直接电纺制备多孔γ-Al2O3纤维研究

2022-03-26温佳杰许凯政李润康吕东风陈越军魏颖娜魏恒勇卜景龙

江苏陶瓷 2022年1期

关键词：纺丝孔径氧化铝

温佳杰许凯政李润康吕东风崔燚，于洋陈越军魏颖娜魏恒勇于云卜景龙

(1华北理工大学材料科学与工程学院，河北省无机非金属材料重点实验室，河北唐山 063009；2中科院特种无机涂层重点实验室，上海 201899)

0 引言

多孔氧化铝纤维因其化学稳定性好、热导率低、使用温度高等突出性能而备受关注，在保温隔热、吸附、过滤等领域显示出其优越性。因此，制备出高比表面积的多孔氧化铝纤维将会推动其在上述领域的应用。

多孔氧化铝纤维的制备方法有模板法、水热法、静电纺丝法等，模板法和水热法所制备的多孔纤维直径为微米级，直径较大并且孔结构难以控制，因而导致其比表面积较小；而静电纺丝法制备的纤维孔结构易调控且纤维直径为纳米级，比表面积较大。

例如王鹏以液体石蜡作为分相助剂，采用同轴静电纺丝法制备出多孔氧化铝纤维，经过800 ℃热处理后其比表面积可达108 m/g。然而，同轴静电纺丝需要同步调控内外液参数才可以获得多孔结构。为此，本研究选用操作更为简单的单轴静电纺丝法，在不使用分相剂的前提下，直接制备多孔氧化铝纤维，并探讨其多孔结构的形成过程。

1 实验

将6 g聚乙烯醇（PVA）加入到60 mL去离子水中水浴加热到80 ℃，并搅拌2 h得到PVA水溶液。取10 ml上述PVA水溶液，将4 g羟基氯化铝加入其中磁力搅拌1 h，静置两天以消除气泡，得到纺丝液。采用如下参数制备多孔氧化铝前驱体纤维：纺丝电压为28 kV，推进速度为0.5 ml/h，接收距离为15 cm。对前驱体纤维于800 ℃热处理，升温速率为5 ℃/min，保温2 h，得到多孔氧化铝纤维。

1.1 测试与表征

采用X射线衍射仪（D/MAX2500PC）分析产物的物相组成，扫描速度为10°/min，扫描角度为10～80 °。利用扫描电子显微镜（S-4800）观察样品微观形貌，用全自动比表面积分析仪（3H-2000PM1）测定了样品的N吸附-脱附曲线。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

为分析静电纺丝技术制备的前驱体纤维经过800 ℃热处理的物相组成，对其进行XRD分析，结果如图1所示。在其图谱中有七个衍射峰位于19.58°、31.93°、37.60°、39.49°、45.78°、60.45°、66.76°处，它们分别对应γ-AO晶体(PDF#29-0063)为(1 1 1)、(2 2 0)、(3 1 1)、(2 2 2)、(4 0 0)、(5 1 1)、(4 4 0)的晶面指数，表明制备的氧化铝纤维物相为γ-AlO，但衍射峰强度不高，表明纤维中氧化铝晶体发育并不好，该纤维活性较高。

图1 γ-Al2O3纤维的XRD图谱

2.2 形貌分析

合成纤维的SEM照片如图2所示，由SEM图片可知，γ-AlO纤维较为连续，其直径分布均匀，平均直径300 nm左右。此外，纤维表面不光滑，存在一定纳米孔结构。

图2 γ-Al2O3纤维的SEM图片

2.3 孔结构参数分析

为进一步分析γ-AlO纤维孔结构，对其进行了N吸附/脱附实验，N吸附/脱附曲线及BJH孔径分布曲线由图3所示。由图3可知，样品的N吸附/脱附等温曲线为Ⅳ型，在P/P0为0.4～1.0范围内存在H3型回滞环，当相对压力增大至0.9时，吸附量迅速上升，表明该γ-AlO纤维具有典型的介孔结构。由孔径分布曲线可知，样品的比表面积为31.5m/g，孔径分布较为集中，平均孔径为7.7 nm，总孔容为0.1 cm/g，纤维中孔的形成与热处理过程纤维中的PVA热分解有关。其成孔机理如图4所示，热处理过程中，羟基氯化铝从纤维内部扩散到表面，由于羟基氯化铝的分解不会引起纤维结构的坍塌，能够达到制备多孔氧化物纳米纤维的要求，并且PVA分解产生的气体从纤维内部向外扩散，进一步导致了微孔的形成。