專利名稱：一種納米氧化鋁纖維膜材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種無機納米氧化物纖維的制備方法，具體為采用靜電紡絲 法制備納米氧化鋁纖維膜材料。
背景技術：
氧化鋁纖維是一種新型無機材料，是當今國內外最新型的超輕質高溫耐 火材料，該產品具有優異的高溫力學性能、好的抗化學侵蝕能力、低的導熱率、
耐磨性及抗氧化性等特點，由于氧化鋁(A1203)具有多種結晶結構，其中a-A1A具有優異的耐高溫及高溫力學性能，是優良的燒結爐的襯里及高溫過濾 材料；而^41203具有比表面積大，反應活性高的特點，可用于石油裂化、汽 車尾氣凈化催化劑及其載體材料，具有較為廣闊的應用前景。
目前國外已有很多公司生產各種型號的高性能氧化鋁纖維。英國ICI公 司采用卡內門法生產商品名為Saffil的氧化鋁短纖維，直徑在3um左右， 其使用溫度可達1200 1600'C，已開始應用在工業燒結爐的襯里上。美國杜 邦公司采用淤漿法生產FP氧化鋁纖維，氧化鋁含量為99. 9%[Lavaste V, Berger M H, Bunsell A R et al. Microstmcture and mechanical characteristies of alpha-alumina based fiber. J. Mat. Sci.. 1995. (30):4215]。美國3M公司通過溶 膠-凝膠法生產Nextel系列氧化鋁纖維。[Das G,Pratt,Whimey. Stablity of polyerystalline Nextel 720 fiber.Ceram. Eng. Sci. Proc.， 1996. 17(4):45]日本住 友化學公司采用預聚合法生產Altex氧化鋁纖維，其組分為Al203、Si03Q B203。 我國中科院山西煤炭研究所采用膠體工藝法，將鋁鹽制成溶液，加熱收縮， 制成紡絲膠體，然后在特定條件下成纖和熱處理，獲得多晶氧化鋁纖維。廈 門大學科研處采用鋁金屬鹽為原料，首先合成具有紡絲性能的氧化鋁溶膠， 并由此干紡得到氧化鋁凝膠纖維，熱處理和高溫燒結后獲得氧化鋁纖維。
但上述方法加工的氧化鋁纖維直徑基本都在幾微米到幾十毫米左右，纖 維直徑較粗，不適合用于催化劑及載體材料和高溫高效過濾材料。隨著納米 技術的出現，國內外的學者在納米氧化鋁研究方面作了許多的研究，但目前 大都是通過物理及化學方法制備納米氧化鋁顆粒或納米線，而在準一維納米
氧化鋁纖維方面研究較少。納米材料是物質在納米尺度上一種特殊結構，具 有特殊的表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應，它在光電材料、生物 材料、過濾材料、催化及其載體材料等方面具有十分廣泛的應用前景。
靜電紡絲是目前制備納米纖維的最有效技術之一，其核心是使帶電的紡 絲溶液或熔體在電場中流動與變形，然后經溶劑的蒸發或熔體冷卻而固化， 得到纖維狀物質。到目前為止，已有許多高分子材料都成功地通過靜電紡絲
偉!j得了纟內米纖維[Doshi J., Reneker D.H. Electrospinning process and applications of electrospun fibers. Journal of Electrostatics ， 1995， 35: 151.]。
發明內容
本發明擬解決的技術問題是提供一種納米氧化鋁纖維膜材料的制備技 術。該膜材料是采用靜電紡絲技術紡制出有機/無機鋁鹽納米纖維膜，經高溫 煅燒制得納米氧化鋁纖維膜材料。組成該膜材料的纖維直徑一般在50 200歷 之間，比常規紡絲方法得到的纖維直徑(50ym 幾毫米)要小幾個數量級，其 比表面積與體積比約是常規纖維的1000倍，纖維表面活性大，吸附力強，而 且納米纖維非織造布呈三維立體結構，孔徑小，但孔隙率大，過濾性能優良， 是一種比表面積高、熱穩定性好以及力學性能優良的催化劑及其載體材料和 耐高溫過濾材料；此外，該材料還可以廣泛應用在航天飛機、高溫鍋爐隔熱 材料、增強復合材料等領域。本發明采用聚乙烯吡咯垸酮/乙醇與四水氯化錫 /水溶液共混制得紡絲液配置工藝簡單、效率高，適合于靜電紡絲，對靜電紡 絲設備無特殊要求，可紡性優良。
