[发明专利]一种碳化钛纤维材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化钛纤维材料的制备方法，包括步骤：将钛酸丁酯与乙酰丙酮混合均匀后缓慢添加去离子水，缩聚后冷凝回流得到含钛的聚合物前驱体溶液；将所述含钛的聚合物前驱体溶液与聚乙烯吡咯烷酮混合搅拌均匀得到稳定的纺丝液后进行静电纺丝，对纺丝后的纤维进行热处理之后进行碳热还原制得碳化钛纤维。本发明方法前期制备的是含钛的通过加水后缩聚的聚合物，可以完美地与聚乙烯吡咯烷酮相混合，避免纯度受影响，形成的纺丝液流动性好、均一稳定且透明。

技术领域

本发明涉及一种纤维材料的制备方法，特别是涉及一种碳化钛纤维材料的制备方法。

背景技术

碳化钛是一种典型的面心立方结构的过渡金属碳化物，其熔点高，密度小，硬度大，耐化学腐蚀性和热稳定性良好。碳化钛优良的性能使其在能源、航天航空和机械加工领域有着重要的应用，可作为机械密封件和航空发动机轴承材料。此外，碳化钛还可作为第四代核反应堆用惰性基体材料。

碳化钛的合成方法有很多种，如直接碳热还原法、机械诱导自蔓延合成法、高温自蔓延合成法、镁热还原法、化学气沉积法、溶胶凝胶法等，以上方法主要用来制备碳化钛粉体。碳化钛纤维兼具陶瓷材料和纤维材料的优点，比如高比表面积、高表面活性及优良的力学性能等，碳化钛纤维优异的物理化学性能，使其已成为应用研究的热点，如在微观物理领域的应用和纳米尺寸设备的制造等方面。目前，碳化钛纤维研究工作相对较少，其制备方法主要有拉伸法、基底合成法、相分离法、自主装法等。拉伸法与工业电纺法的过程相似，只能用来制备一根根分离的纤维，尺寸大小调节较繁琐；基底合成法用纳米多孔膜作为基底制备纤维，不能制备单根连续陶瓷纤维；相分离法是通过溶解、凝胶化、挤出等过程，制备的是含多孔泡沫的纤维；自主装法是预先存在的、独立的部分自发组织形成纤维的过程，对材料有一定的要求，制备过程较为复杂。上述方法对于材料的合成过程要求较高、纤维前驱体材料稳定性差、过程相对复杂、成本相对较高、制备连续超长纤维也具有一定的局限性。

非专利文献：赵瑨云，陈良壁；碳热还原制备单晶TiC纳米纤维；化工新型材料；2015年08期公开了以钛酸四丁酯为前驱体,醋酸纤维素(CA)为载体，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/丙酮1∶2(v/v)为溶剂，通过静电方法制备直径为(678±154)nm TiO₂/CA复合纳米纤维。在0.1mol/L NaOH/乙醇中水解，TiO₂/CA复合纳米纤维转变为TiO₂/纤维素复合纳米纤维。在氩气条件下通过碳热还原TiO₂/纤维素纤维制备得到单晶TiC纳米纤维。由于该方法在后期采用钛酸四丁酯水解的方法，TiO₂在水解的过程中稳定性较差使得TiO₂在制备的纤维上分别不均，影响纯度。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种碳化钛纤维材料的制备方法，解决钛酸四丁酯水解过程造成纤维均匀性不佳的问题，同时也解决纤维前驱体稳定性差、过程复杂、无法制备连续长纤维等问题。

本发明技术方案如下：一种碳化钛纤维材料的制备方法，包括步骤：将钛酸丁酯与乙酰丙酮混合均匀后缓慢添加去离子水，缩聚后冷凝回流得到含钛的聚合物前驱体溶液；将所述含钛的聚合物前驱体溶液与聚乙烯吡咯烷酮混合搅拌均匀得到稳定的纺丝液后进行静电纺丝，对纺丝后的纤维进行热处理之后进行碳热还原制得碳化钛纤维。

进一步地，所述钛酸丁酯、乙酰丙酮和去离子水的摩尔比为1︰2.4～7.2︰5.6～12.4。

进一步地，所述冷凝回流时的温度为80～110℃，回流时间为1～3小时。

进一步地，所述含钛的聚合物前驱体溶液与聚乙烯吡咯烷酮混合搅拌过程为50～80℃搅拌4～6小时，之后冷却至室温继续搅拌4～6小时。通过含钛的前驱体溶液和聚乙烯吡咯烷酮均匀混合形成稳定的纺丝溶液，避免了后期通过难控制的钛酸丁酯水解反应，能够较好的控制制备的碳化钛纤维的纯度。