一種具有導電磁性吸附三功能納米電纜及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米材料制備技術領域，具體說涉及一種具有導電磁性吸附三功能納米電纜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]—維納米結構材料的制備及性質研究是目前材料科學研究領域的前沿熱點之一。納米電纜(Nanocables)由于其獨特的性能、豐富的科學內涵、廣闊的應用前景以及在未來納米結構器件中占有的重要戰略地位，近年來引起了人們的高度重視。同軸納米電纜的研究起步于90年代中期，2000年以后發展比較迅猛，到目前為止，人們采用不同的合成方法，不同種類的物質已成功制備出了上百種同軸納米電纜，如:Fe/C、Zn/ZnO、C/C、SiC/C、SiGaN/S1xNy以及三層結構的Fe-C-BN和α -Si 3N4_Si_Si02等。根據納米電纜芯層和鞘層材質不同，可分為以下幾類:半導體-絕緣體、半導體-半導體、絕緣體-絕緣體、高分子-金屬、高分子-半導體、高分子-高分子、金屬-金屬、半導體-金屬等。
[0003]制備碳納米纖維材料的前驅體通常有這三種聚合物:聚丙烯腈PAN、纖維素和瀝青。在這些前驅體中，PAN由于具有較高的碳產率、熱穩定性以及優越的力學性能已經得到了廣泛關注。經過高溫石墨化處理的碳纖維具有良好的導電性。如果碳纖維具有多孔結構，將具有良好的吸附功能，可以廣泛用于含有機污染物和重金屬離子的污水處理。四氧化三鐵Fe3O4磁性納米晶是一種重要而廣泛應用的磁性材料，由于具有獨特的磁響應性質，可被應用到生物醫學領域的藥物輸送、生物燃料電池薄膜、微波吸收以及電磁設備等方面。多功能納米材料是將多種功能高度集成，實現多功能集于一種材料上，其比單一功能納米材料具有更廣闊的應用，已經成為材料科學研究的前沿熱點之一。如果將Fe3O4納米晶與多孔碳納米纖維復合，形成[Fe304/C] iC納米電纜，其中芯層為Fe3O4納米晶與碳纖維復合，殼層為多孔碳，@表示芯殼結構，@前面的物質構成芯層，@后面的物質構成殼層，這種納米電纜將具有導電、磁性和吸附三功能。用于污水處理時，可以方便地利用外加磁場將納米電纜分離出來，回收后重新利用；此外，導電磁性吸附三功能納米電纜將在小型集成電路、鋰離子電池、微芯片、納米器件、納米機械和生物醫學等領域有重要的應用前景。目前未見[Fe3O4/
c]iC導電磁性吸附三功能納米電纜的相關報道。
[0004]專利號為1975504的美國專利公開了一項有關靜電紡絲方法(electrospinning)的技術方案，該方法是制備連續的、具有宏觀長度的微納米纖維的一種有效方法，由Formhals于1934年首先提出。這一方法主要用來制備高分子納米纖維，其特征是使帶電的高分子溶液或熔體在靜電場中受靜電力的牽引而由噴嘴噴出，投向對面的接收屏，從而實現拉絲，然后，在常溫下溶劑蒸發，或者熔體冷卻到常溫而固化，得到微納米纖維。近些年來，在無機纖維制備技術領域出現了采用靜電紡絲方法制備無機化合物如氧化物納米纖維的技術方案，所述的氧化物包括Ti02、ZrO2, Y2O3, Y2O3:RE3+(RE3+= Eu' Tb' Er'Yb3+/Er3+)、N1、Co304、Mn203、Mn304、CuO、Si02、A1203、V205、ZnO、Nb205、Mo03、Ce02、LaMO3 (M=Fe、Cr、Mn、Co、N1、Al)、Y3A15012、La2Zr2O7等金屬氧化物和金屬復合氧化物。董相廷等使用單個噴絲頭、采用靜電紡絲技術制備了 PAN/Eu(BA)3Phen復合發光納米纖維[化工新型材料，2008, 36 (9)，49-52];王策等使用單個噴絲頭、采用靜電紡絲法制備了聚乙烯吡咯烷酮/四氧化三鐵復合納米纖維[高等學校化學學報，2006，27 (10) ,2002-2004];Ji等人將FeCl3.6H20和PAN混合溶于N，N- 二甲基甲酰胺DMF中得到紡絲液，進行靜電紡絲得到PAN/FeCl3復合納米纖維，再進行碳化處理后得到負載Q-Fe2O3的碳納米纖維[ACS Appl.Mater.1nterfaces, 2012, 4, 2672-2679] ；Hassan 等人以 PAN 和Fe (NO3) 3.9H20作為反應物，采用單軸靜電紡絲技術制備了多孔C/Fe304復合納米纖維[Colloids and Surfaces B:B1interfaces, 2013, 106, 170-175] ;Lang 等人米用單軸靜電紡絲技術制備了 Fe304/C 微米帶[ACS Appl Mater Interfaces, 2013，5，1698-1703]。