一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非晶態(tài)陶瓷材料的制備方法，尤其涉及一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法，屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]本發(fā)明中下列表達式的意義為:
[0003]PVP:聚乙烯吡咯烷酮
[0004]TEOS:正硅酸乙酯
[0005]CTAB:十六烷基三甲基溴化銨
【背景技術(shù)】
[0006]SiCN(O)非晶態(tài)陶瓷材料具有優(yōu)異的電學(xué)性能、良好的熱穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)、抗蠕變和抗氧化性等特點，在信息、電子、航天和軍事等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。如何制備高性能的SiCN(O)非晶態(tài)陶瓷材料成為了科學(xué)工作者們研究和探索的一個熱點問題。
[0007]目前，SiCN(O)非晶態(tài)陶瓷材料的制備方法主要集中在高溫?zé)峤饩酃璧?、聚脲硅烷、氯硅烷等有機前驅(qū)體。然而，這種合成方法所需的條件非常苛刻，工藝過程極其復(fù)雜，其產(chǎn)量遠不能滿足SiCN(O)非晶態(tài)陶瓷材料的大規(guī)模應(yīng)用。此外，合成的SiCN(O)非晶態(tài)陶瓷材料普遍存在結(jié)構(gòu)單一、純度不高、比表面積不高等缺點，仍無法達到一些精密器件的使用要求。因此，迫切需要探索一種簡便、快捷制備具有新穎結(jié)構(gòu)、高比表面、高純度等優(yōu)異特性的SiCN(O)非晶態(tài)陶瓷材料的方法。
[0008]靜電紡絲技術(shù)是目前大批量制備高性能非晶態(tài)陶瓷材料的有效方法之一，能夠?qū)崿F(xiàn)介孔、中空等新穎結(jié)構(gòu)納米纖維非晶態(tài)陶瓷材料的可控合成。然而，采用靜電紡絲技術(shù)制備SiCN(O)中空介孔納米纖維非晶態(tài)陶瓷材料，目前在國內(nèi)外尚未見文獻報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提出了一種設(shè)備和工藝簡單、可控，并具有很好的可重復(fù)性的高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法。
[0010]本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn):一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法，該制備方法為:將PVP、TEOS、CTAB和尿素溶于溶劑中形成前驅(qū)體紡絲液，前驅(qū)體紡絲液經(jīng)靜電紡絲得到有機前驅(qū)體纖維后烘干獲得固態(tài)有機前驅(qū)體纖維，將固態(tài)有機前驅(qū)體纖維進行煅燒后得到高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維。
[0011]本發(fā)明高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維使用PVP、TE0S、CTAB和尿素為原料制備而成。其中，PVP調(diào)控紡絲液的粘度且將在煅燒處理的過程中分解完全揮發(fā)，對纖維表面和內(nèi)部造孔；TE0S提供Si源；CTAB為表面活性劑提高溶液的可紡性且在煅燒處理的過程中分解完全揮發(fā)；尿素提供N源，且在溶劑中強烈攪拌后形成微乳液，在靜電紡絲的過程中，由于靜電力的作用被連續(xù)相包覆于內(nèi)部，經(jīng)煅燒處理后分解揮發(fā)供中空結(jié)構(gòu)的形成。本發(fā)明中，隨著尿素含量的不同，最終可以實現(xiàn)高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維非晶態(tài)陶瓷材料形貌和成分的有效調(diào)控。
[0012]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，PVP、TEOS, CTAB和尿素的質(zhì)量比為:(2-5): (8-15):1:(1.5-2.5)。
[0013]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，PVP、TEOS, CTAB和尿素的質(zhì)量比為:3:10:1:2。
[0014]本發(fā)明主要通過調(diào)控尿素含量，從而最終實現(xiàn)高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維非晶態(tài)陶瓷材料形貌和成分的有效調(diào)控。而尿素的含量對制備高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維非晶陶瓷材料至關(guān)重要。在初始原料中尿素的量增加時，雖然仍可以實現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)的SiCN(O)介孔納米纖維非晶陶瓷材料的制備，但是大部分纖維會出現(xiàn)塌陷，無法保持完整的纖維結(jié)構(gòu)。而如果在初始原料中加入過量的尿素時，最后通過煅燒處理所制備的材料盡管仍為SiCN(O)介孔非晶陶瓷材料，但是其纖維狀結(jié)構(gòu)遭到了嚴重破壞。
[0015]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，靜電紡絲電壓為15-25kV，陰極與陽極的距離為15-25cm。
[0016]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，靜電紡絲電壓為20kV，陰極與陽極的距離為20cm。
[0017]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，煅燒溫度為450-550°C，保溫時間為l_3h。
[0018]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，煅燒溫度為500 °C，保溫時間為2h。
