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自1991年Iijima教授发现碳纳米管以来,管状纳米材料因其独特的物理化学性质和在光学、电子学、光催化和纳米器件等领域的重要应用价值,受到了世界各国科研人员的广泛关注。迄今为止,虽已有大量方法用来制备管状纳米材料,然而,这些方法常因制备过程繁琐、条件苛刻或设备昂贵等缺点而限制了其使用范围。因此,发展制备管状纳米材料的新方法就尤为重要。静电纺丝法是近几年发展起来的制备一维微纳米材料的新方法,最新研究表明,除实心纤维外,静电纺丝法同样可以用来制备中空纤维(或纳米管)。在本论文中,我们的工作是利用静电纺丝法合成具有广泛应用前景的中空微纳米纤维,对产物形貌进行有效调控,研究和分析其形成机理,发展一种利用静电纺丝法制备中空微纳米纤维的新方法。
在本论文中的研究工作主要包括以下部分:利用电纺SiO2纤维为模板制备具有不同开口形状的碳和SiC中空纤维;利用直接煅烧电纺前驱纤维法合成TiO2、SnO2、Fe2O3、CoFe2O4和NiFe2O4中空微纳米纤维。
在制备具有不同截面SiO2纤维过程中,正硅酸乙酯用量对纤维表面凝胶层厚度有重要影响。增加正硅酸乙酯用量会增加复合纤维表面凝胶层厚度,阻止纤维内部溶剂的挥发,从而形成带状结构;减少正硅酸乙酯用量则相应地减少纤维表面凝胶层厚度,造成纤维在热处理过程中与相邻近纤维的相互粘结而形成网状的结构。在制备中空碳纳米纤维过程中,聚苯乙烯的用量对中空碳纳米纤维的形成存在重要影响,只有在聚苯乙烯用量充足的条件下,所得碳纳米纤维才能很好地复制模板纤维形状,否则所得碳纳米纤维由于管壁太薄而坍陷为具有不规则开口形状的中空纳米纤维。SiC纤维的形成遵循气-固反应机理,其形状由模板纤维的形状所决定。
利用直接煅烧电纺前驱纤维法制备了TiO2中空纳米纤维。溶剂组成、前驱盐添加量及升温速率对中空结构的形成有重要影响。通过调整这些参数可以得到不同形貌的TiO2,包括带、棒、中空或实心纤维及网状纤维。在制备TiO2中空纳米纤维的基础上,利用同样方法合成了SnO2和Fe2O3中空纤维。
在利用直接煅烧电纺前驱纤维法合成简单氧化物中空纤维的基础上合成了铁氧体(CoFe2O4和NiFe2O4)中空纤维,并研究了不同煅烧温度条件下所得样品的磁学性质。