一种柔性导电陶瓷纤维膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性陶瓷纤维膜的制备方法以及在常温下快速提升其电导率的方法，属于新材料加工技术领域。
背景技术
氧化物陶瓷由于其独特的电子结构、优异的热性能和化学稳定性，在能源存储、光催化和传感等领域得到了广泛的研究和应用。然而，这些材料通常具有较大的带隙和较低的室温载流子迁移率，致使其电导率较低。这些因素严重制约了氧化物陶瓷材料的应用范围。因此，寻找具有优异导电性能的氧化物陶瓷材料，意义重大。
在众多氧化物陶瓷材料中，TiO2以其丰富、廉价、无毒、独特的光学和电学性能等优点，引起了广泛关注。然而，TiO2陶瓷的电导率较低，几乎是绝缘体。研究发现，黑色TiO2纳米材料可以大幅度地提升TiO2的电导率，进而扩大了其应用范围，包括高性能光催化、锂离子电池、超级电容器、燃料电池、光电化学传感器、场发射电极和微波吸收剂等领域。目前，研究者已经开发出很多方法制备黑色TiO2，包括在高温下应用H2或N2还原TiO2，使用金属Al粉或Mg粉加热TiO2颗粒进行还原，以及应用等离子体处理等方法。Chen(Science,2011,331(6018):746-750)等人在200℃下，通过氢气处理TiO2纳米颗粒电极材料，时长5天，得到黑色TiO2纳米颗粒，其光能转换效率具有显著地提升。Wang(Energy&EnvironmentalScience,2013,6(10):3007-3014)等人采用真空下双区管式炉(温度分别为800℃和600℃)加热铝还原方法，经过6小时还原，得到具有优异光催化性能的黑色TiO2纳米材料。然而，这些还原方法存在一些问题。比如，高能粒子还原TiO2需要昂贵的设备支持；应用氢气和金属还原需要在高温下反应较长时间，极大的提升了制备成本。
发明内容
本发明目的是提供一种低成本的柔性导电陶瓷纤维膜的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：配置TiO2前驱体溶液，所述前驱体溶液含有钛源、高分子聚合物和溶剂；
步骤2：将所得的TiO2前驱体溶液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25～55℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25～55℃，接收装置的转速为20～100n/min；
步骤3：将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性TiO2陶瓷纤维膜；
步骤4：将所得的柔性TiO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加溶剂，得到柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜。
在纤维膜表面滴加溶剂后，在溶剂的作用下，TiO2和金属锂快速发生化学反应,3s内发现柔性TiO2陶瓷纤维膜颜色由白变黑，部分Ti的价态从+4价变为+3价，导致TiO2陶瓷纤维膜的电子电导率增大。
本发明还提供了一种柔性导电陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：配置氧化物陶瓷纤维前驱体溶液；
步骤2：将所得的氧化物陶瓷纤维前驱体溶液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25～55℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25～55℃，接收装置的转速为20～100n/min；
步骤3：将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性陶瓷纤维膜；
步骤4：将所得的柔性陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加溶剂，得到柔性导电陶瓷纤维膜。
优选地，所述的氧化物为二氧化锡(SnO2)，钛酸锂镧(LLTO)或钛酸钡(BTO)。
优选地，所述的前驱体溶液中，高分子聚合物与溶剂的质量比为1：10～1：80。
优选地，所述的高分子聚合物和溶剂的质量比为1：12～1：80。
优选地，所述的TiO2前驱体溶液的制备方法包括：在20～100℃下将高分子聚合物溶解在溶剂中搅拌30～480min，然后加入钛源，搅拌10～360min，得到TiO2前驱体溶液。
优选地，所述的钛源为三氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、四氯化钛、硫酸氧钛、乙酰丙酮氧钛和钛酸四乙酯中的至少一种。
优选地，所述的溶剂为水、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、乙酰丙酮，冰乙酸和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
优选地，所述的高分子聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。
