深冷處理對(duì)錫銻/碳納米纖維的形貌再造及其機(jī)制

夏 鑫, 陳 玲, 李智勇, 邱夷平

(新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046)

深冷處理對(duì)錫銻/碳納米纖維的形貌再造及其機(jī)制

夏 鑫, 陳 玲, 李智勇, 邱夷平

(新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046)

為改善錫銻/碳納米纖維性能，利用深冷處理作為熱補(bǔ)償方式對(duì)錫銻/碳納米纖維進(jìn)行形貌再造。通過(guò)調(diào)節(jié)深冷與炭化處理的順序，比較處理順序的不同對(duì)該材料的形貌變化影響，并結(jié)合對(duì)該材料的晶型結(jié)構(gòu)和含碳量的分析探究其形貌再造機(jī)制。結(jié)果表明：首先對(duì)靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體進(jìn)行炭化得到錫銻/碳納米纖維再進(jìn)行深冷處理，其形貌具有皮芯結(jié)構(gòu)；而如先對(duì)靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體進(jìn)行深冷處理再進(jìn)行炭化得到的錫銻/碳納米纖維，其錫銻合金在納米纖維中的分布則表現(xiàn)出更不均勻性；深冷處理后得到的納米纖維中的碳含量均有增加；結(jié)合其晶型結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，深冷處理對(duì)錫銻/碳納米纖維的形貌再造歸因于該處理技術(shù)的晶粒細(xì)化作用。

錫銻/碳納米纖維； 深冷處理； 形貌再造； 炭化處理

靜電紡絲技術(shù)是一種新型納米纖維制備技術(shù)，因其制備的納米纖維膜具有比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)，在電化學(xué)、催化及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]，但隨著實(shí)際研究的深入發(fā)現(xiàn)：靜電紡纖維是在二維空間的層層疊加，其纖維膜的力學(xué)性能較差；除此之外，也存在熱穩(wěn)定性不夠理想的問(wèn)題[4-5]。特別是將納米顆粒與納米纖維相結(jié)合時(shí)，顆粒在纖維中存在團(tuán)聚等現(xiàn)象[6]。為解決上述問(wèn)題，除考慮在靜電紡絲材料、設(shè)備改造等方面努力外，還可尋找其他更高效的后處理或補(bǔ)充技術(shù)改善靜電紡納米纖維的力學(xué)性能、納米顆粒分散均勻性等。

深冷處理又稱(chēng)超低溫處理, 是熱處理工藝在冷卻過(guò)程中的延伸, 是將材料置于特定的、可控的低溫環(huán)境中，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而達(dá)到提高或改善材料性能的處理方法。現(xiàn)有研究表明，深冷處理不僅可顯著提高黑色金屬、有色金屬、碳化物、塑料、硅酸鹽等材料的力學(xué)性能和使用壽命，還可穩(wěn)定尺寸，改善均勻性，減小變形，而且該方法操作簡(jiǎn)便，無(wú)破壞性，無(wú)污染，成本低[7-9]。深冷處理的宏觀處理效果引起了多個(gè)行業(yè)的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并應(yīng)用于提高其產(chǎn)品性能，但因?qū)Σ煌牧系淖饔脵C(jī)制問(wèn)題還存在諸多爭(zhēng)議和需要進(jìn)一步研究的地方，在一定程度上限制了深冷處理的深入、廣泛應(yīng)用。

本文將以SnCl4·5H2O和SbCl3作為錫銻前驅(qū)體，聚丙烯腈(PAN)為碳源制備錫銻/碳納米纖維，并對(duì)該纖維進(jìn)行深冷熱補(bǔ)償處理。期望通過(guò)深冷處理使合金微觀組織發(fā)生變化以改善合金性能。利用深冷處理能夠同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和韌性的優(yōu)勢(shì)以及該處理對(duì)合金材料的晶粒細(xì)化作用，對(duì)錫銻/碳納米纖維進(jìn)行形貌再造，分析其性能影響機(jī)制，為拓寬深冷處理的應(yīng)用范圍以及改善錫銻/碳納米纖維性能提供可靠的理論及實(shí)踐數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

結(jié)晶四氯化錫 (SnCl4·5H2O)、三氯化銻(SbCl3)、N,N-二甲基甲酰胺 (DMF,分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚丙烯腈(PAN，150 000)，美國(guó)Aldrich公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 錫銻/碳納米纖維的制備

