纳米二氧化硅纤维的开发

三结果与分析3.1PVP纳米纤维膜分析 (a)10wt%(b)12wt%(c)15wt%图3PVP纳米纤维膜在高倍显微镜下的表面形态图3是不同质量分数的PVP纳米纤维在纤维细度分析仪下的形态。可以看出，10%PVP的纤维之间没有黏结，纤维较细且直径均匀度较好，纤维表面光滑均匀，成纤效果最佳。12%的PVP纳米纤维之间有少量黏结，但不影响纤维的表面光滑度。当PVP溶液质量分数增加到15%时，纺丝过程很不顺利，并且纺出的纤维有晕影，推断可能是由于溶液粘度增加导致。综上所述，形成表面良好PVP纳米纤维的质量分数是10%～12%；当PVP质量分数超过15%时，纺丝过程不顺利，并且纺丝效果也较差。故选择10wt%～12wt%的PVP水溶液进行下步实验。3.2纺丝结果10wt%的PVP溶液与TEOS溶液以质量比1：1混合进行纺丝，失败（滴液，不喷丝，前驱体溶液粘度过低）；12wt%的PVP溶液与TEOS溶液以质量比1：1混合进行纺丝，纺丝效果一般（易滴液，纺丝成型差，前驱体溶液粘度较低）；10wt%的PVP溶液与TEOS溶液以质量比1：0.8混合纺丝，纺丝效果一般（成丝过程中水分挥发不完全，纤维易黏结）；12wt%的PVP溶液与TEOS溶液以质量比1：0.8混合纺丝，纺丝效果好，成膜性好。3.3红外光谱分析图4纳米纤维膜的红外谱图（煅烧前）图5纳米纤维膜的红外谱图（600℃煅烧后）图4为杂化纤维膜煅烧前的红外谱图。如图所示，在波长704.27，731.62，755.56，784.01，962.21，1069.19，1292.47，1316.24，1370.94，1425.10，1439.32，1464.85，1495.87，1648.70，3372.98出现了很多峰。图5为经过600℃高温煅烧后的红外光谱图。从图中可以看出，在波长687.18，724.79，800.51，1057.32出现了峰。相比煅烧前峰的数量要少了很多。原因就是经过高温煅烧之后，原来的有机相，PVP等物质都被烧掉了。再仔细看图5出现了吸收峰在1057cm-1对应于Si-O-Si键的反对称伸缩振动吸收峰，800.51cm-1和687.18cm-1附近出现了Si-O-Si键的弯曲振动吸收峰。此说明了硅溶胶体系水解与缩聚反应生成Si-O-Si长链，证明了样品中的主要成分为SiO2。那么晶体的红外光谱峰为724.79cm-1附近。3.4二氧化硅纳米纤维膜分析煅烧前煅烧后图6纳米二氧化硅膜在高倍显微镜下的形态图6为12wt%的PVP溶液与TEOS溶液以质量比1：0.8混合纺成的纤维膜在高倍显微镜下煅烧前后的形态。可以看出煅烧前的纤维连续性好，直径均匀，有蛛结，即有晶体存在；煅烧后，由于PVP的分解，仅剩下二氧化硅纳米纤维，纤维直径更加均匀，表面光滑，连续性好。3.5不同煅烧温度对二氧化硅纳米纤维膜的形态影响（a）300℃(b)600℃图7纳米二氧化硅膜在高倍显微镜下的形态图7（a）为二氧化硅纳米纤维膜经过300℃煅烧后在高倍显微镜下的表面形态，可以看出PVP还没有完全分解完全，有很多白影，但是还能看出有很多连续的纤维；（b）为二氧化硅纳米纤维膜经过600℃煅烧后在高倍显微镜下的表面形态，可以明显看出PVP已经完全分解干净，而且纤维连续性较好，没有出现纤维断裂的情况，直径较均匀。3.6影响纺丝结果的关键因素静电纺丝过程中出现很多影响纺丝结果的因素，比如溶液浓度、温湿度、纺丝距离、纺丝电压与溶液流速。而且，所说的这些因素并非是独立存在的，它们之间存在互相影响，互相约束的关系，一起决定着静电纺丝的过程与纤维的形态特征。3.6.1溶液浓度在实验过程中，为了喷出连续的射流而不滴液，溶胶必须有合适的粘度。而前驱体溶液中PVP的质量分数决定着溶液的粘度，当PVP的质量分数较低时，在纺丝过程中会出现针头滴液，或者是纺丝不成形；当PVP的质量分数较高时，溶胶粘度较大，在纺丝过程中不容易喷丝，针头易被纤维和胶体粘连而堵住。只有PVP的质量分数达到合适的时候，纺丝过程中才会在针头处形成纺锤形串珠，才可以顺利纺丝。在本次实验中，分别用10wt%、12wt%的PVP溶液与TEOS溶液以质量比1：1和1：0.8纺丝，随着PVP的质量比增加，前驱体的粘度增加，直到可以纺出连续性好，成膜性好的二氧化硅纳米纤维膜。3.6.2温湿度温湿度的差异影响着纤维从针头到接收板的过程中水分挥发的程度和纤维的成膜性。温度越低，湿度越高，纤维水分挥发越慢，导致接收板上的纤维相互粘结，不成膜。温度越高，湿度越低，纤维水分挥发越快，接收板接受的纤维膜成型较好。但温度不能过高，温度过高会破坏纤维连续性，影响纤维成膜性。在本次实验中，由于天气变化反复无常，温湿度变化幅度较大，导致实验成功率大大降低，温湿度较差时，离心纸上的纤维会相互粘结，成膜性较差。为改善天气原因对实验温湿度的影响，我们使用小太阳取暖器来改变实验条件，事实证明，提前半小时打开取暖器一档对纺丝内舱进行加热，可以提供较为适宜的温湿度，纺丝结果也较为良好，不过最好是选择天气晴朗的下午来进行实验。当然，我们也使用温湿度测量仪对实验温湿度进行测量，实验结果表明30℃、40%的温湿度是二氧化硅纳米纤维膜的适纺温湿度。3.6.3纺丝距离纺丝距离影响着纤维的接收情况。纺丝距离较大，随着纤维的不规则摆动，纤维出现少量外飘的情况，接收板的接收量变少，造成浪费。所以根据纺丝过程中纤维摆动的实际下落情况调整接受距离，可有效完成对纤维的接收。3.6.4纺丝电压在静电纺丝过程中，在针头处会形成一个纺锤体，当纺锤体表面所受到的电场力大于其表面张力时，就会形成射流。射流在接收距离内受到电场力的高速拉伸、溶剂的挥发和固化，最终收集在接收装置上，形成聚合物纳米纤维。所以当溶液流速一定时，施加的电场电压越大，纤维的直径就会减小，另外当电场强度增加时，射流从针头喷射速度也会增加，造成纤维直径变大。3.6.5溶液流速溶液流速也会造成纤维表面形态的变化。纺丝电压一定时，溶液流速增加，纤维直径会增加，当超过临界值时，针头处会滴液滴。