本發明設計的采用靜電紡絲技術制備該納米氧化鋁纖維膜材料的方法， 包括如下步驟
(1) 將聚乙烯吡咯烷酮倒入盛有乙醇溶劑中，高速攪拌至完全溶解，然 后將濃度10 30wty。的氯化鋁水溶液與其混合，攪拌約lh，即可得到溶膠凝膠 靜電紡絲液；
(2) 將制得的溶膠凝膠紡絲液注入靜電紡絲裝置中，在電壓為25 35 kV，擠出速度為1 10mL/min，接收距離為10 20cm條件下靜電紡絲成氯化 鋁/聚乙烯吡咯烷酮納米纖維膜；
(3) 最后將制備的氯化鋁/聚乙烯吡咯垸酮納米纖維膜放置于馬弗爐中， 以5(TC/h速度升溫至450 110(TC，煅燒5h，獲得無定型、y型或a型納
米氧化鋁纖維膜。
本發明的其它一些特點是
所述的聚乙烯吡咯垸酮優選粘均分子量范圍為60萬 130萬。
所述的聚乙烯吡咯浣酮乙醇溶液濃度為5 8wt%。
所述的溶膠凝膠靜電紡絲液中聚乙烯吡咯烷酮與氯化鋁重量比為3:1
1:1。
本發明的納米氧化鋁纖維膜材料，根據用途需要，可設計相應的氧化鋁 晶型，并采用適當的工藝方法而控制納米纖維尺度。通過采用掃描電子顯微
鏡(美國)、紅外分光光度計，x-射線衍射對對納米氧化鋁纖維進行進行測
試，結果表明，隨著紡絲液濃度和擠出速度增大，納微纖維的直徑越大，而 電壓增大有利于減小纖維的直徑；A1C13/PVP有機無機雜化纖維在450°C、 90(TC和IIO(TC連續煅燒5h，分別得到無定型A1203、 Y誚1203和a 41203納米 纖維膜。
圖文簡單描述
圖1是不同溫度處理納米氧化鋁纖維膜掃描電鏡示意圖； 圖2是不同溫度處理納米氧化鋁纖維膜紅外光譜圖； 圖3是不同溫度處理納米氧化鋁纖維膜X衍射光譜圖。
具體實施例方式
下面結合實施例進一步敘述本發明，但本發明的適用范圍不受其限制
實施例1:
取粘均分子分子量為60萬的聚乙烯吡咯烷酮3g倒入盛有57mL乙醇溶劑 中，高速攪拌至完全溶解，制得濃度為5%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，稱取 lg無水氯化鋁溶解在9mL蒸餾水中，然后將兩者溶液混合并高速攪拌1小時， 得到溶膠凝膠靜電紡絲液；將制得的溶膠凝膠紡絲液注入靜電紡絲裝置中， 在電壓為25 kV，擠出速度為10mL/min,接收距離為10cm條件下靜電紡絲成 氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮納米纖維膜；最后將制備的氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮 納米纖維膜放置于馬弗爐中，以5(TC/h速度升溫至45(TC，烘干5h，獲得干 燥的納米氧化鋁纖維膜。 實施例2:
取粘均分子分子量為90萬的聚乙烯吡咯烷酮3g倒入盛有47mL乙醇溶劑
中，高速攪拌至完全溶解，制得濃度為6%的聚乙烯吡咯垸酮乙醇溶液，稱取
2g無水氯化鋁溶解在8mL蒸餾水中，然后將兩者溶液混合并高速攪拌1小時， 得到溶膠凝膠靜電紡絲液；將制得的溶膠凝膠紡絲液注入靜電紡絲裝置中， 在電壓為30 kV，擠出速度為5mL/min，接收距離為10cm條件下靜電紡絲成 氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮納米纖維膜；最后將制備的氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮 納米纖維膜放置于馬弗爐中，以50'C/h速度升溫至45(TC，煅燒5h，獲得無 定型納米氧化鋁纖維膜。 實施例3:
