CN102186773A - 含纳米颗粒的纤维和生产纳米颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

通过静电纺丝具有至少一个硅原子的硅组合物，产生纳米颗粒的方法。硅组合物的静电纺丝形成纤维。热解该纤维，产生纳米颗粒。该纳米颗粒具有优良的光致发光性能，且适合于在许多不同的应用中使用。

Description

含纳米颗粒的纤维和生产纳米颗粒的方法
发明领域
本发明一般地涉及纳米颗粒。更具体地，本发明涉及由光致发光的硅组合物生产的纳米颗粒以及由该硅组合物生产纳米颗粒的方法。
相关现有技术的说明
纳米颗粒和纳米颗粒的制备方法是纳米技术领域的技术人员已知的且在各种应用中具有巨大的潜力，其中包括光学、电子和生物医学应用。纳米颗粒是至少一个尺寸小于100纳米的颗粒且由本体材料(它最初大于纳米颗粒)或者由比纳米颗粒小的颗粒例如离子和/或原子生产。纳米颗粒的尤其独特之处在于它们具有显著不同于用于生产纳米颗粒的本体材料或较小颗粒的性能。例如，充当绝缘体或半导体的本体材料如果为纳米颗粒形式的话，则可导电。
采用本体材料为起始生产纳米颗粒的一种方法受到关注。在这一方法中，将本体材料置于研磨机，例如球磨机、行星式球磨机、粉碎机等内，从而降低本体材料为纳米颗粒和其他较大的颗粒。可借助空气分级，分离纳米颗粒与其他较大的颗粒。然而，目前在研磨应用中使用的已有的研磨机典型地特别不适合于形成纳米颗粒。例如，研磨机可从外部来源引入污染物以及从研磨机的磨蚀中引入污染物。污染物可能对纳米颗粒的性能具有负面影响且使得纳米颗粒难以与其他较大颗粒分离。
还使用脉冲激光器，通过激光烧蚀生产纳米颗粒。在激光烧蚀中，将本体金属置于含水和/或有机溶剂内，并将本体金属暴露于脉冲激光器(例如，铜蒸汽或钕掺杂的钇铝石榴石)下。通过激光辐照，从本体金属中烧蚀纳米颗粒，随后在含水和/或有机溶剂内形成悬浮液。然而，脉冲激光器昂贵，另外由激光器烧蚀生产的纳米颗粒典型地限制到金属纳米颗粒。
具有光致发光性能的纳米颗粒例如硅纳米颗粒，碳化硅纳米颗粒和碳纳米颗粒是大多数研究的主题，这部分是因为这些纳米颗粒具有在宽泛的各种应用中使用的潜力，例如荧光生物成像，半导体，微型芯片和光学器件。目前，染料用于荧光生物成像中。在光激发，暴露于光，和/或升高的温度下染料劣化。然而，在类似的条件下，纳米颗粒不劣化，因此与在荧光生物成像中使用的已有的染料相比，具有优良的性能。而且，如上所述，具有光致发光性能的纳米颗粒具有在荧光生物成像以外的应用中使用的潜力。
目前生产具有光致发光性能的纳米颗粒的方法是电化学处理。在典型的电化学处理中，形成氟化氢、过氧化氢和甲醇的溶液。将铂阴极置于该溶液内，并将硅阳极缓慢地置于该溶液内，同时在铂阴极和硅阳极之间施加电流。在硅阳极表面上形成硅纳米颗粒。然后通过在溶剂浴内浸渍硅阳极或者通过超声处理，将硅纳米颗粒与硅阳极分离。这一方法费力，昂贵，要求扩大的实验室设备，并间歇地产生非常少的硅纳米颗粒。正因为如此，一般期望提供生产具有优良的性能且适合于在各种应用中使用的纳米颗粒的方法，所述纳米颗粒包括硅纳米颗粒。
鉴于前述，有利的是在其他改进的物理性能当中，尤其提供具有优良的光致发光性能的纳米颗粒。进一步有利的是提供生产纳米颗粒的方法，以便可由多种材料和材料的共混物生产许多纳米颗粒。
发明概述和优点
公开了生产纳米颗粒的方法。本发明还包括含纳米颗粒的纤维。采用静电纺丝装置，通过静电纺丝硅组合物，形成纤维。热解该纤维，生产纳米颗粒。在纤维内和/或在纤维上生产纳米颗粒。
本发明提供采用最少的步骤生产大量纳米颗粒的方法。可调节热解步骤的参数，以生产具有所需尺寸以供特定应用的纳米颗粒。另外，当与使用激光器的已有的方法相比时，热解步骤不要求昂贵或特殊的实验室设备。此外，本发明的纳米颗粒具有有利的光致发光性能，这使得纳米颗粒对于许多应用(其中包括光学、电在和生物应用)来说是理想的。
附图简述
本发明的其他优点将变得容易理解，因为当与附图结合考虑时，通过参考下述详细说明，将更好地理解这些优点，其中：
