淺析靜電紡絲技術(shù)制備多種結(jié)構(gòu)的納米線

宿彥杰，張 騰

（北京師范大學，北京 100875）

淺析靜電紡絲技術(shù)制備多種結(jié)構(gòu)的納米線

宿彥杰，張 騰

（北京師范大學，北京 100875）

文章采用靜電紡絲法制備La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2的納米線，先配置La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2的前驅(qū)體溶液，并把它們放在靜電紡絲機下紡絲后退火，得到了La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2的單根納米線。在此基礎(chǔ)上，利用同軸針頭，在外層加入La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3溶液，芯層加入TiO2溶液，觀察得到納米線的結(jié)構(gòu)形貌，確定得到了La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3-TiO2的同軸納米線。在靜電紡絲技術(shù)下，筆者成功實現(xiàn)了對納米線結(jié)構(gòu)的控制。

靜電紡絲；同軸結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)形貌

本文主要運用靜電紡絲技術(shù)，通過改變靜電紡絲機的噴絲方式，來紡織多種結(jié)構(gòu)的納米線。而實驗中使用TiO2和La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3這2種材料，首先，TiO2是一種經(jīng)典的半導體材料，納米化后的TiO2具有良好的耐候性、耐腐蝕性，較高的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，在功能陶瓷、半導體、傳感材料、光電轉(zhuǎn)換材料、催化材料、非線性光學材料中有廣泛的應(yīng)用。其次La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3是一種超巨磁阻多晶體材料，非常弱小的磁性變化就能導致其發(fā)生非常顯著的電阻變化，在電磁器件如磁頭、磁傳感器、磁開關(guān)、磁記錄以及磁電子學等方面具有巨大的應(yīng)用前景。

1　實驗方法

1.1靜電紡絲裝置

靜電紡絲裝置主要包括：高壓靜電發(fā)生裝置、液體供給裝置、噴絲發(fā)生裝置和接收裝置。其中高壓靜電發(fā)生裝置用來提供高壓靜電；液體供給系統(tǒng)主要是注射泵；噴絲發(fā)生裝置一般為噴絲針頭。噴絲過程中，針頭通過導線與高壓裝置相連，形成正極；接收裝置可多種多樣，從而形成不同的纖維排列方式，常用的接地裝置為金屬板或金屬類平面，實驗中的接收裝置是鋁箔。

若是配置同軸納米線，裝置與上述基本相同，其主要區(qū)別是將單通道的噴頭改為內(nèi)外2個同軸心的同軸噴頭。同軸噴頭由2個毛細管同軸嵌套而成，同軸噴頭之間留有一定的空隙以保證殼層溶液可以順利流出，核層溶液則通過內(nèi)層毛細管流出，與殼層溶液在同軸噴頭尖端處匯合，形成復合液滴，在電場作用下噴射而出，形成射流。

1.2前驅(qū)體溶液配置方法

實驗中采用的材料為La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2，首先應(yīng)該配置出相應(yīng)的前驅(qū)體溶液，溶液配置方法如下：

同軸納米線的芯層為TiO2，溶液配置方式如下：攪拌1.5g鈦酸四丁酯、3ml乙酸、3mL乙醇10min再加入7.5mL乙醇、0.45gPVP攪拌2小時得到TiO2前驅(qū)體溶液。

殼層為La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3，溶液配置方法如下：攪拌0.140725g La（NO3）3·6H2O，0.1305g Pr（NO3）·6H2O，

0.08856g Ca（NO3）2·4H2O，C2H4MnO4·4H2O，

3mLDMF，0.3gPVP，0.2mL去離子水得到前驅(qū)體溶液。

1.3退火過程

在靜電紡絲裝置上得到的樣品還需經(jīng)過退火過程，才能形成納米線。退火過程采用的是氣氛退火爐（管式退火爐），退火程序為設(shè)置為10℃100min、200℃260min、600℃180min

2　實驗結(jié)果和討論

2.1單根納米線

根據(jù)1.2中的方法，配置La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2的前驅(qū)體溶液。

La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2的單根納米線：用注射器吸取前驅(qū)體溶液，用普通針管，將注射器和針管裝入靜電紡絲裝置中并固定，往下擠壓注射器，直至針管里充滿溶液，再運行調(diào)速器，將針管噴射速度為0.3mL/min，見到有溶液滴下時，打開左邊的電場開關(guān)，將電場大小調(diào)為15KV（TiO2為12KV）。此時會看到針頭下方有白色絨絲以螺旋狀噴出，靜置一段時間后，底下的鋁箔上將附上一層白色，這就是納米線。取一小塊硅片，放在下方約1分鐘左右。將硅片放在在退火爐里煅燒，就可得到TiO2的單根納米線。除此之外，還將溶液濃度調(diào)高，將加入的鈦酸四丁酯的量由1.5g增加到3g 和4.5g，通過這種辦法，制備出較粗的納米線。

