多噴頭靜電紡絲制備鎂鋁尖晶石納米纖維的研究

李慧 魏恒勇 魏穎娜 楊金夢(mèng) 季文玲 康健

摘 要 本文以無(wú)水氯化鋁、無(wú)水氯化鎂、無(wú)水乙醇為原料，二氯甲烷為溶劑，采用非水解溶膠-凝膠法制備出干凝膠前驅(qū)體，加入紡絲助劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制成紡絲液，采用多噴頭靜電紡絲法制備鎂鋁尖晶石/PVP前驅(qū)體纖維，最后經(jīng)煅燒制成納米鎂鋁尖晶石纖維，利用DTA-TG、XRD、FTIR和SEM表征了鎂鋁尖晶石纖維的形成過(guò)程。結(jié)果表明，經(jīng)500℃煅燒后，纖維中有機(jī)物基本排除，但此時(shí)纖維為無(wú)定形態(tài)。經(jīng)700℃煅燒纖維出現(xiàn)鎂鋁尖晶石相，而經(jīng)900℃煅燒所得纖維中鎂鋁尖晶石發(fā)育更加完全，纖維表面光滑，直徑細(xì)小，分布在100nm～300nm范圍。

關(guān)鍵詞 多噴頭靜電紡絲；鎂鋁尖晶石；納米纖維

0 前 言

鎂鋁尖晶石纖維熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率低、密度小，具有良好的抗熱震性和較強(qiáng)的抗腐蝕能力，可作為增強(qiáng)體強(qiáng)化金屬及增韌陶瓷，制備用于汽車活塞及剎車等部位的高級(jí)復(fù)合材料部件，還可應(yīng)用在航天飛機(jī)隔熱材料、工業(yè)窯爐保溫等。其中，開發(fā)具有連續(xù)性和高強(qiáng)度的鎂鋁尖晶石納米纖維是其應(yīng)用研究的關(guān)鍵。

在制備鎂鋁尖晶石纖維常用的方法中，提拉法和干法紡絲法制備的纖維直徑多為微米級(jí)；氣相沉積法雖能制備出直徑約為100nm的纖維，但該法能耗大，工藝復(fù)雜不易控制。而靜電紡絲技術(shù)工藝簡(jiǎn)單易控，可直接制備直徑為納米級(jí)的連續(xù)纖維，已成功應(yīng)用于TiO2、Al2O3、SiO2及莫來(lái)石等纖維的制備，我們已運(yùn)用單噴頭靜電紡絲法成功地制備了鎂鋁尖晶石纖維，為了提高纖維產(chǎn)量加快工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程，本文采用多噴頭靜電紡絲法制備鎂鋁尖晶石納米纖維，并對(duì)鎂鋁尖晶石纖維的形成過(guò)程進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1原料

試驗(yàn)用原料有無(wú)水氯化鋁、無(wú)水氯化鎂、無(wú)水乙醇、二氯甲烷、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，平均分子量Mw=1 300 000）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF），均為分析純?cè)噭?/p>

1.2鎂鋁尖晶石纖維制備

向100mL燒杯中加入60mL二氯甲烷、2mL無(wú)水乙醇，分別稱量0.56g無(wú)水氯化鎂和1.6g無(wú)水氯化鋁，依次緩慢加入上述溶劑中，并進(jìn)行磁力攪拌60min，然后將其加熱至110℃，保溫5h，以引發(fā)非水解溶膠-凝膠反應(yīng)，形成鎂鋁尖晶石干凝膠。將4gPVP緩慢加入到64mL的無(wú)水乙醇中攪拌均勻，然后將混合PVP乙醇溶液加入上述干凝膠中，并立即向干凝膠中加入4mLDMF，磁力攪拌2h，得到靜電紡絲前驅(qū)體溶液。

以上述靜電紡絲前驅(qū)體溶液為紡絲液，采用深圳通力微納有限公司的環(huán)形六噴頭，針頭型號(hào)為20G，以及Cole Parmer公司的78-9100C型微型注射泵（見圖1），進(jìn)料速度為3mL·h-1，接收距離均為15cm，紡絲電壓為24KV，制備鎂鋁尖晶石前驅(qū)體纖維，然后在110℃干燥16h后，以3℃·min-1升溫速率升溫至500～900℃煅燒1h得到鎂鋁尖晶石納米纖維。

