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1、10申请公布号CN102084044A43申请公布日20110601CN102084044ACN102084044A21申请号200980126233322申请日20090505PV200827720080506CZD01F9/08200601D01F6/56200601D01D5/0020060171申请人埃尔马科有限公司地址捷克利贝雷茨72发明人J杜乔斯拉夫L鲁巴塞克74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人段晓玲林毅斌54发明名称通过静电纺丝生产无机纳米纤维的方法57摘要本发明涉及通过溶液的静电纺丝生产无机纳米纤维的方法，该溶液包括溶于以醇为基础的溶剂体系中的金属或半金属或。
2、非金属的烷氧基化物。溶液被防止烷氧基化物的水解的螯合剂所稳定化，在均化之后该溶液与由聚乙烯基吡咯烷酮在醇中的溶液进行混合，然后所得溶液被输送至静电场，在其中连续进行静电纺丝，纺丝的结果是有机无机纳米纤维的生产，该纤维然后在纺丝设备之外在500到1300的温度下在空气氛围中进行煅烧。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2011010686PCT申请的申请数据PCT/CZ2009/0000652009050587PCT申请的公布数据WO2009/135448EN2009111251INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图4页CN102084052。
3、A1/1页21通过溶液的静电纺丝生产无机纳米纤维的方法，该溶液包括溶于以醇为基础的溶剂体系中的金属或半金属或非金属的烷氧基化物，其特征在于该溶液被防止烷氧基化物的水解的螯合剂所稳定化，和在均化之后该溶液与聚乙烯基吡咯烷酮在醇中的溶液进行混合，然后所得溶液被输送至静电场，在其中连续进行静电纺丝，纺丝的结果是有机无机纳米纤维的生产，该纤维然后在纺丝设备之外在500到1300的温度下在空气气氛中进行煅烧。2根据权利要求1的方法，其特征在于，为了提高该溶液的导电性，浓酸被添加到溶液中。3根据权利要求2的方法，其特征在于该酸是选自盐酸，硝酸，磷酸。4根据权利要求13中任何一项的方法，其特征在于，该螯合剂。
4、是乙酰丙酮。5根据权利要求15中任何一项的方法，其特征在于在聚乙烯基吡咯烷酮的溶液中的醇是选自乙醇，1丙醇，2丙醇或它们的混合物。6根据权利要求15中任何一项的方法，其特征在于该聚乙烯基吡咯烷酮具有在10000001500000G/MOL范围内的平均分子量和它在溶液中的重量浓度是在49范围内。7根据权利要求6的方法，其特征在于该聚乙烯基吡咯烷酮具有1300000G/MOL的平均分子量。8根据权利要求17中任何一项的方法，其特征在于该聚乙烯基吡咯烷酮具有在K70至K95范围内的粘度值K和它在溶液中的浓度是在49范围内。9根据权利要求8的方法，其特征在于聚乙烯基吡咯烷酮具有粘度值K90。10根据权。
5、利要求19中任何一项的方法，其特征在于金属的烷氧基化物是选自四丁氧基钛，四异丙氧基钛，三仲丁氧基铝，三异丙氧基铝，四异丙氧基锆。11根据权利要求19中任何一项的方法，其特征在于半金属的烷氧基化物是选自四乙氧基硅烷，三乙氧基硼。12根据权利要求111中任何一项的方法，其特征在于在溶液中烷氧基化物与螯合剂的分子比率是10,8到12,2。13根据前述权利要求中任何一项的方法，其特征在于在纺丝的静电场中烷氧基化物溶液是确定在纺丝电极的纺丝设备的有效纺丝区段的表面上。14根据该权利要求12的方法，其特征在于该烷氧基化物的溶液通过纺丝电极的表面被输送到纺丝用的静电场中。15根据权利要求12的方法，其特征在。
6、于该纺丝电极是由长方形的旋转纺丝电极形成的，它以其圆周的部分延伸到该纺丝溶液中。权利要求书CN102084044ACN102084052A1/5页3通过静电纺丝生产无机纳米纤维的方法技术领域0001本发明涉及通过溶液的静电纺丝生产无机纳米纤维的方法，该溶液含有溶于以醇为基础的溶剂体系中的金属或半金属或非金属的烷氧基化物。背景技术0002无机材料具有许多的性能，鉴于此它们适合在许多技术领域中例如在电工，药物，工业等等中的使用。例如，TIO2，SIO2，AL2O3，ZRO2和B2O3属于重要的无机物质。在无机纳米纤维上兼有了纳米纤维材料的综合性能，如具有纳米材料的性能尤其具有高比表面积的组织化一维。
