TiO2核壳纳米粒子复合红外吸收纤维的制备方法
阅读说明：本技术 TiO2核壳纳米粒子复合红外吸收纤维的制备方法 (TiO2Preparation method of core-shell nanoparticle composite infrared absorption fiber ) 是由 陈苏 郭敏 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种TiO-(2)核壳纳米粒子复合红外吸收纤维的制备。该方法包括以下步骤：采用溶胶-凝胶法制备了尺寸均匀的TiO-(2)纳米粒子；以TiO-(2)纳米粒子为核,采用改进的法制备了TiO-(2)@SiO-(2)核壳纳米粒子；利用气喷纺丝技术制备了具有独特的纤维-粒子-纤维点线结构的复合纤维膜。该方法设备简单,可操作性强,得到的核壳纳米粒子和复合纤维膜具有良好的红外吸收性能。(The invention relates to a TiO compound 2 Preparing the core-shell nano particle composite infrared absorption fiber. The method comprises the following steps: adopts a sol-gel method to prepare TiO with uniform size 2 Nanoparticles; with TiO 2 With nanoparticles as cores, modified Method for preparing TiO 2 @SiO 2 Core-shell nanoparticles; the composite fiber membrane with a unique fiber-particle-fiber dotted line structure is prepared by using an air jet spinning technology. The method has simple equipment and strong operability, and the obtained core-shell nano particles and the composite particlesThe fibrous film has good infrared absorption properties.)
技术领域
本发明涉及一种TiO2核壳纳米粒子复合红外吸收纤维的制备方法，尤其涉及一种TiO2@SiO2核壳纳米粒子复合红外吸收纤维的制备方法。
背景技术
纳米红外吸收纤维具有重要的应用前景。发达的国家已经开始用具有红外吸收功能的纤维制成“隐身服装”，这种纤维对人体有很好的屏蔽作用。这主要是由于纳米材料的尺寸远小于红外波长。因此，对这种波透过率比常规材料要强的多，而纳米材料的比表面积比常规粗颗粒大3～4个数量级，对红外线的吸收率比常规材料大的多，这就大大减少了红外波的反射率，使得红外探测器接收到的反射信号变得微弱。
纳米材料很容易填充到纤维中，且某些纳米微粒具有很强的吸收中红外频段的特性，如纳米TiO2、纳米SiO2等就具有这种功能。纳米TiO2、纳米SiO2及其复合粉体与高分子纤维结合后，对中红外波段有很强的吸收性能，对这波段的红外探测器有很好的屏蔽作用，添加纳米纤维对人体红外线也有很强的吸收作用，这既可起到屏蔽作用又可以增加保暖作用。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种TiO2核壳纳米粒子复合红外吸收纤维的制备方法。该方法具有优异性能、直径可控并且可大规模制备红外吸收纤维的方法。
本发明的技术方案为：一种TiO2核壳纳米粒子复合红外吸收纤维的制备方法，其具体步骤如下：
(1)采用溶胶-凝胶法，以钛酸四丁酯、巯基乙酸、去离子水和溶剂制备尺寸均匀的TiO2纳米粒子分散液，离心、洗涤并干燥得到TiO2纳米粒子；