图1是在放大50X时，在静电纺丝之后多根纤维的光学显微图象；
图2是在放大20X时，在热解纤维的步骤之后，含纳米颗粒的纤维的光学显微图象；
图3是在放大50X时，在蚀刻纤维的步骤之后，含纳米颗粒的纤维的光学显微图象；
图4是纤维的光致发光光谱的图表，其中归一化的强度是波长的函数；
图5是在放大50X时，纤维的SEM图象；
图6是在放大250X时，纤维的SEM图象；
图7是在放大2000X时，纤维的SEM图象。
发明详述
本发明提供含纳米颗粒的纤维，与纤维分离的纳米颗粒，和生产纳米颗粒的方法。纳米颗粒是电致发光的且具有在许多应用中使用的潜力，其中包括但不限于光学、电子和生物应用。
为了形成纤维，提供硅组合物且采用静电纺丝装置静电纺丝。此处所使用的术语“硅组合物”包括在其内具有至少一个硅原子的任何组合物。硅原子可以是侧挂于聚合物主链上的取代基，或者硅原子可以是聚合物主链的一部分。此外，硅组合物不限于聚合物；硅组合物可包括例如二硅烷。适合于在本发明中使用的硅组合物可包括但不限于氢倍半硅氧烷，甲基倍半硅氧烷，二硅烷，聚硅烷，具有至少一个硅原子的鹿蹄草素，及其组合。硅组合物典型地具有下述通式结构：
Figure BDA0000055127120000031
其中R可以是任何部分且不限于有机部分；和折线硅键是任选的且不限于一个键。例如，硅原子可仅仅键合到R上。另外，折线硅键可代表许多键，例如在倍半硅氧烷内，其中硅原子除了键合到R键上以外还典型地键合到三个氧原子上。折线硅键也可代表单键，双键和/或三键。
当硅组合物包括至少一个碳原子，例如R是有机部分时，由此生产的纳米颗粒除了包括以上列出的硅纳米颗粒以外，还可包括碳纳米颗粒和碳化硅纳米颗粒。除了硅纳米颗粒，碳纳米颗粒和碳化硅纳米颗粒以外，通过本发明的方法生产的纳米颗粒的进一步的实例包括SiC4纳米颗粒，SiC3O纳米颗粒，SiC2O2纳米颗粒，SiCO3纳米颗粒，和SiO4纳米颗粒。
硅组合物可以是粉末形式。当硅组合物为粉末形式时，在静电纺丝硅组合物形成纤维之前，可将硅组合物溶解在溶剂内。溶剂典型地为有机溶剂且可以是本领域已知的任何有机溶剂，只要该有机溶剂能溶解粉末形式的硅组合物即可。在一个实施方案中，有机溶剂是酮，例如甲基异丁基酮。要理解可在两种或更多种溶剂，即溶剂的共混物内溶解硅组合物。在其中硅组合物溶解在有机溶剂内的实施方案中，硅组合物的存在量可以是大于0到小于100的任何用量。硅组合物的存在量典型地为5-95，更典型地65-85，最典型地70-80重量份，基于100重量份硅组合物和溶剂。
采用静电纺丝装置静电纺丝硅组合物，形成纤维。纤维可以是织造或非织造纤维。在一个实施方案中，如图1-3和5-7所示，纤维是非织造纤维。正如这些附图所示，纤维的直径范围典型地为1-200微米，更典型地5-100微米，最典型地12-67微米。然而，在没有脱离本发明范围的情况下，纤维可具有任何直径。典型地，如图5所示，纤维的直径变化且不均匀。另外，在没有脱离本发明范围的情况下，纤维可具有任何长度。例如，如图5所示，纤维可以是连续的。
可通过本领域已知的任何方法提供硅组合物。例如，硅组合物可以间歇喂入到静电纺丝装置中，半连续喂入到静电纺丝装置中，和连续喂入到静电纺丝装置中。
静电纺丝装置可以是本领域已知的任何静电纺丝装置。静电纺丝装置典型地包括喷嘴和与喷嘴分开的收集器(collector)。静电纺丝装置可具有一个或多个喷嘴和/或收集器。喷嘴可以是本领域已知的任何喷嘴。例如，喷嘴可以是喷丝头，吸液管或含针的注射器。可由金属例如不锈钢形成喷嘴。然而，可由本领域已知的其他材料形成喷嘴。喷嘴确定孔隙。孔隙可以是任何形状且直径典型地为10-50，更典型地20-40，最典型地30gauge(G)大小。要理解，可使用大于一个喷嘴形成纤维。例如，第一喷嘴可具有30gauge的孔隙，和第二喷嘴可具有50gauge的孔隙。第一和第二喷嘴可同时或连续使用，形成不同直径的两种纤维。
