氣凝膠纖維的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于氣凝膠纖維的制備領域，特別涉及一種連續(xù)S12氣凝膠纖維的制備方法。
【背景技術】
[0002]氣凝膠(aerogel)是指凝膠中的空間網(wǎng)絡結構中充滿的介質不是溶劑而是氣體，外表呈固體狀的特殊凝膠，因為其內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，具有獨特的結構，其固體相形成空間網(wǎng)絡結構，網(wǎng)絡結構及網(wǎng)絡間的孔隙結構都為納米級別。因其結構的獨特性，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、低導熱率、低折射等。
[0003]S12氣凝膠其高比表面積可以提供大量的反應/相互作用活性中心，特別有利于與界面作用相關的過程，例如吸附、催化和電化學作用;其孔道可作為多功能存儲器及單分散的納米反應器;其特殊的納米孔道及形狀為交叉學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、反應物分子在納米孔道內的擴散行為、與活性中心的接觸性能、反應活性等都與孔結構有密切的關系；而其納米尺度的網(wǎng)絡結構所帶來的表面效應和量子尺寸效應，使一些經(jīng)過功能化改性的S12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；其低熱導率使其在隔熱墻、隔熱窗、帳篷隔熱層等領域有巨大應用前景。正是氣凝膠在微觀界面結構及材料性能上的獨特優(yōu)勢，使它們成為材料研究領域的熱點之一O
[0004]氣凝膠的性能除了與其微觀形貌有關之外，與多孔復合材料的宏觀形貌也有重要關系。對于S12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S12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粒活性炭在空氣中高幾倍至幾十倍，在水溶液中高5?6倍，吸附速率快100?1000倍。活性碳纖維的纖維直徑為5?20μπι，比表面積平均在1000?1500m2/g左右，平均孔徑在^?[(^，微孔均勾分布于纖維表面-活性炭相比’活性碳纖維微孔孔徑小而均勻，結構簡單，對于吸附小分子物質吸附速率快，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，其吸附質到達吸附位的擴散路徑短，且本身的外表面積較內表面積高出兩個數(shù)量級。在空氣或水體凈化方面，粒狀或粉狀的結構，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)在應用時有許多不便，限制了應用范圍?；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。而塊狀或膜狀的結構，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S12氣凝膠制成纖維形態(tài)，將使其性能更為優(yōu)異。
[0005]目前文獻報道制備S12氣凝膠纖維的方法還未見報道。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種連續(xù)S12氣凝膠纖維的制備方法，該方法具有原料便宜易得、反應過程簡單、可紡性好的特點。制備得到機S12纖維具有豐富的孔洞、超高的比表面積、耐高溫、耐化學腐蝕，同時纖維比表面積可調。
[0007]本發(fā)明的一種連續(xù)S12氣凝膠纖維的制備方法，包括:
[0008](I)將硅酸鹽或硅醇溶膠配制成紡絲原液；
[0009](2)在凝固槽內加入酸性溶液作為凝固??；
[0010](3)將步驟(I)中紡絲原液加入到步驟(2)中凝固浴中，進行反應濕法紡絲，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生成固相原硅酸，實現(xiàn)濕法紡絲所要求的快速液固相轉變，形成原硅酸/硅酸鹽纖維，此過程同時發(fā)生溶膠凝膠化。
[0011](4)將步驟(3)中的原硅酸/硅酸鹽纖維卷繞，浸入陳化溶液中常溫陳化2?10天，用去離子水洗滌至中性，然后用去離子水或乙醇進行溶劑置換，干燥，得到連續(xù)S12氣凝膠纖維；陳化使原硅酸/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S12纖維轉變，同時形成大量孔洞。
[0012]所述步驟(I)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的水解溶膠。
[0013]所述步驟(I)中紡絲原液的規(guī)格: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%。
[0014]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。
[0015]所述步驟(3)中反應濕法紡絲的條件為常溫常壓。
[0016]所述步驟(4)中卷繞的速度為0.1?2m/s。
[0017]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。
[0018]所述步驟(4)中干燥為冷凍干燥或超臨界干燥。
[0019]本發(fā)明的連續(xù)S12氣凝膠纖維可以連續(xù)卷繞，其孔洞在納米尺度范圍，且可以通過改變制備條件來調節(jié)比表面積大小。
[0020]本發(fā)明利用強酸制弱酸及溶膠凝膠化原理，通過反應紡絲實現(xiàn)連續(xù)S12多孔纖維的制備，最后通過冷凍干燥或超臨界干燥得到連續(xù)S12氣凝膠纖維，具有創(chuàng)新性。所制備的連續(xù)S12氣凝膠纖維在催化、吸附、傳感等一系列領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。
[0021]本發(fā)明中連續(xù)S12氣凝膠纖維的制備方法，是將廉價的硅酸鹽及硅醇溶膠作為紡絲原液，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S12纖維轉變，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，最后通過冷凍干燥或超臨界干燥得到最終連續(xù)S12氣凝膠纖維。本發(fā)明所使用的方法具有原料便宜易得、反應過程簡單、可紡性好的特點，解決了 S12氣凝膠難以紡制成纖的難題。所制得的無機S12氣凝膠纖維具有豐富的孔洞、高的比表面積、耐高溫、耐化學腐蝕，同時纖維比表面積可調，可用于催化劑載體領域及吸附過濾等領域。
[0022]有益效果
[0023](I)本發(fā)明所使用的方法具有原料便宜易得、反應過程簡單、可紡性好的特點，解決了 S12氣凝膠難以紡制成纖的難題；
[0024](2)本發(fā)明的的無機S12氣凝膠纖維具有豐富的孔洞、高的比表面積、耐高溫、耐化學腐蝕，同時纖維比表面積可調，可用于催化劑載體領域及吸附過濾等領域。
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1中S12氣凝膠纖維形貌的顯微鏡圖；
[0026]圖2為實施例1中S12氣凝膠纖維內部孔洞形貌掃描電鏡圖；
[0027]圖3為實施例1中S12氣凝膠纖維他吸附脫吸附等溫線圖；
[0028]圖4為實施例1中Si02氣凝膠纖維孔徑分布圖；
[0029]圖5為實施例1中S12氣凝膠纖維吸附亞甲基藍不同時間后，亞甲基藍去除率隨時間變化圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，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。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(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利要求書所限定的范圍。
[0031]實施例1
[0032]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S12纖維轉變，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。使用去離子水置換纖維中的溶液，經(jīng)冷凍干燥，即得S12氣凝膠纖維。紡絲過程中非常順暢，不斷絲。制得的S12氣凝膠纖維比表面積為565.8m2/g，最可幾孔徑為1nmjmin即可達到吸附亞甲基藍最大吸附量的64%。制得的S12氣凝膠纖維形貌的顯微鏡圖如圖1所