专利名称：一种纳米氧化铝纤维膜材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种无机纳米氧化物纤维的制备方法，具体为采用静电纺丝 法制备纳米氧化铝纤维膜材料。
背景技术：
氧化铝纤维是一种新型无机材料，是当今国内外最新型的超轻质高温耐 火材料，该产品具有优异的高温力学性能、好的抗化学侵蚀能力、低的导热率、
耐磨性及抗氧化性等特点，由于氧化铝(A1203)具有多种结晶结构，其中a-A1A具有优异的耐高温及高温力学性能，是优良的烧结炉的衬里及高温过滤 材料；而^41203具有比表面积大，反应活性高的特点，可用于石油裂化、汽 车尾气净化催化剂及其载体材料，具有较为广阔的应用前景。
目前国外已有很多公司生产各种型号的高性能氧化铝纤维。英国ICI公 司采用卡内门法生产商品名为Saffil的氧化铝短纤维，直径在3um左右， 其使用温度可达1200 1600'C，已开始应用在工业烧结炉的衬里上。美国杜 邦公司采用淤浆法生产FP氧化铝纤维，氧化铝含量为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]。美国3M公司通过溶 胶-凝胶法生产Nextel系列氧化铝纤维。[Das G,Pratt,Whimey. Stablity of polyerystalline Nextel 720 fiber.Ceram. Eng. Sci. Proc.， 1996. 17(4):45]日本住 友化学公司采用预聚合法生产Altex氧化铝纤维，其组分为Al203、Si03Q B203。 我国中科院山西煤炭研究所采用胶体工艺法，将铝盐制成溶液，加热收縮， 制成纺丝胶体，然后在特定条件下成纤和热处理，获得多晶氧化铝纤维。厦 门大学科研处采用铝金属盐为原料，首先合成具有纺丝性能的氧化铝溶胶， 并由此干纺得到氧化铝凝胶纤维，热处理和高温烧结后获得氧化铝纤维。
但上述方法加工的氧化铝纤维直径基本都在几微米到几十毫米左右，纤 维直径较粗，不适合用于催化剂及载体材料和高温高效过滤材料。随着纳米 技术的出现，国内外的学者在纳米氧化铝研究方面作了许多的研究，但目前 大都是通过物理及化学方法制备纳米氧化铝颗粒或纳米线，而在准一维纳米
氧化铝纤维方面研究较少。纳米材料是物质在纳米尺度上一种特殊结构，具 有特殊的表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，它在光电材料、生物 材料、过滤材料、催化及其载体材料等方面具有十分广泛的应用前景。
静电纺丝是目前制备纳米纤维的最有效技术之一，其核心是使带电的纺 丝溶液或熔体在电场中流动与变形，然后经溶剂的蒸发或熔体冷却而固化， 得到纤维状物质。到目前为止，已有许多高分子材料都成功地通过静电纺丝
伟!j得了纟内米纤维[Doshi J., Reneker D.H. Electrospinning process and applications of electrospun fibers. Journal of Electrostatics ， 1995， 35: 151.]。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是提供一种纳米氧化铝纤维膜材料的制备技 术。该膜材料是采用静电纺丝技术纺制出有机/无机铝盐纳米纤维膜，经高温 煅烧制得纳米氧化铝纤维膜材料。组成该膜材料的纤维直径一般在50 200歷 之间，比常规纺丝方法得到的纤维直径(50ym 几毫米)要小几个数量级，其 比表面积与体积比约是常规纤维的1000倍，纤维表面活性大，吸附力强，而 且纳米纤维非织造布呈三维立体结构，孔径小，但孔隙率大，过滤性能优良， 是一种比表面积高、热稳定性好以及力学性能优良的催化剂及其载体材料和 耐高温过滤材料；此外，该材料还可以广泛应用在航天飞机、高温锅炉隔热 材料、增强复合材料等领域。本发明采用聚乙烯吡咯垸酮/乙醇与四水氯化锡 /水溶液共混制得纺丝液配置工艺简单、效率高，适合于静电纺丝，对静电纺 丝设备无特殊要求，可纺性优良。