7、结构，以及具有无机物质的物理化学性质如硬度、耐热性和电子条纹ELECTRONSTRIPES的结构。因此，所得的纳米纤维适合于复合材料，催化剂，电化学元件等等的生产。目前，已知有从无机材料生产纳米颗粒的各种方法。无机纳米颗粒的生产，即从SIO2和AL2O3已公开在WO2007/079841中。0003无机材料的纳米颗粒它可以通过上述方法或其它合适方法生产也能够被引入到纳米纤维的结构中，这可通过例如将纳米颗粒添加到聚合物溶液中和随后从该溶液生产纳米纤维来实现。无机纳米颗粒在聚合物纳米纤维中的存在为这些纳米纤维赋予特定的性能。尽管如此，相当大部分的纳米颗粒是由聚合物组分形成的。0004目前，纯无机纳。
8、米纤维是通过在喷嘴或针形纺丝电极溶液供入其中的使用下由静电纺丝的非连续方法生产的，该溶液可通过给定的无机元素的前体或含有各自金属或非金属作为纤维的无机基础物INORGANICBASIS的来源的烷氧基化物的聚合物溶液来表示。0005用于通过静电纺丝从喷嘴生产无机纳米纤维的已知溶液不能用于纳米纤维的连续生产，因为烷氧基化物是随着时间推移变得不稳定的并且通过水解这甚至通过空气湿度的作用发生烷氧基化物的降解，这在它们的纺丝之前仍然发生。迄今对于静电纺丝还没有使用足够稳定的且能够用于无机纳米纤维的连续生产中的烷氧基化物的任何溶液。0006本发明的目标是开发通过静电纺丝所进行的无机纳米纤维的连续生产方法，。
9、该方法克服了背景技术的缺点。发明内容0007本发明的目标已经通过本发明的生产无机纳米纤维的方法所实现，本发明的原理在于金属或半金属或非金属的烷氧基化物溶液是在以醇为基础的溶剂体系中被螯合剂它防止烷氧基化物的水解稳定化，在均化之后与聚乙烯基吡咯烷酮在醇中的溶液进行混合，然后所得溶液被输送至静电场，其中在长期基础上连续进行静电纺丝，纺丝的结果是有机无机纳米纤维的生产，该纳米纤维然后在纺丝设备之外在500到1300的温度下在空气氛围中进行煅烧。0008通过溶液的稳定化，因为空气湿度的作用和生产环境的其它影响而导致的烷氧基化物水解得以防止，这样静电纺丝的过程可以连续地和长期地进行。在已出版的著作中，在。
10、说明书CN102084044ACN102084052A2/5页4喷嘴静电纺丝的情况下，它们使用在醇中的金属烷氧基化物与聚乙烯基吡咯烷酮相结合的溶液。烷氧基化物通过乙酸的添加物而稳定化参见JOURNALOFAMERICACERAMICSOCIETY896186118692006,SCIENCEANDTECHNOLOGYOFADVANCEDMATERIALS62005240245。在从开放的表面进行静电纺丝的情况下这一溶液的使用在实验室规模下是可能的，然而在持续了长于半小时的过程中会发生溶液的降解和烷氧基化物的水解。这一作用妨碍了文献中所述溶液的组合物用于通过从开放的表面进行静电纺丝的方法生产陶瓷。
11、纳米纤维的工业应用。0009为了提高溶液的导电性和提高生产方法的效率，有可能在溶液中添加浓酸，该酸根据权利要求3优选是选自于盐酸，硝酸，磷酸。0010在该方法的优选实施方案中，螯合剂由二酮组成，而最合适的二酮似乎是乙酰丙酮，在它的使用下溶液的稳定化是永久的。0011在聚乙烯基吡咯烷酮的溶液中的醇是选自乙醇，1丙醇，2丙醇或它们的混合物。0012在理想的实施方案中该聚乙烯基吡咯烷酮具有在10000001500000G/MOL范围内的平均分子量并且它在溶液中的重量浓度是在49范围内，而最优选的似乎是该聚乙烯基吡咯烷酮具有1300000G/MOL的平均分子量。0013金属的烷氧基化物优选是选自于四丁。
12、氧基钛，四异丙氧基钛，三仲丁氧基铝，三异丙氧基铝或四异丙氧基锆。0014半金属的烷氧基化物优选是四乙氧基硅烷或三乙氧基硼。0015为了实现烷氧基化物溶液的良好稳定化，如果在溶液中烷氧基化物和螯合剂的比率是在10,812,2范围内则是优选的。0016对于静电纺丝本身，在静电场中的烷氧基化物溶液确定是在纺丝电极的纺丝设备SPINNINGMEAN的有效区段ACTIVEZONE的表面上。0017同时，如果烷氧基化物溶液被纺丝电极的表面输送到用于纺丝的静电场中则是优选的，该电极优选由长方形的（OBLONGSHAPE）旋转纺丝电极形成，它以其圆周的部分SECTION延伸到进行纺丝的溶液中。附图说明0018。
