间产物。
步骤2，先洗涤掉中间产物中的过量铝；其中，洗涤液为水。再将其干燥，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线b所示的三维纳米结构纤维材料。
再分别选用作为聚合物纤维的醋酸纤维素纤维，或二乙酸纤维素纤维，或聚丙烯腈纤维，或聚酰胺纤维，或聚甲基缩丁醛纤维，或上述纤维材料中的一种或两种以上的混合物组成的纤维，纤维的直径为10nm～10μm、长度≥100nm；作为碱性溶液的氨水，或尿素溶液，或氢氧化钠溶液，或六次亚甲基四胺溶液，或季铵盐溶液中的一种或两种以上的混合物；重复上述实施例1～5，同样制得了如或近似于图1所示，以及如或近似于图2中的曲线b所示的三维纳米结构纤维材料。
若为得到性能更稳定、用途更广泛的三维纳米结构纤维材料，可将三维纳米结构纤维材料置于无氧气氛中，于200～1200℃下煅烧至少0.5h，得到纤维为碳质、纳米片为氧化铝的三维纳米结构纤维材料；或者，将三维纳米结构纤维材料置于乙醇或丙酮或甲酸或N，N二甲基甲酰胺或空气中，于400～1200℃下煅烧至少0.5h，得到如图3所示的氧化铝纳米片组成的管状三维纳米结构纤维材料。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的三维纳米结构纤维材料及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种三维纳米结构纤维材料的制备方法，采用水热法，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，先将金属铝与聚合物纤维按照质量比为1：1～10000的比例相混合后浸没于浓度为0.01～60wt％的碱性溶液中，得到混合溶液，再将混合溶液置于密闭状态，于温度为80～180℃下保温6～96h，得到中间产物；
步骤2，先洗涤掉中间产物中的过量铝，再将其干燥，制得三维纳米结构纤维材料；
所述三维纳米结构纤维材料由聚合物纤维的表面复合有站立的纳米片组成，其中，纳米片的片厚为5～80nm、片宽为20～300nm、片高为5～500nm，其由伽马羟基氧化铝或氢氧化铝或两者的混合物构成，聚合物纤维的直径为10nm～10μm、长度≥100nm，其由醋酸纤维素、二乙酸纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基缩丁醛中的一种或两种以上的混合物组成。
2.根据权利要求1所述的三维纳米结构纤维材料的制备方法，其特征是碱性溶液为氨水、尿素溶液、氢氧化钠溶液、六次亚甲基四胺溶液、季铵盐溶液中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的三维纳米结构纤维材料的制备方法，其特征是洗涤掉中间产物中过量铝的洗涤液为水。
4.根据权利要求1所述的三维纳米结构纤维材料的制备方法，其特征是将三维纳米结构纤维材料置于无氧气氛中，于200～1200℃下煅烧至少0.5h，得到纤维为碳质、纳米片为氧化铝的三维纳米结构纤维材料。
5.根据权利要求1所述的三维纳米结构纤维材料的制备方法，其特征是将三维纳米结构纤维材料置于乙醇或丙酮或甲酸或N，N-二甲基甲酰胺或空气中，于400～1200℃下煅烧至少0.5h，得到氧化铝纳米片组成的管状三维纳米结构纤维材料。
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| Cheng et al. | Multifaceted applications of cellulosic porous materials in environment, energy, and health | |
| Wang et al. | Facile preparation and catalytic performance characterization of AuNPs-loaded hierarchical electrospun composite fibers by solvent vapor annealing treatment | |
| Zhang et al. | In-situ synthesis of graphene oxide/BiOCl heterostructured nanofibers for visible-light photocatalytic investigation | |
| Liu et al. | Highly flexible magnetic composite aerogels prepared by using cellulose nanofibril networks as templates | |
| Zuo et al. | Polymer/carbon-based hybrid aerogels: preparation, properties and applications | |
| Kabiri et al. | Surface grafting of reduced graphene oxide using nanocrystalline cellulose via click reaction | |
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| Song et al. | Controlled synthesis of porous flower-like TiO2 nanostructure with enhanced photocatalytic activity | |
| Hasanpour et al. | Investigation of the different morphologies of zinc oxide (ZnO) in cellulose/ZnO hybrid aerogel on the photocatalytic degradation efficiency of methyl orange | |
| Jung et al. | Heterostructured Co 0.5 Mn 0.5 Fe 2 O 4-polyaniline nanofibers: highly efficient photocatalysis for photodegradation of methyl orange | |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Granted publication date: 20140205 |