[发明专利]非水解溶胶-凝胶法结合静电纺丝制备莫来石纳米纤维的方法

说明书

技术领域

本发明属于莫来石纤维的制备领域，特别是涉及一种非水解溶胶-凝胶法结合静电纺丝制备莫来石纳米纤维的方法。

背景技术

莫来石纤维的化学组成一般为3Al₂O₃·2SiO₂，其晶相为莫来石，具有[AlO₆]八面体连接[AlO₄]四面体和[SiO₄]四面体双链所形成的稳定骨架，通常为多晶结构。具有良好的耐热性、抗蠕变性、抗热震性、化学稳定性好及高温强度大，莫来石纤维的使用温度高达1500℃，抗拉强度约为2.1GPa。因此，它可广泛用于冶金、机械、陶瓷、电子及航天航空等领域。莫来石纤维用于高温窑炉炉顶内衬，可降低窑顶重量，提高窑炉的热效率；用作金属基和陶瓷基复合材料的增强材料，可提高复合材料的高温性能和力学性能；作为大功率发动机和导弹的隔热层，可有效地保护内部灵敏的元器件。

莫来石纤维成纤工艺主要包括：喷吹法、离心甩丝、干法纺丝及静电纺丝等。喷吹法是利用压缩空气喷吹熔体流股，使熔体纤维化，熔融物料受到高速喷射气流的作用，先分散成细滴，熔体细滴进而被气流作用拉长使之纤维化。离心甩丝法即使熔体(溶液)流股在高速旋转的离心辊表面上，利用离心力的作用把熔体(溶液)分散并拉伸成纤维。干法纺丝又称为干法溶液纺丝，是溶液在热气流下溶剂蒸发而固化成丝的方法。静电纺丝技术是使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动或变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却固化得到纤维状物质，简称电纺。但是采用上述前三种成纤工艺合成的纤维直径通常是微米级的，而采用静电纺丝技术能够制备出尺寸长、直径分布均匀及长径比大的纳米纤维。目前，静电纺丝技术成功应用于制备MgO、Al₂O₃、TiO₂及莫来石纤维等。其中，清华大学的Jiang Wu等人以Al(C₉H₂₁O₃)和Al(NO₃)₃·9H₂O为主要原料，采用水解溶胶-凝胶法制得前驱体溶液，以分子量为1,000,000的PVP为助纺剂，通过静电纺丝技术制得莫来石凝胶/PVP复合连续纤维，将该纤维1200℃煅烧保温2h，得到直径为200nm的莫来石连续纤维(Materials Letters.2009(63)：2309-2312；Advanced Engineering Materials.2010，12(1-2)：71-74.)。韩国全北国立大学的Kim Hak Yong等采用水解溶胶-凝胶法结合静电纺丝技术制备了莫来石纤维，并研究了煅烧温度对莫来石纤维形貌的影响(International Joumal of Electrospun Nanofibers and Applications.2007(1)：63-72.)。

选择合适的前驱体溶液是静电纺丝成功制备莫来石纳米纤维的关键步骤。通常使用下列两种类型前驱体溶液：一种是金属盐类溶胶，另一种是金属醇盐水解溶胶与聚合物的混合溶液。用金属盐类溶胶进行电纺可既简单又直接的获得多种氧化物纤维，但无机溶胶的流变学性质很难精确和重复控制，不易得到直径尺寸在纳米级水平且尺寸均一的纤维。使用金属醇盐水解溶胶与聚合物的混合溶液为前驱体时，可以得到直径通常在几百纳米左右且直径分布较宽的纤维。但是金属醇盐水解溶胶是一个对温度有依赖性的不稳定系统，在电纺过程中经常伴随水解、凝固和凝胶化等反应过程，体系粘度也随时间的变化而改变，导致经常有粗纤维形成，严重时还会堵塞喷头，难以连续得到均匀尺寸的纤维。为此，要在溶液中加入催化剂来调节水解和凝胶化的速率，还要通过降低射流附近的环境湿度或者使其周围溶剂达到饱和来降低水解和凝胶的速率，导致纺丝操作复杂，制备成本增加。