一种仿生结构多尺度纳微米氧化铝纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种仿生纤维的制备方法技术领域，具体涉及溶胶凝胶方法制备一种仿生结构多尺度纳微米氧化铝纤维的方法。
背景技术
氧化铝纤维是一种高性能的无机纤维，其主要成分为三氧化二铝(Al2O3)，并含有少量的SiO2、MgO等成分。氧化铝纤维具有超常的耐热性、极低的热导率和优异的化学稳定性，在航空航天、高温绝热及催化剂载体等领域有着广泛应用。尤其是纳微米级别的氧化铝纤维，直径的减小赋予纤维优异的物理化学性能，从而受到研究者们的广泛关注。
静电纺丝是制备纳微米氧化铝纤维行之有效的方法之一，此方法的原理为首先以铝的无机盐或醇盐为铝源，同时加入硅源及有机酸等成分，经醇解和聚合反应制备得到具有特定粘度的溶胶凝胶纺丝液，然后将其置于高压电场中形成纺丝细流，在电场力作用下纺丝细流发生鞭动和劈裂，经溶剂的蒸发和高温热处理后得到纳微米氧化铝纤维。专利ZL200710150942.8介绍了一种纳米氧化铝纤维膜材料的制备方法，指出采用静电纺丝技术可纺制出有机/无机铝盐纳米纤维膜，经高温煅烧后可得到纤维直径在50-200nm的氧化铝纤维膜材料。
随着纳微米氧化铝纤维的进一步发展，针对不同领域的应用需求，研究人员开始设计具有多孔、中空等异形结构的纳微米氧化铝纤维，从而提升其性能。魏恒勇等人以无水氯化铝为原料，聚乙烯吡咯烷酮为助纺剂，无水乙醇为溶剂，采用同轴静电纺丝法制备出氧化铝凝胶/PVP前驱体纤维，经1200℃煅烧后得到仿“北极熊绒毛”状多孔氧化铝纤维[康剑，魏恒勇，崔燚，王鹏，卜景龙，李慧，李敏娜，季文玲.同轴静电纺丝制备仿生多孔氧化铝纤维研究[J].人工晶体学报，2016，45(10)：2493-2499]。专利CN 102776603A中介绍了一种通过静电纺丝制备多孔中空纳米氧化铝纤维的方法，该方法工艺条件简单，环境污染小，采用最简单的静电纺设备，只需经过简单的高温处理就可得到中空纳米陶瓷氧化铝纤维。然而现有文献和专利报道的异形结构氧化铝纤维大都以多孔、中空等单尺度异形结构为主，对于具有仿生结构的多尺度纳微米氧化铝纤维的制备方法却鲜有报道。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是提供一种具有仿生结构的多尺度纳微米氧化铝纤维的制备方法，采用该发明的技术方案能够制备出一种具有仿生结构的多尺度纳微米氧化铝纤维，从而具有比表面积大、活性位点多以及吸附效果好等特性。本发明所制备的仿生结构多尺度纳微米氧化铝纤维在催化剂载体、复合材料增强、航空航天、高温过滤等领域具有广阔的应用前景。
本发明提供一种仿生结构的多尺度纳微米氧化铝纤维的制备方法，其特征包括如下步骤：
(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为20-25％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在60-75℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，在25-35℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。
(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，得到氧化铝初生纤维，随后将其在60-80℃的条件下干燥3-6h。
(3)高温煅烧：在气体氛围条件下，以1-5℃/min的升温速率由室温升温至煅烧温度并保温1-3h，自然降温至室温。煅烧的气体氛围为空气、氧气或氮气，优选空气。
所述的溶胶凝胶纺丝液中PTFE乳液的质量分数为34-38％。
高温煅烧过程中，所述的煅烧温度范围为800-1200℃。
与现有异形结构氧化铝纳微米纤维的制备方法相比，本发明的优点在于：
1、通过在氧化铝溶胶凝胶纺丝液中添加PTFE乳液，将F元素成功掺入初生纤维中。通过控制高温煅烧过程，使得纤维中F元素起到催化作用，诱导微纳米氧化铝纤维表面直接生长出纳米级晶须结构，制备过程更加简单。
2、制备出的具有仿生结构的多尺度纳微米氧化铝纤维，具有比表面积大、活性位点多以及吸附效果好等特性，可作为催化剂载体及基体增强材料，在航空航天、保温隔热、高温过滤等领域得到更广泛的应用。
3、所述的静电纺丝法是一种公知的纳微米纤维制备技术，具有设备简单、操作方便和工艺可控的特点。
附图说明
图1是实施例1制备出的仿生结构多尺度纳微米氧化铝纤维的扫描电镜照片图。
图2是实施例1制备出的仿生结构多尺度纳微米氧化铝纤维的透射电镜照片图。
图3是实施例6制备出的普通纳微米氧化铝纤维的扫描电镜照片图。
具体实施方式
本发明实施例涉及一种仿生结构的多尺度纳微米氧化铝纤维的制备方法，以下对其中几组实施例分别进行详细说明，但发明专利的权利要求保护范围不受具体实施例的限制。
实施例1：
(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为22％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为36％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。
(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，纺丝电压40kV，接收距离20cm，供液速率0.5ml/h，得到氧化铝初生纤维，随后将其在80℃的条件下干燥3h。
(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以2℃/min的升温速率由室温升温至煅烧温度并保温2h，自然降温至室温。
实施例2：
(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为20％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为38％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。
(2)氧化铝初生纤维的制备：同实施例1。
(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以3℃/min的升温速率由室温升温至煅烧温度并保温1h，自然降温至室温。
实施例3：
(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为23％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为36％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。
(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，纺丝电压40kV，接收距离20cm，供液速率0.5ml/h，得到氧化铝初生纤维，随后将其在65℃的条件下干燥5h。
(3)高温煅烧：在氧气氛围条件下，以5℃/min的升温速率由室温升温至煅烧温度并保温3h，自然降温至室温。
实施例4：
(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为25％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为34％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。
(2)氧化铝初生纤维的制备：采用上一步制得的溶胶凝胶纺丝液进行静电纺丝，纺丝电压40kV，接收距离20cm，供液速率0.5ml/h，得到氧化铝初生纤维，随后将其在75℃的条件下干燥3h。
(3)高温煅烧：在氮气氛围条件下，以1℃/min的升温速率由室温升温至煅烧温度并保温2h，自然降温至室温。
实施例5：
(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为22％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩；继续搅拌并缓慢滴加一定量的PTFE乳液，控制PTFE乳液占纺丝液质量分数为35％，在30℃下充分搅拌后得到乳白色的稳定的溶胶凝胶纺丝液。
(2)氧化铝初生纤维的制备：同实施例4。
(3)高温煅烧：在空气氛围条件下，以2℃/min的升温速率由室温升温至煅烧温度并保温3h，自然降温至室温。
实施例6：
(1)溶胶凝胶纺丝液的配制：将结晶氯化铝溶解于去离子水中，制备得到质量分数为22％的氯化铝水溶液，随后在搅拌条件下加入硅溶胶和PVA纺丝助剂，其中硅溶胶与结晶氯化铝的质量比为1∶10，PVA与结晶氯化铝的质量比为1∶30，然后在70℃氛围下浓缩。
(2)氧化铝初生纤维的制备：同实施例1。
(3)高温煅烧：同实施例1。
