專利名稱：分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的制備方法，具體是制備由 納米粒子所組裝的具有生物膜分級(jí)結(jié)構(gòu)的多孔氧化鋁粉體，該氧化鋁粉表現(xiàn)出 低的熱傳導(dǎo)性，是一種性能優(yōu)良的絕熱材料。屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋁(A1A)是一種優(yōu)質(zhì)的絕熱耐火材料，具有高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)異的 耐熱性和耐高溫氧化性，其熱導(dǎo)率小，熱膨脹系數(shù)低，抗熱震性好，在冶金爐、 陶瓷燒結(jié)爐或其它高溫爐中可用做護(hù)身襯里的隔熱材料。納米氧化鋁在生理環(huán) 境中基本不發(fā)生腐蝕，具有良好的結(jié)構(gòu)相容性，與機(jī)體組織之間的結(jié)合強(qiáng)度較 高，并且有強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)小、磨損率低等特性，常被用作人工骨、關(guān)節(jié)修 復(fù)體、牙根種植體等材料。此外，納米氧化鋁還被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化、 催化燃燒、石油煉制、加氫脫硫和高分子合成等方面?；谘趸X(Al晶)納米 材料的優(yōu)越性能和重要應(yīng)用價(jià)值，對其制備的研究已經(jīng)被廣泛關(guān)注。
經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，圍繞納米氧化鋁的制備方法有不少文獻(xiàn)報(bào)道。如中國專利 03129084.1名稱為"納米氧化鋁材料的制造方法"，通過用鋁堿廠大量存在的鋁 酸鈉和碳酸氫鈉兩種溶液直接混和發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)進(jìn)一步酸化處理獲得透明溶膠， 由該溶膠直接制造納米氧化鋁粉或納米氧化鋁陶瓷濾膜。這種方法制得的納米 氧化鋁雜質(zhì)較多，限制了其應(yīng)用。再如中國專利200310106128.8名稱為"高純 納米氧化鋁纖維粉體制備方法"，是將金屬鋁在HV-1催化劑的酸性溶液中浸泡 1-30分鐘進(jìn)行活化處理，接著用蒸餾水沖洗掉表面雜質(zhì)，然后對金屬鋁鼓氣若 干小時(shí)以發(fā)生氣一固反應(yīng)生成納米氧化鋁纖維，收集纖維狀物得到氧化鋁粉體， 此工藝復(fù)雜，耗時(shí)較長，限制了其廣泛推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種分級(jí)多孔氧化鋁納米絕
熱材料的制備方法。該方法工藝簡單靈活、成本低廉、且能對氧化鋁納米材料 的晶粒尺寸、微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制，所制備的這種分級(jí)多孔氧化鋁納米 材料具有很低的熱傳導(dǎo)率，可作為優(yōu)良的絕熱材料。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明基于生物模板合成技術(shù)，采用來源廣泛的工業(yè)和 生活廢料禽類蛋殼膜為模板材料，先對蛋膜進(jìn)行分離和清洗預(yù)處理，然后將蛋 膜在前驅(qū)液鋁鹽溶液中進(jìn)行浸漬優(yōu)化處理，再經(jīng)氧化灼燒處理，在生物模板作 用下原位形成氧化鋁納米顆粒；通過調(diào)節(jié)灼燒條件來控制氧化鋁納米顆粒的尺 寸大小和孔徑分布。所獲得的分級(jí)多孔氧化鋁納米材料表現(xiàn)出較低的熱傳導(dǎo)性 能，是一種性能優(yōu)良的絕熱耐火材料。
本發(fā)明的方法按如下步驟進(jìn)行
1) 蛋膜預(yù)處理選擇禽類蛋殼膜為生物模板材料并對其進(jìn)行預(yù)處理。將蛋 殼在1M的鹽酸溶液中浸泡，當(dāng)?shù)澳づc鈣質(zhì)材料分離后，將蛋膜取出漂洗干凈， 自然晾干待用。
2) 蛋膜的浸漬處理將預(yù)處理好的干凈蛋膜置于鋁鹽溶液中浸漬10 — 24 小時(shí)，然后取出在低于50 'C下烘干。
3) 灼燒處理將上述經(jīng)浸漬并烘干處理后的蛋膜放入電磁爐中，以20—30 。C/分鐘的升溫速度加熱至800—1100 。C并保溫l一2小時(shí)進(jìn)行灼燒處理，然后停 止供熱，待爐腔冷至室溫后取出白色薄片狀灼燒產(chǎn)物，即得到具有低熱傳導(dǎo)率 的分級(jí)多孔氧化鋁納米材料。
本發(fā)明的步驟l)中，考慮到該過程的工業(yè)化，可以通過機(jī)械法高效剝離蛋 膜，己經(jīng)有這方面專利。由于通常禽類蛋殼是由有機(jī)膜成分和碳酸鈣等礦物質(zhì) 組成的，通過在l M鹽酸溶液中浸泡蛋殼可以容易地分離出有機(jī)蛋膜，并可以 保持蛋膜的生物活性。