优选地，所述的静电纺丝的参数为：相对湿度20％～70％，灌注速度0.5～90mL/h，电压8～50kV，接收装置与喷丝口间的距离10～30cm，所述接收装置为金属滚筒。
优选地，所述的煅烧包括：从室温逐步升温至600～1000℃，升温速率为2～10℃/min，并在600～1000℃下保持0～480min。
优选地，所述的步骤4中的溶剂为碳酸乙烯酯，乙二醇二甲醚，N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，N-甲基吡咯烷酮，碳酸甲乙酯和1,3-二氧戊环的至少一种。
优选地，所述的柔性TiO2陶瓷纤维膜中纤维的平均直径为100～450nm，相对标准偏差为1～5％，内部晶粒尺寸为10～100nm，TiO2陶瓷纤维膜的柔软度为10～70mN。纤维直径范围表明纤维直径较小，单纤维柔软度较好，有利于提高纤维膜的柔软度；相对标准偏差用以表征纤维直径分布的均匀性，偏差值越小，纤维均匀性越好；晶粒尺寸与纤维膜力学性能密切相关。
本发明是一种可控制备方法，柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的强度和柔软度，以及纤维的细度可以通过静电纺丝过程中电压，纺丝距离，滚筒转速以及煅烧过程中升温速率，煅烧温度来调控。
本发明还提供了上述的制备方法所制备的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜。
本发明首先制备柔性白色不导电的TiO2陶瓷纤维膜，然后提出了在常温下超快速还原TiO2提升其电导率的方法，将TiO2陶瓷纳米纤维膜转变为黑色导电的TiO2陶瓷纤维膜。所制备的柔性、导电黑色TiO2陶瓷纤维膜可用于光催化、锂电池电极材料以及微电子器件等能源和电子领域。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明通过简单的静电纺丝方法制备了柔性TiO2陶瓷纤维(膜)材料。静电纺工艺制备纤维设备简便，周期较短、原料适应性广，从而降低了生产成本。
2、本发明通过将柔性TiO2陶瓷纤维和金属锂片轻轻接触，3s内可迅速还原TiO2，得到具有独特的电学、光学和力学性能的黑色导电TiO2。此方法节约能耗并提高时间效率。
3、现有的TiO2陶瓷材料由离散型微米颗粒组成，力学及界面电化学性能较差；本发明制备了柔性TiO2陶瓷纤维膜，其被还原后仍然具有较好的柔性，有助于其在能源智能可穿戴领域的应用。
4、本发明采用廉价的有机溶剂作为催化剂，用金属锂片还原TiO2陶瓷材料，提高其电子电导率，在锂电池方面具有潜在的应用。
5、本发明使用的制备方法是在常温下进行的，过程十分迅速，节能节时，同时所制备的导电黑色TiO2陶瓷纤维膜，比表面积大、力学柔韧性好，在光催化领域，能源领域的电催化、电池电极材料等方面具有潜在的应用。
6、本发明也适用于二氧化锡(SnO2)，钛酸锂镧(LLTO)，钛酸钡(BTO)等多种氧化物陶瓷纤维膜，应用范围广、工艺简单、成本低。
附图说明
图1为制备的锂还原前后的TiO2膜的实物图。
图2为本发明制备的还原后TiO2膜的电导率变化图。
图3为本发明制备的还原后TiO2膜作为导线点亮LED灯实物图。
图4为本发明制备的TiO2膜的XRD图谱。
图5为本发明制备的TiO2膜的SEM图谱。
图6为本发明制备的TiO2膜的TEM图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以下实施例中所用到的各原料均为市售产品。
实施例1
一种柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，具体步骤为：
(1)配置由钛源、高分子聚合物和溶剂组成的TiO2前驱体溶液：在30℃下将0.5g高分子聚合物聚氧化乙烯(阿拉丁，P101341)溶解于4g冰乙酸中，搅拌120min，再向溶液中加入8g乙醇和1.5g钛酸异丙酯，搅拌形成混合均匀的TiO2前驱体溶液。
(2)将所得的TiO2前驱体溶液进行静电纺丝，在电场作用下，带电液滴表面电荷斥力超过其表面张力，从表面形成射流并经过一系列的拉伸、溶剂挥发、聚合物溶液射流固化等过程，最终沉积在接收基板上，得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25℃；静电纺丝的参数为：相对湿度45％，灌注速度3mL/h，电压20kV，接收装置与喷丝口间的距离20cm，接收装置的转速为60n/min，所述接收装置为金属滚筒。
(3)将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性TiO2陶瓷纤维膜，煅烧是指将温度从室温(25℃)逐步升至800℃，升温速率为5℃/min，并且在800℃下保持120min。
所述的TiO2陶瓷纤维膜的平均直径为325nm，相对标准偏差为2％，通过Scherrer公式得到内部晶粒尺寸为50nm，通过柔软度测试仪测得TiO2陶瓷纤维膜的柔软度为11mN。
(4)将所得的柔性TiO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加10微升的DMF，经过3-10S，白色的TiO2陶瓷纤维膜完全变成黑色。