收集器可以是本领域已知的任何收集器。可由金属，例如不锈钢形成收集器。然而，可由本领域已知的其他材料形成收集器。在一个实施方案中，收集器是氧化铝(Al2O3)晶片。在另一实施方案中，收集器是硅和/或二氧化硅晶片。收集器也可包括不同材料的结合物，例如涂布硅的氧化铝。收集器可以静止或者可以移动，例如相对于喷嘴旋转，同时静电纺丝硅组合物，形成纤维。另外或或者，喷嘴可以静止或者可以移动，例如相对于收集器平移，同时静电纺丝硅组合物，形成纤维。要理解，在形成纤维的同时，在一种或多种情况下，喷嘴和/或收集器可从静止变化为移动，或者相反。在形成纤维的同时，移动喷嘴和收集器中的至少一个可以有效地控制纤维铺设的方向。
喷嘴可以具有离收集器的任何距离。典型地，喷嘴与收集器隔开1-100，更典型地10-40，最典型地20-30厘米的距离。在一个实施方案中，在静电纺丝硅组合物形成纤维的同时，将喷嘴和收集器维持在彼此恒定的距离下。在其他实施方案中，在静电纺丝硅组合物形成纤维的同时，在喷嘴和收集器之间的距离可增加和/或减少。要理解，可在形成纤维的同时，在一种或多种情况下，改变所述距离。
典型地在喷嘴和收集器之间产生电势。然而，要理解，所述收集器不可能是电势的一部分。例如，所述收集器可置于喷嘴和第二收集器之间，其中电池在喷嘴和第二收集器之间。可通过本领域已知的任何方法产生电势。例如，可通过与喷嘴和收集器相连的一个或多个电源产生电势。要理解，可将单独的电源分别连接到喷嘴和收集器上。电源应当能提供高压以产生电势。电势可具有任何电压。典型地，电势为1-100，更典型地20-40，和最典型地25-35千伏(kV)。要理解，在形成纤维的同时，电势可以恒定或者可变化。
在一个实施方案中，在静电纺丝硅组合物形成纤维的同时，施加压力到硅组合物上。压力可以是任何压力。可通过本领域已知的任何方法，施加压力到硅组合物上。例如，可通过与喷嘴相连的泵，施加压力到硅组合物上。若使用压力形成纤维，则在形成纤维的同时，压力可以恒定或者可变化。
压力可与供应到喷嘴上和/或通过喷嘴供应的硅组合物的流量有关。例如，喂料器例如泵可供应喷嘴硅组合物。喂料器可以是本领域已知的任何喂料器。流量可以是任何流量。典型地，硅组合物的流量大于0到100ml/mi，更典型地0.01-10ml/mi，最典型地0.1-1ml/min。要理解，在形成纤维的同时，流速可以恒定或者可变化。
要理解，在将硅组合物溶解在溶剂内的同时，可采用静电纺丝装置静电纺丝硅组合物。在这一实施方案中，当通过静电纺丝装置静电纺丝硅组合物时，溶剂典型地蒸发，从而形成纤维。或者，在静电纺丝硅组合物之前和/或之中，硅组合物可不含任何溶剂并熔融。例如，当硅组合物具有相对低的熔点，例如小于300℃的熔点时，可在首先不溶解在溶剂内的情况下静电纺丝硅组合物。在这一实施方案中，在供应到静电纺丝装置内之前，可熔融硅组合物，或者可在静电纺丝装置内熔融硅组合物。例如，可通过喷嘴熔融硅组合物，以便当静电纺丝形成纤维时，硅组合物熔融。这一方法在本领域中常常称为熔体静电纺丝。
在本发明中，已确定，在特定参数下热解纤维在纤维内和/或其上产生纳米颗粒。热解是指本体材料化学分解，形成小分子和/或颗粒。可通过纤维包封因热解纤维产生的纳米颗粒，和/或纳米颗粒可与纤维接触，以便纳米颗粒没有被纤维包封。例如，图3示出了通过本发明的方法形成的纳米颗粒，所述纳米颗粒从纤维部分伸出。要理解，纳米颗粒的大小是许多变量的函数，其中包括纤维的直径。因此，如上所述，可由本领域的技术人员调节静电纺丝装置的参数，形成具有所需直径的纤维。典型地，纤维的直径和纳米颗粒的大小具有直接的关系，即当纤维直径增加时，在其内和/或其上产生的纳米颗粒的大小也增加。
可在静电纺丝硅组合物形成纤维之后，热解纤维。或者，可在通过静电纺丝形成纤维的同时，热解纤维。可按照不同方式热解纤维，其中包括但不限于加热和等离子体处理纤维。仅仅为了描述的目的，以下另外描述了仅仅加热和等离子体处理来热解纤维。
在一个实施方案中，热解纤维的步骤包括加热纤维。可按照本领域已知的任何方式加热纤维，其中包括但不限于快速热加工，感应炉，管式炉，真空炉，烘箱和微波。在一个实施方案中，在惰性或还原氛围内进行热解纤维的步骤。使用惰性或还原氛围，最小化和/或消除纤维和/或纳米颗粒的氧化。惰性或还原氛围典型地包括氮气、氢气、氦气、氩气、及其组合。
