一种中空磁性氧化铁纳米纤维的制备方法与流程

本发明涉及一种中空磁性氧化铁纳米纤维的制备方法，属于化工技术领域。

背景技术：

磁性纳米材料是一种具有独特物理化学性质的纳米材料,因为它可以作为优良高密度磁记录材料、电磁波吸收材料、生物和医学功能材料,所以磁性纳米材料的研究已经引起了各国学者的高度关注。尤其是磁性纳米纤维和纳米线状材料具有高的长径比、大的比表面积等一系列优点而备受研究者的青睐被认为是构成未来新型电、磁等功能材料的重要组件。目前制备纳米纤维的方法有许多种，如:AAO模板法、水热法、相分离法等,虽然这些方法已经能够制备出形貌和磁性良好的磁性纳米纤维,但是它们存在操作复杂、成本高的缺点。近年来静电纺丝成为制备磁性纳米纤维最主要的一种方法，这种方法可以制备出连续均匀、直径可调、具备多级结构的磁性纳米纤维。

通过静电纺丝技术，人们已制备出CoFe₂O₄，NiFe₂O₄，(Ni,Zn)Fe₂O₄等多种磁性纳米纤维。经检索，中国发明专利：CN102251305B，涉及一种钴镍铁氧体/聚乙烯吡咯烷酮复合磁性纳米纤维的制备方法，将改性的Co_1-xNi_x Fe₂O₄纳米颗粒添加到PVP乙醇溶液中，作为纺丝原液进行静电纺丝，即得钴镍铁氧体/聚乙烯吡咯烷酮复合磁性纳米纤维。但是磁性纳米粒子极易发生团聚，会降低纺丝液的黏度，导致纺丝过程的不连续，纳米纤维直径的不匀性增大。中空磁性纳米纤维具有中空结构，有更大的比表面积，在废水处理等方面有潜在的应用。本发明通过静电纺丝、水热合成以及高温煅烧相结合的方法制备α-Fe₂O₃中空磁性纳米纤维，工艺简单，且对生产设备要求低，所制备的磁性纤维直径分布均匀，且有良好的磁性能。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有制备磁性纳米纤维技术中存在的不足，提供一种中空磁性氧化铁纳米纤维的制备方法，得到的中空磁性氧化铁纳米纤维比表面积大、具有中空结构、成本低廉、形貌均匀。

按照本发明提供的技术方案，一种中空磁性氧化铁纳米纤维的制备方法，特征是，包括以下步骤：

(1)将聚乙烯醇(PVA)溶解在添加了醋酸的蒸馏水里，得到混合溶液A；混合溶液A中PVA的浓度为1-20wt％，醋酸的浓度为1-50wt％；

(2)将A进行静电纺丝，调节纺丝电压为10-20kv，调节喷头到滚筒的距离为5-20cm，得到PVA纳米纤维膜；

(3)将PVA纳米纤维膜放入烘箱进行热处理，调节温度为150-250℃，热处理时间为1-30min，得到热处理后的PVA纳米纤维膜；

(4)将三价铁盐和二价铁盐溶解在蒸馏水中得到混合溶液B，其中三价铁盐的浓度为1.5-8wt％，二价铁盐的浓度为0.5-3wt％；将热处理后PVA纳米纤维膜放入混合溶液B中，采用N₂保护，进行水热合成反应，设定水浴温度50-90℃，并向其中滴入浓度为1-10wt％的碱溶液，得到包覆了四氧化三铁纳米粒子的PVA纳米纤维膜；

(5)将包覆了四氧化三铁的PVA纳米纤维膜放入管式炉中煅烧一段时间，煅烧温度为500-900℃，得到所述的中空磁性氧化铁纳米纤维。

步骤(1)中，所述的PVA的醇解度96-100％,聚合度1700-10000。

步骤(4)中，所述三价铁盐为氯化铁，硫酸铁和硝酸铁。所述二价铁盐为氯

化亚铁，硫酸亚铁和硝酸亚铁。

步骤(4)中，所述碱溶液为碳酸钠溶液，碳酸氢钠溶液，氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液。

步骤(5)中，所述煅烧时间为30～120分钟。煅烧气氛为空气。

本发明制备的中空磁性氧化铁纳米纤维因其具有中空的结构，比表面积较大，具有良好的磁性、成本低廉、形态优良的优点。

附图说明

图1为实施例1制备的中空氧化铁纳米纤维的扫描电镜照片。

图2为实施例2制备的中空氧化铁纳米纤维的扫描电镜照片。

图3为实施例3制备的中空氧化铁纳米纤维的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：一种中空磁性氧化铁纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PVA(聚合度2000，醇解度96％)粉末加入添加了冰乙酸的蒸馏水里，得到混合溶液A；混合溶液A中PVA的浓度为12wt％，醋酸的浓度为5wt％，将混合溶液A放在恒温磁力搅拌器上加热搅拌，使其充分溶解，调节加热温度为80℃，搅拌速率为10r/min；

