CN101368301A - 一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法 - Google Patents
一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法，本方法以碳纳米管、水、无机铝盐、异丙醇铝为主要原料，通过溶胶－凝胶法制备碳纳米管均匀稳定分散的纺丝溶胶。在合成过程中通过加入高分子纺丝助剂和烧结助剂改善纺丝溶胶的可纺性及烧结特性。所制得溶胶具有良好的可纺性，可通过干法纺丝或其他成型方法用来制备氧化铝纤维。本发明弥补了之前的技术空白，提供了一种制备碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷纤维与传统化学纤维相比具有使用温度高，模量高，化学稳定性好，抗氧化能力强等优点，在高温烟尘过滤、高温炉窑的保温、隔热以及消防、高温人体防护等方面有较广泛的应用。但目前工业化应用的氧化铝陶瓷纤维存在强度低、韧性差、不易编织等缺点，限制了它的用途。因此提高氧化铝纤维强度、改善氧化铝纤维编织性能是目前亟待解决的问题。碳纳米管自上世纪90年代问世以来，由于其具有极佳的力学强度、柔韧性以及高导电、导热性能，成为制备高性能、多功能复合材料的理想增强材料，通过向陶瓷纤维中引入纳米碳管有望改善陶瓷纤维柔韧性、提高纤维强度。
溶胶-凝胶法是制备陶瓷纤维重要的方法之一，其具有制品纯度高、均匀度好、烧结过程温度低等优点。该法通常以金属醇盐、无机盐等为原料，经水解、缩合、陈化等反应步骤后生成可纺性溶胶，采用干法纺丝或其它成型方法制得初生纤维，经烧结得到陶瓷纤维。溶胶-凝胶法由于能够使掺杂的纳米粒子与溶胶形成分子水平上的均匀混合，因此成为制备碳纳米管增强陶瓷基复合材料的有效方法。具有良好可纺性的前驱溶胶是制备高性能陶瓷的最重要前提条件，要获得性能优异的碳纳米管增强氧化铝纤维，必须首先合成具有良好可纺性、碳纳米管分散均匀、稳定的前驱纺丝溶胶。目前国内外对于氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法已有较多报道。但对于碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法。其技术原理是：以碳纳米管、水、无机铝盐、异丙醇铝为主要原料，通过溶胶-凝胶法制备碳纳米管均匀稳定分散的纺丝溶胶。在合成过程中通过加入高分子纺丝助剂和烧结助剂改善纺丝溶胶的可纺性及烧结特性。具体步骤如下：
步骤1、溶胶的合成：将0.1～1重量份常规酸处理方法纯化的多壁碳纳米管与0.1～3重量份的分散助剂混合加入40～50重量份的水中，经超声处理后，可获得分散均匀的纳米管悬浮液；在该纳米管悬浮液中加入20～25重量份的无机铝盐，搅拌至无机铝盐充分溶解后，加入18～22重量份的异丙醇铝并在常温下搅拌直至整个体系由灰色的浆液转变为黑色溶液后，加入0.1～20重量份高分子纺丝助剂及0.1～5重量份的烧结助剂后继续搅拌并将溶液加热至80～90℃，回流4～6小时；
步骤2、溶胶的浓缩：将通过步骤1所得的溶液利用烘箱或旋转蒸发仪进行浓缩，至体系粘度达到40～80Pa·s后，得到碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶。
其中，步骤1中所说的常规酸处理方法是已知的并得到广泛应用的，具体方法参见余荣清等在《化学通报》1996年第4期发表的《液相化学腐蚀法用于碳纳米管的纯化和顶端开口研究》。
本发明的优点是弥补了技术空白，提供了一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法。所制得溶胶具有良好的可纺性，可通过干法纺丝或其他成型方法用来制备氧化铝纤维。因溶胶中含有碳纳米管，所制得氧化铝纤维可望具有较好的柔韧性及力学强度。
具体实施方式
以下结合实施例来具体说明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，但等价形式的改动或修改同样落于本申请所述权利要求书所限定的范围。
实施例1
步骤1、溶胶的合成：将0.1重量份常规酸处理方法纯化的多壁碳纳米管与0.1重量份的聚乙烯吡咯烷酮混合加入40重量份的水中，经超声处理后，可获得分散均匀的纳米管悬浮液；在该纳米管悬浮液中加入20重量份的硝酸铝，搅拌至硝酸铝充分溶解后，加入18重量份的异丙醇铝并在常温下搅拌直至整个体系由灰色的浆液转变为黑色溶液后，加入0.1重量份聚乙烯醇及0.1重量份的三氧化二硼后继续搅拌并将溶液加热至80℃，回流4小时；
