CN102417205A - 用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，是以天然蚕丝为制备模板，以硝酸锆溶液为浸渍剂，制备保持蚕丝纤维结构的氧化锆隔热材料，其步骤为：配制浓度为10%的Zr(NO₃)₄溶液；采用浸泡的方法，将蚕丝浸入Zr(NO₃)₄溶液1～120分钟；将浸渍有Zr(NO₃)₄溶液的蚕丝在烘箱中50～100℃范围内干燥2～24小时；将干燥的蚕丝置于烧结炉中600～1000℃范围内烧结2小时，即制得具有蚕丝原有纤维结构形态的氧化锆隔热材料。本发明工艺简单，所制备的ZrO₂具有蚕丝纤维结构，此结构有利于含蓄大量静止空气，防止空气对流，且该ZrO₂隔热材料继承了蚕丝纤维吸收红外线的能力，可较好地防止物体红外能量的散失，有效吸收红外线，具有优异的隔热性能。

Description

用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法

技术领域

本发明属于一种制备氧化锆隔热材料的方法，特别是一种用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法。

背景技术

氧化锆（ZrO₂）是一种重要的工业产品，其中纤维状ZrO₂主要用于隔热保温材料，如可用于航空器、航天器绝热部件，电池隔膜，各种加热炉、等静压炉、保温均热炉炉衬，原子能反应堆隔热材料等。根据文献“刘和义等，氧化锆连续纤维的制备进展与应用前景，材料导报，2004年8月18卷8期，18-21页”和“胡利明等，氧化锆纤维及其制品，人工晶体学报，2009年2月38卷1期，265-270”可知，传统的ZrO₂纤维制备方法较多，如混合法、溶胶-凝胶法、有机聚锆法、浸渍法、载体法、无机盐法、静电纺丝法等，但基本均属于前躯体转化法，即先配制含有锆离子的纺丝液，并通过喷丝、拉丝、旋转甩丝等方法将纺丝液制成有机和/或无机的前躯体纤维，再将其热处理转化为预定组成和结构的氧化锆纤维。传统制备方法工艺较为复杂，且通过这些传统方法制得的ZrO₂纤维都为实心，构造比较简单。这些纤维堆积在一起虽然具有较好的保温性能，但其实心构造却不利于锁定空气和获得优异的绝热性能。蚕丝属于蛋白质类纤维，呈纤维状构造。天然蚕丝吸收红外线的能力较强，具有优异的隔热性能。所以利用蚕丝作为模板，制备ZrO₂隔热材料具有广阔的前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、制成品性能优良的用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，步骤如下：

（1）以Zr(NO₃)₄固体为原料配制Zr(NO₃)₄溶液；

（2）将蚕丝浸入Zr(NO₃)₄溶液浸泡，并轻微搅拌；

（3）将浸渍有Zr(NO₃)₄溶液的蚕丝在烘箱中烘烤干燥；

（4）将经过前三个步骤后制得的干燥蚕丝置于烧结炉中烧结，便制得具有蚕丝纤维结构形态的氧化锆隔热材料。

本发明的原理为：蚕丝经Zr(NO₃)₄溶液浸泡并烘干后，Zr(NO₃)₄溶质会均匀包裹于蚕丝纤维表面；包裹有Zr(NO₃)₄的蚕丝在加热过程中，Zr(NO₃)₄会首先发生分解反应并在蚕丝纤维表面形成均匀的ZrO₂，而蚕丝在随后的升温过程中被烧蚀，从而可获得保持蚕丝天然纤维构造的空心ZrO₂隔热材料。此结构有利于含蓄大量静止空气，防止空气对流。且该ZrO₂隔热材料可继承蚕丝纤维吸收红外线的能力。蚕丝之所以具有优异的保温性能，其中一个原因就是它能有效吸收内部物体散发的红外线，防止红外能量的散失。本发明中的ZrO₂纤维也因继承了相似的红外吸收能力而具有优异的保温性能。

本发明与现有技术相比，其显著优点：工艺简单，所制备的ZrO₂具有蚕丝纤维形貌，且纤维为空心状。此结构有利于防止空气对流，可有效吸收红外线，防止物体红外能量的散失，具有更优异的隔热性能。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明中利用蚕丝作为模板在不同温度下烧结制得的ZrO₂纤维的XRD图谱和微观结构（a. XRD，b. 600℃，c. 800℃，d. 1000℃，e. 空心纤维）。

图2是利用蚕丝作为模板制得的ZrO₂纤维、蚕丝、以及用传统方法制得的ZrO₂纤维的红外吸收光谱。

图3是传统ZrO₂纤维及利用蚕丝在不同温度下烧结制得的ZrO₂纤维的导热系数。

具体实施方式

用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，其步骤如下：

（1）以Zr(NO₃)₄固体为原料配制Zr(NO₃)₄溶液；制得的Zr(NO₃)₄溶液的质量浓度为10%；

（2）将蚕丝浸入Zr(NO₃)₄溶液浸泡，并轻微搅拌，浸泡蚕丝的时间为1～120分钟；

（3）将浸渍有Zr(NO₃)₄溶液的蚕丝在滤网中挤除多余溶液后放置在烘箱中烘烤干燥，蚕丝在烘箱中的烘烤温度为50～100℃，干燥时间为2～24小时；

（4）将经过前三个步骤后制得的干燥蚕丝置于烧结炉中烧结，便制得具有蚕丝纤维结构形态的ZrO₂隔热材料，干燥蚕丝在烧结炉中的烧结温度为600～1000℃，烧结时间为2小时。

