CN109455760A - 一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料的制备方法,包括如下步骤:将模板剂溶解于溶剂中,得到模板剂溶液;将可溶性锆盐及稀土硝酸盐依次溶解于去离子水中,得到含有锆离子及稀土元素离子的溶液,然后将该溶液与得到的模板剂溶液混合,并转移至反应釜中;将该反应釜置于恒温烘箱中,保温反应24~48小时后,过滤,洗涤,烘干,得到含有模板剂的前驱体;将得到的前驱体热处理4~8小时,即得稀土掺杂锆酸盐介孔材料。本发明以低导热锆酸盐为基体,通过模板法制备的稀土掺杂锆酸盐介孔材料,不仅具有极低的导热系数,而且耐温性较气凝胶材料有明显提高,成为一种新型能够应用到中高温领域且导热系数极低的隔热材料。
Description
技术领域
本发明属于介孔型隔热材料领域,尤其涉及一种利用模板法合成的稀土掺杂锆酸盐介孔材料及其制备方法。
背景技术
随着我国高速飞行器技术和先进热防护系统的跨越式发展,对热防护隔热材料提出了极为严峻的挑战。航天领域常用的隔热材料主要是各种玻璃纤维、陶瓷纤维及气凝胶。目前,具备超低导热系数的气凝胶材料已经获得部分应用,但是气凝胶材料存在耐温低的缺点。而陶瓷纤维材料导热系数普遍偏高,尤其在中高温应用条件下,其导热系数上升明显。目前,在中高温领域(1200℃)尚无兼具低导热和耐高温的材料。
气凝胶是一种新型的以气体为分散介质的具有三维网络结构的多孔性凝聚态物质。其中,氧化硅气凝胶是目前研究和发展最为成熟的材料,其孔隙率可达80%~99.8%,典型的孔洞尺寸范围在1~100nm之间,常温下的导热系数可达0.015W/(m·K)。氧化硅气凝胶是一种具有许多独特性能的新型材料,目前在低温领域已经获得了较多应用,但其本身脆性大、耐温低、强度极低、高温易晶化和玻璃化的问题依然存在,尤其高温稳定性不好,使用温度超过700℃时,便会发生收缩、结晶,从而引发胶体结构坍塌,造成隔热性能明显下降,这些问题极大地限制了气凝胶制品的应用范围。
陶瓷纤维材料使用温度在1400℃以上的仅有氧化铝纤维和氧化锆纤维相对比较成熟,氧化铝纤维在常温下的导热系数为0.06~0.08W/(m·K),其纤维强度、柔韧性及高温稳定性较为理想,目前应用最为广泛,从工业窑炉到航空航天均得到应用。氧化锆纤维耐温可达1800℃以上,其导热系数为0.05W/(m·K),是目前应用的陶瓷纤维材料中导热系数最低的。但是氧化锆纤维较脆、强度较差,极易发生断裂,且由于其存在高温晶型转变,因此其高温稳定性较差,多次重复使用后,强度明显下降。
纯氧化硅气凝胶强度极差,且最高使用温度不超过900℃。通过掺杂及与陶瓷纤维材料复合的方法制备的氧化硅气凝胶虽然耐温得到了一定的提高,但是其使用温度仍然低于1100℃,因此,无法在高温环境下使用。而目前中高温气凝胶材料,如氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶还停留在实验室阶段,材料的高温稳定性极差。传统的陶瓷纤维材料,如氧化铝纤维、氧化锆纤维、莫来石纤维虽然耐温可达1600℃以上,但是陶瓷纤维材料的导热系数相对偏高,且隔热性能随着温度的升高会下降。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料及其制备方法。
为了达到上述的目的,本发明提供了一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料的制备方法,包括如下步骤:
1)将模板剂溶解于溶剂中,得到模板剂溶液;
2)将可溶性锆盐及稀土硝酸盐依次溶解于去离子水中,得到含有锆离子及稀土元素离子的溶液,然后将该溶液与步骤1)得到的模板剂溶液混合,并转移至反应釜中;
3)将该反应釜置于恒温烘箱中,保温反应24~48小时后,过滤,洗涤,烘干,得到含有模板剂的前驱体;
4)将步骤3)得到的前驱体热处理4~8小时,即得稀土掺杂锆酸盐介孔材料。
进一步地,其中步骤1)中,所述模板剂选自三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO(F127)、三嵌段共聚物EO-PO-EO(P123)或十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的至少一种。使用单一模板剂即可满足制备介孔材料的要求,当然也可以使用两种或以上的模板剂,以已获得多种微观结构的介孔材料。
进一步地,其中步骤1)中,当所述模板剂选自十六烷基三甲基溴化铵时,所述模板剂溶液通过滴加0.1mol/L的氢氧化钠溶液以调节其pH值达到7~9。
进一步地,其中步骤1)中,当所述模板剂选自三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO或三嵌段共聚物EO-PO-EO时,所述模板剂溶液pH值的无须调节。