在其中在热解纤维的步骤内包括加热的实施方案中，典型地加热纤维到400-2500℃的温度，更典型地900-2200℃，最典型地1000-1700℃。典型地在大于5℃/分钟的速度下，从环境温度升高纤维的温度到400-2500℃的温度。在一个实施方案中，速度为25℃/分钟。一旦加热纤维到400-2500℃的温度，则典型地加热纤维0.1-20，更典型地0.5-5，最典型地0.8-3小时的时间。要理解，在达到400-2500℃的温度之后加热纤维期间的时间不包括纤维以大于5℃/分钟的速度升高纤维温度期间的时间。基于与环境和最终温度一起选择的速度，可容易地计算纤维温度升高期间的时间。
要理解，如上所述，通过热解步骤产生的纳米颗粒的大小典型地是许多变量的函数，其中包括加热纤维时的温度。因此，本领域的技术人员可调节热解纤维的步骤期间的参数，以便产生具有所需尺寸的纳米颗粒。本发明中产生的纳米颗粒的平均直径典型地大于0到500纳米。在其中热解纤维的步骤包括加热纤维到400-2500℃的温度的实施方案中，加热纤维到800-1400℃产生平均直径大于0到7纳米的纳米颗粒。类似地，要理解，当热解纤维的步骤包括加热纤维到400-2500℃的温度时，加热纤维到400-800℃的温度可产生平均直径大于0到7纳米的纳米颗粒；然而，在较低温度，即400-800℃下加热纤维典型地要求加热纤维较长的时间段，例如5小时，而不是加热到800-1400℃时的2小时。当热解纤维的步骤包括加热纤维到400-2500℃的温度时，加热纤维到大于1400到2500℃的温度产生平均直径大于7到500纳米的纳米颗粒。例如，当在1500℃的温度下加热纤维时，产生平均直径为50-80纳米的纳米颗粒。当加热纤维到1700℃的温度时，产生平均直径为130-170纳米的纳米颗粒。要理解，此处所使用的措辞“平均直径”要解释为每一纳米颗粒的最小尺寸。此外，纳米颗粒可具有对称或非球形的形状。例如，至少一种纳米颗粒可类似于长度为10微米和宽度为5纳米的管道，和该管道仍然在本发明的纳米颗粒范围内，因为管道的直径为5纳米。
典型地，当热解纤维的步骤包括加热纤维时，与二氧化硅一起产生纳米颗粒。换句话说，纤维包括纳米颗粒在其内和/或在其上分散的二氧化硅。此外，尽管纤维包括二氧化硅且包括纳米颗粒，但在热解纤维步骤之中或之后的任何阶段，纤维典型地在结构上不分解。含纳米颗粒的纤维可在例如微型芯片之类的应用中使用，这是因为含纳米颗粒的纤维具有导电性。
如上所述，在另一实施方案中，热解纤维的步骤包括等离子体处理纤维。等离子体处理用等离子体轰击纤维。典型地，热解纤维的步骤包括在小于400℃，更典型地25-350℃的温度下，和最典型地25-200℃下等离子体处理纤维。典型地在小于400℃的温度下等离子体处理纤维大于0到10，更典型地2-8，最典型地4-6分钟的时间。包括等离子体处理纤维的热解步骤可利用本领域已知的任何等离子体。在一个实施方案中，等离子体是惰性或还原等离子体。例如，等离子体可以是氢气、氩气、氮气、及其组合。用等离子体撞击纤维解离纤维中的化学键，从而导致产生纳米颗粒。
如上所述，在热解纤维的步骤之后，含纳米颗粒的纤维存在数种用途。换句话说，存在纤维的许多应用。然而，纳米颗粒也可与纤维分离。
分离纳米颗粒的步骤典型地包括用酸性溶液蚀刻纤维。酸性溶液必须具有足够的腐蚀性以溶解含纳米颗粒分散在其内和/或其上的二氧化硅的纤维。酸性溶液含水且典型地包括在去离子水内的氢氟酸、硝酸、及其组合。在一个实施方案中，酸性溶液包括基于酸性溶液的总重量用量为49wt％的氢氟酸。
