多孔纤维的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于S12多孔纤维的制备领域，特别涉及一种非同轴纺丝制备连续中空Si02多孔纤维的方法。
【背景技术】
[0002]多孔材料具有高比表面积，可以提供大量的反应/相互作用活性中心，特别有利于与界面作用相关的过程，例如吸附、催化和电化学作用;其孔道可作为多功能存储器及单分散的纳米反应器;其特殊的纳米孔道及形状为交叉学科的研究带来了及其丰富的空间和场所，例如生物分子、药物分子、反应物分子在纳米孔道内的扩散行为、与活性中心的接触性能、反应活性等都与孔结构有密切的关系；而其纳米尺度的网络结构所带来的表面效应和量子尺寸效应，使一些功能化多孔材料在传感器、锂电池和纳米器件中展现出优异的性能；正是多孔材料在微观界面上的独特优势，使它们成为材料研究领域的热点之一。
[0003]多孔材料的性能除了与其微观形貌有关之外，与多孔复合材料的宏观形貌也有重要关系。对于S12多孔材料，现如今已有大量的文献报道了零维粉末、二维薄膜、三维块体，但对一维的中空S12多孔纤维却很少报道。这主要是因为相比较其他维度的多孔材料，纤维状多孔材料对制备原料、制备条件等方面有更多的要求。然而，纤维状多孔材料却有着其它维度材料所不具备的优异性能。类比同样为无机多孔纤维的多孔活性碳纤维，传统的活性炭是一种经过活化处理的多孔炭，为粉末状或颗粒状，而活性碳纤维则为纤维状，纤维上布满微孔，其对有机气体吸附能力比颗粒活性炭在空气中高几倍至几十倍，在水溶液中高5?6倍，吸附速率快100?1000倍。活性碳纤维的纤维直径为5?20μπι，比表面积平均在1000?1500m2/g左右，平均孔径在1.0?4.011111，微孔均匀分布于纤维表面。与活性炭相比，活性碳纤维微孔孔径小而均匀，结构简单，对于吸附小分子物质吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附。与被吸附物的接触面积大，且可以均匀接触与吸附，使吸附材料得以充分利用。效率高，且具有纤维、毡、布和纸等各种纤细的表态，孔隙直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短，且本身的外表面积较内表面积高出两个数量级。在空气或水体净化方面，粒状或粉状的结构，容易发生堆叠，它的吸附速度较慢，分离效率不高，特别是它的物理形态在应用时有许多不便，限制了应用范围。活性炭纤维孔径小且分布窄，吸附速度快，吸附量大，容易再生。与粉状(5nm?30nm)活性炭相比，活性炭纤维在使用过程中产生的微粉尘少，可制成纱、线、织物、毡等多种形态的制品，使用时更加灵活方便。而块状或膜状的结构，使得空气或水体在通过时会产生很大的阻力，滤前与滤后的压力相差很大。将S12多孔材料制成纤维形态，将使其性能更为优异。
[0004]而将Si O 2多孔纤维制成中空形貌，可进一步扩大与气体、液体等流体直接接触的外表面，利于流体内物质快速进入孔道，大大提高物质的传输速率。目前湿法纺丝制备连续中空纤维的方法主要是依靠同轴纺丝针头或中空喷丝板，但此方法纤维受设备精度限制，纤维难以实现细旦化。同时同轴纺丝针头或中空喷丝板无论是设备的制备、使用以及工艺的探索都比较复杂。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种非同轴纺丝制备连续中空S12多孔纤维的方法，该方法具有设备简单、原料便宜易得、反应过程简单、可纺性好的特点。所制得的无机S12纤维具有丰富的孔洞、超高的比表面积、耐高温、耐化学腐蚀，同时纤维比表面积可调。
[0006]本发明的一种非同轴纺丝制备连续中空S12多孔纤维的方法，包括:
[0007](I)将硅酸盐配制成纺丝原液；
[0008](2)在凝固槽内加入强酸溶液作为凝固浴；
[0009](3)将步骤(I)中的纺丝原液放入到步骤(2)中的凝固浴中，进行反应湿法纺丝，得到中空原硅酸/硅酸盐纤维；
[0010](4)将步骤(3)中得到的中空原硅酸/硅酸盐纤维卷绕；
[0011](5)将步骤(4)中卷绕后的中空原硅酸/硅酸盐纤维浸入陈化溶液中，常温陈化2?10天；
