专利名称：分级多孔氧化铝纳米绝热材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种分级多孔氧化铝纳米绝热材料的制备方法，具体是制备由 纳米粒子所组装的具有生物膜分级结构的多孔氧化铝粉体，该氧化铝粉表现出 低的热传导性，是一种性能优良的绝热材料。属于功能材料技术领域。
背景技术：
氧化铝(A1A)是一种优质的绝热耐火材料，具有高强度、高模量、优异的 耐热性和耐高温氧化性，其热导率小，热膨胀系数低，抗热震性好，在冶金炉、 陶瓷烧结炉或其它高温炉中可用做护身衬里的隔热材料。纳米氧化铝在生理环 境中基本不发生腐蚀，具有良好的结构相容性，与机体组织之间的结合强度较 高，并且有强度高、摩擦系数小、磨损率低等特性，常被用作人工骨、关节修 复体、牙根种植体等材料。此外，纳米氧化铝还被广泛应用于汽车尾气净化、 催化燃烧、石油炼制、加氢脱硫和高分子合成等方面。基于氧化铝(Al晶)纳米 材料的优越性能和重要应用价值，对其制备的研究已经被广泛关注。
经检索发现，围绕纳米氧化铝的制备方法有不少文献报道。如中国专利 03129084.1名称为"纳米氧化铝材料的制造方法"，通过用铝碱厂大量存在的铝 酸钠和碳酸氢钠两种溶液直接混和发生反应，经进一步酸化处理获得透明溶胶， 由该溶胶直接制造纳米氧化铝粉或纳米氧化铝陶瓷滤膜。这种方法制得的纳米 氧化铝杂质较多，限制了其应用。再如中国专利200310106128.8名称为"高纯 纳米氧化铝纤维粉体制备方法"，是将金属铝在HV-1催化剂的酸性溶液中浸泡 1-30分钟进行活化处理，接着用蒸馏水冲洗掉表面杂质，然后对金属铝鼓气若 干小时以发生气一固反应生成纳米氧化铝纤维，收集纤维状物得到氧化铝粉体， 此工艺复杂，耗时较长，限制了其广泛推广。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种分级多孔氧化铝纳米绝
热材料的制备方法。该方法工艺简单灵活、成本低廉、且能对氧化铝纳米材料 的晶粒尺寸、微观组织结构进行有效控制，所制备的这种分级多孔氧化铝纳米 材料具有很低的热传导率，可作为优良的绝热材料。
为实现这一目的，本发明基于生物模板合成技术，采用来源广泛的工业和 生活废料禽类蛋壳膜为模板材料，先对蛋膜进行分离和清洗预处理，然后将蛋 膜在前驱液铝盐溶液中进行浸渍优化处理，再经氧化灼烧处理，在生物模板作 用下原位形成氧化铝纳米颗粒；通过调节灼烧条件来控制氧化铝纳米颗粒的尺 寸大小和孔径分布。所获得的分级多孔氧化铝纳米材料表现出较低的热传导性 能，是一种性能优良的绝热耐火材料。
本发明的方法按如下步骤进行
1) 蛋膜预处理选择禽类蛋壳膜为生物模板材料并对其进行预处理。将蛋 壳在1M的盐酸溶液中浸泡，当蛋膜与钙质材料分离后，将蛋膜取出漂洗干净， 自然晾干待用。
2) 蛋膜的浸渍处理将预处理好的干净蛋膜置于铝盐溶液中浸渍10 — 24 小时，然后取出在低于50 'C下烘干。
3) 灼烧处理将上述经浸渍并烘干处理后的蛋膜放入电磁炉中，以20—30 。C/分钟的升温速度加热至800—1100 。C并保温l一2小时进行灼烧处理，然后停 止供热，待炉腔冷至室温后取出白色薄片状灼烧产物，即得到具有低热传导率 的分级多孔氧化铝纳米材料。
本发明的步骤l)中，考虑到该过程的工业化，可以通过机械法高效剥离蛋 膜，己经有这方面专利。由于通常禽类蛋壳是由有机膜成分和碳酸钙等矿物质 组成的，通过在l M盐酸溶液中浸泡蛋壳可以容易地分离出有机蛋膜，并可以 保持蛋膜的生物活性。
步骤2)中，蛋膜用量依据所需要制备的氧化铝材料的量来称取， 一般IOO 克干蛋膜可制备氧化铝5 — 10克。所采用的铝盐溶液，尤指由结晶氯化铝在不 断搅拌下缓慢加入蒸馏水中(结晶氯化铝和蒸馏水的质量比为1:10)获得的氯 化铝水溶液。其pH值调控主要通过加入1 MNaOH溶液来控制，调整浸渍液的