在本发明的一个实施方案中，酸性溶液进一步包括润湿剂。使用润湿剂增加酸性溶液和纤维之间的表面接触。例如，当置于纤维上时，酸性溶液倾向于形成液滴，因此表面接触最小。当酸性溶液包括润湿剂时，在酸性溶液的体积保持恒定的同时，酸性溶液和纤维之间的表面接触增加。因此，对于酸性溶液和纤维之间相同的表面接触来说，与不具有润湿剂的酸性溶液相比，含润湿剂的酸性溶液要求较小的体积。在一个实施方案中，润湿剂是醇。醇可以是本领域已知的任何醇。合适的醇的一个实例是乙醇。醇在酸性溶液内的存在量典型地为大于0到85，更典型地10-60，和最典型地20-40体积份，基于100体积份酸性溶液。
用酸性溶液蚀刻纤维的步骤溶解含纳米颗粒在其内和/或其上分散的二氧化硅的纤维，且形成纳米颗粒在其内分散的蚀刻溶液。蚀刻纤维的步骤包括接触纤维与酸性溶液。酸性溶液可倾倒或滴落在纤维上，或者纤维可浸渍或置于酸性溶液内。在其中纤维置于酸性溶液内的实施方案中，可在本领域已知的容纳高度腐蚀性液体的任何容器内容纳酸性溶液。为了溶解纤维，典型地纤维与酸性溶液接触0.1-60，更典型地1-20，最典型地1-5分钟的时间。纤维典型地与酸性溶液在环境温度下接触。然而，要理解，可在纤维与酸性溶液接触之前和/或同时，加热酸性溶液。此外，能量，例如超声和/或磁能可施加到纤维、酸性溶液或二者上，以增加纤维与酸性溶液之间的相互作用，从而增加纤维在酸性溶液内溶解时的速度。要理解，在用酸性溶液蚀刻纤维的步骤之后，纳米颗粒可留在基底上，即并非所有纳米颗粒分散在蚀刻溶液内。
含在其内分散的纳米颗粒的蚀刻溶液具有腐蚀性，因为它是酸性溶液。正因为如此，蚀刻溶液的腐蚀性可能抑制在使用纳米颗粒的大多数应用中使用纳米颗粒。因此，在一个实施方案中，该方法进一步包括混合蚀刻溶液与有机液体的步骤。有机液体起到降低蚀刻溶液和有机液体在混合时的腐蚀性的作用。此外，有机液体与蚀刻溶液不混溶，因此要理解，混合蚀刻溶液与有机液体导致两相，例如蚀刻溶液和有机液体。混合蚀刻溶液和有机液体诱导纳米颗粒从一相转移到另一相，即从蚀刻溶液转移到有机液体中。纳米颗粒固有的物理性能诱导纳米颗粒从蚀刻溶液转移到有机液体，例如非极性有机液体中。在一个实施方案中，有机液体包括长链烃，例如辛烷。有机液体可包括有机液体的共混物。例如，若纳米颗粒没有充分地从一相转移到另一相，例如从蚀刻溶液转移到有机液体中，则当混合有机液体与蚀刻溶液时，可利用极性有机溶剂，例如甲基异丁基酮，进一步从蚀刻溶液中转移纳米颗粒。混合蚀刻溶液与有机液体的步骤可包括混合蚀刻溶液与长链烃，和随后混合蚀刻溶液与极性有机溶剂的单独的步骤。或者，混合蚀刻溶液与有机液体的步骤可包括其中含长链烃和极性有机溶剂的有机液体同时与蚀刻溶液混合的单一步骤。在其中混合蚀刻溶液与有机液体的步骤包括单独的步骤的实施方案中，可在混合蚀刻溶液与极性有机溶剂之前，将长链烃与蚀刻溶液分离。或者，在其内混合极性有机溶剂的同时，长链烃可保持与蚀刻溶液混合。可通过化学领域已知的任何方法，例如摇动、搅拌、磁搅拌、静态混合器、涡流混合器、掺混器等，混合蚀刻溶液和有机液体。例如，蚀刻溶液可置于烧瓶内，和有机液体可置于其内。可通过在烧瓶内设置制动器并摇动，混合蚀刻溶液和有机液体。如上所述，蚀刻溶液和有机液体分离成两相，和纳米颗粒分散在整个有机液体而不是蚀刻溶液当中。
在一个实施方案中，该方法进一步包括分离蚀刻溶液与有机液体的步骤。有机液体和蚀刻溶液典型地不混溶，从而便于物理分离有机液体和蚀刻溶液。可通过本领域已知的任何方法，其中包括物理和/或化学分离，将有机液体与蚀刻溶液分离。由于蚀刻溶液与有机液体不混溶，因此在一个实施方案中，在其内分散了纳米颗粒的有机液体借助滗析与蚀刻溶液分离。
要理解，视需要，纳米颗粒可与有机液体分离和/或从有机液体中除去纳米颗粒。可通过任何方法，例如离心，分离纳米颗粒与有机液体，和/或从有机液体中除去纳米颗粒。
