无机氧化物纳米纤维微观结构与柔韧性关系的基础研究

The brittleness of inorganic oxide nanofibrous membranes significantly limited their application as high temperature filter materials. Previously, we already prepared a flexible silica nanofibrous membrane via electrospinning, however, its flexibility is still not good enough for practical application. Herein, we will use the SAXS, XRD techniques of Shanghai synchrotron radiation facility to study the flexibility of fibers. The detailed process listed as follows, in-situ investigation of microstructure evolution of inorganic nanofibers, revealing the microstructure evolution law of metastable polymer/sol system, simulation of colloidal particles immobilization process, establishing the immigration and phase transformation models of colloidal particles, clarification the bulk structure features of inorganic fibers to achieve the best flexibility, achieving the target of implement flexural rigidity and bulk modulus in the range of 0.005-0.01gf?cm and 1-1.5MPa, respectively, to fulfill its practical applications in various fields such as high temperature filtration, etc.

无机氧化物纳米纤维材料普遍存在脆性大、易断裂的缺陷，限制了其在高温过滤等领域的应用，本项目拟通过同步辐射动态表征技术原位研究纤维微观结构和柔韧性的内在关联，揭示无机纳米纤维的柔韧性机理，从而大幅度提升无机纳米纤维材料的柔韧性。近期申请者利用静电纺丝技术制备出具有一定柔韧性的SiO2纳米纤维膜，但其力学性能远未达到实际应用的要求。本项目中，申请者将利用上海同步辐射光源SAXS、XRD动态表征技术进一步展开纤维柔韧性机理的研究，原位考察无机纳米纤维微观结构动态演变过程，揭示聚合物/溶胶介稳体系微观结构调控机制；模拟胶粒在多物理输运条件下的固定化过程，建立胶粒质点迁移及相转变的动力学模型；明确无机纤维力学参量达到最佳协同模式时所应具有的本体结构特征，实现柔韧无机纳米纤维的弯曲刚度和弹性模量分别达到0.005-0.01gf?cm和1-1.5MPa的目标，以满足其在高温过滤等领域的应用要求。

本课题“无机氧化物纳米纤维微观结构与柔韧性关系的基础研究”旨在考察聚合物/溶胶介稳体系、纺丝参数、煅烧过程参数对无机氧化物纳米纤维形成过程的影响，并借助上海同步辐射光源的X射线小角散射（SAXS）表征技术探究微观结构和微缺陷与柔韧性的关系。从2013年初到2015年末这三年的时间里，开展了大量的实验研究工作：首先考察了干扰离子、稳定剂、聚合物含量及煅烧温度对聚合物/溶胶介稳体系、纳米杂化纤维成型过程、纳米纤维无机化过程的影响，掌握了调控SiO2、ZrO2、TiO2等无机纳米纤维成型过程中纤维形貌的科学方法，实现了对纤维形貌的精确调控；随后借助同步辐射SAXS表征技术等分析测试手段原位研究了ZrO2纳米纤维晶粒尺寸及分布、晶型及孔隙结构与纤维膜柔韧性的关系，同时考察了纤维间粘连结构对SiO2纳米纤维膜柔韧性的影响，掌握了提升无机纤维柔韧性的科学方法，获得了多种力学性能满足实际应用要求的柔韧无机氧化物纳米纤维材料；将浸渍涂层、功能元素掺杂、原位聚合技术与溶胶凝胶、静电纺丝技术相结合，分别制备了气凝胶颗粒、纳米颗粒、含氟聚氨酯等修饰的一系列功能化柔韧无机氧化物纳米纤维膜材料，并实现了其在高温隔热、分离吸附、高效催化、光致发光、腐蚀性液体过滤、防水透湿领域的实际应用。经过三年的研究，现已顺利完成了任务书中规定的任务，实现了柔韧无机纳米纤维柔软度达到40mN和拉伸断裂强度达到5.5MPa的目标。项目执行期间共培养博士2名，硕士7名，其中1名博士和5名硕士已经毕业。共发表学术论文16篇，申请国家发明专利9项，授权专利5项。本课题的完成对揭示无机氧化物纳米纤维微观结构与柔韧性的关系、实现柔韧无机氧化物纳米纤维的可控制备及功能化应用具有重要意义。