[发明专利]柔性γ-Al2O3纤维膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性γ-Al₂O₃纤维膜及其制备方法，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

无机分离膜作为一种新型的分离介质，与有机分离膜相比，具有诸如化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂；抗微生物能力强；耐高温等很多优良特性，在很多领域都有应用，尤其是在石油化工、化学工业等高温、高压和强酸强碱体系中，表现出有机膜所不具备的性能。无机膜优异的抗微生物侵蚀能力，在生物化工和医药行业领域应用前景广阔。在环境领域，如含油废水处理，费油的高温超滤回收以及对含低分子有机污染物、重金属离子等的废水处理等，也展现出良好的应用发展前景(参见《无机膜分离技术与应用》P1~9,化学工业出版社2003)。

氧化铝具有高模量、低热导率、抗热震性强、耐腐蚀、耐高温等性能，可用作催化剂载体、高温过滤材料、高温隔热材料等，广泛用于工业、军事、航空航天等领域。氧化铝存在多种结晶结构，其中γ-Al₂O₃具有比表面积高、表面活性大、吸附能力强、耐高温等，在高温煤(烟)气过滤等方面应用前景广阔。

氧化铝膜是一种最常见的无机膜，其制备方法主要有粒子烧结法和溶胶-凝胶(sol-gel)法。粒子烧结法(或浸浆法slip-casting)制备氧化铝微滤膜是目前制备无机膜较成熟的方法，即首先配制氧化铝陶瓷微粉的稳定悬浮浆料，多孔支撑体与悬浮浆料接触时，分散介质水在毛细管力和黏附力作用下进入支撑体中，而氧化铝粒子则在支撑体表面堆积形成膜，干燥烧结后得到多孔膜。该方法多使用微米级粒子，尚限于制备微滤孔径的膜。溶胶-凝胶法采用铝醇盐或无机铝盐水解得到纳米粒子，然后经过与上述类似的方法浸渍涂膜、干燥和烧结过程，制备超滤范围内的氧化铝小孔径膜。然而，上述两种方法制备的无机膜由于受到支撑体表面粗糙度、支撑体与溶胶体系的润湿性能、膜厚度效应、干燥过程和烧结工艺等的影响，容易出现裂纹和针孔等缺陷(参见《无机膜分离技术与应用》P47~64，化学工业出版社2003；水处理技术1996,2,129)。

1934年USP1975504公开了静电纺丝技术，最初用于制备聚合物纤维(参见：Compos.Sci.Technol.2003,63,2223)，后逐渐用于金属、氧化物等无机纤维的制备。利用静电纺丝，可很容易地将聚合物或无机材料制备成膜(有载体支撑的或无支撑)，并进一步实现规模化生产。纤维膜可用于很多领域，包括过滤和分离、催化剂载体和传感器等(参见：Chinese.Sci.Bull.2008,53,2265)。

静电纺丝过程中，通过控制电纺过程参数和干燥烧结过程，可有效避免传统陶瓷膜中出现的裂纹和针孔等缺陷。另外，与传统陶瓷膜相比，纤维膜用作过滤介质有两个明显的优势：过滤效率高和空气阻力低。静电纺纤维膜有很高的比表面积，纤维搭接产生的孔相互连通，使纤维膜相对同等厚度的平板膜有更快的质量传递速率，对空气等流体的阻力显著降低；商业化膜的孔贯穿整个膜，当大颗粒被拦截时，往往会堵塞孔洞，从而降低过滤效率，而纤维膜中存在很多流体可通过的路径，不易堵塞，且由于静电纺纤维膜具有纳米级的纤维细度，因此有更高的过滤效率(参见：Compos.Sci.Technol.2003,63,2239)。

CN101185817A公开一种静电纺丝法制备纳米氧化铝纤维膜材料的制备技术，将浓度为5～8wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，与浓度10～30wt%的氯化铝水溶液混合，其中聚乙烯吡咯烷酮与氯化铝重量比为3:1～1:1，制得溶胶凝胶纺丝液，注入静电纺丝装置中，在电压为25～35kV，挤出速度为1～10mL/min，接收距离为10～20cm条件下静电纺丝成氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纤维膜，最后将氯化铝/聚乙烯吡咯烷酮纤维膜于马弗炉中以50°C/h速度升温至450～1100°C，煅烧5h，获得非晶态、γ型或α型纳米氧化铝纤维膜。该发明制备的纳米氧化铝纤维膜材料是一种比表面积高、热稳定性好以及力学性能优良的催化剂及其载体材料和耐高温过滤材料；此外，该材料还可广泛用于航天飞机、高温锅炉隔热材料、增强复合材料等等领域。该技术是以氯化铝为铝源，水和乙醇为溶剂，添加聚乙烯吡咯烷酮作为纺丝助剂制备纺丝溶胶，但是通过该发明制得的纳米氧化铝纤维膜，由于纺丝助剂添加量过大，且升温过程未分段进行，容易使纤维缺陷增多，从而造成纤维强度降低，氧化铝纤维膜不具有柔性。

发明内容