实施例1 

配制质量百分比浓度为10％Zr(NO₃)₄溶液，将干燥后的蚕丝浸泡在溶液中10分钟，并加以轻微搅拌，达到加速溶液在蚕丝中的分散速度的目的，将浸泡后的蚕丝在滤网中挤除多余溶液，然后放入干燥箱中在70℃温度范围内干燥12小时，将干燥后的蚕丝置于坩埚中，在电炉中800℃温度下烧结2小时，制得蚕丝状ZrO₂隔热材料。制得材料的X衍射图谱如图1a所示，从图谱中的衍射峰可知所得材料为ZrO₂。制得的ZrO₂微观形貌的扫描电镜照片如图1c所示，由图1c可见，很好的保持了蚕丝的纤维结构，纤维连续性好。制得的ZrO₂纤维也多为空心构造，如图1e所示。该材料的红外吸收光谱如图2所示，具有与蚕丝相似的红外吸收峰。图2中蚕丝在3440、2920、2850、1660、1590、1450、1380、1260、1090cm^-1处吸收红外线，而本发明中的ZrO₂纤维在这些位置也有对应的红外吸收峰，说明该ZrO₂纤维继承了蚕丝纤维的红外吸收能力。蚕丝之所以具有优异的保温性能，其中一个原因就是它能有效吸收内部物体散发的红外线，防止红外能量的散失。本发明中的ZrO₂纤维因继承了相似的红外吸收能力而具有优异的保温性能。而图2中利用传统方法制得的ZrO₂纤维的在上述位置几乎没有明显的吸收峰，说明传统ZrO₂纤维对红外线的吸收能力较弱。测得的该蚕丝状ZrO₂（表观密度0.096g/cm³）在100℃时的导热系数如图3所示，低于图3中用传统方法制得的ZrO₂（表观密度0.096g/cm³）在100℃时的导热系数。通常，传统ZrO₂纤维（表观密度0.096g/cm³）的导热系数为0.04W/mK（100℃）至0.28W/mK（2200℃）。可见，800℃烧结的蚕丝状ZrO₂导热系数明显低于传统纤维状ZrO₂的导热系数，说明具有更好的隔热效果。

实施例2 

配制质量百分比浓度为10％Zr(NO₃)₄溶液，将干燥后的蚕丝浸泡在溶液中1分钟，并加以轻微搅拌，达到加速溶液在蚕丝中的分散速度的目的，将浸泡后的蚕丝在滤网中挤除多余溶液，然后放入干燥箱中在50℃温度范围内干燥24小时，将干燥后的蚕丝置于坩埚中，在电炉中600℃温度下烧结2小时，制得蚕丝状ZrO₂隔热材料。制得材料的X衍射图谱如图1a所示，可见所得材料为ZrO₂。制得的ZrO₂微观形貌的扫描电镜照片如图1b所示，由图1b可见，该材料保持了蚕丝的纤维构造。制得的ZrO₂纤维多为空心构造。测得的该蚕丝状ZrO₂（表观密度0.096g/cm³）在100℃时的导热系数如图3所示，低于用传统方法制得的ZrO₂纤维的导热系数，说明具有更好的隔热效果。

实施例3

配制质量百分比浓度为10％Zr(NO₃)₄溶液，将干燥后的蚕丝浸泡在溶液中120分钟，并加以轻微搅拌，达到加速溶液在蚕丝中的分散速度的目的，将浸泡后的蚕丝在滤网中挤除多余溶液，然后放入干燥箱中在100℃温度范围内干燥2小时，将干燥后的蚕丝置于坩埚中，在电炉中1000℃温度下烧结2小时，制得蚕丝状ZrO₂隔热材料。制得材料的X衍射图谱如图1a所示，可见所得材料为ZrO₂。制得的ZrO₂微观形貌的扫描电镜照片如图1d所示，由图1d可见，该材料保持了蚕丝的纤维构造。制得的ZrO₂纤维也多为空心构造。测得的该蚕丝状ZrO₂（表观密度0.096g/cm³）在100℃时的导热系数如图3所示。低于用传统方法制得的ZrO₂纤维的导热系数，说明具有更好的隔热效果。

Claims (5)

1.一种用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、以Zr(NO₃)₄固体为原料配制Zr(NO₃)₄溶液；

步骤2、将蚕丝浸入Zr(NO₃)₄溶液浸泡，并轻微搅拌；

步骤3、将浸渍有Zr(NO₃)₄溶液的蚕丝在烘箱中烘烤干燥；

步骤4、将经过前三个步骤后制得的干燥蚕丝置于烧结炉中烧结，便制得具有蚕丝纤维结构形态的氧化锆隔热材料。

2.根据权利要求1所述的用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，其特征在于：在步骤1中，Zr(NO₃)₄溶液的质量浓度为10%。

3.根据权利要求1所述的用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，其特征在于：在步骤2中，浸泡蚕丝的时间为1～120分钟。

4.根据权利要求1所述的用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，其特征在于：在步骤3中，蚕丝在烘箱中的干燥温度为50～100℃，干燥时间为2～24小时。

5.根据权利要求1所述的用蚕丝制备氧化锆隔热材料的方法，其特征在于：在步骤4中，干燥蚕丝在烧结炉中的烧结温度为600～1000℃，烧结时间为2小时。

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