[发明专利]一类锆酸盐纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一类锆酸盐纤维及其制备方法，所述的锆酸盐包含碱金属锆酸盐、碱土金属锆酸盐和稀土锆酸盐，所述的碱金属锆酸盐纤维在1100℃保持纤维形态完整，所述的碱土金属锆酸盐和稀土锆酸盐纤维在1400℃保持纤维形态完整。制备方法是以氧氯化锆为锆源，水为溶剂，乙酸盐为碱金属、碱土金属或稀土元素源，高分子聚合物为助纺剂，通过静电纺丝技术或离心成纤技术获得锆酸盐前驱体纤维，前驱体纤维经过热处理获得锆酸盐纤维。本发明具有工艺简单、溶胶稳定性好、前驱体纤维固含量高、成本低、不使用有机溶剂等优点。所制备的无机纤维质量稳定，高温条件下纤维形态完整，在过滤、催化、载体、隔热、气体吸收、防火等领域具有应用前景。

技术领域

本发明涉及一类锆酸盐纤维及其制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

锆酸盐是金属氧化物-ZrO₂二元体系中形成稳定物相组成的二元化合物，陶瓷纤维具有质轻、耐高温、低热导率和抗热震稳定等优势，锆酸盐纤维则兼具了锆酸盐和陶瓷纤维的共同特点，已经发展成为一类具有多用途的高温功能材料和结构材料，在吸附、隔热、保温、催化剂载体和催化剂等高温领域有广阔的应用情景。

随着温室气体CO₂对气候影响的日益加剧，节能减排标准的日益提高，工业领域排放的高温CO₂气体的能源利用成为人们普遍关注的热点问题之一。碱金属锆酸盐如锆酸锂、锆酸钠、锆酸钾以其合适的温度吸收范围、高的CO₂吸附能力和吸收容量，在CO₂吸附领域得到了广泛的研究。例如CN104556222B制备的连续多孔锆酸锂微球、CN109574072A制备的锆酸钠在高温CO₂吸附领域展现重要的应用前景。陶瓷纤维结构不但具有自支撑的结构特点，而且还可以为锆酸盐制品获得更高的气孔率和更大的气体通量，因此，能够进一步提升碱金属锆酸盐材料在高温CO₂吸附领域的使用性能。

碱土锆酸盐纤维和稀土锆酸盐纤维则以其高熔点、低热导率、抗氧化、抗烧结和耐腐蚀等优良特性，在高温隔热领域展现出优异的性能，成为以航空航天尖端领域和高温隔热窑炉民用领域为代表应用领域的有前景的热防护材料。例如，和传统的硅酸铝和莫来石纤维相比，稀土锆酸镧纤维和碱土锆酸钡纤维具有更高的使用温度，更优异的高温相稳定性和更低的热导率，已经发展成为高温隔热领域新型陶瓷纤维材料。

目前，关于碱金属锆酸盐纤维的研究方面，在2018年发表的文章《Fabrication ofdense and porous Li₂ZrO₃ nanofibers with electrospinning method》，主要是利用碱式碳酸锆、冰乙酸和乙酸锂为原料，通过静电纺丝技术制备了致密和多孔的锆酸锂纤维，而对于锆酸钠和锆酸钾纤维的制备尚未见有相关报道。专利CN105624834B提供了一种通过利用碱式碳酸锆、乙酸钡和有机酸络合剂制备锆酸钡纤维的方法，该方法操作简单，简便易行，但是有机物含量相对较多，同时使用了大量的有机溶剂。专利CN103553596B提供了一种锆酸镧纤维的制备方法，主要是利用硝酸锆、硝酸镧为原料，柠檬酸为螯合剂，通过离心成纤技术制备了锆酸镧纤维。专利CN108505145B公开了一种锆酸钙纤维的制备方法，利用碱式碳酸锆为锆源、无机钙盐为钙源，冰乙酸为酸源制备了锆酸钙纤维。专利CN109750388A提供了一种缺陷型萤石相锆酸钆纤维的制备方法，该方法利用碱式碳酸锆为锆源，钆的无机盐为钆源，冰乙酸为酸源制备了锆酸钆纤维。从以上锆酸盐纤维的制备方法可以看出，酸源作为碱式碳酸锆的溶剂或者柠檬酸作为硝酸锆的螯合剂是氧化锆前驱体溶胶的主要制备方法，有机酸的使用增大了溶胶的可纺性，同时也增加了溶液的酸性和前驱体纤维中有机物的含量，导致纤维失重量增大，阻碍纤维的致密性，增大了后期热处理温度和气体环境处理的负担，此外，使用无机盐作为碱金属、碱土金属和稀土金属源，并不能增加溶胶的可纺丝性，可能会导致有机助纺剂使用含量的增大。因此，对于锆酸盐纤维的制备来说，还有提升空间。

因此，为了优化锆酸盐前驱体溶胶和前驱体纤维制备，提高溶胶的可纺性，降低溶胶酸性和有机物的使用量，特提出本发明。