13、该附图在图1中表示所生产的TIO2纳米纤维，和在图2中表示它们的X射线衍射谱，该图3表示AL2O3纳米纤维和图4表示它们的X射线衍射谱，该图5表示B2O3纳米纤维和该图6表示它们的X射线衍射谱，该图7表示ZRO2纳米纤维和该图8表示它们的X射线衍射谱。具体实施方式0019用于利用静电纺丝法生产无机纳米纤维尤其TIO2，SIO2，AL2O3，ZRO2和B2O3的的纺丝溶液含有作为无机基础物的来源的各自金属、半金属或非金属的烷氧基化物，该烷氧基化物溶于合适的溶剂中例如溶于乙醇、1丙醇或2丙醇中。为了稳定烷氧基化物的溶液，尤其为了防止它的水解，作为稳定剂的螯合剂的添加是必要的。最合适的螯合剂是二酮，。
14、例如乙酰丙酮。烷氧基化物和螯合剂之间的分子比率MOLECULARRATIO说明书CN102084044ACN102084052A3/5页5应该是在10,812,2的范围内。为了改进溶液的纺丝能力，也在其中添加支持聚合物SUPPORTINGPOLYMER，该聚合物的代表例如是具有1300000G/MOL的分子量或粘度值K90的聚乙烯基吡咯烷酮，而相对于溶液的总重量而言聚合物的重量浓度是49WT。0020静电纺丝的工艺取决于烷氧基化物溶液的浓度，或更精确地说取决于该溶液的粘度、表面张力和其它参数。烷氧基化物溶液的具体组成取决于环境的温度和湿度和静电纺丝的参数，如电极的旋转和类型，在电极之间的距离和。
15、外加电压。0021在SIO2纳米纤维生产的实施方案的具体例子中，对于溶液的生产可使用250G的乙醇和39G的乙酰丙酮的混合物，其中小心地溶解了100G的四乙氧基硅烷。在均化之后所获得的溶液小心地与35,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在747,9G的乙醇中的溶液混合。在均化之后，所得溶液用浓盐酸进行酸化。0022所得的四乙氧基硅烷的溶液用于通过静电纺丝进行的SIO2纳米纤维的生产中。使用供聚合物溶液的静电纺丝用的设备，该设备包括纺丝电极和贴靠在其之上排列的（ARRANGED）接收电极，而纺丝电极包括以其圆周的一部分延伸到在贮器中存在的四乙氧基硅烷溶液中的旋转安装的纺丝。
16、设备ROTATABLYMOUNTEDSPINNINGMEAN。旋转纺丝设备ROTATINGSPINNINGMEAN因为它的旋转而携带四乙氧基硅烷的溶液到在纺丝电极和接收电极之间诱导的静电场之中，而贴靠于接收电极上的旋转纺丝设备的表面的一部分代表了纺丝设备SPINNINGMEAN的有效纺丝区段（ACTIVESPINNINGZONE）。在纺丝过程中，四乙氧基硅烷的溶液存在于纺丝电极的纺丝设备的有效纺丝区段的表面上。旋转纺丝设备可以例如根据CZ专利294274或根据CZPV2006545或CZPV2007485来解释。在以上所述的四乙氧基硅烷溶液的具体纺丝中，一部分的溶液约125ML被倾倒在存储容器。
17、中并且它装有纺丝旋转圆柱形电极。具有电极的容器被放置于由静电纺丝生产纳米纤维的设备中。作为基底材料可以使用任何织物，箔材，等等。所获得的有机无机纳米纤维层包括具有301000NM的厚度的纳米纤维。0023纳米纤维有机无机层然后在炉中在空气气氛中在600800的温度下进行煅烧，生产出纯无定形SIO2纳米纤维。0024类似地，烷氧基化物的下列溶液进行静电纺丝。0025对于TIO2纳米纤维的生产，为了溶液的制备，使用250G的乙醇和29,4G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的四丁氧基钛。在均化之后，所获得的溶液小心地与35,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在758,8。
18、G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维有机无机层在炉中在空气气氛中在500的温度下煅烧。所得的TIO2的无机纳米纤维的晶形结构纯粹是锐钛矿型。0026在LI4TI5O12纳米纤维制备的实施方案的再一个例子中，对于溶液的制备可使用250G的乙醇和29,4G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的四丁氧基钛。在均化之后，所获得的溶液小心地与35,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮和24G的乙酸锂二水合物在758,8G的乙醇中所形成的溶液进行混合。所得溶液进行静电纺丝。纳米纤维有机无机层在炉中在空气气氛中在750的温度下。
