基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法

1.本发明涉及多孔陶瓷技术领域，具体为基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法。


背景技术：

2.氧化铝纤维具有优良的耐温性和化学稳定性，是一种高性能无机纤维。将氧化铝纤维进行类贝壳层的结构进行设计，可以获得具备高损伤容限的氧化铝纤维层状陶瓷。静电纺丝是一种制备高性能超细纤维的先进技术；与流延成型、注浆成型、轧膜成型、干压成型等传统层状材料成型工艺相比，叠层滴浸压制是一种成本低、简洁且可设计性高的层状材料成型工艺。采用静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备的氧化铝纤维层状多孔陶瓷会呈现优良耐温性、高韧性和高气孔率，可用于高温、隔热、过滤、催化等多领域。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，包括以下步骤：
5.s1：原材料的准备；
6.s2：静电纺丝用前驱体溶液的制备；
7.s3：采用静电纺丝设备制备氧化铝纤维薄膜；
8.s4：硅溶胶的制备；
9.s5：对氧化铝纤维薄膜剪裁、堆叠、滴浸、压制成压层块体；
10.s6：对压层块体进行烘干处理；
11.s7：对处理过的层状生坯进行高温煅烧成型。
12.优选的，所述步骤s1中的原材料包括乙酰乙酸乙酯、异丙醇、仲丁醇铝、n-n二甲基甲酰胺、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)。
13.优选的，所述步骤s2包括以下子步骤：
14.s2.1、在烧杯中按照质量比加入0.9份的螯合剂乙酰乙酸乙酯和12.5份异丙醇，利用高速搅拌机高速搅拌均匀；
15.s2.2、向步骤s2.1所得的混合溶液中加入0.9份仲丁醇铝和1份n-n二甲基甲酰胺；
16.s2.3、向步骤s2.3中加入1.3份助纺剂聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，充分搅拌6h，得纺丝所用前驱体溶液。
17.优选的，所述步骤s4中，按照质量比，取5.6份正硅酸乙酯、8.7份无水乙醇、16.7份去离子水和0.02份稀硝酸混合搅拌，搅拌2h后得到澄清的硅溶胶溶液。
18.优选的，所述步骤s5包括以下子步骤：
19.s5.1、将s3所得的氧化铝纤维薄膜在烘箱中烘干，烘干时间为2h，温度为90℃或
180℃；
20.s5.2、将步骤s5.1的氧化铝纤维薄膜进行高温煅烧，温度为600℃；
21.s5.3、将步骤s5.2中所得的氧化铝纤维膜剪裁成多片尺寸为3mm
×
30mm的小片备用；
22.s5.4、将s5.3中获得的氧化铝纤维膜边叠层边滴加硅溶胶；
23.s5.5、将步骤s5.4获得的多层氧化铝纤维膜进行挤压。
24.优选的，所述步骤s6中的烘干处理是使用鼓风干燥机在75℃下，进行2小时的干燥。
25.优选的，所述步骤s7中使用马弗炉进行高温煅烧。
26.优选的，所述步骤s3中使用静电纺丝设备制备的工艺参数为：电源14kv、接收距离12cm、纺丝速度为0.5ml/h、纺丝温度为22℃、环境湿度40％-60％。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28.1、本发明针对陶瓷脆性大、韧性低等显著缺陷，本发明提供了一种基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备纤维层状多孔陶瓷的新方法。此方法成本低、简洁、可设计性高，可对陶瓷材料固有脆性问题进行改善，具有广泛应用前景。
附图说明
29.图1为实施例1中经1200℃煅烧后的氧化铝纤维层状多孔陶瓷的弱结合面断面10μm扫描电镜图；
30.图2为实施例1中经1200℃煅烧后的氧化铝纤维层状多孔陶瓷的弱结合面断面20μm扫描电镜图；
31.图3为实施例2中经1400℃煅烧后的氧化铝纤维层状多孔陶瓷的弱结合面断面20μm扫描电镜图；
32.图4为实施例2中经1400℃煅烧后的氧化铝纤维层状多孔陶瓷的弱结合面断面50μm扫描电镜图；
33.图5为实施例3中经1200℃煅烧后的氧化铝纤维层状多孔陶瓷的强结合面断面20μm扫描电镜图；
34.图6为实施例3中经1200℃煅烧后的氧化铝纤维层状多孔陶瓷的强结合面断面50μm扫描电镜图；
35.图7为本发明方法流程图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.实施例一
39.请参阅图7和图1-2，本发明提供一种技术方案：基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法：