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的PAN/DMF溶液，并將SnCl4·5H2O和SbCl3(量比為0.92∶0.08)加入紡絲液中，其中錫、銻前驅(qū)體與PAN的質(zhì)量比為1∶2，加熱60 ℃攪拌至完全溶解后進(jìn)行靜電紡絲，電壓為18 kV，滾筒收集，收集距離為20 cm，紡絲推進(jìn)速度為0.6 mL/h。

隨后對(duì)錫銻/碳前驅(qū)體納米纖維膜進(jìn)行炭化處理，工藝條件為：空氣中以2 ℃/min升溫至280 ℃，保溫7 h后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下以2 ℃/min升溫到800 ℃，保溫2 h，自然降溫至室溫，得到錫銻/碳納米纖維。

1.2.2 錫銻/碳納米纖維的深冷處理

采用SLX-30程序控制深冷箱 (中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所)分別對(duì)靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體及碳化后的錫銻/碳納米纖維進(jìn)行深冷處理。深冷箱的控溫過(guò)程如下：首先將納米纖維薄膜置于充滿(mǎn)液氮的深冷箱中于20 ℃保持30 min，經(jīng)過(guò)50 min降至-80 ℃，-80 ℃保持120 min后經(jīng)過(guò)20 min降溫到-120 ℃，于-120 ℃保溫120 min后經(jīng)過(guò)38 min降溫至-196 ℃，控溫程序結(jié)束，于-196 ℃保溫12 h后逐漸恢復(fù)至室溫，控溫曲線(xiàn)如圖1所示。經(jīng)深冷處理后的靜電紡錫銻/碳納米纖維前軀體再進(jìn)行炭化處理，其炭化條件與1.2.1所述的條件相同。

圖1 深冷箱控溫曲線(xiàn)圖Fig.1 Temperature control curve of cryogenic tank

1.3 性能表征

分別采用Hitachi S- 4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和Hitachi H600型透射電子顯微鏡 (TEM)，對(duì)深冷處理前后的靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體及錫銻/碳納米纖維進(jìn)行形貌觀察；使用Brucker D8 GADDS X射線(xiàn)粉末衍射儀進(jìn)行晶型結(jié)構(gòu)表征，掃描范圍(2θ)為20°～80°，掃描速率為5(°)/min。利用NETZSCH STA449 F3型熱重分析儀分析錫銻/碳納米纖維深冷處理后碳含量的變化，升溫速率為10 ℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 錫銻/碳納米纖維的形貌分析

以SnCl4·5H2O和SbCl3作為SnSb前驅(qū)體，PAN作為碳源，制備錫銻/碳納米纖維。靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體和錫銻/碳納米纖維經(jīng)深冷處理前后的SEM及相應(yīng)的TEM照片如圖2所示。圖2(a)示出靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體的SEM照片，由圖可看出，纖維粗細(xì)不勻且有粗細(xì)節(jié)，纖維的平均直徑約為600 nm；圖2(b)為經(jīng)深冷處理后的靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體的SEM照片，纖維粗細(xì)相對(duì)均勻，其平均直徑減小為400 nm左右，且部分纖維呈彎曲狀，這是由于深冷處理過(guò)程中纖維的體積收縮引起的；圖2(c)、(d)分別示出靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體炭化所得的錫銻/碳納米纖維的SEM和TEM照片。由其SEM照片可觀察到，纖維成型良好，表面光滑；由其TEM照片可看出纖維內(nèi)均勻分布著顏色較深的部分，依據(jù)TEM成像原理應(yīng)為無(wú)機(jī)成分錫銻合金和錫。圖2(e) 示出先炭化獲得的錫銻/碳納米纖維再經(jīng)過(guò)深冷處理后的SEM照片，纖維表面變粗糙，端面整齊且呈實(shí)心結(jié)構(gòu)；而由其TEM照片(圖2 (f))又可看出，單根纖維具有皮芯結(jié)構(gòu)，皮層為碳層，芯層為錫銻合金，這可能是深冷處理過(guò)程中材料的體積收縮以及碳的析出而造成的結(jié)果。圖2 (g) 示出靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體先深冷處理再炭化所得的錫銻/碳納米纖維的SEM照片，由照片可清楚地觀察到纖維表面粗糙且有溝槽；進(jìn)一步通過(guò)其TEM照片(圖2 (h))可看出，纖維的邊緣不平滑，纖維表面部分出現(xiàn)黑色小點(diǎn)，但分布不均勻，這可能是由深冷處理過(guò)程中原子的重排、團(tuán)聚，以及在后續(xù)炭化過(guò)程中碳析出所造成的。