[0012](6)将步骤(5)中陈化后的纤维用去离子水洗涤至中性，然后用乙醇进行溶剂置换，干燥，得到连续中空S12多孔纤维。
[0013]所述步骤(I)中硅酸盐为钠水玻璃、钾水玻璃或九水硅酸钠。
[0014]所述步骤(I)中纺丝原液为:模数为2?3，波美度为35?50的钠水玻璃或钾水玻璃;直接加热成溶液无需再加溶剂的九水硅酸钠。
[0015]所述步骤(2)中强酸溶液为浓度为0.4mol/L?0.8mol/L的稀硫酸溶液或浓度为
0.8mol/L?1.2mol/L的稀盐酸溶液。
[0016]所述步骤(3)中反应湿法纺丝的条件为常温常压。
[0017]所述步骤(3)中纺丝原液遇到凝固浴酸发生快速的强酸制弱酸反应生成固相原硅酸，实现湿法纺丝所要求的快速液固相转变，同时由于皮层的固相无机物模量高、变形难，以及脱水过程中纤维体积的收缩，将形成中空结构的原硅酸/硅酸盐纤维，此过程同时发生溶胶凝胶化。
[0018]所述步骤(4)中卷绕的速度为0.1?2m/s。
[0019]所述步骤(5)中陈化溶液为配制低浓度酸溶液:浓度为0.005mol/L?0.lmol/L的稀硫酸溶液、浓度为0.0 lmol/L?0.2mol/L的稀盐酸溶液或者浓度为0.005mol/L?0.1mol/L的草酸。
[0020]所述步骤(5)中陈化使中空原硅酸/硅酸盐纤维进一步发生溶胶凝胶化，实现由中空原硅酸/硅酸盐纤维向中空S12纤维转变，同时形成大量孔洞。
[0021]本发明的非同轴纺丝制备的连续中空S12多孔纤维的孔洞在纳米尺度范围，且可以通过改变制备条件来调节比表面积大小。
[0022]本发明利用强酸制弱酸及溶胶凝胶化原理，通过纺丝过程中溶剂双扩散的浓度梯度分布，皮层先快速形成高模量、难形变的固相原硅酸及脱水过程中纤维体积的收缩，实现非同轴纺连续中空S12多孔纤维的制备，此方法无文献专利报道。所制备的连续中空S12多孔纤维在催化、吸附、过滤等一系列领域里都有更突出的优势，有十分巨大的潜在需求，具有实用性。
[0023]本发明中连续中空S12多孔纤维的制备方法，是将廉价的硅酸盐作为纺丝原液，以较高浓度的强酸性溶液作为凝固浴，通过硅酸盐与酸发生强酸制弱酸反应并发生溶胶凝胶化，纤维皮层极快生成固相高模量的原硅酸，同时由于失水体积收缩，形成中空芯层，得到中空原硅酸/硅酸盐纤维，通过卷绕辊将纤维进行收卷。随后，将收卷的中空原硅酸/硅酸盐纤维浸泡在低浓度酸性溶液中进行陈化，通过陈化过程，使纤维进一步进行溶胶凝胶化，实现由中空原硅酸/硅酸盐纤维向S12纤维转变，同时形成大量孔洞。陈化之后，使用去离子水进行洗涤，然后使用乙醇进行溶剂置换，最后自然干燥得到最终连续中空S12多孔纤维。本发明所使用的方法具有设备简单、原料便宜易得、反应过程简单、可纺性好的特点。所制得的中空无机S12多孔纤维具有丰富的孔洞、超高的比表面积、耐高温、耐化学腐蚀，同时纤维比表面积可调，其中空结构能更有利于物质在纤维内传输，在催化、吸附及过滤等领域比普通多孔纤维更具优势。
[0024]有益效果
[0025](I)本发明的方法具有设备简单、原料便宜易得、反应过程简单、可纺性好的特点；
[0026](2)本发明的中空无机S12多孔纤维具有丰富的孔洞、超高的比表面积、耐高温、耐化学腐蚀，同时纤维比表面积可调，其中空结构能更有利于物质在纤维内传输，在催化、吸附及过滤等领域比普通多孔纤维更具优势。
【附图说明】
[0027]图1为实施例1的中空S12多孔纤维的扫描电镜图；
[0028]图2为实施例1的中空S12多孔纤维内部孔洞的扫描电镜图；
[0029]图3为实施例1的中空S12多孔纤维内部孔洞形貌透射电镜图；
[0030]图4为实施例1的中空S12多孔纤维及非中空结构S12多孔纤维对亚甲基蓝吸附效果对比图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0032]实施例1
[0033]以模数为2，50波美度的钠水玻璃为纺丝原液，以0.8mol/L的稀硫酸溶液为凝固浴，常温常压下进行反应湿法纺丝。将凝固浴中形成的中空原硅酸/硅酸盐纤维以0.lm/s的卷绕速度进行卷绕。卷绕后的纤维浸入0.005mol/L的