如上所述，纳米颗粒包括硅纳米颗粒。纳米颗粒可进一步包括碳纳米颗粒，碳化硅纳米颗粒，及其结合物，这取决于硅组合物。例如，当硅组合物包括氢倍半硅氧烷时，通过静电纺丝和热解氢倍半硅氧烷，生产纳米颗粒。当硅组合物包括甲基倍半硅氧烷时，通过静电纺丝和热解甲基倍半硅氧烷，生产硅纳米颗粒，碳纳米颗粒，和/或碳化硅纳米颗粒。如上所述，纳米颗粒的平均直径取决于热解参数，例如温度和时间，以及纤维的直径。然而，要理解，具有光致发光性能的纳米颗粒的平均直径典型地大于0到小于7纳米。此外，要理解，光致发光的颜色可以是数个因素的函数，其中包括纳米颗粒的大小以及纳米颗粒是硅纳米颗粒，碳纳米颗粒还是碳化硅纳米颗粒。光致发光的颜色可以是任何颜色，例如橙色，蓝色，绿色等。尽管可生产平均直径大于7纳米的纳米颗粒，但平均直径大于7纳米的纳米颗粒典型地没有显示出光致发光性，正因为如此，在诱导光致发光所需的条件下是不可视的。然而，平均直径大于7纳米的纳米颗粒可具有除了要求光致发光的那些以外的用途，例如在半导体工业和/或可印刷的油墨工业中使用。
为了诱导纳米颗粒的光致发光，可使用本领域已知的传输电磁辐射的任何方法。在一个实施方案中，将纳米颗粒置于紫外光下，以诱导纳米颗粒光致发光。紫外光的波长典型地为250-400纳米。图4示出了根据本发明的方法制备的纳米颗粒的光致发光光谱的图表，其中归一化强度是具有365nm激发波长的函数。当每一纳米颗粒吸收光子时，发生纳米颗粒的光致发光，从而引起纳米颗粒激发到较高的能态下，接着返回到较低的能态下并发射光子。要理解，在与有机液体分离之后，当分散在整个有机液体当中的同时，在蚀刻溶液内的同时，在纤维内的同时，和在收集器上的纤维内的同时，纳米颗粒可显示出光致发光性。
下述实施例打算阐述而不是限制本发明，这些实施例阐述了形成纤维并生产本发明纳米颗粒的方法。
实施例
实施例1
硅组合物包括氢倍半硅氧烷。在基于重量，3∶1的氢倍半硅氧烷与甲基异丁基酮之比下，将氢倍半硅氧烷溶解在甲基异丁基酮内。在硅片，即收集器上静电纺丝溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷，形成多根纤维。在喷嘴和收集器之间的电势为30kV。在喷嘴和收集器之间的间隙为25cm。溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷通过喷嘴的流量为1ml/min。纺丝纤维约1分钟。通过在25℃/分钟的速度下从环境温度加热纤维，直到纤维达到1200℃的温度，热解纤维。在1200℃的温度下加热纤维1小时。在含氮气和氢气的环境内热解纤维，所述环境是惰性的且不含氧气，形成纳米颗粒。通过在酸性溶液内浸渍纤维，用含1∶1∶1的49％氢氟酸∶醇∶去离子水之比的酸性溶液蚀刻纤维，形成蚀刻溶液。通过混合蚀刻溶液与含辛烷和甲基异丁基酮的有机液体，从蚀刻溶液中除去纳米颗粒。从蚀刻溶液中滗析掉在其内分散了纳米颗粒的有机液体。将纳米颗粒暴露于365nm的紫外光下，在此期间纳米颗粒显示出红色光致发光，如下表1所述。
实施例2
硅组合物包括氢倍半硅氧烷。在基于重量，3∶1的氢倍半硅氧烷与甲基异丁基酮之比下，将氢倍半硅氧烷溶解在甲基异丁基酮内。在硅片，即收集器上静电纺丝溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷，形成多根纤维。在喷嘴和收集器之间的电势为30kV。在喷嘴和收集器之间的间隙为25cm。溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷通过喷嘴的流量为1ml/min。纺丝纤维约1分钟。通过在25℃/分钟的速度下从环境温度加热纤维，直到纤维达到1500℃的温度，热解纤维。在1500℃的温度下加热纤维1小时。在含氮气和氢气的环境内热解纤维，所述环境是惰性的且不含氧气，形成纳米颗粒。通过在酸性溶液内浸渍纤维，用含1∶1∶1的49％氢氟酸∶醇∶去离子水之比的酸性溶液蚀刻纤维，形成蚀刻溶液。通过混合蚀刻溶液与含辛烷和甲基异丁基酮的有机液体，从蚀刻溶液中除去纳米颗粒。从蚀刻溶液中滗析掉在其内分散了纳米颗粒的有机液体。将纳米颗粒暴露于365nm的紫外光下，在此期间纳米颗粒没有显示出光致发光，如下表1所述。
实施例3
