[發明專利]一種多孔碳化硅纖維及其制備方法

無效

• 申請號: 201010237944.2
• 申請日: 2010-07-28
• 公開（公告）號: CN101876095A
• 公開（公告）日: 2010-11-03
• 發明（設計）人: 楚增勇;程海峰;王軍;邢欣;周永江;鄭文偉;王應德;閻佳;張東玖
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: D01F9/10
• 分類號: D01F9/10;D01D1/02;D01D1/06;D01D5/00;D01D10/02
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所 43205
• 代理人: 寧星耀

技術領域

本發明涉及一種多孔材料及其制備方法，特別是涉及一種多孔碳化硅纖維及其制備方法。

背景技術

大孔和介孔材料可以用于催化劑載體、過濾大分子物質以及隔熱、保溫、隔聲等領域。與氧化鋁（Al₂O₃）、氧化硅（SiO₂）等材料相比，碳化硅（SiC）更適宜用作催化劑載體，主要是具有以下幾方面的優點：①導熱性高：SiC達100~200W/m℃，而Al₂O₃只有20W/m℃；②化學穩定性高，耐腐蝕，且不易與活性組分產生相互作用；③機械強度高，密度低，不易破碎；④熱膨脹率低：在100~500℃，SiC為3.7×l0^-6/℃，而Al₂O₃為7.3×l0^-6/℃。基于上述優點，多孔SiC已在低溫脫硫、催化氧化、汽車尾氣凈化、直鏈烷烴的異構化等反應中顯示出良好的發展前景。

目前多孔SiC材料的制備方法包括4種常用方法（即添加造孔劑法、發泡法、有機泡沫浸漬法和溶膠-凝膠法）和6種特殊方法（硅樹脂熱解法、固相反應燒結法、氣相反應滲入法、流延成型法、固態燒結法和浸漬熱解法）。用這些方法制備的多孔SiC材料都呈塊狀（非纖維狀），比表面積較小，一般不超過200m²/g，性能欠佳。

中國專利ZL200810030438.9公開了一種微孔碳化硅纖維及其制備方法，ZL200810030436.X公開了一種皮芯結構微孔碳化硅纖維及其制備方法。所述微孔碳化硅纖維及皮芯結構微孔碳化硅纖維均以微孔為主，適用于能源存儲、環境治理和醫藥衛生等領域，但不太適宜用作催化劑載體、隔熱、保溫、隔聲等領域。

楊大祥、宋永才等人（《中國表面工程》，2010，23:39-44）研究了連續SiC亞微米/納米纖維的靜電紡絲制備過程，發現聚碳硅烷/二甲苯體系具有較好的可紡絲，適宜的溶液濃度1.4-1.5g/mL，制備的SiC纖維表面光滑、致密。但是當溶液濃度低于1.3g/mL時不能成纖，更得不到多孔SiC纖維。

發明內容

本發明的目的是提供一種多孔碳化硅纖維及其制備方法。

本發明之多孔碳化硅纖維由50-60wt%的Si、30-40wt%的C及剩余O組成，呈氈狀，纖維直徑為0.5-2.0μm，孔隙率大于60%，其中介孔體積大于50vol%，比表面積為400-800m²/g。

本發明之多孔碳化硅纖維的制備方法包括以下步驟：

（1）將軟化點為170-230℃的聚碳硅烷溶于良性溶劑中配成濃度為0.5-1.2g/mL的稀溶液，邊攪拌邊滴加0.2-1.0倍體積的非良性溶劑，使大分子聚碳硅烷析出，形成可電紡的懸濁液；

（2）利用注射泵以0.001-0.020mL/min的擠出速度將所述懸濁液注射入端口內徑為0.5-2.0mm的金屬噴嘴中進行靜電紡絲，其中金屬噴嘴所加正電壓為10-60kV，金屬噴嘴與接地的接收鋁板之間的距離為15-40cm，在接收板上收集得到直徑為0.5-4.0μm的多孔聚碳硅烷纖維；

（3）將所述先驅體纖維置于氧化爐中，在空氣中按10-30℃/h的升溫速度加熱到160-250℃，保溫氧化處理0.5-8h，得到不熔化的多孔聚碳硅烷纖維；

（4）將所得不熔化多孔聚碳硅烷纖維置于純度為99.999%的氮氣保護的高溫爐中，以5-40℃/min的升溫速度，升溫至1000-1300℃，并在該溫度下保溫處理0.5-2h，即得多孔碳化硅纖維；

所述良性溶劑為芳香類非極性溶劑（例如苯、甲苯或二甲苯等）或呋喃類弱極性溶劑（例如四氫呋喃或四氫呋喃的衍生物等）；

所述非良性溶劑為極性溶劑，例如，二甲基亞砜、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、丁酮、乙醚、乙酸或乙酸乙酯等；或者為烷烴類非極性溶劑，例如正已烷或環已烷等。

本發明之多孔碳化硅纖維具有介孔結構，比表面積高，在高溫催化、隔熱、保溫、隔聲等領域均具有良好應用前景。

本發明之多孔碳化硅纖維制備方法利用沉淀分級原理調制可紡的聚碳硅烷懸濁溶液，實現了聚碳硅烷極稀溶液的靜電紡絲，并籍此引入大量介孔結構，首先制得多孔聚碳硅烷纖維，然后經不熔化、燒成，制得多孔SiC纖維。與直接使用聚碳硅烷濃溶液靜電紡絲制備致密SiC纖維相比，本發明之方法具有普適性，可用于實現其他先驅體聚合物極稀溶液的靜電紡絲，并制備相應的多孔陶瓷纖維。

附圖說明