一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法技術

本發明專利技術涉及一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法，屬材料科學技術領域。該纖維制備方法包括：將無水三氯化鋁、正硅酸乙酯、異丙醚和無水二氯甲烷按一定的摩爾比配制反應液，再將該反應液加熱引發非水解溶膠?凝膠反應合成出莫來石凝膠；將無水乙醇和一定量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）按一定比例混合獲得PVP乙醇溶液，將合成的莫來石凝膠溶解于PVP乙醇溶液中，再加入N,N?二甲基甲酰胺（DMF）獲得紡絲前驅液；以液態石蠟為內液，上述莫來石前驅體溶液為外液，采用同軸靜電紡絲工藝制備莫來石凝膠/PVP復合纖維，再經高溫煅燒后獲得多孔莫來石纖維。該多孔莫來石纖維的制備方法簡單，孔結構容易控制，隔熱保溫性能優異，本發明專利技術可為航天軍工等領域提供一種新型高溫隔熱材料。

【技術實現步驟摘要】
一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法
本專利技術屬于莫來石纖維的制備領域，特別是涉及一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法。
技術介紹
莫來石(3Al2O3·2SiO2)纖維由于其具有優異高溫強度、抗高溫蠕變性、熱化學穩定性、低的熱膨脹系數和良好的介電性能等，被認為是一優良的陶瓷材料。莫來石纖維的使用溫度高達1500℃，抗拉強度約為2.1GPa，與A12O3纖維相當。同時還具有比碳和碳化硅纖維更為優異的抗氧化性，因此，莫來石纖維廣泛應用于冶金、航空航天儀器絕緣絕熱以及復合材料的強化等領域。目前，通常采用微粉擠出法、離心甩絲法、提拉法、干紡紡絲法制備莫來石纖維，但制備的莫來石纖維直徑多在微米級，纖維柔性不好，質地脆，易斷裂。相比之下，靜電紡絲法不僅工藝簡單，合成溫度較低，還能夠制備出直徑為納米級、結構及組成多樣化，甚至具有一定柔性的陶瓷纖維。例如，WuJiang等以異丙醇鋁、硝酸鋁和正硅酸乙酯為原料，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為紡絲助劑，采用靜電紡絲法制備出莫來石凝膠/PVP復合纖維，經過1200℃煅燒獲得直徑約為200nm的莫來石纖維。（Fabricationandcharacterizationofelectrospunmullitenanofibers[J].AdvancedEngineeringMaterials,2010,12(1-2):71-74）MarjanM.A.Z等以異丙醇鋁、硝酸鋁和正硅酸乙酯為原料，分別以聚乙烯醇縮丁醛(PVB)和聚乙烯醇(PVA)為助紡劑，通過靜電紡絲制莫來石凝膠/PVA、莫來石凝膠/PVB復合纖維，經1400℃煅燒制備出直徑為82-113nm莫來石纖維。（Synthesisofmullitenano?bresbyelectrospinningofsolutionscontainingdifferentproportionsofpolyvinylbutyral[J].CeramicsInternational,2013,39:9079-9084.）ChenPeng等采用水解溶膠-凝膠法形成一定粘度的溶膠，以聚丙烯腈(PAN)為助紡劑，利用靜電紡絲工藝，借助滾筒收集裝置，制得具有定向分布的莫來石凝膠/PAN纖維，經1000℃后形成定向排列的莫來石纖維。（Preparationofuniaxiallyalignedmulliteceramicfibersbyelectrospinning[J].ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects,2014,457:1-7.）然而，目前采用靜電紡絲制備的莫來石纖維多為實心結構，熱導率偏高，難以滿足在現代軍事和民用領域的高溫隔熱新要求。從陶瓷纖維的隔熱機理及影響因素分析可知，纖維的多孔化結構可有效的降低其熱導率。通過調節莫來石纖維的多孔結構，使得陶瓷纖維直徑小且纖維內具有眾多微孔，不僅可以保證纖維具有一定的機械強度，降低其體積密度，減少固體導熱。更為重要的是，纖維中各自獨立的納微米級空腔將充分限制腔體內空氣的傳熱運動，大量存在的空腔還可以十分有效地縮短光子傳導平均自由程，減少氣體流動傳熱和輻射傳熱，降低纖維的導熱系數，尤其是減小輻射傳熱占主導的高溫熱導率，以滿足現代航天軍工及民用科技領域對隔熱材料高溫絕熱性能的要求。同軸靜電紡絲是利用相分離原理在中空纖維內部構筑二級孔結構的一種方法，可以使兩個不相溶的溶液形成穩定的射流，射流在電場中快速拉伸、溶劑蒸發和固化，最終沉積在接收極板上，形成前驅體纖維，再經高溫煅燒，去除有機分相成分而獲得多孔無機纖維。然而，由于前驅體溶液制備以及靜電紡絲工藝等技術瓶頸，至今未見同軸靜電紡絲法制備多孔莫來石纖維的研究報道。針對上述問題，本專利技術目的在于提供一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法，以克服現有莫來石纖維的隔熱性能與制備技術上的不足。為實現上述目的，本專利技術提供的同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法包括以下步驟：（1）將無水三氯化鋁、正硅酸乙酯、異丙醚和無水二氯甲烷按一定的摩爾比配制反應液，再將該反應液加熱凝膠化處理，引發非水解溶膠-凝膠反應合成出莫來石凝膠；（2）將無水乙醇和一定量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）按一定比例混合獲得PVP乙醇溶液，將合成的莫來石凝膠溶解于PVP乙醇溶液中，再加入一定量的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）獲得莫來石前驅體溶液；（3）以液態石蠟為內液，莫來石前驅體溶液為外液，采用同軸靜電紡絲工藝制備莫來石凝膠/PVP復合纖維；（4）將莫來石凝膠/PVP復合纖維經高溫煅燒后獲得多孔莫來石纖維。所述反應液的組成為：無水三氯化鋁的質量百分比為1%~4%，正硅酸乙酯的質量百分比為0.5~2%，異丙醚的質量百分比為0.5%~3%，二氯甲烷的質量百分比為91~98%；所述反應液加熱凝膠化處理的溫度控制為：加熱溫度為80~120℃，凝膠化時間為0.5~5h；所述PVP乙醇溶液組成為：無水乙醇的質量百分比為80~98%，PVP（分子量為1300000）的質量百分比為2~20%；所述莫來石前驅體溶液的組成為：莫來石凝膠的質量百分比為2~6%，PVP乙醇溶液的質量百分比為80~85%，DMF的質量百分比為9~18%；所述制備莫來石凝膠/PVP復合纖維的靜電紡絲工藝參數為：內液流速為0.05~1ml/h，外液流速為0.5~3ml/h，紡絲電壓10~25KV，固化距離5~20cm；所述莫來石凝膠/PVP復合纖維經高溫煅燒制備多孔莫來石纖維的溫度控制為：煅燒溫度為1000~1400℃，升溫速度為1~10℃/min，保溫時間0.5~5h。本專利技術通過同軸靜電紡絲制備的多孔莫來石纖維特征為：纖維直徑分布相對均一，纖維內部具多孔結構，孔徑范圍寬。相對現有技術，本專利技術可簡化莫來石纖維的制備工藝，降低合成溫度，減少制備成本，提高纖維的隔熱性能。本專利技術制備的多孔莫來石纖維可用作航天軍工等領域的高溫隔熱材料。具體實施方式實施例1以0.4g無水三氯化鋁和0.22ml正硅酸乙酯為前驅體，0.49ml異丙醚為氧供體，15ml無水二氯甲烷為溶劑配制反應液，將該反應液放入100℃烘箱中凝膠化處理1h，得到莫來石干凝膠。按質量百分比為93%和7%分別量取無水乙醇和聚乙烯吡咯烷酮（PVP分子量1300000）混合后獲得PVP乙醇溶液，將質量百分比為4%的上述莫來石干凝膠溶解于質量百分比為82%的PVP乙醇溶液中，再加入質量百分比為14%的DMF獲得莫來石紡絲前驅液。以液體石蠟為內液，內液流速為0.1ml/h，莫來石前驅體紡絲液為外液，外液流速為1ml/h，按紡絲參數為紡絲電壓15KV，固化距離15cm進行同軸靜電紡絲，同軸紡絲針頭內徑0.3mm、外徑1.0mm，在室溫下，制備成莫來石干凝膠/PVP復合纖維。然后將該復合纖維以3℃/min的升溫速率在1200℃煅燒并保溫1h，得到平均直徑為400nm左右，孔徑為200~300nm的莫來石纖維。實施例2以0.4g無水三氯化鋁和0.22ml正硅酸乙酯為前驅體，0.49ml異丙醚為氧供體，15ml無水二氯甲烷為溶劑配制反應液，將該反應液本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法，其特征在于該纖維的制備方法包括以下步驟：（1）將無水三氯化鋁、正硅酸乙酯、異丙醚和無水二氯甲烷按一定的摩爾比配制反應液，再將該反應液加熱凝膠化處理，引發非水解溶膠?凝膠反應合成出莫來石凝膠；（2）將無水乙醇和一定量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）按一定比例混合獲得PVP乙醇溶液，將合成的莫來石凝膠溶解于PVP乙醇溶液中，再加入一定量的N,N?二甲基甲酰胺（DMF）獲得莫來石前驅體溶液；（3）以液態石蠟為內液，莫來石前驅體溶液為外液，采用同軸靜電紡絲工藝制備莫來石凝膠/PVP復合纖維；（4）將莫來石凝膠/PVP復合纖維經高溫煅燒后獲得多孔莫來石纖維。

