直接電紡制備多孔γ-Al2O3纖維研究

溫佳杰 許凱政 李潤康 呂東風(fēng) 崔 燚， 于 洋 陳越軍 魏穎娜 魏恒勇 于 云 卜景龍

(1華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北省無機(jī)非金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009；2中科院特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201899)

0 引言

多孔氧化鋁纖維因其化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、使用溫度高等突出性能而備受關(guān)注，在保溫隔熱、吸附、過濾等領(lǐng)域顯示出其優(yōu)越性。因此，制備出高比表面積的多孔氧化鋁纖維將會(huì)推動(dòng)其在上述領(lǐng)域的應(yīng)用。

多孔氧化鋁纖維的制備方法有模板法、水熱法、靜電紡絲法等，模板法和水熱法所制備的多孔纖維直徑為微米級(jí)，直徑較大并且孔結(jié)構(gòu)難以控制，因而導(dǎo)致其比表面積較??；而靜電紡絲法制備的纖維孔結(jié)構(gòu)易調(diào)控且纖維直徑為納米級(jí)，比表面積較大。

例如王鵬以液體石蠟作為分相助劑，采用同軸靜電紡絲法制備出多孔氧化鋁纖維，經(jīng)過800 ℃熱處理后其比表面積可達(dá)108 m/g。然而，同軸靜電紡絲需要同步調(diào)控內(nèi)外液參數(shù)才可以獲得多孔結(jié)構(gòu)。為此，本研究選用操作更為簡單的單軸靜電紡絲法，在不使用分相劑的前提下，直接制備多孔氧化鋁纖維，并探討其多孔結(jié)構(gòu)的形成過程。

1 實(shí)驗(yàn)

將6 g聚乙烯醇（PVA）加入到60 mL去離子水中水浴加熱到80 ℃，并攪拌2 h得到PVA水溶液。取10 ml上述PVA水溶液，將4 g羥基氯化鋁加入其中磁力攪拌1 h，靜置兩天以消除氣泡，得到紡絲液。采用如下參數(shù)制備多孔氧化鋁前驅(qū)體纖維：紡絲電壓為28 kV，推進(jìn)速度為0.5 ml/h，接收距離為15 cm。對前驅(qū)體纖維于800 ℃熱處理，升溫速率為5 ℃/min，保溫2 h，得到多孔氧化鋁纖維。

1.1 測試與表征

采用X射線衍射儀（D/MAX2500PC）分析產(chǎn)物的物相組成，掃描速度為10°/min，掃描角度為10～80 °。利用掃描電子顯微鏡（S-4800）觀察樣品微觀形貌，用全自動(dòng)比表面積分析儀（3H-2000PM1）測定了樣品的N吸附-脫附曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

為分析靜電紡絲技術(shù)制備的前驅(qū)體纖維經(jīng)過800 ℃熱處理的物相組成，對其進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖1所示。在其圖譜中有七個(gè)衍射峰位于19.58°、31.93°、37.60°、39.49°、45.78°、60.45°、66.76°處，它們分別對應(yīng)γ-AO晶體(PDF#29-0063)為(1 1 1)、(2 2 0)、(3 1 1)、(2 2 2)、(4 0 0)、(5 1 1)、(4 4 0)的晶面指數(shù)，表明制備的氧化鋁纖維物相為γ-AlO，但衍射峰強(qiáng)度不高，表明纖維中氧化鋁晶體發(fā)育并不好，該纖維活性較高。

圖1 γ-Al2O3纖維的XRD圖譜

2.2 形貌分析

合成纖維的SEM照片如圖2所示，由SEM圖片可知，γ-AlO纖維較為連續(xù)，其直徑分布均勻，平均直徑300 nm左右。此外，纖維表面不光滑，存在一定納米孔結(jié)構(gòu)。

圖2 γ-Al2O3纖維的SEM圖片

2.3 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

為進(jìn)一步分析γ-AlO纖維孔結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行了N吸附/脫附實(shí)驗(yàn)，N吸附/脫附曲線及BJH孔徑分布曲線由圖3所示。由圖3可知，樣品的N吸附/脫附等溫曲線為Ⅳ型，在P/P0為0.4～1.0范圍內(nèi)存在H3型回滯環(huán)，當(dāng)相對壓力增大至0.9時(shí)，吸附量迅速上升，表明該γ-AlO纖維具有典型的介孔結(jié)構(gòu)。由孔徑分布曲線可知，樣品的比表面積為31.5m/g，孔徑分布較為集中，平均孔徑為7.7 nm，總孔容為0.1 cm/g，纖維中孔的形成與熱處理過程纖維中的PVA熱分解有關(guān)。其成孔機(jī)理如圖4所示，熱處理過程中，羥基氯化鋁從纖維內(nèi)部擴(kuò)散到表面，由于羥基氯化鋁的分解不會(huì)引起纖維結(jié)構(gòu)的坍塌，能夠達(dá)到制備多孔氧化物納米纖維的要求，并且PVA分解產(chǎn)生的氣體從纖維內(nèi)部向外擴(kuò)散，進(jìn)一步導(dǎo)致了微孔的形成。

圖3 (A)γ-Al2O3纖維的N2吸附-脫附等溫線，(B)BJH孔徑分布曲線

圖4 γ-Al2O3纖維的成孔機(jī)理圖

3 結(jié)論

通過直接靜電紡絲可以制備出直徑均勻的多孔γ-AlO纖維，纖維表面存在大量介孔結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)31.5 m/g，其在保溫隔熱與吸附領(lǐng)域存在較好的應(yīng)用潛力。