进一步地,其中步骤1)中,所述溶剂为无水乙醇、去离子水或其组合。
进一步地,其中步骤1)中,当所述溶剂为无水乙醇和去离子水的组合时,所述无水乙醇和去离子水的摩尔比为(4~7):1。
进一步地,其中步骤2)中,所述可溶性锆盐为氧氯化锆、乙酸锆或硝酸锆;所述反应釜带有聚四氟乙烯内衬。
进一步地,其中步骤2)中,所述硝酸盐主要包含硝酸镧,所述硝酸镧掺杂有稀土掺杂剂,所述稀土掺杂剂与硝酸镧的重量比例为(1~4):(9~6)。
进一步地,其中步骤2)中,所述掺杂剂为Gd、Eu、Sm、Nd、Er或Yb的硝酸盐。
进一步地,其中步骤2)中,所述锆离子、稀土元素离子、模板剂和无水乙醇的摩尔比为1:1:(0.005~0.3):(20~60)。
进一步地,其中步骤1)和步骤2)中,所述溶解所需的搅拌转速为200~500rpm,搅拌时间为10~40分钟;步骤4)中,所述热处理是在600℃-900℃的电加热炉中进行,以去除模板剂。
进一步地,其中步骤3)中,所述含有模板剂的前驱体的制备具体包括:将该反应釜置于恒温烘箱中,在保持温度为140~180℃时,反应24~48小时,之后通过过滤得沉淀物,并经过3~6次的去离子水洗涤后,于60~90℃进行烘干12~36小时,得到含有模板剂的前驱体。
本发明还提供了一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料,所述稀土掺杂锆酸盐介孔材料是上述任一项所述的方法制得的。
本发明的有益效果是:本发明以低导热锆酸盐为基体,通过模板法制备的稀土掺杂锆酸盐介孔材料,不仅具有极低的导热系数,而且耐温性较气凝胶材料有明显提高,成为一种新型能够应用到中高温领域且导热系数极低的隔热材料。本发明不仅可扩大介孔材料的应用范围,丰富隔热材料的种类,为高速飞行器的热防护设计提供新的材料储备,而且为介孔稀土锆酸盐隔热材料在未来先进航天飞行器热防护体系的应用提供技术支撑,同时将为未来的热防护材料和高温隔热材料和新型设计合成方法产生巨大的带动与映射作用。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的La1.8Gd0.2Zr2O7介孔材料的导热系数图;
图2为本发明实施例1得到的La1.8Gd0.2Zr2O7介孔材料的复合材料与氧化铝纤维毡的隔热性能对比图;
图3为本发明实施例2得到的La1.6Yb0.4Zr2O7稀土掺杂锆酸盐介孔材料的孔径分布图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
以下材料或试剂,若非特别说明,均为市购。
实施例1
本实施例提供了一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将2.32g模板剂P123溶于46g无水乙醇中,再将该溶液中加入7.2g去离子水,在40℃下恒温搅拌(搅拌转速为250rpm,搅拌时间为40分钟),直至完全溶解,得到溶液A。
2)将6.44g氧氯化锆、7.8g硝酸镧、0.9g硝酸钆依次溶于40g去离子水中,室温下搅拌20分钟(搅拌转速为250rpm),得到溶液B。
3)将溶液A和溶液B进行混合,并转移至反应釜中;将反应釜置于150℃的恒温烘箱中36小时。
4)将反应釜中的胶状沉淀物通过过滤与溶液进行分离,并使用去离子水洗涤4次,获得的胶体在65℃条件下干燥48小时,之后放入电炉中在700℃下进行热处理以去除模板剂,即获得La1.8Gd0.2Zr2O7稀土掺杂锆酸盐介孔材料。
本实施例得到的该La1.8Gd0.2Zr2O7稀土掺杂锆酸盐介孔材料经过热测试,在1400℃下可以使用,使用温度较气凝胶材料有明显提高。该La1.8Gd0.2Zr2O7稀土掺杂锆酸盐介孔材料的导热系数可达0.6~1.3W/(m·K)(见图1),与氧化铝纤维及氧化锆纤维材料相比,其导热系数相对较高,这主要是由于粉体孔隙率相对较高的原因导致。利用该介孔型稀土锆酸盐材料为原料制备多孔材料,在非标的平板隔热性能测试装置上试验,其隔热性能优于氧化铝纤维(见图2),这说明该La1.8Gd0.2Zr2O7稀土掺杂锆酸盐介孔材料相比于陶瓷纤维材料隔热性能有所提高。
实施例2
本实施例提供了一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将1g模板剂CTAB(粉末)加入100g去离子水中,在40℃下恒温搅拌(搅拌转速为300rpm,搅拌时间为30分钟),直至完全溶解,加入0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至9,得到溶液C。
2)将3.22g氧氯化锆、3.03g硝酸镧、1.33g硝酸铒依次溶于20g去离子水中,室温下搅拌(搅拌转速为200rpm)15分钟,得到溶液D。