40.s1：原材料的准备：
41.包括乙酰乙酸乙酯、异丙醇、仲丁醇铝、n-n二甲基甲酰胺、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、正硅酸乙酯、去离子水、无水乙醇、稀硝酸。
42.s2：静电纺丝用前驱体溶液的制备：
43.s2.1、用精密电子称称得1.2g乙酰乙酸乙酯、7.5g异丙醇，置于烧杯中，经过电磁搅拌器带动烧杯中的磁石以400r/min转速高速转动15min，使溶液充分混合。乙酰乙酸乙酯作为纺丝液的螯合剂，为后续溶剂的添加提供良好的液体环境。异丙醇作为仲丁醇铝的有机溶解剂，此时溶液为澄清状。
44.(其中，乙酰乙酸乙酯，ar，98％，阿拉丁试剂；异丙醇，ar，99.5％，罗恩试剂；磁力加热板，型号zncl-dls，巩义市英峪高科仪器厂；电子天平，ja2003，天津天马衡基仪器有限公司；)
45.s2.2、称取2.3g仲丁醇铝和0.8g n，n-二甲基甲酰胺加入到(1)中的溶液里并保持上述转速不变20min，这个过程主要是使仲丁醇铝完全溶解在异丙醇中。此过程不产生化学变化。
46.(其中，n,n-二甲基甲酰胺，ar，天津科密欧化学试剂有限公司；仲丁醇铝，ar，97％，阿拉丁)
47.s2.3、称取1.458g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)缓慢匀速地加入到(2)所得的混合溶液中，保持上述转速不变持续6h。最终得到澄清的氧化铝纺丝溶液。添加pvp的操作过程一定要缓慢，使pvp在溶液中分散均匀。
48.(其中，聚乙烯吡咯烷酮，罗恩试剂)
49.s3：采用静电纺丝工艺制备氧化铝纤维薄膜：
50.利用高压电静电纺丝机对s2制备的纺丝溶液进行静电纺丝，最终得到柔性的氧化铝纳米纤维薄膜。
51.上述静电纺丝过程中，纺丝机的具体参数设定为：纺丝电压14kv，纺丝针头与纤维膜接收滚筒的距离为12cm，纺丝注射器推进速度为0.5ml/h，保持室温22℃-24℃，环境湿度为40％-60％。
52.(其中，静电纺丝机，型号jdf05，长沙纳仪仪器科技有限公司。)
53.s4：硅溶胶的制备：
54.(1)称取4g的无水乙醇、6g的正硅酸乙酯置于烧杯中，经过电磁搅拌器带动烧杯中的磁石以500r/min转速高速转动5min，烧杯中为澄清溶液。
55.(其中，正硅酸乙酯，二氧化硅38％-42％，罗恩试剂)
56.(2)称取3g的去离子水加入到上述溶液中，保持搅拌速率不变，搅拌10min。
57.(3)用胶头滴管吸取适量浓度为1.5mol/l稀硝酸，缓慢地向上述溶液中滴加0.135g，保持高速搅拌2h，得到澄清的硅溶胶溶液。
58.s5：对氧化铝纤维薄膜剪裁、堆叠、滴浸、压制成层：
59.s5.1、将s3纺丝得到的氧化铝纳米纤维薄膜折叠置于鼓风干燥箱中干燥，升温制度为90℃/2h，180℃/2h，得到交联固化的纳米纤维薄膜。
60.(其中，电热鼓风干燥箱，gfl-70，天津莱玻特瑞仪器设备有限公司)
61.s5.2、将上述得到的纳米纤维薄膜置于马弗炉中，高温煅烧到600℃，去除大部分有机物。煅烧制度为升温速率1℃/min，保温2h，最后随炉冷却至室温。
62.(其中，马弗炉，ksl-1200x-m，合肥科晶材料技术有限公司)
63.s5.3、将高温煅烧后的纳米纤维薄膜剪裁成3mm
×
30mm的矩形块备用纤维片叠层。
64.s5.4、用注射器吸取适量硅溶胶，在纤维片叠层过程中，边叠层边滴加硅溶胶。
65.s5.5、对叠层得到的层状块体施加700n压力，保压5h。
66.s6：对压层块体进行烘干处理：将s5得到的样品在鼓风干燥箱中进行烘干处理2h。干燥温度保持在为75℃。
67.(其中，电热鼓风干燥箱，gfl-70，天津莱玻特瑞仪器设备有限公司)
68.s7：对处理过的层状生坯进行高温煅烧成型：将干燥后的样品进行1200℃高温煅烧。煅烧制度为升温速率1℃/min，保温2h，最后随炉冷却至室温。最终得到氧化铝纤维层状多孔陶瓷。
69.(其中，马弗炉，ksl-1700x-m，合肥科晶材料技术有限公司)
70.实施例二
71.请参阅图7和图3、4，与实施例1不同在于，煅烧温度为1400℃。
72.实施例三
73.请参阅图7和图5、6，与实施例1不同在于，施加压力为1400n。
74.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
75.以上述介绍的操作步骤制备出3组样品，通过对叠层得到的层状块体施加不同煅烧温度和不同压力，制备出具有弱结合层的氧化铝纤维层状多孔陶瓷和强结合层的氧化铝纤维层状多孔陶瓷。