步骤2、溶胶的浓缩：将通过步骤1所得的溶液利用烘箱进行浓缩，至体系粘度达到40Pa·s后，得到碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶。
实施例2
步骤1、溶胶的合成：将1重量份常规酸处理方法纯化的多壁碳纳米管与3重量份的十二烷基苯磺酸钠混合加入50重量份的水中，经超声处理后，可获得分散均匀的纳米管悬浮液；在该纳米管悬浮液中加入25重量份的氯化铝，搅拌至氯化铝充分溶解后，加入22重量份的异丙醇铝并在常温下搅拌直至整个体系由灰色的浆液转变为黑色溶液后，加入20重量份聚乙烯吡咯烷酮及5重量份的五氧化二磷后继续搅拌并将溶液加热至90℃，回流6小时；
步骤2、溶胶的浓缩：将通过步骤1所得的溶液利用旋转蒸发仪进行浓缩，至体系粘度达到80Pa·s后，得到碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶。
实施例3
步骤1、溶胶的合成：将1重量份常规酸处理方法纯化的多壁碳纳米管与3重量份的十二烷基硫酸钠混合加入50重量份的水中，经超声处理后，可获得分散均匀的纳米管悬浮液；在该纳米管悬浮液中加入25重量份的硫酸铝，搅拌至硫酸铝充分溶解后，加入22重量份的异丙醇铝并在常温下搅拌直至整个体系由灰色的浆液转变为黑色溶液后，加入10重量份聚乙二醇及5重量份的氧化镁后继续搅拌并将溶液加热至90℃，回流6小时；
步骤2、溶胶的浓缩：将通过步骤1所得的溶液利用旋转蒸发仪进行浓缩，至体系粘度达到60Pa·s后，得到碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1中的聚乙烯吡咯烷酮用十二烷基磷酸酯钾代替，聚乙烯醇用聚氧乙烯代替，三氧化二硼用三氧化二铬代替，其他与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1中的聚乙烯吡咯烷酮用山梨醇单月桂酸酯代替，聚乙烯醇用羟丙基纤维素代替，三氧化二硼用氧化钨代替，其他与实施例1相同。
Claims (5)
1.一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法，其特征在于，分为下列步骤：
步骤1、溶胶的合成：将0.1～1重量份常规酸处理方法纯化的多壁碳纳米管与0.1～3重量份的分散助剂混合加入40～50重量份的水中，经超声处理后，可获得分散均匀的纳米管悬浮液；在该纳米管悬浮液中加入20～25重量份的无机铝盐，搅拌至无机铝盐充分溶解后，加入18～22重量份的异丙醇铝并在常温下搅拌直至整个体系由灰色的浆液转变为黑色溶液后，加入0.1～20重量份高分子纺丝助剂及0.1～5重量份的烧结助剂后继续搅拌并将溶液加热至80～90℃，回流4～6小时；
步骤2、溶胶的浓缩：将通过步骤1所得的溶液利用烘箱或旋转蒸发仪进行浓缩，至体系粘度达到40～80Pa·s后，得到碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶。
2.如权利要求1所述的一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的分散助剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磷酸酯钾、或山梨醇单月桂酸酯中的一种。
3.如权利要求1所述的一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的无机铝盐为硝酸铝、氯化铝、或硫酸铝中的一种。
4.如权利要求1所述的一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的纺丝助剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧乙烯、或羟丙基纤维素中的一种。
5.如权利要求1所述的一种碳纳米管掺杂氧化铝前驱纺丝溶胶的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的烧结助剂为三氧化二硼、五氧化二磷、氧化镁、三氧化二铬、或氧化钨中的一种。
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