為了探索將靜電紡絲技術進行改進，采用同軸噴絲頭，將紡絲溶液分別注入到內管和外管中，當加高直流電壓時，內外管中的紡絲液同時被電場力拉出來，固化后形成同軸納米電纜，該技術即是同軸靜電紡絲技術。王策等用該技術制備了二氧化硅@聚合物同軸納米纖維[高等學校化學學報，2005，26 (5)，985-987];董相廷等利用該技術制備了 Ti02iSi02M 微米同軸電纜[化學學報，2007，65 (23)，2675-2679]、ZnOiS1 2同軸納米電纜[無機化學學報，2010，26(1)，29-34]、Al203/Si02同軸超微電纜[硅酸鹽學報，2009，37(10)，1712-1717] ；Han, et al 采用該技術制備了 PC (Shell)/PU (Core)復合納米纖維[Polymer Composites, 2006，10，381-386]。目前，未見利用同軸靜電紡絲技術制備[Fe304/C]@C導電磁性吸附三功能納米電纜的相關報道。
[0005]利用靜電紡絲技術制備納米材料時，原料的種類、高分子模板劑的分子量、紡絲液的組成、紡絲過程參數對最終產品的形貌和尺寸都有重要影響。本發明以PAN、乙酰丙酮鐵Fe (acac) 3和DMF的混合液為芯層紡絲液，以PAN和DMF的混合液為殼層紡絲液，控制芯層和殼層紡絲液的粘度至關重要，采用同軸靜電紡絲技術，在最佳的工藝條件下進行靜電紡絲，得到[PAN/Fe (acac)3]OPAN同軸納米電纜，將其進行碳化熱處理得到結構新穎的[Fe3O4/C]@C導電磁性吸附三功能納米電纜。
【發明內容】
[0006]在【背景技術】中使用了單軸靜電紡絲技術制備了 a -Fe203/C復合納米纖維、多孔C/Fe3O4復合納米纖維和Fe 304/C微米帶。【背景技術】中的使用同軸靜電紡絲技術制備了金屬氧化物@金屬氧化物、無機物@高分子及高分子@高分子納米電纜，所使用的原料、模板劑、溶劑和最終的目標產物都與本發明的方法有所不同。本發明使用同軸靜電紡絲技術結合碳化熱處理過程制備了結構新穎的[Fe304/C]@C導電磁性吸附三功能納米電纜，芯層直徑為125nm，殼層厚度為82nm，同軸納米電纜的直徑為289nm，長度大于100 μ m。
[0007]本發明是這樣實現的，首先制備出用于同軸靜電紡絲技術的具有一定粘度的芯層和殼層紡絲液，控制芯層和殼層紡絲液的粘度至關重要。應用同軸靜電紡絲技術進行靜電紡絲，在最佳的工藝條件下，制備出[PAN/Fe (acac)3]OPAN同軸納米電纜，將其進行碳化熱處理得到結構新穎的[Fe304/C]@C導電磁性吸附三功能納米電纜。其步驟為:
[0008](I)配制紡絲液
[0009]稱取1.1g分子量為86000的聚丙烯腈PAN,加入到1g N, N- 二甲基甲酰胺DMF中，在70°C下磁力攪拌3h，進行溶解，然后再加入1.1g乙酰丙酮鐵Fe (acac) 3，在常溫下繼續攪拌12h，得到芯層紡絲液；將1.1g PAN加入到1g DMF中，在70°C下磁力攪拌3h，得到殼層紡絲液；
[0010](2)制備[PAN/Fe(acac)3]@PAN 同軸納米電纜
[0011]以一支帶有截平的12#不銹鋼針頭的5mL注射器作為內紡絲管，一支帶有ImL塑料噴槍頭的1mL注射器作為外紡絲管，內紡絲管所帶不銹鋼針頭的尖端處于外紡絲管所帶塑料噴槍頭的中間部分，將芯層紡絲液加入到內紡絲管中，殼層紡絲液加入到外紡絲管中進行同軸靜電紡絲，采用豎噴方式，接收裝置為一個水平放置的鐵絲網，紡絲參數為:紡絲電壓為IIkV,針尖與鐵絲網的距離為15cm，環境溫度為20_25°C，相對濕度20%~40%,得到[PAN/Fe (acac) 3] OPAN同軸納米電纜；