步驟2)中，蛋膜用量依據(jù)所需要制備的氧化鋁材料的量來稱取， 一般IOO 克干蛋膜可制備氧化鋁5 — 10克。所采用的鋁鹽溶液，尤指由結(jié)晶氯化鋁在不 斷攪拌下緩慢加入蒸餾水中(結(jié)晶氯化鋁和蒸餾水的質(zhì)量比為1:10)獲得的氯 化鋁水溶液。其pH值調(diào)控主要通過加入1 MNaOH溶液來控制，調(diào)整浸漬液的
pH值為4。
步驟3)中，通過灼燒處理除去生物模板蛋膜后獲得的終產(chǎn)物是復(fù)制了蛋膜 形態(tài)結(jié)構(gòu)并具有低熱傳導(dǎo)率的分級(jí)多孔氧化鋁納米材料。
本發(fā)明方法制備的氧化鋁納米絕熱材料是由納米顆粒組裝而成的分級(jí)多孔 陶瓷材料，納米顆粒尺寸在20—60 nm，孔徑大小為3 — 8 nm，工作溫度在25 —800 。C之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.05—0.18 W/(m*K)。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。本發(fā)明巧妙地利用了工業(yè)和生活廢料
蛋殼膜，制備出具有低熱傳導(dǎo)率的分級(jí)多孔氧化鋁納米材料，創(chuàng)造了一種成本 低廉、工藝簡單環(huán)保的新材料制備方法。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)氧化灼燒溫度和升溫 速度等來控制氧化鋁納米顆粒的尺寸大小和孔徑分布，所制備的分級(jí)多孔氧化 鋁納米材料具有熱導(dǎo)率小，熱膨脹系數(shù)低，抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，可用作優(yōu)良的 絕熱耐火材料，以及在冶金爐、陶瓷燒結(jié)爐或其它高溫爐中可用作護(hù)身襯里的 隔熱材料，能更好地幫助解決能源耗損問題。


圖1是本發(fā)明分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的XRD模式。 圖2是分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的掃描電鏡照片(煅燒溫度800 °C )。 圖3是分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的透射電鏡照片(煅燒溫度800 °C)。 圖4為分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)-溫度曲線。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例不
構(gòu)成對本發(fā)明的限定。 實(shí)施例l
選取新鮮的禽類蛋，去除內(nèi)容液體物質(zhì)后蛋殼用清水充分漂洗干凈，投入1 M的鹽酸溶液中浸泡約IO分鐘剝離出蛋膜，經(jīng)清水充分漂洗和用去離子水漂洗 三次后撈出室溫吹晾干；稱取上述已處理好的潔凈干燥的生物材料蛋膜2g，在 所配氯化鋁溶液體系中(25 g結(jié)晶氯化鋁在不斷攪拌下緩慢加入250 g蒸餾水中 獲得的溶液，并用1 M NaOH溶液調(diào)至pH = 4)浸漬24小時(shí)后取出，50 。C下2
小時(shí)烘干，放入電磁爐中以20 'C/分鐘的升溫速度加熱至800 'C并保持恒溫2 小時(shí)后停止加熱，待爐溫自然降至室溫后取出。所得的白色薄片狀物質(zhì)是由Y-氧化鋁納米顆粒組裝形成的具有蛋膜的分級(jí)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，納米顆 粒尺寸約為30 nm，孔徑大小為3-4 nm，工作溫度在25_800 。C條件下的熱傳 導(dǎo)系數(shù)在0. 0766—0. 1138 W/(m械)之間。 實(shí)施例2
選取新鮮的禽類蛋，去除內(nèi)容液體物質(zhì)后蛋殼用清水充分漂洗干凈，投入l M的鹽酸溶液中浸漬約IO分鐘剝離出蛋膜，經(jīng)清水充分漂洗和用去離子水漂洗 三次后撈出室溫吹晾干；稱取上述已處理好的潔凈干燥的生物材料蛋膜2g，在 所配氯化鋁溶液體系中(25 g結(jié)晶氯化鋁在不斷攪拌下緩慢加入250 g蒸餾水中 獲得的溶液，并用1 MNaOH溶液調(diào)至pH-4)浸漬24小時(shí)后取出，50 'C下2 小時(shí)烘干，放入電磁爐中以25 'C/分鐘的升溫速度加熱至1000 'C并保持恒溫 1.5小時(shí)后停止加熱，待爐溫自然降至室溫后取出。所得的白色薄片狀物質(zhì)是由 Y -氧化鋁納米顆粒組裝形成的具有蛋膜的分級(jí)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。納米 顆粒尺寸約為50 nm，孔徑大小約為6 nm，工作溫度在25—800 。C條件下的熱 傳導(dǎo)系數(shù)在0. 0836—0. 1548 W/(ra純)之間。 實(shí)施例3