19、煅烧。所形成的无机纤维显示具有低于5的锐钛矿和金红石的加入量的LI4TI5O12的相。说明书CN102084044ACN102084052A4/5页60027在用于TIO2纳米纤维的溶液的生产中的实施方案的另一个例子中，使用250G的2丙醇和29,4G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的四丁氧基钛。在均化之后，所获得的溶液与由35,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在758,8G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在700的温度下进行煅烧。所形成的纳米纤维的晶形部分地是锐钛矿型和部分地是金红石型，这可通过在图。
20、1中表示的图和在图2中表示的纳米纤维的XRD谱来证明。0028在用于TIO2纳米纤维的生产中的溶液制备的再一个示例性实施方案中，使用由250G的1丙醇和29,4G的乙酰丙酮形成的、用0,3G的磷酸加以酸化的混合物。在给定的混合物中溶解100G的四丁氧基钛。在均化之后所获得的溶液与由35,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在758,8G的乙醇中形成的溶液混合。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。该纳米纤维层在500的温度下进行煅烧。所得的无机TIO2纳米纤维的晶形纯粹是锐钛矿型。0029在用于TIO2纳米纤维的生产中的溶液的生产的实施方案的再一个例子中，使用250G的乙醇和5。
21、8,8G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的四丁氧基钛。在均化之后，所获得的溶液与由35,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在729,4G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在700的温度下进行煅烧。所得的TIO2纳米纤维的晶形部分地是锐钛矿型和部分地是金红石型。0030对于根据实施方案的附加实施例的用于TIO2纳米纤维生产中的溶液的制备，使用150G的乙醇和29,4G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的四丁氧基钛。在均化之后，所获得的溶液与由35,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷。
22、酮在272,1G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在500的温度下进行煅烧。所得的TIO2纳米纤维的晶形纯粹是锐钛矿型。0031在用于TIO2纳米纤维生产中的溶液的制备的另一个实施方案中，使用250G的乙醇和35,2G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的四异丙氧基钛。在均化之后，所获得的溶液与由42,2G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在977,7G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在500的温度下进行煅烧。所得的TIO2纳米纤维的晶形纯粹是锐钛矿型。
23、。0032对于AL2O3纳米纤维的生产，使用500G的2丙醇和40,7G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的三仲丁氧基铝。在均化之后，所获得的溶液与由62,1G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在1366,9G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在700的温度下进行煅烧。所形成的无机纤维显示出纯AL2O3晶体结构，这可通过在图3中表示的图和在图4中表示的XRD谱来证明。0033在用于AL2O3纳米纤维的生产中的溶液的制备的另一个实施方案中，使用350G的2丙醇和40,7G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的三。
