氣凝膠纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣凝膠纖維及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣凝膠(aerogel)是指凝膠中的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)不是溶劑而是氣體，外表呈固體狀的特殊凝膠，因為其內(nèi)部幾乎沒有溶劑成分，因此也被稱為干凝膠。氣凝膠是一種低密度的納米多孔非晶態(tài)固體材料，具有獨特的結(jié)構(gòu)，其固體相形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)間的孔隙結(jié)構(gòu)都為納米級別。因其結(jié)構(gòu)的獨特性，使氣凝膠同樣具有很多獨特性能，如高孔隙率、高比表面、強吸附性、低密度、低聲阻抗、低導(dǎo)熱率、低折射等。
[0003]Si02氣凝膠其高比表面積可以提供大量的反應(yīng)/相互作用活性中心，特別有利于與界面作用相關(guān)的過程，例如吸附、催化和電化學(xué)作用;其孔道可作為多功能存儲器及單分散的納米反應(yīng)器;其特殊的納米孔道及形狀為交叉學(xué)科的研究帶來了及其豐富的空間和場所，例如生物分子、藥物分子、反應(yīng)物分子在納米孔道內(nèi)的擴散行為、與活性中心的接觸性能、反應(yīng)活性等都與孔結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系；而其納米尺度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所帶來的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，使一些經(jīng)過功能化改性的Si02氣凝膠材料在傳感器、鋰電池和納米器件中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能；其低熱導(dǎo)率使其在隔熱墻、隔熱窗、帳篷隔熱層等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。正是氣凝膠在微觀界面結(jié)構(gòu)及材料性能上的獨特優(yōu)勢，使它們成為材料研究領(lǐng)域的熱點之一Ο
[0004]氣凝膠的性能除了與其微觀形貌有關(guān)之外，與多孔復(fù)合材料的宏觀形貌也有重要關(guān)系。對于Si02氣凝膠材料，現(xiàn)如今已有大量的文獻報道了零維粉末、二維薄膜、三維塊體，但對一維的Si02氣凝膠纖維卻很少報道。這主要是因為相比較其他維度的多孔材料，纖維狀多孔材料對制備原料、制備條件等方面有更多的要求。然而，纖維狀多孔材料卻有著其它維度材料所不具備的優(yōu)異性能。類比同樣為無機多孔纖維的多孔活性碳纖維，傳統(tǒng)的活性炭是一種經(jīng)過活化處理的多孔炭，為粉末狀或顆粒狀，而活性碳纖維則為纖維狀，纖維上布滿微孔，其對有機氣體吸附能力比顆?；钚蕴吭诳諝庵懈邘妆吨翈资叮谒芤褐懈??6倍，吸附速率快100?1000倍?；钚蕴祭w維的纖維直徑為5?20μπι，比表面積平均在1000?1500m2/g左右，平均孔徑在1.0?4.0nm，微孔均勾分布于纖維表面。與活性炭相比，活性碳纖維微孔孔徑小而均勻，結(jié)構(gòu)簡單，對于吸附小分子物質(zhì)吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附。與被吸附物的接觸面積大，且可以均勻接觸與吸附，使吸附材料得以充分利用。效率高，且具有纖維、氈、布和紙等各種纖細的表態(tài)，孔隙直接開口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達吸附位的擴散路徑短，且本身的外表面積較內(nèi)表面積高出兩個數(shù)量級。在空氣或水體凈化方面，粒狀或粉狀的結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生堆疊，它的吸附速度較慢，分離效率不高，特別是它的物理形態(tài)在應(yīng)用時有許多不便，限制了應(yīng)用范圍?；钚蕴坷w維孔徑小且分布窄，吸附速度快，吸附量大，容易再生。與粉狀(5nm?30nm)活性炭相比，活性炭纖維在使用過程中產(chǎn)生的微粉塵少，可制成紗、線、織物、氈等多種形態(tài)的制品，使用時更加靈活方便。而塊狀或膜狀的結(jié)構(gòu)，使得空氣或水體在通過時會產(chǎn)生很大的阻力，濾前與濾后的壓力相差很大。將Si02氣凝膠制成纖維形態(tài)，將使其性能更為優(yōu)異。