圖2 深冷處理前后的靜電紡錫銻/碳納米纖維 前驅(qū)體及錫銻/碳納米纖維的SEM照片和TEM照片F(xiàn)ig.2 SEM and TEM images of electrospun SnSb/carbon precusor and SnSb/carbon nanofibers before and after deep cryogenic treatment.(a)SEM image of SnSb/carbon nanofiber precusor; (b)SEM image of SnSb/carbon nanofiber precusor after cryogenic treatment; (c)SEM image of SnSb/carbon nanofiber; (d) TEM image of SnSb/carbon nanofiber; (e) SEM image of SnSb/carbon nanofiber after cryogenic treatment; (f) TEM image of SnSb/carbon nanofiber after cryogenic treatment; (g) SEM image of SnSb/carbon nanofiber after carbonization of (b); (h) TEM image of SnSb/carbon nanofiber after carbonization of (b)

2.2 錫銻/碳納米纖維的晶型結(jié)構(gòu)分析

圖3示出深冷處理前后的錫銻/碳納米纖維的XRD圖譜。圖中的3條曲線(xiàn)從下至上依次是靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體只做炭化處理得到的錫銻/碳納米纖維、靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體先炭化得到錫銻/碳納米纖維再進(jìn)行深冷處理以及靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體先深冷處理再炭化得到的錫銻/碳納米纖維的XRD圖譜。由圖可看出，3個(gè)樣品均在2θ為25°左右出現(xiàn)了碳的特征峰，且其強(qiáng)度較弱，這表明樣品中PAN納米纖維分解生成的碳均為無(wú)定形碳。未作深冷處理的錫銻/碳納米纖維中除錫銻合金的衍射峰外，還有錫的衍射峰 (如圓圈標(biāo)記所示)；而經(jīng)深冷處理的錫銻/碳納米纖維只在2θ為29.1°處出現(xiàn)了錫銻合金的衍射峰 (如箭頭標(biāo)記所示)，且該衍射峰的強(qiáng)度大大降低，該纖維中沒(méi)有錫的衍射峰，這是因?yàn)樵谏罾涮幚淼倪^(guò)程中，材料的體積收縮，內(nèi)部晶粒細(xì)化，原子團(tuán)聚在一起，由深冷狀態(tài)回復(fù)至室溫的過(guò)程中合金元素可能出現(xiàn)了偏析現(xiàn)象[10]。先深冷處理再炭化所得的錫銻/碳納米纖維與未經(jīng)深冷處理的錫銻/碳納米纖維具有相同的晶型結(jié)構(gòu)，但其衍射峰強(qiáng)度有所降低，這是因?yàn)榻?jīng)深冷處理后，前驅(qū)體納米纖維中的高分子有可能發(fā)生分子重組，并且纖維內(nèi)部的水分子也會(huì)形成微晶，而后續(xù)的熱處理會(huì)使得纖維內(nèi)部的原子重排且錫銻合金以及錫的熔點(diǎn)均較低，會(huì)發(fā)生蒸發(fā)和流失，故而其衍射峰的強(qiáng)度降低。

圖3 深冷處理前后的錫銻/碳納米纖維的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of SnSb/carbon nanofibers before and after cryogenic treatment

2.3 錫銻/碳納米纖維的碳含量分析

圖4示出深冷處理前后的錫銻/碳納米纖維的TG曲線(xiàn)圖。由圖可知，3個(gè)樣品的降解曲線(xiàn)基本相同，均在200 ℃左右發(fā)生降解，在550 ℃左右降解完全。根據(jù)TG曲線(xiàn)，估算3個(gè)樣品的碳含量分別為68%、70.6%和69.8%，與未經(jīng)深冷處理的錫銻/碳納米纖維相比，不論深冷處理順序如何，樣品的碳含量均有小幅度提升。其中，先深冷再炭化處理所得的錫銻/碳納米纖維的碳含量的增加是因?yàn)樯罾涮幚碇率骨膀?qū)體納米纖維中高分子重組，有利于炭化過(guò)程中成碳[11]。而炭化后深冷處理的錫銻/碳納米纖維碳含量提高則歸因于深冷處理過(guò)程中具有微晶碳析出[12]。

圖4 深冷處理前后的錫銻/碳納米纖維的TG曲線(xiàn)圖Fig.4 TG graphs of SnSb/carbon nanofibers before and after cryogenic treatment