24、仲丁氧基铝。在均化之后，说明书CN102084044ACN102084052A5/5页7所获得的溶液与由62,1G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在827G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。纳米纤维层在800的温度下进行煅烧。所形成的无机纤维显示出纯AL2O3晶体结构。0034在用于AL2O3纳米纤维的生产中的溶液的制备的另一个实施方案中，使用500G的2丙醇和49G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的三异丙氧基铝。在均化之后，所获得的溶液与由74,9G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在1772,2G的乙醇中所形成的溶液进行混合。
25、，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在700的温度下进行煅烧。所形成的无机纤维显示出纯AL2O3晶体结构。0035对于B2O3纳米纤维的生产，使用500G的乙醇和68,6G的乙酰丙酮的混合物，其中溶解了100G的三乙氧基硼。在均化之后，所获得的溶液与由71,5G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在1644,3G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在500的温度下进行煅烧。所形成的无机纤维显示出具有无定形增加的B2O3晶体结构，这可通过在图5中表示的图和在图6中表示的XRD谱来证明。003。
26、6对于ZRO2纳米纤维的生产，使用500G的乙醇和30,6G的乙酰丙酮的混合物，在其中添加了由142,9G四异丙氧基锆在1丙醇中形成的溶液。在均化之后，所获得的溶液与由56,4G具有1300000G/MOL的分子量的聚乙烯基吡咯烷酮在1193,8G的乙醇中所形成的溶液进行混合，然后用浓盐酸进行酸化。所得溶液通过静电纺丝法进行纺丝。纳米纤维层在700的温度下进行煅烧。所形成的无机纤维显示为单斜晶和四边形晶体结构的ZRO2混合物，这可通过在图7中表示的图和在图8中表示的XRD谱来证明。0037在全部情况下，实现了长期、连续的纺丝过程，并且所生产的纳米纤维的厚度是301000NM。0038从烷氧基化。
27、物的上述溶液生产纳米纤维的过程不限于具有旋转纺丝电极的所述静电纺丝设备，而是有可能使用其它类型的纺丝电极，此时在纺丝的静电场中烷氧基化物的溶液已确定是在纺丝电极的纺丝设备SPINNINGMEAN的有效纺丝区段的表面上。烷氧基化物溶液的纺丝也可在根据CZPV2007485的金属丝WIRE纺丝电极上成功地运行，此时该金属丝的有效纺丝区段在纺丝过程中具有朝向接收电极的稳定位置并且烷氧基化物溶液被输送到通过金属丝在其长度方向上施加APPLYING或通过金属丝在其长度方向上的移动所提供的金属丝的有效纺丝区段上。在这种情况下，在纺丝的静电场中烷氧基化物的溶液确定是在纺丝设备的金属丝的有效区段的表面上。所述。
28、的烷氧基化物溶液当然也能够用于使用喷嘴或针作为纺丝电极的纳米纤维的非连续生产。0039工业实用性所述的生产纳米纤维的方法确保在整个纺丝过程中该溶液在进行纺丝时有足够的稳定性，并且这是无机纳米纤维的连续生产的关键方面。无机纳米纤维的层的应用在许多技术领域和工业中是重要的，例如用于复合材料、催化剂和电化学有源元件的生产。说明书CN102084044ACN102084052A1/4页8图1图2说明书附图CN102084044ACN102084052A2/4页9图3图4说明书附图CN102084044ACN102084052A3/4页10图5图6说明书附图CN102084044ACN102084052A4/4页11图7图8说明书附图CN102084044A。