取粘均分子分子量為110萬的聚乙烯吡咯垸酮3g倒入盛有40mL乙醇溶 劑中，高速攪拌至完全溶解，制得濃度為7%的聚乙烯吡咯垸酮乙醇溶液，稱 取2g無水氯化鋁溶解在10mL蒸餾水中，然后將兩者溶液混合并高速攪拌1 小時，得到溶膠凝膠靜電紡絲液；將制得的溶膠凝膠紡絲液注入靜電紡絲裝置 中，在電壓為30 kV，擠出速度為8mL/min，接收距離為15cm條件下靜電紡 絲成氯化鋁/聚乙烯吡咯垸酮納米纖維膜；最后將制備的氯化鋁/聚乙烯吡咯 烷酮納米纖維膜放置于馬弗爐中，以5(TC/h速度升溫至90(TC,煅燒5h，獲 得Y型納米氧化鋁纖維膜。 實施例4:
取粘均分子分子量為130萬的聚乙烯吡咯垸酮3g倒入盛有34. 5mL乙醇 溶劑中，高速攪拌至完全溶解，制得濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液， 稱取3g無水氯化鋁溶解在7mL蒸餾水中，然后將兩者溶液混合并高速攪拌1 小時，得到溶膠凝膠靜電紡絲液；將制得的溶膠凝膠紡絲液注入靜電紡絲裝置 中，在電壓為35 kV，擠出速度為lmL/min,接收距離為20cm條件下靜電紡絲 成氯化鋁/聚乙烯吡咯垸酮納米纖維膜；最后將制備的氯化鋁/聚乙烯吡咯烷 酮納米纖維膜放置于馬弗爐中，以5(TC/h速度升溫至110(TC，煅燒5h，獲 得a型納米氧化鋁纖維膜。
權利要求
1.一種納米氧化鋁纖維膜材料的制備方法，其特征在于其包括如下步驟(1)將聚乙烯吡咯烷酮倒入盛有乙醇溶劑中，高速攪拌至完全溶解，然后將濃度10～30wt％的氯化鋁水溶液與其混合，攪拌約1h，即可得到溶膠凝膠靜電紡絲液；(2)將制得的溶膠凝膠紡絲液注入靜電紡絲裝置中，在電壓為25～35kV，擠出速度為1～10mL/min，接收距離為10～20cm條件下靜電紡絲成氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮納米纖維膜；(3)最后將制備的氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮納米纖維膜放置于馬弗爐中，以50℃/h速度升溫至450℃～1100℃，煅燒5h，獲得無定型、γ型或α型納米氧化鋁纖維膜。
2. —種如權利要求1所述的納米氧化鋁纖維膜材料的制備方法，其特征 在于所述的聚乙烯吡咯烷酮粘均分子量范圍為60萬 130萬，所述的氯化鋁 為分析純。
3. —種如權利要求1所述的納米氧化鋁纖維膜材料的制備方法，其特征 在于所述的聚乙烯吡咯垸酮乙醇溶液濃度為5 8wt%。
4. 一種如權利要求1所述的納米氧化鋁纖維膜材料的制備方法，其特征 在于所述的溶膠凝膠靜電紡絲液中聚乙烯吡咯烷酮與氯化鋁重量比為3:1 1:1。
全文摘要
本發明涉及一種靜電紡絲法制備納米氧化鋁纖維膜材料的制備技術，包括1.溶膠凝膠靜電紡絲液配置，將聚乙烯吡咯烷酮倒入盛有乙醇溶劑中，高速攪拌至完全溶解，制得濃度為5～8wt％的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，然后將濃度10～30wt％的氯化鋁水溶液與其混合，其中聚乙烯吡咯烷酮與氯化鋁重量比為3∶1～1∶1，攪拌約1h即可。2.靜電紡絲將制得的溶膠凝膠紡絲液注入靜電紡絲裝置中，在電壓為25～35kV，擠出速度為1～10ml/min，接收距離為10～20cm條件下靜電紡絲成氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮納米纖維膜。3煅燒，最后將制備的氯化鋁/聚乙烯吡咯烷酮納米纖維膜放置于馬弗爐中，以50℃/h速度升溫至450-1100℃，煅燒5h，獲得無定型、γ型或α型納米氧化鋁纖維膜。本發明制備的納米氧化鋁纖維膜材料是一種比表面積高、熱穩定性好以及力學性能優良的催化劑及其載體材料和耐高溫過濾材料；此外，該材料還可以廣泛應用在航天飛機、高溫鍋爐隔熱材料、增強復合材料等等領域。
文檔編號B01D39/00GK101185817SQ20071015094
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月12日 優先權日2007年12月12日
發明者任元林, 亞 劉, 莊旭品, 康衛民, 程博聞 申請人:天津工業大學