硅组合物包括甲基倍半硅氧烷。在基于重量，3∶1的甲基倍半硅氧烷与甲基异丁基酮之比下，将甲基倍半硅氧烷溶解在甲基异丁基酮内。在硅片，即收集器上静电纺丝溶解在甲基异丁基酮内的甲基倍半硅氧烷，形成多根纤维。在喷嘴和收集器之间的电势为30kV。在喷嘴和收集器之间的间隙为25cm。溶解在甲基异丁基酮内的甲基倍半硅氧烷通过喷嘴的流量为1ml/min。纺丝纤维约1分钟。通过在25℃/分钟的速度下从环境温度加热纤维，直到纤维达到1200℃的温度，热解纤维。在1200℃的温度下加热纤维1小时。在含氮气和氢气的环境内热解纤维，所述环境是惰性的且不含氧气，形成纳米颗粒。通过在酸性溶液内浸渍纤维，用含1∶1∶1的49％氢氟酸∶醇∶去离子水之比的酸性溶液蚀刻纤维，形成蚀刻溶液。通过混合蚀刻溶液与含辛烷和甲基异丁基酮的有机液体，从蚀刻溶液中除去纳米颗粒。从蚀刻溶液中滗析掉在其内分散了纳米颗粒的有机液体。将纳米颗粒暴露于365nm的紫外光下，在此期间纳米颗粒显示出蓝色光致发光，如下表1所述。
实施例4
硅组合物包括氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷。基于重量，氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷之比为3.75∶1。将氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷溶解在甲基异丁基酮内。氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷的结合重量与甲基异丁基酮的重量之比为4∶1。在硅片，即收集器上静电纺丝溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷，形成多根纤维。在喷嘴和收集器之间的电势为30kV。在喷嘴和收集器之间的间隙为25cm。溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷通过喷嘴的流量为1ml/min。纺丝纤维约1分钟。通过在25℃/分钟的速度下从环境温度加热纤维，直到纤维达到1200℃的温度，热解纤维。在1200℃的温度下加热纤维1小时。在含氮气和氢气的环境内热解纤维，所述环境是惰性的且不含氧气，形成纳米颗粒。通过在酸性溶液内浸渍纤维，用含1∶1∶1的49％氢氟酸∶醇∶去离子水之比的酸性溶液蚀刻纤维，形成蚀刻溶液。通过混合蚀刻溶液与含辛烷和甲基异丁基酮的有机液体，从蚀刻溶液中除去纳米颗粒。从蚀刻溶液中滗析掉在其内分散了纳米颗粒的有机液体。将纳米颗粒暴露于365nm的紫外光下，在此期间纳米颗粒显示出绿色光致发光，如下表1所述。
实施例5
硅组合物包括氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷。基于重量，氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷之比为3.75∶1。将氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷溶解在甲基异丁基酮内。氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷的结合重量与甲基异丁基酮的重量之比为4∶1。在硅片，即收集器上静电纺丝溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷，形成多根纤维。在喷嘴和收集器之间的电势为30kV。在喷嘴和收集器之间的间隙为25cm。溶解在甲基异丁基酮内的氢倍半硅氧烷和甲基倍半硅氧烷通过喷嘴的流量为1ml/min。纺丝纤维约1分钟。通过在25℃/分钟的速度下从环境温度加热纤维，直到纤维达到1500℃的温度，热解纤维。在1500℃的温度下加热纤维1小时。在含氮气和氢气的环境内热解纤维，所述环境是惰性的且不含氧气，形成纳米颗粒。通过在酸性溶液内浸渍纤维，用含1∶1∶1的49％氢氟酸∶醇∶去离子水之比的酸性溶液蚀刻纤维，形成蚀刻溶液。通过混合蚀刻溶液与含辛烷和甲基异丁基酮的有机液体，从蚀刻溶液中除去纳米颗粒。从蚀刻溶液中滗析掉在其内分散了纳米颗粒的有机液体。将纳米颗粒暴露于365nm的紫外光下，在此期间纳米颗粒没有显示出光致发光，如下表1所述。