(5)用上述采用的溶剂简单清洗上述得到的TiO2陶瓷纤维膜，去除表面残留杂质，然后真空烘干，去除溶剂，得到导电黑色TiO2陶瓷纤维膜。
实施例2
一种柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，具体步骤为：
(1)配置由钛源、高分子聚合物和溶剂组成的TiO2前驱体溶液：在30℃下将0.5g高分子聚合物聚氧化乙烯(阿拉丁，P101341)溶解于4g冰乙酸中，搅拌120min，再向溶液中加入8g乙醇和1.5g钛酸异丙酯，搅拌形成混合均匀的TiO2前驱体溶液。
(2)将所得的TiO2前驱体溶液进行静电纺丝，前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25℃；静电纺丝的参数为：相对湿度45％，灌注速度3mL/h，电压20kV，接收装置与喷丝口间的距离20cm，接收装置的转速为60n/min，所述接收装置为金属滚筒。
(3)将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性TiO2陶瓷纤维膜，将上述前驱体纤维膜置于空气气氛中煅烧得到TiO2陶瓷纤维膜，煅烧是指煅烧的温度将室温(25℃)逐步升至800℃，升温速率为5℃/min，并且在800℃下保持120min。
所述的TiO2陶瓷纤维膜的平均直径为325nm，相对标准偏差为2％，通过Scherrer公式得到内部晶粒尺寸为50nm，通过柔软度测试仪测得TiO2陶瓷纤维膜的柔软度为11mN。
(4)将所得的柔性TiO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面分别滴加10微升的DMF，NMP，DMAc，10微升的DMC和EC(体积比为DMC：EC＝1:1)混合溶剂以及10微升的DME和DOL混合溶剂(体积比为DME：DOL＝1:1)，同样地，白色的TiO2陶瓷纤维膜在所有溶剂下都能迅速变黑，但是，不同溶剂作用的TiO2陶瓷纤维膜变黑的速率不同。
(5)分别用上述所用溶剂简单清洗各自还原后的TiO2陶瓷纤维膜，去除表面残留杂质，然后真空烘干，去除溶剂，得到不同溶剂处理的导电黑色TiO2陶瓷纤维膜。
(6)对上述得到不同溶剂处理的黑色TiO2陶瓷纤维膜进行电导率测量，发现，TiO2陶瓷纤维膜的电导率有所不同，采用NMP时，TiO2陶瓷纤维膜的电导率最低，采用DME和DOL混合溶剂时，TiO2陶瓷纤维膜的电导率最高。
实施例3
一种柔性导电氧化物陶瓷纤维膜的制备方法，具体步骤为：
(1)配置由锡源、高分子聚合物和溶剂组成的SnO2前驱体溶液：在30℃下将2g高分子聚合物聚乙烯醇(阿拉丁，聚乙烯醇1788型)溶解于18g水中，90℃下搅拌120min，冷却至室温，取10g PVA溶液，缓慢向溶液中加入1g SnCl4·5H2O，同时加水搅拌，调节PVA的质量分数为6％，形成混合均匀的SnO2前驱体溶液；
(2)将所得的SnO2前驱体溶液进行静电纺丝，在电场作用下，带电液滴表面电荷斥力超过其表面张力，从表面形成射流并经过一系列的拉伸、溶剂挥发、聚合物溶液射流固化等过程，最终沉积在接收基板上，得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25℃；静电纺丝的参数为：相对湿度45％，灌注速度1mL/h，电压20kV，接收装置与喷丝口间的距离20cm，接收装置的转速为60n/min，所述接收装置为金属滚筒；
(3)将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性SnO2陶瓷纤维膜，煅烧是指将温度从室温(25℃)逐步升至800℃，升温速率为10℃/min，并且在800℃下保持480min。
所述的SnO2陶瓷纤维膜的平均直径为500nm，相对标准偏差为2％，通过Scherrer公式得到内部晶粒尺寸为70nm，通过柔软度测试仪测得SnO2陶瓷纤维膜的柔软度为40mN。
(4)将所得的柔性SnO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加10微升的DMF，经过3-10S，白色的SnO2陶瓷纤维膜完全变成棕色。
(5)用上述采用的溶剂简单清洗上述得到的柔性SnO2陶瓷纤维膜，去除表面残留杂质，然后真空烘干，去除溶剂，得到柔性导电棕色SnO2陶瓷纤维膜。通过四探针法测得还原前柔性SnO2陶瓷纤维膜的电导率为0.01mS/cm，还原后柔性SnO2陶瓷纤维膜电导率为300mS/cm。
实施例4
一种柔性导电氧化物陶瓷纤维膜的制备方法，具体步骤为：
(1)配置由钡源、钛源、高分子聚合物和溶剂组成的BTO前驱体溶液：在30℃下将0.6g高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮(阿拉丁，P110610)溶解于9.4g水，冰乙酸和乙醇(质量比为1:1:1)混合溶剂中搅拌60min，然后依次加入0.2554g醋酸钡和0.3403g钛酸四丁酯搅拌120min混合均匀配得前驱体溶液。