pH值为4。
步骤3)中，通过灼烧处理除去生物模板蛋膜后获得的终产物是复制了蛋膜 形态结构并具有低热传导率的分级多孔氧化铝纳米材料。
本发明方法制备的氧化铝纳米绝热材料是由纳米颗粒组装而成的分级多孔 陶瓷材料，纳米颗粒尺寸在20—60 nm，孔径大小为3 — 8 nm，工作温度在25 —800 。C之间的热传导系数为0.05—0.18 W/(m*K)。
本发明具有实质性特点和显著进步。本发明巧妙地利用了工业和生活废料
蛋壳膜，制备出具有低热传导率的分级多孔氧化铝纳米材料，创造了一种成本 低廉、工艺简单环保的新材料制备方法。本发明通过调节氧化灼烧温度和升温 速度等来控制氧化铝纳米颗粒的尺寸大小和孔径分布，所制备的分级多孔氧化 铝纳米材料具有热导率小，热膨胀系数低，抗热震性好等优点，可用作优良的 绝热耐火材料，以及在冶金炉、陶瓷烧结炉或其它高温炉中可用作护身衬里的 隔热材料，能更好地帮助解决能源耗损问题。
图1是本发明分级多孔氧化铝纳米绝热材料的XRD模式。 图2是分级多孔氧化铝纳米绝热材料的扫描电镜照片(煅烧温度800 °C )。 图3是分级多孔氧化铝纳米绝热材料的透射电镜照片(煅烧温度800 °C)。 图4为分级多孔氧化铝纳米绝热材料的导热系数-温度曲线。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例不
构成对本发明的限定。 实施例l
选取新鲜的禽类蛋，去除内容液体物质后蛋壳用清水充分漂洗干净，投入1 M的盐酸溶液中浸泡约IO分钟剥离出蛋膜，经清水充分漂洗和用去离子水漂洗 三次后捞出室温吹晾干；称取上述已处理好的洁净干燥的生物材料蛋膜2g，在 所配氯化铝溶液体系中(25 g结晶氯化铝在不断搅拌下缓慢加入250 g蒸馏水中 获得的溶液，并用1 M NaOH溶液调至pH = 4)浸渍24小时后取出，50 。C下2
小时烘干，放入电磁炉中以20 'C/分钟的升温速度加热至800 'C并保持恒温2 小时后停止加热，待炉温自然降至室温后取出。所得的白色薄片状物质是由Y-氧化铝纳米颗粒组装形成的具有蛋膜的分级多孔网络结构的陶瓷材料，纳米颗 粒尺寸约为30 nm，孔径大小为3-4 nm，工作温度在25_800 。C条件下的热传 导系数在0. 0766—0. 1138 W/(m械)之间。 实施例2
选取新鲜的禽类蛋，去除内容液体物质后蛋壳用清水充分漂洗干净，投入l M的盐酸溶液中浸渍约IO分钟剥离出蛋膜，经清水充分漂洗和用去离子水漂洗 三次后捞出室温吹晾干；称取上述已处理好的洁净干燥的生物材料蛋膜2g，在 所配氯化铝溶液体系中(25 g结晶氯化铝在不断搅拌下缓慢加入250 g蒸馏水中 获得的溶液，并用1 MNaOH溶液调至pH-4)浸渍24小时后取出，50 'C下2 小时烘干，放入电磁炉中以25 'C/分钟的升温速度加热至1000 'C并保持恒温 1.5小时后停止加热，待炉温自然降至室温后取出。所得的白色薄片状物质是由 Y -氧化铝纳米颗粒组装形成的具有蛋膜的分级多孔网络结构的陶瓷材料。纳米 颗粒尺寸约为50 nm，孔径大小约为6 nm，工作温度在25—800 。C条件下的热 传导系数在0. 0836—0. 1548 W/(ra純)之间。 实施例3