1.3測(cè)試與表征

采用德國(guó)NETZSCH STA449C型綜合熱分析儀對(duì)鎂鋁尖晶石纖維進(jìn)行差熱和熱重分析。在N2氣氛下，以α-Al2O3粉為參照試樣，測(cè)試溫度范圍為室溫～1000℃，升溫速度為10℃/min。采用德國(guó)布魯克公司VERTEX70型傅里葉紅外光譜分析儀，進(jìn)行纖維分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵分析。采用D/MAX2500PC 型X 射線衍射儀分析纖維的物相組成，掃描角度為10°～80°，掃描速度為10°·min-1，輻射源靶材為Cu Kα。采用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察纖維的形貌。

2 結(jié)果與討論

研究鎂鋁尖晶石凝膠/PVP復(fù)合纖維在熱處理過(guò)程的相變化，圖2給出了其DTA-TG曲線。

可以看出，從室溫到339℃，樣品失重為27%，對(duì)應(yīng)DTA曲線上在117℃左右有一個(gè)吸熱峰，這可能是由于鎂鋁尖晶石凝膠/PVP前驅(qū)體纖維中殘存有機(jī)物揮發(fā)和分解所致。從339℃到485℃，樣品失重劇烈，樣品失重為45%，是PVP逐漸分解所致。DTA曲線上，在以555℃為中心存在一個(gè)較寬的放熱峰，這可能是由于生成鎂鋁尖晶石相所致。

為了研究鎂鋁尖晶石纖維形成溫度，將鎂鋁尖晶石凝膠/PVP前驅(qū)體纖維在500℃、700℃和900℃煅燒1h后，經(jīng)XRD分析結(jié)果如圖3所示。

可以看出，前驅(qū)體纖維經(jīng)500℃煅燒后，其XRD圖譜中基本上都是較寬的非晶峰，此時(shí)產(chǎn)物仍為無(wú)定形態(tài)，經(jīng)過(guò)700℃出現(xiàn)鎂鋁尖晶石相特征衍射峰，經(jīng)過(guò)900℃煅燒所得纖維的衍射峰更加尖銳，峰強(qiáng)更大，這表明鎂鋁尖晶石晶體發(fā)育得更加完全。相對(duì)于傳統(tǒng)方法如固相法和沉淀法等在1 000℃以上才能獲得完整的MgAl2O4相，本實(shí)驗(yàn)所采用的非水解溶膠凝膠法具有合成溫度低的優(yōu)點(diǎn)。圖4為不同煅燒溫度下制備的纖維的FTIR圖譜。

查閱資料可得，PVP的紅外圖譜在3 000～3 500cm-1之間出現(xiàn)的較寬吸收譜帶為H-O振動(dòng)峰；在1 420cm-1、1 290cm-1附近分別為環(huán)骨架上C-C和C-N振動(dòng)，在1 660cm-1處的吸收峰為PVP中C=O振動(dòng)吸收峰；鎂鋁尖晶凝膠/PVP前驅(qū)體纖維的紅外圖譜中PVP中C=O的伸縮振動(dòng)峰位于1 648cm-1處，說(shuō)明鎂鋁尖晶石凝膠與PVP之間形成了化學(xué)鍵。隨著煅燒溫度的升高500℃，上述各個(gè)吸收譜帶均逐漸減弱甚至消失，這說(shuō)明纖維中有機(jī)物基本排除。

經(jīng)700℃煅燒后，纖維紅外圖譜中在535cm-1和717cm-1附近出現(xiàn)兩個(gè)振動(dòng)峰，為鎂鋁尖晶石晶體結(jié)構(gòu)中Al-O和Mg-O的伸縮振動(dòng)峰，這表明700℃煅燒1h后已經(jīng)有鎂鋁尖晶石相生成。煅燒溫度升高到900℃時(shí)，纖維紅外圖譜中吸收譜帶對(duì)稱性更好，更加尖銳，峰強(qiáng)度更大，生成的尖晶石相發(fā)育更加完全。不同溫度下纖維的SEM照片和纖維直徑分布圖如圖5所示。

經(jīng)500℃熱處理后，前驅(qū)體纖維中有機(jī)物經(jīng)過(guò)煅燒揮發(fā)，纖維直徑變細(xì)小，集中在400nm左右，平均直徑為416nm；經(jīng)700℃熱處理后，纖維平均直徑為266nm，進(jìn)一步減小，是PVP分解所致；而經(jīng)900℃熱處理后，纖維平均直徑為210nm，纖維直徑進(jìn)一步減小，纖維直徑分布在100～300nm，纖維表面光滑。因此，隨著煅燒溫度的升高，纖維中有機(jī)物揮發(fā)分解，纖維直徑呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

以非水解溶膠凝膠為前驅(qū)體，采用多噴頭靜電紡絲法可以在900℃合成鎂鋁尖晶石納米纖維，所制備的纖維物相單一，纖維連續(xù)，表面光滑，直徑在100～300nm之間。

參 考 文 獻(xiàn)

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