【技術特征摘要】
1.一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法，其特征在于該纖維的制備方法包括以下步驟：（1）將無水三氯化鋁、正硅酸乙酯、異丙醚和無水二氯甲烷按一定的摩爾比配制反應液，再將該反應液加熱凝膠化處理，引發非水解溶膠-凝膠反應合成出莫來石凝膠；（2）將無水乙醇和一定量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）按一定比例混合獲得PVP乙醇溶液，將合成的莫來石凝膠溶解于PVP乙醇溶液中，再加入一定量的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）獲得莫來石前驅體溶液；（3）以液態石蠟為內液，莫來石前驅體溶液為外液，采用同軸靜電紡絲工藝制備莫來石凝膠/PVP復合纖維；（4）將莫來石凝膠/PVP復合纖維經高溫煅燒后獲得多孔莫來石纖維。2.如權利要求1所述的一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法，其特征在于反應液組成為：無水三氯化鋁的質量百分比為1%~4%，正硅酸乙酯的質量百分比為0.5~2%，異丙醚的質量百分比為0.5%~3%，二氯甲烷的質量百分比為91~98%。3.如權利要求1所述的一種同軸靜電紡絲制備多孔莫來石纖維的方法，其特征在于反應液加熱凝膠化處...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏恒勇，崔燚，王鵬，季文玲，李慧，魏穎娜，卜景龍，楊金萍，陳越軍，桑榕櫟，陳穎，董桂霞，
申請(專利權)人：華北理工大學，
類型：發明
國別省市：河北,13