纳米结构氧化铝纤维及其膜的制备、表征与性能研究

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氧化铝纤维因其优异的机械力学性能、高温隔热性能等吸引了许多研究者广泛的研究兴趣。本论文采用溶胶-凝胶结合静电纺丝的方法,制备了柔性γ-Al2O3纳米纤维膜,研究了其抗拉伸机械力学性能。此外,还利用不同组成的铝溶胶制备了柔性的γ和α氧化铝纤维,研究了不同溶胶组成对氧化铝纤维微观结构和隔热性能的影响。本论文不仅首次制备了具有一定强度的柔性γ-Al2O3纳米纤维膜,为氧化铝在纤维膜领域的应用提供了技术支持,还为溶胶-凝胶制备氧化铝纤维提供了一定的理论基础和实验依据。1.柔性γ-Al2O3纳米纤维膜的制备及其力学性质采用溶胶-凝胶结合静电纺丝的方法制备了具有一定强度的柔性γ-Al2O3纳米纤维膜,对纤维膜抗拉伸强度进行了表征,并探讨了纤维微观结构对纤维柔韧性和强度的影响。具体的制备方法是以氯化铝和异丙醇铝为铝源,酒石酸为纺丝助剂,浓盐酸为催化剂,乙醇的水溶液为溶剂制备铝溶胶,添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP K90)调节溶胶粘度,通过静电纺丝制备凝胶纤维膜,经过800℃高温烧结,成功制备了由随机取向纤维构成的γ-Al2O3纳米纤维膜。纤维膜完整均匀,无明显的裂纹和孔洞等缺陷,膜厚度大于10μm,由平均直径为188nm的纤维构成。纤维比较致密,由15~30nm的纳米颗粒组成。较小的组成颗粒、随机的纤维排布方式、较少的膜缺陷等有利于纤维膜获得较好的力学性能。γ-Al2O3纤维膜表现出非常好的柔韧性和抗拉伸强度,其抗拉伸强度可以达到1.01MPa。较好的力学性能使该氧化铝纤维膜在高温过滤和催化过滤等领域具有潜在的应用价值。2.溶胶组成对氧化铝纤维微观结构及性质的影响以氯化铝和铝粉为铝源,以水为溶剂,乙醇为辅助溶剂,通过调节原料中氯化铝和铝粉的比例控制合成了含不同比例铝单体和Al13的铝溶胶,利用静电纺丝的方法制备了凝胶纤维,经过干燥和高温烧结获得了柔软的棉絮状γ-Al2O3和α-Al2O3纳米纤维。探究了不同溶胶组成对氧化铝纤维微观结构、物相转变和纤维隔热性能的影响。Al13能够推迟纤维的物相转变,溶胶中Al13含量较多能够使γ-Al2O3纤维的气孔和组成颗粒增大,降低γ-Al2O3纤维的比表面积,并使γ-Al2O3纤维和α-Al2O3纤维的导热系数降低。其中So14对应的γ-A12O3纤维和α-Al2O3纤维的导热系数仅为0.08087和0.1251W/m·k,该数据表明,溶胶中较高的Al13含量有利于提高纤维材料的隔热性能。
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