(2)将步骤(1)得到的透明溶液倒入针管中，开始静电纺丝，调节纺丝电压为12kv，注射泵到收集板的距离是10cm，得到白色的PVA纳米纤维膜，将白色的PVA纳米纤维膜放入烘箱进行热处理，调节温度为150℃，热处理时间为30min，得到黄色的PVA纳米纤维膜；

(3)将氯化铁和氯化亚铁溶解在蒸馏水中得到混合溶液B，并将混合溶液B放入超声分散仪里进行充分分散，其中氯化铁的浓度为5wt％，氯化亚铁的浓度为1.5wt％；将黄色的PVA纳米纤维膜放入混合溶液B中，采用N₂保护，进行水浴反应，设定水浴温度60℃，并向其中滴入浓度为2wt％的碱溶液，得到包覆了Fe₃O₄磁性纳米粒子的PVA纳米纤维膜；

(4)将包覆了磁性纳米粒子的PVA纳米纤维膜放入管式炉中空气气氛下煅烧，煅烧温度为600℃，煅烧时间45min,得到所述的中空磁性氧化铁纳米纤维。

实施例2：一种中空磁性氧化铁纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PVA(聚合度3200，醇解度98％)粉末加入添加了冰乙酸的蒸馏水里，得到混合溶液A；混合溶液A中PVA的浓度为6wt％，醋酸的浓度为4wt％，将混合溶液A放在恒温磁力搅拌器上加热搅拌，使其充分溶解，调节加热温度为90℃，搅拌速率为90r/min；

(2)将步骤(1)得到的透明溶液倒入针管中，开始静电纺丝，调节纺丝电压为15kv，注射泵到收集板的距离是12cm，得到白色的PVA纳米纤维膜，将白色的PVA纳米纤维膜放入烘箱进行热处理，调节温度为180℃，热处理时间为10min，得到黄色的PVA纳米纤维膜；

(3)将硫酸铁和硫酸亚铁溶解在蒸馏水中得到混合溶液B，并将混合溶液B放入超声分散仪里进行充分分散，其中氯化铁的浓度为1.5wt％，氯化亚铁的浓度为0.5wt％；将黄色的PVA纳米纤维膜放入混合溶液B中，采用N₂保护，进行水浴反应，设定水浴温度50℃，并向其中滴入浓度为1wt％的碱溶液，得到包覆了Fe₃O₄磁性纳米粒子的PVA纳米纤维膜；

(4)将包覆了磁性纳米粒子的PVA纳米纤维膜放入管式炉中空气气氛下煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间30min,得到所述的中空磁性氧化铁纳米纤维。

实施例3：一种中空磁性氧化铁纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PVA(聚合度8000，醇解度99％)粉末加入添加了冰乙酸的蒸馏水里，得到混合溶液A；混合溶液A中PVA的浓度为3wt％，醋酸的浓度为50wt％，将混合溶液A放在恒温磁力搅拌器上加热搅拌，使其充分溶解，调节加热温度为95℃，搅拌速率为100r/min；

(2)将步骤(1)得到的透明溶液倒入针管中，开始静电纺丝，调节纺丝电压为10kv，注射泵到收集板的距离是10cm，得到白色的PVA纳米纤维膜，将白色的PVA纳米纤维膜放入烘箱进行热处理，调节温度为150℃，热处理时间为30min，得到黄色的PVA纳米纤维膜；

(3)将硝酸铁和硝酸亚铁溶解在蒸馏水中得到混合溶液B，并将混合溶液B放入超声分散仪里进行充分分散，其中硝酸铁的浓度为8wt％，硝酸亚铁的浓度为3wt％；将黄色的PVA纳米纤维膜放入混合溶液B中，采用N₂保护，进行水浴反应，设定水浴温度80℃，并向其中滴入浓度为5wt％的碱溶液，得到包覆了磁性Fe₃O₄纳米粒子的PVA纳米纤维膜；

(4)将包覆了磁性纳米粒子的PVA纳米纤维膜放入管式炉中空气气氛下煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧时间120min,得到所述的中空磁性氧化铁纳米纤维。

本发明得到的中空磁性氧化铁纳米纤维具有中空结构，增大了纤维的比表面积。本发明的中空磁性氧化铁纳米纤维，采用形貌均匀的PVA纳米纤维作为基体，尺寸可以通过PVA纳米纤维的直径和包覆层的厚度来调节，克服了现有技术的不足。如图1～图3所示，中空磁性氧化铁纳米纤维的扫描电镜照片显示出其形貌均匀、形态优良。