(2)采用改进的法，以TiO2纳米粒子、氨水、正硅酸四乙酯的乙醇溶液(溶液A)、氨水和去离子水的乙醇溶液(溶液B)、溶剂制备了TiO2@SiO2核壳纳米粒子分散液，离心、洗涤、干燥得到TiO2@SiO2核壳纳米粒子；
(3)将纺丝聚合物溶解在溶剂中得到聚合物纺丝液；
(4)将TiO2@SiO2核壳纳米粒子加入聚合物纺丝液中超声混合得到混合纺丝液；
(5)将装有混合纺丝液的注射器置入多级微流注射泵上，设置气喷纺丝的参数，制备得到TiO2核壳纳米粒子复合红外吸收纤维。
优选步骤(1)中所述的溶剂为乙醇或甲醇中的一种或两种；钛酸四丁酯的质量浓度为0.5-2％；巯基乙酸的质量浓度为0.04-0.2％；去离子水的质量浓度为2-10％；反应时间为2-3h。
优选步骤(2)中所述的溶剂为乙醇或甲醇中的一种或两种；TiO2纳米粒子的质量浓度为0.2-1％；氨水的质量浓度为2-11％；正硅酸四乙酯的乙醇溶液(溶液A)的质量浓度为5-15％；氨水和去离子水的乙醇溶液(溶液B)的质量浓度为5-10％；反应温度为20-30℃，反应时间为24-36h。
优选步骤(2)中所述正硅酸四乙酯的乙醇溶液(溶液A)中乙醇的质量浓度为50-75％，正硅酸四乙酯的质量浓度为25-50％；氨水和去离子水的乙醇溶液(溶液B)中乙醇的质量浓度为40-70％，氨水的质量浓度为20-40％，去离子水的质量浓度为10-20％。
优选步骤(3)中所述聚合物为聚氨酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮或聚乙烯醇中的一种或几种；溶剂为乙醇、N,N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。
优选步骤(4)中所述混合纺丝液中TiO2@SiO2核壳纳米粒子的质量浓度为0.2-1％聚合物的质量浓度为10-20％；TiO2@SiO2核壳纳米粒子的平均粒径为100-200纳米。
优选步骤(5)中所述气喷纺丝参数为：纺丝液出液速率为3-15mL/h；气压设置为0.1-0.2MPa；纺丝喷头到接受器距离为30-50cm；环境温度为20-35℃；环境湿度为55％-65％；纺丝时间为3-6h。
有益效果：
(1)本发明的方法所制备的TiO2核壳纳米粒子，尺寸均匀，对中红外波段有很强的吸收性能，对人体红外线也有很好的吸收作用；
(2)本发明利用微流控气喷纺丝技术可实现红外吸收TiO2核壳纳米粒子与普通纤维膜的复合，并可实现红外吸收纤维的大规模制备，同时还可以通过调节纺丝参数精确控制纤维的直径；
(3)本发明的方法制备的红外吸收纤维，对中红外波段有很强的吸收性能，对人体红外线也有很好的吸收作用。
具体实施方式
实施例1.
将0.8g钛酸四丁酯和0.08g巯基乙酸加入120g乙醇中，在室温下磁力搅拌30min。然后迅速将4g去离子水倒入溶液中。将混合溶液在室温下搅拌2h。通过离心收集沉淀物，并用乙醇洗涤2次以去除多余的巯基乙酸得到TiO2纳米粒子。将0.6g TiO2纳米粒子分散在200g乙醇中，并倒入500mL四口烧瓶中，加入28g氨水并搅拌均匀。将11.5g乙醇和6g正硅酸四乙酯和混合均匀得到溶液A。将9g乙醇、6.5g氨水和1.8g去离子水混合均匀得到溶液B。在30℃下，持续机械搅拌过程中，同时往烧瓶中滴加溶液A和溶液B。反应24h得到以TiO2为核，SiO2为壳的TiO2@SiO2核壳纳米粒子分散液。通过离心收集沉淀物，并用乙醇洗涤几次得到TiO2@SiO2核壳纳米粒子，平均粒径为130纳米。
将6.5g聚氨酯溶于50g N,N-二甲基甲酰胺中得到纺丝溶液，再将0.28gTiO2@SiO2核壳纳米粒子加入聚合物纺丝液中超声混合得到混合纺丝液。将混合纺丝液吸入注射器并置于多级微流注射泵上，将微流量泵的出液速率设置分别为5mL/h，从针头到接收器的距离设置为35cm，气泵以0.1MPa的压力将空气从针孔中吹出，环境温度为20℃，湿度为56％，纺丝时间为3.5h，在接收器上获得复合纤维膜。
使用红外灯同时照射复合纤维膜和普通纤维膜，在红外热像仪下观察可见复合纤维膜的红外辐射强度较普通纤维膜降低45％。将复合纤维膜贴在人体上，在红外热像仪下观察可见贴有复合纤维膜处的红外辐射强度降低50％。
实施例2.