(2)将上述前驱体溶液通过静电纺丝方法制得前驱体纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25℃的恒温热场；静电纺丝的参数为：相对湿度45％，灌注速度1mL/h，电压15kV，接收装置与喷丝口间的距离15cm，滑台装置的距离为6cm，接收装置的转速为60n/min，所述接收装置为金属滚筒。
(3)将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性BTO陶瓷纤维膜，煅烧是指将温度从室温(25℃)逐步升至800℃，升温速率为5℃/min，并且在800℃下保持240min。
所述的BTO陶瓷纤维膜的平均直径为300nm，相对标准偏差为2％，通过Scherrer公式得到内部晶粒尺寸为(24nm)，通过柔软度测试仪测得BTO陶瓷纤维膜的柔软度为30mN。
(4)将所得的柔性BTO陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加10微升的DMF，经过3-10S，白色的BTO陶瓷纤维膜完全变成黑色。
(5)用上述采用的溶剂简单清洗上述得到的柔性BTO陶瓷纤维膜，去除表面残留杂质，然后真空烘干，去除溶剂，得到柔性导电黑色BTO陶瓷纤维膜。通过四探针法测得还原前柔性BTO陶瓷纤维膜的电导率为0mS/cm，还原后柔性BTO陶瓷纤维膜电导率为200mS/cm。
实施例5
一种柔性导电氧化物陶瓷纤维膜的制备方法，具体步骤为：
(1)配置由锂源、镧源、钛源、高分子聚合物和溶剂组成的LLTO前驱体溶液：在30℃下将0.68g聚氧化乙烯(阿拉丁，P101341)溶解于7.2gN,N-二甲基甲酰胺和0.68g冰乙酸中，然后依次加入锂源氯化锂、镧源氯化镧和钛源钛酸四丁酯搅拌120min混合均匀配得前驱体溶液，其中溶液中锂源、镧源、钛源、高分子聚合物与溶剂的摩尔比为0.33:0.55:1:0.04:260:940。
(2)将上述前驱体溶液通过静电纺丝方法制得前驱体纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25℃的恒温热场；静电纺丝的参数为：相对湿度45％，灌注速度1.5mL/h，电压15kV，接收装置与喷丝口间的距离20cm，接收装置的转速为40n/min，所述接收装置为金属滚筒。
(3)将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性LLTO陶瓷纤维膜，煅烧是指将温度从室温(25℃)逐步升至800℃，升温速率为5℃/min，并且在800℃下保持120min。
所述的LLTO陶瓷纤维膜的平均直径为300nm，相对标准偏差为2％，通过Scherrer公式得到内部晶粒尺寸为50nm，通过柔软度测试仪测得LLTO陶瓷纤维膜的柔软度为50mN。
(4)将所得的柔性LLTO陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加10微升的DMF，经过3-10S，白色的LLTO陶瓷纤维膜完全变成黑色。
(5)用上述采用的溶剂简单清洗上述得到的柔性LLTO陶瓷纤维膜，去除表面残留杂质，然后真空烘干，去除溶剂，得到柔性导电黑色LLTO陶瓷纤维膜。通过四探针法测得还原前柔性LLTO陶瓷纤维膜的电导率为0mS/cm，还原后柔性LLTO陶瓷纤维膜电导率为100mS/cm。
试验例1：
将实施例1提供柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜进行拍照，照片如图1所示，从图1可以看出，实施例1提供的原始二氧化钛陶瓷纤维膜是白色的，还原后的二氧化钛陶瓷纤维膜是黑色的。
试验例2：
将实施例1提供柔性二氧化钛陶瓷纤维膜进行电导率测量，结果如图2所示，初始二氧化钛陶瓷纤维膜的电导率几乎为0，经实施例1步骤(4)还原后，电导率大幅度提升，且随着时间的变化，电导率有所不同。
试验例3：
将实施例1提供的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜组装成线路拍照，如图3所示，柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜作为导线的一部分，点亮了LED灯，说明制备的黑色二氧化钛陶瓷纤维膜是导电的。
试验例4：
将实施例1提供的二氧化钛陶瓷纤维膜进行XRD测试，所得谱图如图4所示，从图4中可以看出，原始二氧化钛陶瓷纤维膜和导电二氧化钛陶瓷纤维膜结构相似，同属于锐钛矿型，同时说明还原并没有破坏陶瓷纤维膜的晶体结构。
试验例5：
将实施例1提供的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜进行SEM测试，所得谱图如图5所示，从图中可以看出，陶瓷纤维膜由许多根陶瓷纳米纤维组成。
试验例6：
将实施例1中的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜进行TEM测试，所得谱图如图6所示，从图6可以看出，柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜中TiO2陶瓷纳米纤维表面直径为300nm左右。
