ZnO納米纖維制備及其性能表征

李棟，孫娜，李釩，趙久艾，翟國(guó)均

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300022）

本文采用靜電紡絲法制備了PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維，通過(guò)煅燒進(jìn)一步制得了ZnO納米纖維，對(duì)其制備條件進(jìn)行了討論，并表征了ZnO納米纖維結(jié)構(gòu)特征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

聚乙烯吡咯烷酮(PVP，天津化學(xué)試劑公司，平均相對(duì)分子質(zhì)量30000)；聚乙烯醇（PVA，相對(duì)分子質(zhì)量80000 北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司，醇解度98%）；去離子水；無(wú)水乙醇（分析純，天津化學(xué)試劑公司）；醋酸鋅（Zn(CH3COO)2廣東西隴化工廠）。均為國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。差熱-熱重(TG-DTA)分析采用SⅡ公司TG-DTA6300熱分析儀，空氣氣氛，升溫速率為10℃/min；紅外光譜分析采用Nieolate公司的670型FT一IR測(cè)定，KBr壓片；采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)進(jìn)行形貌觀察。

1.2 PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維的制備

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%PVP溶液，在其中加入 0.2g Zn(CH3COO)2配置成 PVP/Zn(CH3COO)2的前驅(qū)體溶液，將制得的PVP/Zn(CH3COO)2前驅(qū)體溶液加入到一個(gè)毛細(xì)端直徑約1mm的塑料管內(nèi)，然后把一根與電源正高壓相連的銅電極插到前驅(qū)體溶液中。塑料管的前方固定一個(gè)接受板，調(diào)節(jié)電壓，在噴頭與接收板之間形成一個(gè)電場(chǎng)。從噴頭噴出的PVP/Zn(CH3COO)2帶電前驅(qū)體溶液在電場(chǎng)力作用下，幾秒內(nèi)被拉成直徑大約400～700 nm的纖維絲落到固定的接收板上。

1.3 ZnO納米纖維的制備

將所得的PVP/Zn(CH3COO)2納米纖維置于馬弗爐中，以15℃/min的速率升溫，于700℃下煅燒3 h，得到分布均勻的ZnO納米纖維。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲電壓對(duì)PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維直

徑的影響

實(shí)驗(yàn)中在不同紡絲電壓下制備了PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓為18～32kV時(shí)，電場(chǎng)力較小，射流不能充分分裂，形成的纖維平均直徑較粗，約400～500nm左右（圖1），由圖可知隨著電壓的增大（25～28）kV，溶液射流處于穩(wěn)定階段，此時(shí)紡出的絲較細(xì)，結(jié)構(gòu)較為均一，直徑主要分布在200～300nm之間。當(dāng)電壓進(jìn)一步增大電壓到28kV以上時(shí)，由于增加電壓，電場(chǎng)力加強(qiáng)，溶液射流在空氣中運(yùn)動(dòng)加速，運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短，射流再次分開(kāi)的幾率減小，形成的纖維直徑較大（約300～350nm）。

圖1 紡絲電壓與纖維直徑的關(guān)系

2.2 纖維形態(tài)分析（SEM）

圖2是PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維在馬弗爐中煅燒前后的掃描電鏡照片，從（a）圖中可以看到煅燒PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維表面光滑，直徑為300～700nm之間，（b）在馬弗爐中煅燒后，由于PVP和AC等其它小分子在高溫下?lián)]發(fā)，所得ZnO納米纖維直徑變細(xì)，表面變得粗糙如圖（b）所示，在700℃下煅燒3 h后所得ZnO納米纖維直徑為100nm。

圖2 復(fù)合纖維鍛燒前后的SEM

2.3 PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維的差熱-熱重分析

圖3中的差熱-熱重分析曲線表明，當(dāng)試樣的溫度加熱至700℃時(shí)，TG曲線趨于平緩，這表明在700℃溫度下試樣中的PVP等有機(jī)成分揮發(fā)完全，剩余組分為純ZnO纖維。灼燒過(guò)程中由于試樣中AC以及PVP主鏈及側(cè)鏈的熱分解造成DTA曲線中出現(xiàn)了幾個(gè)吸熱峰。

圖3 PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維TG-DTA

2.4 納米ZnO纖維抗菌性能

向兩組試樣中分別添加納米ZnO顆粒和納米ZnO纖維，并將樣品涂抹于2cm的濾紙上，置于平板中央靜止2d對(duì)其抗菌能力進(jìn)行測(cè)試。從圖4中可以看到添加納米ZnO后試樣均有抗菌性能，但兩者抗菌半徑不同，含納米ZnO纖維試樣的抗菌半徑更大，表明ZnO纖維抗菌性能更佳，這可能是由于在光照下納米ZnO纖維的光催化性能更佳[1]，在光照下ZnO纖維產(chǎn)生高活性羥基自由基，可以氧化分解各種有機(jī)物，從而有效地抑制細(xì)菌的大量繁殖。

圖4 添加納米ZnO顆粒和纖維的試樣抗菌性能

3 結(jié)論

采用靜電紡絲法制備了PVP/Zn(CH3COO)2復(fù)合纖維，通過(guò)煅燒進(jìn)一步制得了ZnO納米纖維。制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓為18～32kV時(shí)，電場(chǎng)力較小，射流不能充分分裂，形成的纖維平均直徑較粗，約400～500nm左右。

3.2 置于700馬弗爐中煅燒后試樣中PVP和AC等其它小分子在高溫下?lián)]發(fā)，所得ZnO納米纖維直徑變細(xì)，表面變得粗糙。

3.3 由于在光照下納米ZnO纖維的光催化性能更佳，在光照下ZnO纖維抗菌性能優(yōu)于納米ZnO顆粒。

［1］劉艷，夏寧,等.靜電紡絲法制備ZnO納米纖維及其光催化性能的研究[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001（V24)：67.