[0019]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，經(jīng)過上述制備方法制備得到的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維，該納米纖維主要由以下元素組成:C:50-85at%, S1:0.l-15at%, N:5-30at%, O:5_15at%。
[0020]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，納米纖維同時具有介孔和中空結(jié)構(gòu)。
[0021]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，納米纖維的介孔的平均孔徑為l_20nmo
[0022]在上述的一種高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法中，納米纖維的的比表面積為80-110m2/g。
[0023]本發(fā)明SiCN(O)中空介孔納米纖維具有高純度、多種結(jié)構(gòu)和高比表面積的特點，解決了現(xiàn)有技術(shù)中SiCN(O)中空介孔納米纖維結(jié)構(gòu)單一、純度不高和比表面積不高等缺點。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下幾個優(yōu)點:
[0025]1.本發(fā)明實現(xiàn)了高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維非晶陶瓷材料的制備，SiCN (O)納米纖維的結(jié)構(gòu)新穎、純度和比表面積高。
[0026]2.本發(fā)明采用尿素提供N源，容易在靜電力的作用被連續(xù)相包覆于內(nèi)部，因而能夠?qū)崿F(xiàn)中空介孔結(jié)構(gòu)的SiCN(O)納米纖維非晶陶瓷材料的有效合成。
[0027]3.本發(fā)明通過調(diào)控尿素的含量，能夠有效實現(xiàn)高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維非晶陶瓷材料形貌的調(diào)控。
[0028]4.本發(fā)明高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維的制備方法簡單可控，具有很好的重復(fù)性。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的低倍掃描電鏡(SEM)圖；
[0030]圖2為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的高倍掃描電鏡(SEM)圖；
[0031]圖3為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的斷面掃描電鏡(SEM)圖；
[0032]圖4為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的X射線衍射譜(XRD)圖；
[0033]圖5為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的氮吸附-脫附曲線；
[0034]圖6為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的孔徑分布圖；
[0035]圖7為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的透射電鏡(TEM)圖；
[0036]圖8為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的能譜(EDS)圖;
[0037]圖9為本發(fā)明實施例1所制得的SiCN(O)中空介孔纖維非晶陶瓷材料的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖；
[0038]圖10為本發(fā)明對比例I所制得的SiCN(O)介孔非晶陶瓷材料的低倍掃描電鏡(SEM)圖；
[0039]圖11為本發(fā)明對比例I所制得的SiCN(O)介孔非晶陶瓷材料的高倍掃描電鏡(SEM)圖；
[0040]圖12為本發(fā)明對比例I所制得的SiCN(O)介孔非晶陶瓷材料的能譜(EDS)圖；
[0041]圖13為本發(fā)明對比例2所制得的SiCN(O)介孔非晶陶瓷材料的低倍掃描電鏡(SEM)圖；
[0042]圖14為本發(fā)明對比例2所制得的SiCN(O)介孔非晶陶瓷材料的高倍掃描電鏡(SEM)圖；
[0043]圖15為本發(fā)明對比例2所制得的SiCN(O)介孔非晶陶瓷材料的能譜(EDS)圖。
【具體實施方式】
[0044]以下是本發(fā)明的具體實施例，并結(jié)合【附圖說明】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
[0045]實施例1:
[0046]稱取PVP 1.5g和TEOS 5.0g溶解于8.5ml無水乙醇中，室溫下攪拌混合2小時后加入0.5g CTAB和1.0g尿素繼續(xù)強烈攪拌12h得到前軀體紡絲液。將前軀體紡絲液靜置后量取6ml注入塑料針管內(nèi)，并置于微量注射栗上，設(shè)置注射速度為lml/h。金屬針頭作電紡絲陽極，錫箔作接收材料的陰極，陽極與陰極之間的距離為20cm，在20kV高壓下進行靜電紡絲，制備有機前驅(qū)體纖維。然后將有機前驅(qū)體纖維置于60°C恒溫烘干箱內(nèi)，獲得固態(tài)有機前驅(qū)體纖維。最后將固態(tài)有機前驅(qū)體纖維置于石英舟中，在空氣氣氛下于500°C保溫2小時進行煅燒處理，然后隨爐冷卻，得到高純度SiCN(O)中空介孔納米纖維。
[0047]對比例1:
[0048]稱取PVP 1.5g和TEOS 5.0g溶解于8.5ml無水乙醇中，室溫下攪拌混合2小時后加入0.5g CTAB和1.5g尿素繼續(xù)強烈攪拌12h得到前軀體紡絲液。將前軀體紡絲液靜置后量取6ml注入塑料針管內(nèi)，并置于微量注射栗上，設(shè)置注射速度為lml/h。金屬針頭作電紡絲陽極，錫箔作接收材料的陰極，陽極與陰極之間的距離為20cm，在20kV高壓下進行靜電紡絲，制備有機前驅(qū)體纖維。然后將有機前驅(qū)體纖維置于60°C恒溫烘干箱內(nèi)，獲得固態(tài)有機前驅(qū)體纖維。最后將固態(tài)有機前驅(qū)體置于石英舟中，在空氣氣氛下于500