ZnO纳米纤维制备及其性能表征

2014-05-10李栋孙娜李钒赵久艾翟国均

天津化工 2014年3期

关键词：纺丝射流直径

李栋，孙娜，李钒，赵久艾，翟国均

（天津渤海职业技术学院，天津 300022）

本文采用静电纺丝法制备了PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维，通过煅烧进一步制得了ZnO纳米纤维，对其制备条件进行了讨论，并表征了ZnO纳米纤维结构特征。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

聚乙烯吡咯烷酮(PVP，天津化学试剂公司，平均相对分子质量30000)；聚乙烯醇（PVA，相对分子质量80000 北京益利精细化学品有限公司，醇解度98%）；去离子水；无水乙醇（分析纯，天津化学试剂公司）；醋酸锌（Zn(CH3COO)2广东西陇化工厂）。均为国内优质产品。差热-热重(TG-DTA)分析采用SⅡ公司TG-DTA6300热分析仪，空气气氛，升温速率为10℃/min；红外光谱分析采用Nieolate公司的670型FT一IR测定，KBr压片；采用JSM-6360LV型扫描电子显微镜（SEM）对进行形貌观察。

1.2 PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维的制备

配制质量分数分别为15%PVP溶液，在其中加入 0.2g Zn(CH3COO)2配置成 PVP/Zn(CH3COO)2的前驱体溶液，将制得的PVP/Zn(CH3COO)2前驱体溶液加入到一个毛细端直径约1mm的塑料管内，然后把一根与电源正高压相连的铜电极插到前驱体溶液中。塑料管的前方固定一个接受板，调节电压，在喷头与接收板之间形成一个电场。从喷头喷出的PVP/Zn(CH3COO)2带电前驱体溶液在电场力作用下，几秒内被拉成直径大约400～700 nm的纤维丝落到固定的接收板上。

1.3 ZnO纳米纤维的制备

将所得的PVP/Zn(CH3COO)2纳米纤维置于马弗炉中，以15℃/min的速率升温，于700℃下煅烧3 h，得到分布均匀的ZnO纳米纤维。

2 结果与讨论

2.1 纺丝电压对PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维直

径的影响

实验中在不同纺丝电压下制备了PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维，实验结果发现当电压为18～32kV时，电场力较小，射流不能充分分裂，形成的纤维平均直径较粗，约400～500nm左右（图1），由图可知随着电压的增大（25～28）kV，溶液射流处于稳定阶段，此时纺出的丝较细，结构较为均一，直径主要分布在200～300nm之间。当电压进一步增大电压到28kV以上时，由于增加电压，电场力加强，溶液射流在空气中运动加速，运动时间缩短，射流再次分开的几率减小，形成的纤维直径较大（约300～350nm）。

图1 纺丝电压与纤维直径的关系

2.2 纤维形态分析（SEM）

图2是PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维在马弗炉中煅烧前后的扫描电镜照片，从（a）图中可以看到煅烧PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维表面光滑，直径为300～700nm之间，（b）在马弗炉中煅烧后，由于PVP和AC等其它小分子在高温下挥发，所得ZnO纳米纤维直径变细，表面变得粗糙如图（b）所示，在700℃下煅烧3 h后所得ZnO纳米纤维直径为100nm。

图2 复合纤维锻烧前后的SEM

2.3 PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维的差热-热重分析

图3中的差热-热重分析曲线表明，当试样的温度加热至700℃时，TG曲线趋于平缓，这表明在700℃温度下试样中的PVP等有机成分挥发完全，剩余组分为纯ZnO纤维。灼烧过程中由于试样中AC以及PVP主链及侧链的热分解造成DTA曲线中出现了几个吸热峰。

图3 PVP/Zn(CH3COO)2复合纤维TG-DTA

2.4 纳米ZnO纤维抗菌性能

向两组试样中分别添加纳米ZnO颗粒和纳米ZnO纤维，并将样品涂抹于2cm的滤纸上，置于平板中央静止2d对其抗菌能力进行测试。从图4中可以看到添加纳米ZnO后试样均有抗菌性能，但两者抗菌半径不同，含纳米ZnO纤维试样的抗菌半径更大，表明ZnO纤维抗菌性能更佳，这可能是由于在光照下纳米ZnO纤维的光催化性能更佳[1]，在光照下ZnO纤维产生高活性羟基自由基，可以氧化分解各种有机物，从而有效地抑制细菌的大量繁殖。