[发明专利]一种具有金属氧化物纳米结构的纤维材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有金属氧化物纳米结构的纤维材料及其制备方法。该纤维材料中，金属氧化物以纳米结构形式有序均匀分布在导电纤维表面，金属氧化物的体积不超过导电纤维体积的30％，该纤维既保持原有性能，又具备较好的表界面和电容器性能，可以有效改善纤维的性能或赋予纤维新的性能。本发明是采用过渡金属或其合金粉末为原料，水为溶剂，在常压等离子体的作用下，利用等离子体和水对金属的双重腐蚀氧化反应，将微米尺度的金属及其合金氧化成纳米尺度的金属氧化物，沉积在对电极的导电纤维表面，并在表面能的作用下自组装成均匀有序的纳米结构，最终制备出具有金属氧化物纳米结构的纤维材料。

技术领域

本发明涉及一种纤维材料，特别涉及一种具有金属氧化物纳米结构的纤维材料及其制备方法。

背景技术

纤维材料用途广泛，作为纤维材料的代表，碳纤维更是因其具有高比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀等优异性能，已成为航空航天、军事装备、交通运输、化工能源以及生物医疗等行业领域中一种重要的纤维材料。将纤维材料与其他功能性材料相结合，可以获得具有独特性能的纤维材料，纤维表面的包覆结构可以改变纤维的力学性能，并赋予纤维新的光、电、磁、催化及生物活性等。

随着可穿戴电子技术和纤维增强材料的发展，在纤维表面沉积或生长金属氧化物则成为纤维材料的一个重要技术方向，这种纤维材料具有一定的表面粗糙度，可以增加纤维表面的极性，同时还可以赋予纤维的良好的电化学电容器性能等。目前较为常见制备方法有电化学沉积法、水热法、溶胶-凝胶法、静电吸附法等。CN101250735A公开了碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法，是将纤维浸在包括有金属和纳米颗粒的酸性硫酸镍溶液中利用电沉积的方法进行镀覆。CN101680129A公开了一种二氧化硅基复合氧化物纤维、使用其的触媒纤维及其制造方法，是通过煅烧方式形成含有金属氧化物的二氧化硅基复合纤维。CN103503078A公开了一种导电纤维材料，是利用静电吸附的方式将金属或金属氧化物沉积在基底纤维材料表面。CN104576079A公开了金属氧化物纳米线团/活性碳纤维复合电极材料及其制备，是将活性碳纤维浸渍于含有钴离子和镍离子的溶液中0.5～5小时，再转入水热反应器中，加入铵盐再进行反应制成。CN104869852A公开了颗粒至纤维素酯纤维的表面附着，是使纤维素酯纤维与包含分散在质子液体中的金属氧化物颗粒的混合物接触，以使金属氧化物颗粒附着到纤维的表面上。CN105097302A公开了用于超级电容器的活性碳纤维及其制备方法，将醋酸锰溶液、醋酸铵溶液与二甲亚砜溶液混合作为前驱体溶液，利用电化学沉积法将二氧化锰纳米材料沉积在碳纤维表面。CN104392847A公开了一种形貌可控的金属氧化物/活性碳纤维复合电极材料的制备方法，是以聚丙烯腈和不同质量比硝酸盐为原料，采用静电纺丝制金属离子掺杂的聚丙烯腈纤维，经预氧化、碳化制成金属氧化物/聚丙烯腈基活性碳纤维。CN104766963A公开了一种制备金属氧化物-碳纤维纳米复合材料的方法，选用脱脂棉作为形成碳纤维的原料，首先在脱脂棉纤维上通过液相反应负载相应的金属氧化物纳米粒子，然后置于氮气气氛炉中煅烧，将纤维进行炭化。

以上方法均取得了较好的产品效果，但仍存在一些问题：如制备过程需要含有复杂的金属盐化学溶液、制备方法只能实现单纯金属的负载、制备步骤仍较为繁琐和复杂。因此，如何在保持原有基底纤维形态和性能的同时，快速高效地制备出一种具有金属氧化物纳米结构的纤维材料，依然是一项需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有金属氧化物纳米结构的纤维材料及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种具有金属氧化物纳米结构的纤维材料，金属氧化物以纳米结构形式有序均匀分布在导电纤维表面，金属氧化物的体积不超过导电纤维体积的30％。

作为上述纤维材料的进一步改进，纳米结构选自纳米颗粒、纳米介孔、纳米片。

作为上述纤维材料的进一步改进，纳米结构单元的厚度为10nm～1μm。