电纺丝法直接制备纳米管的第三种途径--相分离技术[21010327王唯]

电纺丝法直接制备纳米管的 第三种途径 —相分离技术 王 唯 2010/03/27 • 电纺丝技术简介 • 电纺丝技术制备纳米管的途径 • 相分离+电纺丝技术制备纳米管 电纺丝技术 1731年，Gray研究了电场对水的性能的影响; Gray.S. A letter concerning the electricity of Water, from Mr.Stephen Gray to Cromwell Mortimer, M.D.Secr.R.S. Philosophical Transactions. 1731,37,227 1898年，Larmor用电动力学解释在电荷的作用下绝缘介质的激 发; Larmor J. Note on the complete scheme of electrodynamic equations of a moving material medium,and on electrostfiction ． Proceedings of the Royal Society of London, 1898,63,365 1902年,Cooley和Morton发明电纺丝制备纤维的技术。 Cooley.J.F. Apparatus for electrically dispersing fluids． US Patent Specification,692631,1902． Morton.W.J. Method of dispersing fluids. US Patent Specification,705691,1902. Formhals A.Process and apparatus for preparing artificial threads． US Patent Specification,1975504,1934． Taylor锥与喷射理论 (49.3°) * 2006年，Maheshwari和Chang ” 研究了交流电条件下，Taylor锥和喷 射与直流电条件下的不同。(~9°)Shin 纤维在排斥力作用下会形成分裂和弯曲非稳定性，从而产生更细的纤维。 Reneker 高速摄像，精确的非稳定性状态发展过程的图片 电纺丝法制备纳米管的途径 间接：用作模板 直接： 双针头：同轴双针头 ( I ) 单针头：单针乳浊液 ( II ) 单针相分离 ( III ) II 同轴双针头同轴双针头 500℃，空气中退火 最终产物：TiO2管 Nano Lett. 2004,4,933 技术难点： 设备：同轴精度 溶液：内外层溶液的匹配（相 对电导率，粘度比，相容性等等） 演示者 演示文稿备注 壳层溶液黏度增大时，对内层溶液的拉升越强烈，易形成壳-芯复合纤维，内层溶液对纺丝也有影响，增大内液浓度将加大内液面面张力，对外层溶液的拉伸形成阻力，内层溶液黏度太小，不易形成连续纤维。 Xia 等通过实验，芯层液体电导率低，壳层液体电导率稍高有利于形成同轴复合纤维，外层溶液电导率高，适合电纺，内层溶液电导率低，不易形成射流，能被壳层射流拉伸，形成同轴复合纤维，电导率高的溶液，电场驰豫时间小，成为射流的驱动液体，不过内层溶液电导率高，容易形成射流，不易保证内外层溶液射流同轴。 * 另一个先驱 Adv.Mater. 2003,15,No.22 PEO ：ethylene oxide 环氧乙烷（Mw~106） Bromophenole: 溴苯酚 演示者 演示文稿备注 同种聚合物溶液亦可作为壳层和芯层原料，为便于对比，分别在其中加入不同浓度的溴苯酚作为染色剂。 IIII 单针头单针头--乳浊液前躯体乳浊液前躯体 Langmuir, 2007,23,2311-2314 PAN/DMF PMMA/DMF 溶液配好搅拌，静置一天 PMMA/DMF液滴在PAN/DMF中 存在的技术难点： 产物物相复杂：管，带，线 前驱溶液的制备要求高： 乳浊液的分散程度，乳液颗粒大小，浓度 III III 单针单针--相分离相分离 • 单针相分离同单针乳浊液两种 前躯体的区别： 类 型 溶质溶剂间 相富集区 折射率 浓 度 长期放置 单针相分离 溶 液 相 溶 不存在 处处相同 处处相同 无变化 单针乳浊液 乳浊液 不相溶 存 在 存在不同 不一定相同 分层 相分离成管机理的理论模拟 • 相分离速度同溶剂蒸发速度之间的竞争 影响溶剂蒸发速度的因素：溶剂种类，环境温度，湿度，气氛 影响相分离速度的因素：相之间的相对浓度，黏度，界面能 Journal of Applied Physics 2006,100,043512 Langmuir 2007, 23 ,10920-10923 PVP+TEOS+Ethanol PVP管 J. Am. Ceram. Soc.,2009,92,2429-2433 PVP+Magnesium acetate+Ethanol Mg(CH3COO)2·4H2O(s)+2C2H5OH(l)Mg(OH)2+2CHCOOC2H5(l)+4H2O Mg(OH)2MgO(s)+4H2O MgO管 *文章中对成管机理的探究： (a) Sol to gel transformation with ambient moisture (b) Concentration change after solvents evaporation (c) Dynamic phase separations in terms of miscibility (d) Stability of separated phase (e) Mechanical transformation (f) Solidification process Phase Separation! *文章中对成管机理的研究： 纺丝流速不同 纺丝内部溶剂挥发程度不 同结构不同 相分离速度同溶剂挥发速 度之间的竞争导致的不同结果 3(C4H9O)·Al 仲丁醇铝 水解反应：Al(OH)3 缩聚反应：Al-O-Al+ROH Al2O3管 Chemical Engineering Journal,2008,137,137-143 SiO2管 PVP+TEOS+Ethanol+水 水的作用：让TEOS部分水解，生成SiO2 Si(OCH2CH3)4(l)+2H2OSiO2(s)+4C2H5OH 我们可以有点想法的地方： • 管可能已经存在了 • 相分离程度 组分间的相容性 时间，温度，气氛 谢谢大家~ 电纺丝法直接制备纳米管的�第三种途径�—相分离技术 幻灯片编号 2 电纺丝技术� 电纺丝法制备纳米管的途径 I 同轴双针头� * 另一个先驱 II 单针头-乳浊液前躯体 幻灯片编号 8 III 单针-相分离 相分离成管机理的理论模拟 Langmuir 2007, 23 ,10920-10923 J. Am. Ceram. Soc.,2009,92,2429-2433 幻灯片编号 13 幻灯片编号 14 SiO2管 幻灯片编号 16 我们可以有点想法的地方： 幻灯片编号 18