本发明设计的采用静电纺丝技术制备该纳米氧化铝纤维膜材料的方法， 包括如下步骤
(1) 将聚乙烯吡咯烷酮倒入盛有乙醇溶剂中，高速搅拌至完全溶解，然 后将浓度10 30wty。的氯化铝水溶液与其混合，搅拌约lh，即可得到溶胶凝胶 静电纺丝液；
(2) 将制得的溶胶凝胶纺丝液注入静电纺丝装置中，在电压为25 35 kV，挤出速度为1 10mL/min，接收距离为10 20cm条件下静电纺丝成氯化 铝/聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜；
(3) 最后将制备的氯化铝/聚乙烯吡咯垸酮纳米纤维膜放置于马弗炉中， 以5(TC/h速度升温至450 110(TC，煅烧5h，获得无定型、y型或a型纳
米氧化铝纤维膜。
本发明的其它一些特点是
所述的聚乙烯吡咯垸酮优选粘均分子量范围为60万 130万。
所述的聚乙烯吡咯浣酮乙醇溶液浓度为5 8wt%。
所述的溶胶凝胶静电纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮与氯化铝重量比为3:1
1:1。
本发明的纳米氧化铝纤维膜材料，根据用途需要，可设计相应的氧化铝 晶型，并采用适当的工艺方法而控制纳米纤维尺度。通过采用扫描电子显微
镜(美国)、红外分光光度计，x-射线衍射对对纳米氧化铝纤维进行进行测
试，结果表明，随着纺丝液浓度和挤出速度增大，纳微纤维的直径越大，而 电压增大有利于减小纤维的直径；A1C13/PVP有机无机杂化纤维在450°C、 90(TC和IIO(TC连续煅烧5h，分别得到无定型A1203、 Y诮1203和a 41203纳米 纤维膜。
图文简单描述
图1是不同温度处理纳米氧化铝纤维膜扫描电镜示意图； 图2是不同温度处理纳米氧化铝纤维膜红外光谱图； 图3是不同温度处理纳米氧化铝纤维膜X衍射光谱图。
具体实施例方式
下面结合实施例进一步叙述本发明，但本发明的适用范围不受其限制
实施例1:
取粘均分子分子量为60万的聚乙烯吡咯烷酮3g倒入盛有57mL乙醇溶剂 中，高速搅拌至完全溶解，制得浓度为5%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，称取 lg无水氯化铝溶解在9mL蒸馏水中，然后将两者溶液混合并高速搅拌1小时， 得到溶胶凝胶静电纺丝液；将制得的溶胶凝胶纺丝液注入静电纺丝装置中， 在电压为25 kV，挤出速度为10mL/min,接收距离为10cm条件下静电纺丝成 氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜；最后将制备的氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮 纳米纤维膜放置于马弗炉中，以5(TC/h速度升温至45(TC，烘干5h，获得干 燥的纳米氧化铝纤维膜。 实施例2:
取粘均分子分子量为90万的聚乙烯吡咯烷酮3g倒入盛有47mL乙醇溶剂
中，高速搅拌至完全溶解，制得浓度为6%的聚乙烯吡咯垸酮乙醇溶液，称取
2g无水氯化铝溶解在8mL蒸馏水中，然后将两者溶液混合并高速搅拌1小时， 得到溶胶凝胶静电纺丝液；将制得的溶胶凝胶纺丝液注入静电纺丝装置中， 在电压为30 kV，挤出速度为5mL/min，接收距离为10cm条件下静电纺丝成 氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜；最后将制备的氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮 纳米纤维膜放置于马弗炉中，以50'C/h速度升温至45(TC，煅烧5h，获得无 定型纳米氧化铝纤维膜。 实施例3:
取粘均分子分子量为110万的聚乙烯吡咯垸酮3g倒入盛有40mL乙醇溶 剂中，高速搅拌至完全溶解，制得浓度为7%的聚乙烯吡咯垸酮乙醇溶液，称 取2g无水氯化铝溶解在10mL蒸馏水中，然后将两者溶液混合并高速搅拌1 小时，得到溶胶凝胶静电纺丝液；将制得的溶胶凝胶纺丝液注入静电纺丝装置 中，在电压为30 kV，挤出速度为8mL/min，接收距离为15cm条件下静电纺 丝成氯化铝/聚乙烯吡咯垸酮纳米纤维膜；最后将制备的氯化铝/聚乙烯吡咯 烷酮纳米纤维膜放置于马弗炉中，以5(TC/h速度升温至90(TC,煅烧5h，获 得Y型纳米氧化铝纤维膜。 实施例4:
取粘均分子分子量为130万的聚乙烯吡咯垸酮3g倒入盛有34. 5mL乙醇 溶剂中，高速搅拌至完全溶解，制得浓度为8%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液， 称取3g无水氯化铝溶解在7mL蒸馏水中，然后将两者溶液混合并高速搅拌1 小时，得到溶胶凝胶静电纺丝液；将制得的溶胶凝胶纺丝液注入静电纺丝装置 中，在电压为35 kV，挤出速度为lmL/min,接收距离为20cm条件下静电纺丝 成氯化铝/聚乙烯吡咯垸酮纳米纤维膜；最后将制备的氯化铝/聚乙烯吡咯烷 酮纳米纤维膜放置于马弗炉中，以5(TC/h速度升温至110(TC，煅烧5h，获 得a型纳米氧化铝纤维膜。
权利要求
1.一种纳米氧化铝纤维膜材料的制备方法，其特征在于其包括如下步骤(1)将聚乙烯吡咯烷酮倒入盛有乙醇溶剂中，高速搅拌至完全溶解，然后将浓度10～30wt％的氯化铝水溶液与其混合，搅拌约1h，即可得到溶胶凝胶静电纺丝液；(2)将制得的溶胶凝胶纺丝液注入静电纺丝装置中，在电压为25～35kV，挤出速度为1～10mL/min，接收距离为10～20cm条件下静电纺丝成氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜；(3)最后将制备的氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜放置于马弗炉中，以50℃/h速度升温至450℃～1100℃，煅烧5h，获得无定型、γ型或α型纳米氧化铝纤维膜。
2. —种如权利要求1所述的纳米氧化铝纤维膜材料的制备方法，其特征 在于所述的聚乙烯吡咯烷酮粘均分子量范围为60万 130万，所述的氯化铝 为分析纯。
3. —种如权利要求1所述的纳米氧化铝纤维膜材料的制备方法，其特征 在于所述的聚乙烯吡咯垸酮乙醇溶液浓度为5 8wt%。
4. 一种如权利要求1所述的纳米氧化铝纤维膜材料的制备方法，其特征 在于所述的溶胶凝胶静电纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮与氯化铝重量比为3:1 1:1。
全文摘要
本发明涉及一种静电纺丝法制备纳米氧化铝纤维膜材料的制备技术，包括1.溶胶凝胶静电纺丝液配置，将聚乙烯吡咯烷酮倒入盛有乙醇溶剂中，高速搅拌至完全溶解，制得浓度为5～8wt％的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，然后将浓度10～30wt％的氯化铝水溶液与其混合，其中聚乙烯吡咯烷酮与氯化铝重量比为3∶1～1∶1，搅拌约1h即可。2.静电纺丝将制得的溶胶凝胶纺丝液注入静电纺丝装置中，在电压为25～35kV，挤出速度为1～10ml/min，接收距离为10～20cm条件下静电纺丝成氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜。3煅烧，最后将制备的氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜放置于马弗炉中，以50℃/h速度升温至450-1100℃，煅烧5h，获得无定型、γ型或α型纳米氧化铝纤维膜。本发明制备的纳米氧化铝纤维膜材料是一种比表面积高、热稳定性好以及力学性能优良的催化剂及其载体材料和耐高温过滤材料；此外，该材料还可以广泛应用在航天飞机、高温锅炉隔热材料、增强复合材料等等领域。
文档编号B01D39/00GK101185817SQ20071015094
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者任元林, 亚 刘, 庄旭品, 康卫民, 程博闻 申请人:天津工业大学