阅读说明：本技术 一种多级孔氧化铝纤维的制备方法 (Preparation method of hierarchical porous alumina fiber ) 是由 任慧如 李磊 周兴海 康卫民 鞠敬鸽 程博闻 赵义侠 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多级孔氧化铝纤维的制备方法,其特征包括：1.溶胶凝胶纺丝液的配制；2.氧化铝初生纤维的制备；3.高温煅烧三个步骤。本发明制备的多级孔氧化铝纤维材料是一种比表面积大、活性位点多以及吸附效果好的催化剂载体材料及基体增强材料；此外,该材料还可广泛应用在航空航天、保温隔热、高温过滤等领域。(The invention relates to a preparation method of hierarchical porous alumina fiber, which is characterized by comprising the following steps: 1. preparing a sol-gel spinning solution; 2. preparing alumina nascent fiber; 3. and (3) high-temperature calcination. The prepared hierarchical porous alumina fiber material is a catalyst carrier material and a matrix reinforcing material which have large specific surface area, many active sites and good adsorption effect; in addition, the material can also be widely applied to the fields of aerospace, heat preservation and insulation, high-temperature filtration and the like.)

一种多级孔氧化铝纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维的制备方法技术领域，具体涉及溶胶凝胶方法制备一种多级孔氧化铝纤维的方法。

背景技术

氧化铝纤维是一种高性能的无机纤维，其主要成分为三氧化二铝(Al₂O₃)，并含有少量的SiO₂、MgO等成分。氧化铝纤维具有超常的耐热性、极低的热导率和优异的化学稳定性，在航空航天、高温绝热及催化剂载体等领域有着广泛应用。尤其是纳微米级别的氧化铝纤维，直径的减小赋予纤维优异的物理化学性能，从而受到研究者们的广泛关注。

静电纺丝是制备纳微米氧化铝纤维行之有效的方法之一，此方法的原理为首先以铝的无机盐或醇盐为铝源，同时加入硅源及有机酸等成分，经醇解和聚合反应制备得到具有特定粘度的溶胶凝胶纺丝液，然后将其置于高压电场中形成纺丝细流，在电场力作用下纺丝细流发生鞭动和劈裂，经溶剂的蒸发和高温热处理后得到纳微米氧化铝纤维。专利ZL200710150942.8介绍了一种纳米氧化铝纤维膜材料的制备方法，指出采用静电纺丝技术可纺制出有机/无机铝盐纳米纤维膜，经高温煅烧后可得到纤维直径在50-200nm的氧化铝纤维膜材料。

随着纳微米氧化铝纤维的进一步发展，针对不同领域的应用需求，研究人员开始设计具有多孔结构的纳微米氧化铝纤维，从而提升其性能。魏恒勇等人以无水氯化铝为原料，聚乙烯吡咯烷酮为助纺剂，无水乙醇为溶剂，采用同轴静电纺丝法制备出氧化铝凝胶/PVP前驱体纤维，经1200℃煅烧后得到仿“北极熊绒毛”状多孔氧化铝纤维[康剑，魏恒勇，崔燚，王鹏，卜景龙，李慧，李敏娜，季文玲.同轴静电纺丝制备仿生多孔氧化铝纤维研究[J].人工晶体学报，2016，45(10)：2493-2499]。陈代荣等人在氧化铝溶胶凝胶纺丝液中添加三嵌段共聚物为纤维制孔剂，经过静电纺丝和700℃高温热处理后，得到具有明显介孔结构的纳米氧化铝纤维[Wang Y，Li W，Jiao X，et al.Electrospinning preparation andadsorption properties of mesoporous alumina fibers[J].Journal of MaterialsChemistry A，2013，1(36)：10720-10726]。然而，现有文献和专利报道的多孔结构氧化铝纤维制备方法多以添加单一制孔剂静电纺丝后结合浸泡、高温煅烧等后处理方法，该方法得到的孔结构尺寸单一，而对于具有多级孔结构的氧化铝纤维的制备方法却鲜有报道。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是提供一种多级孔氧化铝纤维的制备方法，采用该发明的技术方案能够简单制备出一种具有多级孔结构的氧化铝纤维，从而具有比表面积大、活性位点多以及吸附效果好等特性。本发明所制备的多级孔氧化铝纤维在催化剂载体、复合材料增强、航空航天、高温过滤等领域具有广阔的应用前景。

本发明提供一种多级孔结构氧化铝纤维的制备方法，其特征包括如下步骤：

(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为20-25％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在60-75℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，在25-35℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。

(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，得到氧化铝初生纤维，随后将其在60-80℃的条件下干燥3-6h。

(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以1-5℃/min的升温速率由室温升温至煅烧温度并保温1-3h，自然降温至室温。

所述的溶胶凝胶纺丝液中PTFE乳液的质量分数为14-16％。

高温煅烧过程中，所述的煅烧温度范围为700-900℃。

与现有多孔结构氧化铝纤维的制备方法相比，本发明的优点在于：

1、通过在氧化铝溶胶凝胶纺丝液中添加PTFE乳液，制备复合初生纤维，稳定的PTFE乳液体系保证了不同粒径的制孔剂在纤维中的均匀分散。通过高温煅烧过程，使得纤维中PTFE颗粒和小分子表面活性剂被除去，从而制备得到具有多级孔结构的氧化铝纤维，与单一孔径的多孔氧化铝纤维相比，本方法制备的纤维中具有明显的介孔和大孔多级结构。

2、制备出的具有多级孔结构的纳微米氧化铝纤维，具有比表面积大、活性位点多以及吸附效果好等特性，可作为催化剂载体及基体增强材料，在航空航天、保温隔热、高温过滤等领域得到更广泛的应用。

3、所述的静电纺丝法是一种公知的纳微米纤维制备技术，具有设备简单、操作方便和工艺可控的特点。

附图说明

图1是实施例1制备出的多级孔氧化铝纤维的扫描电镜照片图。

图2是实施例6制备出的普通氧化铝纤维的扫描电镜照片图。

具体实施方式

本发明实施例涉及一种多级孔氧化铝纤维的制备方法，以下对其中几组实施例分别进行详细说明，但发明专利的权利要求保护范围不受具体实施例的限制。

实施例1：

(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为22％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为14％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。

(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，纺丝电压40kV，接收距离20cm，供液速率0.5ml/h，得到氧化铝初生纤维，随后将其在80℃的条件下干燥3h。

(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以2℃/min的升温速率由室温升温至800℃并保温2h，自然降温至室温。

实施例2：

(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为20％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为15％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。

(2)氧化铝初生纤维的制备：同实施例1。

(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以3℃/min的升温速率由室温升温至800℃并保温1h，自然降温至室温。

实施例3：

(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为23％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为16％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。

(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，纺丝电压40kV，接收距离20cm，供液速率0.5ml/h，得到氧化铝初生纤维，随后将其在65℃的条件下干燥5h。

(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以5℃/min的升温速率由室温升温至900℃并保温3h，自然降温至室温。

实施例4：

(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为25％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为14％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。

(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，纺丝电压40kV，接收距离20cm，供液速率0.5ml/h，得到氧化铝初生纤维，随后将其在75℃的条件下干燥3h。

(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以1℃/min的升温速率由室温升温至700℃并保温2h，自然降温至室温。

实施例5：

(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为22％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为16％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。

(2)氧化铝初生纤维的制备：同实施例4。

(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以2℃/min的升温速率由室温升温至800℃并保温3h，自然降温至室温。

实施例6：

(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为22％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩。

(2)氧化铝初生纤维的制备：同实施例1。

(3)高温煅烧：同实施例1。