選取新鮮的禽類蛋，去除內(nèi)容液體物質(zhì)后蛋殼用清水充分漂洗干凈，投入1 M的鹽酸溶液中浸漬約IO分鐘剝離出蛋膜，經(jīng)清水充分漂洗和用去離子水漂洗 三次后撈出室溫吹晾干；稱取上述已處理好的潔凈千燥的生物材料蛋膜2g，在 所配氯化鋁溶液體系中(25 g結(jié)晶氯化鋁在不斷攪拌下緩慢加入250 g蒸餾水中 獲得的溶液，并用1 MNaOH溶液調(diào)至pH = 4)浸漬24小時(shí)后取出，50 'C下2 小時(shí)烘干，放入電磁爐中以30 'C/分鐘的升溫速度加熱至1100 'C并保持恒溫1 小時(shí)后停止加熱，待爐溫自然降至室溫后取出。所得的白色薄片狀物質(zhì)是由Y-氧化鋁納米顆粒組裝形成的具有蛋膜的分級(jí)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。納米顆 粒尺寸為55-60 nm，孔徑大小約為8nm，工作溫度在25—800 'C條件下的熱傳 導(dǎo)系數(shù)在0. 0898—0. 175 W/(m械)之間。
圖1是本發(fā)明分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的XRD模式。圖中分別示出了 不同燒結(jié)溫度下，即實(shí)施例1 (800 。C)、實(shí)施例2 (1000 °C)、實(shí)施例3 (1100 °C) 所得材料的XRD模式，表明生成的氧化鋁均為Y-Al2Cb。
圖2是實(shí)施例1在80(TC燒結(jié)所得分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的掃描電鏡 照片，圖中右上角小插圖為蛋膜的掃描電鏡照片，由此可看出所制備的氧化鋁 納米絕熱材料保留了蛋膜的分級(jí)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖3是實(shí)施例1在800 'C燒結(jié)所得分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的透射電 鏡照片，由圖可看出氧化鋁納米顆粒的尺寸為30 nm左右。
圖4為分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)-溫度曲線，三條曲線分別
對應(yīng)于不同燒結(jié)溫度，即實(shí)施例l: 800'C;實(shí)施例2: 1000 。C;實(shí)施例3:
IIOO'C燒結(jié)得到的材料?？梢钥闯鲈诠ぷ鳒囟?5—800 t的條件下，分級(jí)多孔 氧化鋁納米絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)保持在0. 05_0. 18 W/(m*K)。
權(quán)利要求
1、一種分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)選擇禽類蛋殼膜為生物模板材料并對其進(jìn)行預(yù)處理，將蛋殼在1 M的鹽酸溶液中浸泡，當(dāng)?shù)澳づc鈣質(zhì)材料分離后，將蛋膜取出漂洗干凈，晾干；2)將預(yù)處理好的干凈蛋膜置于鋁鹽溶液中浸漬10-24小時(shí)，然后取出在低于50℃下烘干；3)將上述經(jīng)浸漬并烘干處理后的蛋膜放入電磁爐中，以20-30℃/分鐘的升溫速度加熱至800-1100℃并保溫1-2小時(shí)，然后停止供熱，冷卻后取出白色薄片狀灼燒產(chǎn)物，即得到具有低熱傳導(dǎo)率的分級(jí)多孔氧化鋁納米材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的制備方法，其特征在 于所述的鋁鹽溶液為氯化鋁水溶液，由結(jié)晶氯化鋁在不斷攪拌下緩慢加入蒸鎦 水中獲得，結(jié)晶氯化鋁和蒸餾水的質(zhì)量比為1:10，用1 M NaOH溶液調(diào)整氯化 鋁水溶液的pH值為4。
3、 一種采用權(quán)利要求1或2的方法制備的氧化鋁納米絕熱材料，其特征在 于是由納米顆粒組裝而成的分級(jí)多孔陶瓷材料，納米顆粒尺寸在20—60nm，孔 徑大小為3—8 nm，工作溫度在25_800 。C條件下的熱傳導(dǎo)系數(shù)在0. 05_0. 18 W/(m械)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料的制備方法?；谏锬０搴铣杉夹g(shù)，采用來源廣泛的工業(yè)和生活廢料禽類蛋殼膜為模板材料，先對蛋膜進(jìn)行分離和清洗預(yù)處理，然后將蛋膜在前驅(qū)液鋁鹽溶液中進(jìn)行浸漬優(yōu)化處理，再經(jīng)氧化灼燒處理，在生物模板作用下原位形成氧化鋁納米材料，獲得一種性能優(yōu)越的分級(jí)多孔氧化鋁納米絕熱材料。本發(fā)明工藝簡單，成本低廉，通過調(diào)節(jié)氧化灼燒溫度和升溫速度等來控制氧化鋁納米顆粒的尺寸大小和孔徑分布，所制備的分級(jí)多孔氧化鋁納米材料具有熱導(dǎo)率小，熱膨脹系數(shù)低，抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，可用作優(yōu)良的絕熱耐火材料，以及在冶金爐、陶瓷燒結(jié)爐或其它高溫爐中可用作護(hù)身襯里的隔熱材料，能更好地幫助解決能源耗損問題。
文檔編號(hào)C04B38/06GK101100307SQ20071004398
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者鈁 宋, 荻 張, 蘇慧蘭 申請人:上海交通大學(xué)