2.2同軸納米線

半導體材料TiO2納米化后具有良好性質(zhì)，而La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3是一種超巨磁阻多晶體材料。作為現(xiàn)代生活里尤為重要的2種材料，如果將這2種材料結(jié)合起來，制成同軸納米線，相信會產(chǎn)生一些新的現(xiàn)象。

制作同軸納米線的方法與制作單根納米線的方法類似，只需要采用同軸針管其他步驟相同，制出La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3-TiO2的同軸納米線。

第一次實驗，采用的是0.2mol和0.3mol的La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3溶液和1.5gTiO2溶液，將得到的樣品在掃描隧道顯微鏡下觀測，看到的同軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　0.2mol和0.3mol溶液時的納米線結(jié)構(gòu)

圖1中，最上邊的兩圖為0.2mol時的結(jié)構(gòu)，圖中亮的部分為TiO2，較暗的為La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3，最上邊的兩圖為0.2mol時的結(jié)構(gòu)，下邊的為0.3mol時的結(jié)構(gòu)，右邊的兩圖為截取部分測量直徑，得到在0.2mol時，內(nèi)徑為306nm，外徑為530nm；在0.3mol時，內(nèi)徑為352nm，外徑為2.29um。

由圖1可以看出，La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3溶液濃度越高，殼層包裹越嚴實，同軸結(jié)構(gòu)越好，在0.2molLa0.325Pr0.3Ca0.375MnO3溶液濃度時，殼層包裹時斷時續(xù)，許多地方都是有裸露的TiO2（那些較亮的地方），La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3依舊無法完全包裹住芯層的TiO2。而當濃度增加到0.3mol時，如圖1所示，外層的La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3覆蓋完全，同軸結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常完整了。

除此之外，測量出，由0.3molLa0.325Pr0.3Ca0.375MnO3溶液制備出的同軸納米線，芯層厚度約為352nm，納米線平均直徑為2.29um，這說明，此同軸納米線為亞微米級結(jié)構(gòu)材料，由于La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3溶液濃度較高，不似單根納米線能達到幾十納米，希望能在今后進一步探究中得到更好結(jié)構(gòu)的納米線。

然后，對圖1中0.3mol的部分進行了成分分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2對納米線截面進行了成分分析，得到各元素分布從成分分析中，看到La、Pr、Ca、Mn都比較均勻地分布在整個橫截面上，而Ti和O則集中分布于中間部分，這符合同軸結(jié)構(gòu)的特點，進一步驗證了這就是La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3-TiO2的同軸結(jié)構(gòu)。

圖2　納米線截面成分分析及各元素分布示意

3　結(jié)語

整個實驗中，利用靜電紡絲技術(shù)，通過對于溶液濃度，噴射方法，電場電壓等多種條件的控制，成功在實驗室里配制出了La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2的單根納米線、La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3-TiO2的同軸納米線。由此可以得出，利用靜電紡絲技術(shù)，能制備出多種結(jié)構(gòu)的納米線，且制作方法簡便、制作過程簡潔、對外界環(huán)境要求不高、材料便宜、得到的納米線也很穩(wěn)定，非常適合工業(yè)上批量生產(chǎn)，非常適合用于實際生活。筆者相信這對今后納米線的發(fā)展非常有幫助。

對于該實驗，可以進一步就La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3-TiO2得同軸納米線的光電性質(zhì)進行探究，La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3是一種超巨磁材料，在微電子和光電子產(chǎn)業(yè)中具有很廣泛的運用，而TiO2具有良好的耐候性、耐腐蝕性、較高的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，在現(xiàn)代生活中運用廣泛。由La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3和TiO2形成的同軸納米線，其電阻隨溫度、光強、電場會產(chǎn)生較大的變化，通過對此的探究，將會使它在亞微米結(jié)構(gòu)材料中開辟一條新的道路。

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Analysis of Nano Wires with Various Structures by Electrospinning

Su Yanjie， Zhang Teng
（Beijing Normal University， Beijing 100875， China）

In this paper， the electrostatic spinning method was used to prepare Nano wire of La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3and TiO2.First， to configure precursor solution of La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3and TiO2， and put them in the electrostatic spinning machine， then spin annealing，we got single nano wire of La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3and TiO2. Based on this， by using coaxial needle， the outer layer is added into the solution of . La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3， solution of TiO2was added into the core layer， by observation， we saw the structure and morphology of nano wires and was sure getting coaxial nanowire of La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3-TiO2. In the electrostatic spinning technology， the author successfully realized the control of the nano wire structure.

electrostatic spinning； coaxial structure； structure

宿彥杰（1994-），男，山東濟南。