3)将溶液C和溶液D进行混合,并转移至带有聚四氟内衬的反应釜中;将反应釜置于140℃的恒温烘箱中48小时。
4)将反应釜中的沉淀物通过过滤与溶液进行分离,并洗涤4次,获得的粉体在600℃进行热处理以去除模板剂,即得La1.4Er0.6Zr2O7稀土锆酸盐介孔材料。
本实施例得到的La1.4Er0.6Zr2O7稀土掺杂锆酸盐介孔材料,其介孔孔隙主要分布在20~150nm之间(见图3),空隙分布相对较宽。
实施例3
本实施例提供了一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将1.7g的模板剂F127加入到36.8g无水乙醇中,在30℃下恒温搅拌(搅拌速度转速为300rpm,搅拌时间为35分钟),直至完全溶解,得到溶液E。
2)将6.44g氧氯化锆、6.93g硝酸镧、1.79g硝酸镱依次溶于30g去离子水中,室温下搅拌(搅拌转速为250rpm)20分钟,得到溶液F。
3)将溶液E和溶液F进行混合,并转移至反应釜中;将反应釜置于160℃的恒温烘箱中40小时。
4)将反应釜中的胶状沉淀物通过过滤与溶液进行分离,并使用去离子水洗涤5次,获得的胶体在80℃条件下干燥48小时后。放入电炉中在750℃下进行热处理以去除模板剂,即得La1.6Yb0.4Zr2O7稀土锆酸盐介孔材料。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (12)
1.一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将模板剂溶解于溶剂中,得到模板剂溶液;
2)将可溶性锆盐及稀土硝酸盐依次溶解于去离子水中,得到含有锆离子及稀土元素离子的溶液,然后将该溶液与步骤1)得到的模板剂溶液混合,并转移至反应釜中;
3)将该反应釜置于恒温烘箱中,保温反应24~48小时后,过滤,洗涤,烘干,得到含有模板剂的前驱体;
4)将步骤3)得到的前驱体热处理4~8小时,即得稀土掺杂锆酸盐介孔材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述模板剂选自三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO、三嵌段共聚物EO-PO-EO或十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,当所述模板剂选自十六烷基三甲基溴化铵时,所述模板剂溶液通过滴加0.1mol/L的氢氧化钠溶液以调节其pH值达到7~9。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述溶剂为无水乙醇、去离子水或其组合。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,当所述溶剂为无水乙醇和去离子水的组合时,所述无水乙醇和去离子水的重量比例(4~7):1。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述可溶性锆盐为氧氯化锆、乙酸锆或硝酸锆;所述反应釜带有聚四氟乙烯内衬。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述硝酸盐主要包含硝酸镧,所述硝酸镧掺杂有稀土掺杂剂,所述稀土掺杂剂与硝酸镧的重量比例为(1~4):(9~6)。
8.如权利要求7所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述掺杂剂为Gd、Eu、Sm、Nd、Er或Yb的硝酸盐。
9.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述锆离子、稀土元素离子、模板剂和无水乙醇的摩尔比为1:1:(0.005~0.3):(20~60)。
10.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)和步骤2)中,所述溶解所需的搅拌转速为200~500rpm,搅拌时间为10~40分钟;步骤4)中,所述热处理是在600℃-900℃的电加热炉中进行,以去除模板剂。
11.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中,所述含有模板剂的前驱体的制备具体包括:将该反应釜置于恒温烘箱中,在保持温度为140~180℃时,反应24~48小时,之后通过过滤得沉淀物,并经过3~6次的去离子水洗涤后,于60~90℃进行烘干12~36小时,得到含有模板剂的前驱体。
12.一种稀土掺杂锆酸盐介孔材料,其特征在于,所述稀土掺杂锆酸盐介孔材料是通过权利要求1-11任一项所述的方法制得的。
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