选取新鲜的禽类蛋，去除内容液体物质后蛋壳用清水充分漂洗干净，投入1 M的盐酸溶液中浸渍约IO分钟剥离出蛋膜，经清水充分漂洗和用去离子水漂洗 三次后捞出室温吹晾干；称取上述已处理好的洁净千燥的生物材料蛋膜2g，在 所配氯化铝溶液体系中(25 g结晶氯化铝在不断搅拌下缓慢加入250 g蒸馏水中 获得的溶液，并用1 MNaOH溶液调至pH = 4)浸渍24小时后取出，50 'C下2 小时烘干，放入电磁炉中以30 'C/分钟的升温速度加热至1100 'C并保持恒温1 小时后停止加热，待炉温自然降至室温后取出。所得的白色薄片状物质是由Y-氧化铝纳米颗粒组装形成的具有蛋膜的分级多孔网络结构的陶瓷材料。纳米颗 粒尺寸为55-60 nm，孔径大小约为8nm，工作温度在25—800 'C条件下的热传 导系数在0. 0898—0. 175 W/(m械)之间。
图1是本发明分级多孔氧化铝纳米绝热材料的XRD模式。图中分别示出了 不同烧结温度下，即实施例1 (800 。C)、实施例2 (1000 °C)、实施例3 (1100 °C) 所得材料的XRD模式，表明生成的氧化铝均为Y-Al2Cb。
图2是实施例1在80(TC烧结所得分级多孔氧化铝纳米绝热材料的扫描电镜 照片，图中右上角小插图为蛋膜的扫描电镜照片，由此可看出所制备的氧化铝 纳米绝热材料保留了蛋膜的分级多孔网络结构。
图3是实施例1在800 'C烧结所得分级多孔氧化铝纳米绝热材料的透射电 镜照片，由图可看出氧化铝纳米颗粒的尺寸为30 nm左右。
图4为分级多孔氧化铝纳米绝热材料的导热系数-温度曲线，三条曲线分别
对应于不同烧结温度，即实施例l: 800'C;实施例2: 1000 。C;实施例3:
IIOO'C烧结得到的材料。可以看出在工作温度25—800 t的条件下，分级多孔 氧化铝纳米绝热材料的导热系数保持在0. 05_0. 18 W/(m*K)。
权利要求
1、一种分级多孔氧化铝纳米绝热材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤1)选择禽类蛋壳膜为生物模板材料并对其进行预处理，将蛋壳在1 M的盐酸溶液中浸泡，当蛋膜与钙质材料分离后，将蛋膜取出漂洗干净，晾干；2)将预处理好的干净蛋膜置于铝盐溶液中浸渍10-24小时，然后取出在低于50℃下烘干；3)将上述经浸渍并烘干处理后的蛋膜放入电磁炉中，以20-30℃/分钟的升温速度加热至800-1100℃并保温1-2小时，然后停止供热，冷却后取出白色薄片状灼烧产物，即得到具有低热传导率的分级多孔氧化铝纳米材料。
2、 根据权利要求1的分级多孔氧化铝纳米绝热材料的制备方法，其特征在 于所述的铝盐溶液为氯化铝水溶液，由结晶氯化铝在不断搅拌下缓慢加入蒸镏 水中获得，结晶氯化铝和蒸馏水的质量比为1:10，用1 M NaOH溶液调整氯化 铝水溶液的pH值为4。
3、 一种采用权利要求1或2的方法制备的氧化铝纳米绝热材料，其特征在 于是由纳米颗粒组装而成的分级多孔陶瓷材料，纳米颗粒尺寸在20—60nm，孔 径大小为3—8 nm，工作温度在25_800 。C条件下的热传导系数在0. 05_0. 18 W/(m械)之间。
全文摘要
本发明涉及一种分级多孔氧化铝纳米绝热材料的制备方法。基于生物模板合成技术，采用来源广泛的工业和生活废料禽类蛋壳膜为模板材料，先对蛋膜进行分离和清洗预处理，然后将蛋膜在前驱液铝盐溶液中进行浸渍优化处理，再经氧化灼烧处理，在生物模板作用下原位形成氧化铝纳米材料，获得一种性能优越的分级多孔氧化铝纳米绝热材料。本发明工艺简单，成本低廉，通过调节氧化灼烧温度和升温速度等来控制氧化铝纳米颗粒的尺寸大小和孔径分布，所制备的分级多孔氧化铝纳米材料具有热导率小，热膨胀系数低，抗热震性好等优点，可用作优良的绝热耐火材料，以及在冶金炉、陶瓷烧结炉或其它高温炉中可用作护身衬里的隔热材料，能更好地帮助解决能源耗损问题。
文档编号C04B38/06GK101100307SQ20071004398
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月19日 优先权日2007年7月19日
发明者钫 宋, 荻 张, 苏慧兰 申请人:上海交通大学