将1.4g钛酸四丁酯和0.14g巯基乙酸加入120g甲醇中，在室温下磁力搅拌30min。然后迅速将7g去离子水倒入溶液中。将混合溶液在室温下搅拌2.5h。通过离心收集沉淀物，并用乙醇醇洗涤2次以去除多余的巯基乙酸得到TiO2纳米粒子。将1g TiO2纳米粒子分散在200g甲醇中，并倒入500mL四口烧瓶中，加入20g氨水并搅拌均匀。将20g乙醇和15g正硅酸四乙酯和混合均匀得到溶液A。将12g乙醇、5g氨水和3g去离子水混合均匀得到溶液B。在30℃下，持续机械搅拌过程中，同时往烧瓶中滴加溶液A和溶液B。反应24h得到以TiO2为核，SiO2为壳的TiO2@SiO2核壳纳米粒子分散液。通过离心收集沉淀物，并用乙醇洗涤几次得到TiO2@SiO2核壳纳米粒子，平均粒径为180纳米。
将10g聚丙烯腈溶于45g N,N-二甲基乙酰胺中得到纺丝溶液，再将0.45gTiO2@SiO2核壳纳米粒子加入聚合物纺丝液中超声混合得到混合纺丝液。将混合纺丝液吸入注射器并置于多级微流注射泵上，将微流量泵的出液速率设置分别为10mL/h，从针头到接收器的距离设置为40cm，气泵以0.15MPa的压力将空气从针孔中吹出，环境温度为25℃，湿度为58％，纺丝时间为4h，在接收器上获得复合纤维膜。
使用红外灯同时照射复合纤维膜和普通纤维膜，在红外热像仪下观察可见复合纤维膜的红外辐射强度较普通纤维膜降低60％。将复合纤维膜贴在人体上，在红外热像仪下观察可见贴有复合纤维膜处的红外辐射强度降低65％。
实施例3.
将2.4g钛酸四丁酯和0.24g巯基乙酸加入120g乙醇中，在室温下磁力搅拌30min。然后迅速将12g去离子水倒入溶液中。将混合溶液在室温下搅拌3h。通过离心收集沉淀物，并用乙醇洗涤2次以去除多余的巯基乙酸得到TiO2纳米粒子。将2g TiO2纳米粒子分散在200g乙醇中，并倒入500mL四口烧瓶中，加入15g氨水并搅拌均匀。将25g乙醇和10g正硅酸四乙酯和混合均匀得到溶液A。将15g乙醇、6g氨水和3g去离子水混合均匀得到溶液B。在20℃下，持续机械搅拌过程中，同时往烧瓶中滴加溶液A和溶液B。反应36h得到以TiO2为核，SiO2为壳的TiO2@SiO2核壳纳米粒子分散液。通过离心收集沉淀物，并用乙醇洗涤几次得到TiO2@SiO2核壳纳米粒子，平均粒径为160纳米。
将8g聚乙烯基吡咯烷酮溶于50g乙醇中得到纺丝溶液，再将0.15g TiO2@SiO2核壳纳米粒子加入聚合物纺丝液中超声混合得到混合纺丝液。将混合纺丝液吸入注射器并置于多级微流注射泵上，将微流量泵的出液速率设置分别为15mL/h，从针头到接收器的距离设置为45cm，气泵以0.2MPa的压力将空气从针孔中吹出，环境温度为32℃，湿度为63％，纺丝时间为5.5h，在接收器上获得复合纤维膜。
使用红外灯同时照射复合纤维膜和普通纤维膜，在红外热像仪下观察可见复合纤维膜的红外辐射强度较普通纤维膜降低35％。将复合纤维膜贴在人体上，在红外热像仪下观察可见贴有复合纤维膜处的红外辐射强度降低40％。
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