[0005]但由于Si02氣凝膠為無機材料，其內(nèi)部又有大量孔洞存在，使得Si02氣凝膠十分脆弱、易碎。而制成Si02氣凝膠纖維后，就更容易折斷。為了使Si02氣凝膠纖維的優(yōu)秀性能在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，亟需我對Si02氣凝膠纖維進行改性，使其變得強韌。
[0006]目前關(guān)于使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維的文獻還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維的制備方法，該方法具有原料便宜易得、反應(yīng)過程簡單、可紡性好的特點，所制得的使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維具有豐富的孔洞、超高的比表面積、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕，同時纖維比表面積可調(diào)，有一定的韌性，可擴大氣凝膠纖維的應(yīng)用范圍，更具有實用價值。
[0008]本發(fā)明的PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維，所述氣凝膠纖維的孔洞在納米尺度范圍，且可以通過改變制備條件來調(diào)節(jié)比表面積大小。
[0009 ]本發(fā)明的一種PVP涂覆的韌性s i02氣凝膠纖維的制備方法，包括:
[0010](1)將硅酸鹽或硅醇溶膠配制成紡絲原液；
[0011](2)在凝固槽內(nèi)加入酸性溶液作為凝固??；
[0012](3)將步驟(1)中紡絲原液加入到凝固浴內(nèi)，進行反應(yīng)濕法紡絲，得到原硅酸/硅酸鹽纖維;紡絲原液遇到凝固浴酸發(fā)生快速的強酸制弱酸反應(yīng)生成固相原硅酸，實現(xiàn)濕法紡絲所要求的快速液固相轉(zhuǎn)變，形成原硅酸/硅酸鹽纖維，此過程同時發(fā)生溶膠凝膠化；
[0013](4)將步驟(3)中的原硅酸/硅酸鹽纖維卷繞，然后浸入陳化溶液中常溫陳化2?10天;使原硅酸/硅酸鹽纖維進一步發(fā)生溶膠凝膠化，實現(xiàn)由原硅酸/硅酸鹽纖維向Si02纖維轉(zhuǎn)變，同時形成大量孔洞；
[0014](5)將步驟(4)中陳化后的纖維用去離子水洗滌至中性，使用乙醇進行溶劑置換，并在常溫下干燥；
[0015](6)將步驟(5)中干燥后的纖維浸入濃度為5wt %?15wt %的PVP水溶液中5min后，取出，重復(fù)浸入PVP及干燥操作2-5次，干燥，得到PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維。
[0016]所述步驟(1)中硅酸鹽為鈉水玻璃、鉀水玻璃或九水硅酸鈉，硅醇溶膠為正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷或苯基三甲氧基硅烷在稀酸條件下水解成的溶膠。
[0017]所述步驟(1)中紡絲原液鈉水玻璃、鉀水玻璃的模數(shù)為2?3，波美度為35?50，九水硅酸鈉直接加熱成溶液無需再加溶劑，硅醇溶膠的粘度為0.01?0.1Pa.S，硅含量大于10wt%。
[0018]所述步驟(2)中酸性溶液為濃度為0.2mo 1/L?0.8mo 1/L的稀硫酸溶液、濃度為
0.4mol/L?1.2mol/L的稀鹽酸溶液或濃度為12mol/L?15mol/L的醋酸。
[0019]所述步驟(3)中反應(yīng)濕法紡絲的條件為常溫常壓。
[°02°]所述步驟(4)中卷繞的速度為0.1?2m/s。
[0021 ] 所述步驟(4)中陳化溶液為配制低濃度酸溶液:濃度為0.005mol/L?0.lmol/L的稀硫酸溶液、濃度為0.01mol/L?0.2mol/L的稀鹽酸溶液或濃度為0.005mol/L?0.lmol/L的草酸。