表1
  实施例   热解温度(℃)   纳米颗粒大小(nm)   光致发光颜色
  1   1200   4   红色
  2   1500   50-80   无
  3   1200   2-3   蓝色
  4   1200   4   绿色
  5   1500   50-80   无
如表1所示，通过热解纤维生产的纳米颗粒的大小是热解温度的函数。例如，在实施例1和实施例2中硅组合物相同，和由硅组合物形成的纤维热解时的温度(例如1200℃ vs 1500℃)的不同对通过热解纤维产生的纳米颗粒的大小具有显著影响，例如4nm vs 50-80nm。在实施例4和实施例5中观察到类似的结果，这两个实施例也均使用相同的硅组合物。另外，硅组合物影响通过热解由硅组合物形成的纤维产生的纳米颗粒的光致发光颜色。例如，实施例1和实施例4的硅组合物不同，但在热解由硅组合物形成的纤维的步骤过程中的参数相同，例如1200℃，和实施例1的纳米颗粒的光致发光颜色是红色，而实施例4的纳米颗粒的光致发光颜色是绿色。
此处以阐述性方式描述了本发明，要理解所使用的术语打算为描述而不是限制的措辞性质。显然，鉴于上述教导，本发明的许多改性和变化是可逆的。可在所附权利要求书的范围内具体地描述的以外实施本发明。

Claims (21)

1.一种生产纳米颗粒的方法，所述方法包括下述步骤：
静电纺丝硅组合物，形成纤维；和
热解该纤维，产生纳米颗粒。
2.权利要求1的方法，其中热解纤维的步骤包括在400-2500℃的温度下加热纤维。
3.权利要求2的方法，其中加热纤维的步骤包括加热纤维0.1-20小时。
4.权利要求2-3任何一项的方法，其中加热纤维的步骤包括在至少5℃/分钟的速度下，从环境温度升高纤维的温度到400-2500℃的温度。
5.权利要求2-4任何一项的方法，其中在400-2500℃的温度下加热纤维的步骤包括在800-1400℃的温度下加热纤维，产生平均直径大于0到7nm的纳米颗粒。
6.权利要求2-4任何一项的方法，其中在400-2500℃的温度下加热纤维的步骤包括在大于1400-2500℃的温度下加热纤维，产生平均直径大于7到500nm的纳米颗粒。
7.权利要求1的方法，其中热解纤维的步骤包括在小于400℃的温度下等离子体处理纤维。
8.权利要求1-7任何一项的方法，其中热解纤维的步骤包括等离子体处理纤维大于0-10分钟的时间。
9.权利要求1的方法，其中热解纤维的步骤选自加热、等离子体处理、及其组合。
10.前述任何一项权利要求的方法，进一步包括分离纳米颗粒与纤维的步骤。
11.权利要求10的方法，其中分离纳米颗粒的步骤包括用酸性溶液蚀刻纤维，以溶解纤维，从而形成蚀刻溶液。
12.权利要求11的方法，其中分离纳米颗粒的步骤进一步包括混合蚀刻溶液与有机液体，并分离蚀刻溶液与有机液体的步骤，从而当有机液体与蚀刻溶液分离时，纳米颗粒分散在有机液体内。
13.前述任何一项权利要求的方法，其中硅组合物选自氢倍半硅氧烷，甲基倍半硅氧烷，二硅烷，聚硅烷，具有至少一个硅原子的鹿蹄草素，及其组合。
14.前述任何一项权利要求的方法，其中硅组合物为粉末形式，和所述方法进一步包括在溶剂内溶解粉末形式的硅组合物的步骤。
15.前述任何一项权利要求的方法，其中纳米颗粒包括硅纳米颗粒。
16.权利要求15的方法，其中纳米颗粒进一步包括选自碳化硅纳米颗粒，碳纳米颗粒，及其组合的纳米颗粒。
17.权利要求1-5和7-16任何一项的方法，其中纳米颗粒的平均直径大于0到7纳米。
18.权利要求17的方法，其中纳米颗粒是光致发光的。
19.前述任何一项权利要求的方法，进一步包括通过电磁辐射诱导纳米颗粒电致发光的步骤。
20.一种纤维，其包含根据权利要求1-9和13-19任何一项的方法制备的纳米颗粒。
21.根据权利要求10-19任何一项的方法制备的纳米颗粒。
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