4结论本课题选择正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，PVP为载体，采用溶胶-凝胶与静电纺丝相结合的方法，制备了无机杂化纳米纤维膜，并通过马弗电阻炉高温煅烧，最终获得了纳米二氧化硅纤维膜。（1）得出二氧化硅的最佳纺丝工艺：前驱体溶液配制：12wt%的PVP溶液与TEOS溶液以质量比1：0.8混合；纺丝电压为15KV；溶液流速为2ml/h；接受距离为15cm；温湿度为24℃、38%。（2）一般来说，二氧化硅纳米纤维的直径与纺丝电压成反比，随溶液流速成正比。（3）除此之外，温湿度、纺丝距离也影响着纺丝纤维的外观形貌特征，但上述因素对于实验结果的影响是综合性的，不是单独存在的，它们共同制约着实验结果。参考文献[1]丁彬，俞建勇，功能静电纺纤维材料，2018.[2]张密林，丁立国，景小燕，等.纳米二氧化硅的制备、改性与应用研究进展[J].应用科技，2004，31（6）：64-66.[3]金美花.超疏水性纳米界面材料的制备和研究[D].吉林：吉林大学，2004.[4]何飞.sio2和sio2-Al2O3复合干凝胶超级隔热材料的制备与表征[D].黑龙江:哈尔滨工业大学，2006.[5]马婷芳,史铁钧，聚乙烯吡咯烷酮的性能、合成及应用，应用化工，2002，31：16-19.[6]R.ChenandY.Kirsh,AnalysisofThermallyStimulatedProcess,PergamonPress,1981.[7]李竞春,杨沛峰,杨谟华,etal.SiGeMOS器件SiO2栅介质低温制备技术研究[J].微电子学,2001,31(3):192-194.[8]ApplebyR.Superresolutionofpassivemillimeter-waveimagesusingacombinedmaximum-likelihoodoptimizationandprojection-onto-convex-setsapproach[J].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2001,4373:105-116.[9]ZhangY,LiangJ,JiangS,etal.ALocalizationMethodforUnderwaterWirelessSensorNetworksBasedonMobilityPredictionandParticleSwarmOptimizationAlgorithms[J].Sensors,2016,16(2):212.[10]王小雅,曹云峰.新型纤维材料——陶瓷纤维[J].纤维素科学与技术,2012,20(1):79-85.[11]WeiQF,WangXQ,MatherRR,etal.ESEMstudyofsizeremovalfromceramicfibersbyplasmatreatment[J].AppliedSurfaceScience,2003,220(1):217-223.[12]刘浩,王玺堂,张保国,etal.CaO/MgO比对钙镁硅系陶瓷纤维晶化行为的影响[J].稀有金属材料与工程,2009,38(z2).[13]佚名.膜分离技术基础[M].2000[14]覃小红,王善元.静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景[J].高科技纤维与应用,2004,29(2):28-32.[15]LarrondoL,ManleyRSJ.Electrostaticfiberspinningfrompolymermelts.III.Electrostaticdeformationofapendantdropofpolymermelt[J].JournalofPolymerSciencePartBPolymerPhysics,1981,19(6):933-940.[16]VonnegutB,NeubauerRL.Productionofmonodisperseliquidparticlesbyelectricalatomization[J].JournalofColloidScience,1952,7(6):616-622.[17]AliAA,EltabeyMM,FaroukWM,etal.Electrospunprecursorcarbonnanofibersoptimizationbyusingresponsesurfacemethodology[J].JournalofElectrostatics,2014,72(6):462-469.[18]RenekerDH,ChunI.Nanometrediameterfibresofpolymer,producedbyelectrospinning[J].Nanotechnology,1996,7(3):216-223.[19]IntraP.JournalofElectrostatics[M]//Journalofelectrostatics.,1975.[20]SrinivasanG,RenekerDH.Structureandmorphologyofsmalldiameterelectrospunaramidfibers[J].PolymerInternational,1995,36(2):195–201.[21]ZussmanE,TheronA,YarinAL.Formationofnanofibercrossbarsinelectrospinning[J].AppliedPhysicsLetters,2003,82(6):973-975.[22]ZongX,KimK,FangD,etal.Structureandprocessrelationshipofelectrospunbioabsorbablenanofibermembranes[J].Polymer,2002,43(16):4403-4412.[23]赵耀明,朱锐钿,严玉蓉,etal.明胶水溶液的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