2.4 錫銻/碳納米纖維的形貌再造機(jī)制

通過(guò)對(duì)SnCl4·5H2O和SbCl3作為錫銻前驅(qū)體制備的錫銻/碳納米纖維，調(diào)整深冷處理與炭化工藝的順序，得到了不同形貌結(jié)構(gòu)的錫銻/碳納米纖維。先炭化再經(jīng)過(guò)深冷處理的錫銻/碳納米纖維具有炭層在外、錫銻合金在內(nèi)的皮芯結(jié)構(gòu)；而先經(jīng)深冷處理再炭化所得的錫銻/碳納米纖維，其錫銻合金在纖維結(jié)構(gòu)中的分布表現(xiàn)為更不均的現(xiàn)象。結(jié)合樣品的晶型結(jié)構(gòu)及碳含量分析認(rèn)為，影響其形貌變化的原因可歸結(jié)為深冷處理的晶粒細(xì)化現(xiàn)象。該現(xiàn)象會(huì)使合金晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)擇優(yōu)取向,即“織構(gòu)現(xiàn)象”。而其對(duì)靜電紡錫銻/碳納米纖維前驅(qū)體和錫銻/碳納米纖維的晶粒細(xì)化現(xiàn)象又有所不同。對(duì)于先炭化再經(jīng)過(guò)深冷處理的錫銻/碳納米纖維的晶粒細(xì)化現(xiàn)象原理類(lèi)似于目前已研究較成熟的黑色金屬及有色合金深冷處理機(jī)制，即深冷處理時(shí)，碳及合金材料的體積收縮會(huì)迫使晶格減小,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,誘發(fā)大量的位錯(cuò),或引起微變形,從而造成碳和合金材料發(fā)生相分離現(xiàn)象；而對(duì)于先經(jīng)過(guò)深冷處理再炭化所得的錫銻/碳納米纖維，首先會(huì)使其高分子發(fā)生分子重組，通過(guò)對(duì)官能團(tuán)的影響而提高后續(xù)炭化過(guò)程中的預(yù)氧化過(guò)程的環(huán)化脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)和裂解等反應(yīng)，從而達(dá)到減少纖維表面缺陷，增加碳含量的效果；也會(huì)影響錫銻合金的晶粒運(yùn)動(dòng)分布從而造成形貌結(jié)構(gòu)變化，屬于深冷處理對(duì)高分子化合物的影響機(jī)制范疇。

3 結(jié) 論

采用靜電紡絲技術(shù)協(xié)同炭化及深冷處理工藝對(duì)錫銻/碳納米纖維進(jìn)行了形貌再造，成功地將深冷處理應(yīng)用于對(duì)納米纖維的性能改造中。通過(guò)調(diào)整炭化與深冷處理工藝的順序，得到了具有不同形貌結(jié)構(gòu)的錫銻/碳納米纖維，詳細(xì)分析了深冷處理對(duì)錫銻/碳納米纖維的形貌、晶型結(jié)構(gòu)以及碳含量等的影響,探究了其形貌再造機(jī)制。深冷處理的順序不同，實(shí)質(zhì)為該處理對(duì)碳合金材料及高分子處理機(jī)制的不同。因深冷處理對(duì)納米材料的應(yīng)用機(jī)制有別于塊體材料，對(duì)其機(jī)制的探索還有待于進(jìn)一步地深入剖析。所獲得研究成果將有利于錫銻/碳納米纖維在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

FZXB

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Influence of deep cryogenic treatment on SnSb/carbon nanofibersmorphologies and its mechanism

XIA Xin, CHEN Ling， LI Zhiyong， QIU Yiping

(CollegeofTextilesandClothing，XinjiangUniversity，Urumqi，Xinjiang830046，China)

The morphologies of SnSb/carbon nanofibers were rebuilt by the deep cryogenic treatment to improve the fibers properties. The influence of deep cryogenic treatment on SnSb/carbon nanofibers morphologies was studied by adjusting the process order of deep cryogenic treatment and carbonization. The rebuilt mechanism was explored according to analysis on the crystalline structure and the carbon contents. The results showed that a core-shell structure is built by first treating electrospun SnSb/carbon nanofibers precursor using carbonization and then performing the deep cryogenic treatment, while an uneven dispersed SnSb alloy in nanofibers is built by first treating electrospun SnSb/carbon nanofibers precursor using the deep cryogenic treatment and then carbonizing. The increased carbon contents appeared in SnSb/carbon nanofibers after the deep cryogenic treatment. The influence of grain refinement is responsible for the morphologies rebuilt of SnSb/carbon nanofibers based on the analysis of crystalline structure.

SnSb/carbon nanofiber; deep cryogenic treatment; morphology rebuilding; carbonization

2016-04-01

2016-09-19

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2015211C287)

夏鑫(1980—),女，副教授，博士。主要研究方向?yàn)楣δ苄约徔棽牧系拈_(kāi)發(fā)與應(yīng)用。邱夷平，通信作者，E-mail: ypqiu@dhu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160401405

TS 195; TG 15

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