[0022 ]所述步驟(6)中干燥為冷凍干燥或超臨界干燥。
[0023]本發(fā)明使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維的制備方法，利用強酸制弱酸及溶膠凝膠化原理，通過反應(yīng)紡絲制備Si02氣凝膠纖維。然后使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維表面，在表面形成支撐層，從而制備一種韌性Si02氣凝膠纖維的制備。
[0024]本發(fā)明將廉價的硅酸鹽及硅醇溶膠中混合不同比例的纖維素溶液作為紡絲原液，以不同酸性溶液作為凝固浴，通過硅酸鹽及硅醇溶膠與酸發(fā)生強酸制弱酸反應(yīng)并發(fā)生溶膠凝膠化，部分生成固相的原硅酸，得到原硅酸/硅酸鹽纖維，通過卷繞輥將纖維進行收卷。隨后，將收卷的原硅酸/硅酸鹽纖維浸泡在低濃度酸性溶液中進行陳化，通過陳化過程使纖維進一步進行溶膠凝膠化，實現(xiàn)由原硅酸/硅酸鹽纖維向Si02纖維轉(zhuǎn)變，同時形成大量孔洞。陳化之后，使用去離子水進行洗滌，然后使用乙醇進行溶劑置換。在使用PVP溶液對纖維表面進行涂覆，最后通過冷凍干燥或超臨界干燥得到使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維，具有創(chuàng)新性。所制備的使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維在催化、吸附、過濾、保溫、服飾等領(lǐng)域里都有更突出的優(yōu)勢，有十分巨大的潛在需求，具有實用性。
[0025]本發(fā)明中在室溫下干燥后，將纖維浸入PVP溶液中5min后，取出，干燥，重復(fù)浸入PVP及干燥操作5次。將浸好PVP的纖維通過冷凍干燥或超臨界干燥得到最終使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維。本發(fā)明所使用的方法具有原料便宜易得、反應(yīng)過程簡單、可紡性好的特點，所制得的無機Si02氣凝膠纖維具有豐富的孔洞、高的比表面積、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕，同時纖維比表面積可調(diào)，具有一定韌性，可擴大氣凝膠纖維的應(yīng)用范圍，更具有實用價值。
[0026]有益效果
[0027]本發(fā)明所使用的方法具有原料便宜易得、反應(yīng)過程簡單、可紡性好的特點，所制得的無機Si02氣凝膠纖維具有豐富的孔洞、高的比表面積、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕，同時纖維比表面積可調(diào)，具有一定韌性，可擴大氣凝膠纖維的應(yīng)用范圍，更具有實用價值。
【附圖說明】
[0028]圖1為實施例1中PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維打結(jié)實物圖；
[0029]圖2為實施例1中PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維表面形貌的SEM圖；
[0030]圖3為實施例1中PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維孔洞形貌SEM圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0032]實施例1
[0033]以模數(shù)為2，50波美度的鈉水玻璃為紡絲原液，以0.8mol/L的稀硫酸溶液為凝固浴，進行反應(yīng)濕法紡絲。將凝固浴中形成的原硅酸/硅酸鹽纖維以0.lm/s的卷繞速度進行卷繞。卷繞后的纖維浸入0.005mol/L的稀硫酸10天進行陳化，實現(xiàn)由原硅酸/硅酸鹽纖維向Si02纖維轉(zhuǎn)變，同時形成大量孔洞。陳化后，將纖維用去離子水洗滌，直至中性。使用乙醇進行溶劑置換，并在常溫下干燥。干燥后將纖維浸入水溶液中5min后，取出，重復(fù)浸入PVP及干燥操作5次。最后經(jīng)冷凍干燥，即得使用PVP涂覆的一種韌性Si02氣凝膠纖維。制得的使用PVP涂覆的韌性Si02氣凝膠纖維比表面積為483.2m2/g，最可幾孔徑為8nm，纖維可打結(jié)。制得的使用PVP涂覆的韌性