76.通过扫描电子显微镜对上述制得的氧化铝纤维层状多孔陶瓷进行微观形貌的观察并进行分析。观察扫描电镜图我们发现，制备过程中对块体施加压力不同，层状多孔陶瓷的内部孔隙和层间结合状况会发生变化。施加压力小，层间孔隙率高，各层间结合较松散；施加压力大，层间孔隙率低，各层间结合较紧密。说明该工艺制备的层状多孔陶瓷的孔隙率具有一定程度的可调性。而不同孔隙率的层状多孔陶瓷可面向多种应用。
77.本发明中，以静电纺丝制备纳米氧化铝纤维薄膜，通过简单地堆叠、滴浸硅溶胶，得到孔隙率和层间结合状态可调的层状多孔陶瓷。样品内部结构表现出多尺度层状结构，包括宏观层状结构和纳米层状结构，可有效提升多孔陶瓷的损伤容限；样品由于呈现多孔结构，有望应用于隔热、过滤、催化等领域。
78.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
79.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：原材料的准备；s2：静电纺丝用前驱体溶液的制备；s3：采用静电纺丝设备制备氧化铝纤维薄膜；s4：硅溶胶的制备；s5：对氧化铝纤维薄膜剪裁、堆叠、滴浸、压制成压层块体；s6：对压层块体进行烘干处理；s7：对处理过的层状生坯进行高温煅烧成型。2.根据权利要求1所述的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述步骤s1中的原材料包括乙酰乙酸乙酯、异丙醇、仲丁醇铝、n-n二甲基甲酰胺、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)。3.根据权利要求1所述的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述步骤s2包括以下子步骤：s2.1、在烧杯中按照质量比加入0.9份的螯合剂乙酰乙酸乙酯和12.5份异丙醇，利用高速搅拌机高速搅拌均匀；s2.2、向步骤s2.1所得的混合溶液中加入0.9份仲丁醇铝和1份n-n二甲基甲酰胺；s2.3、向步骤s2.3中加入1.3份助纺剂聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，充分搅拌6h，得纺丝所用前驱体溶液。4.根据权利要求1所述的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述步骤s4中，按照质量比，取5.6份正硅酸乙酯、8.7份无水乙醇、16.7份去离子水和0.02份稀硝酸混合搅拌，搅拌2h后得到澄清的硅溶胶溶液。5.根据权利要求1所述的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述步骤s5包括以下子步骤：s5.1、将s3所得的氧化铝纤维薄膜在烘箱中烘干，烘干时间为2h，温度为90℃或180℃；s5.2、将步骤s5.1的氧化铝纤维薄膜进行高温煅烧，温度为600℃；s5.3、将步骤s5.2中所得的氧化铝纤维膜剪裁成多片尺寸为3mm
×
30mm的小片备用；s5.4、将s5.3中获得的氧化铝纤维膜边叠层边滴加硅溶胶；s5.5、将步骤s5.4获得的多层氧化铝纤维膜进行挤压，压力700n-1400n。6.根据权利要求1所述的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述步骤s6中的烘干处理是使用鼓风干燥箱在75℃下，进行2小时的干燥。7.根据权利要求1所述的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述步骤s7中使用马弗炉进行高温煅烧,煅烧温度600℃-1400℃。8.根据权利要求1所述的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述步骤s3中使用静电纺丝设备制备的工艺参数为：电源14kv、接收距离12cm、纺丝速度为0.5ml/h、纺丝温度为22℃、环境湿度40％-60％。

技术总结
本发明公开了基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备层状多孔陶瓷的方法：S1：原材料的准备；S2：静电纺丝用前驱体溶液的制备；S3：采用静电纺丝设备制备氧化铝纤维薄膜；S4：硅溶胶的制备；S5：对氧化铝纤维薄膜剪裁、堆叠、滴浸、压制成压层块体；S6：对压层块体进行烘干处理；S7：对处理过的层状生坯进行高温煅烧成型。本发明提供的基于静电纺丝-叠层滴浸压制工艺制备纤维层状多孔陶瓷的方法成本低、操作简单，易于制成任意形状、可设计性强。可设计性强。可设计性强。


技术研发人员：董学 牛博
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/7