基于静电溶液喷射法“毛毛虫”状仿生氧化铝纤维的成形机理及有效构筑

Alumina fiber is one of the high performance fibers, which has be used in many fields. Designing the alumina fiber with heteromorphic or bionic structure would greatly improve its performance, which has been the hot topic in its research field. In this project, alumina fiber with a caterpillar-like bionic structure will be prepared through a novel electro-blown spinning (EBS) method, combining with F doping and the control of high temperature calcining process. Controllable preparation of raw alumina fiber with F doping, forming mechanism and construction of caterpillar-like bionic structure will be investigated. Moreover, the central composite design and response surface methodology are used to optimize electro-blown spinning parameters. The forming mechanism of caterpillar-like structure is elucidated by designing contrast experiments and analyzing product components of section calcining process. To realize the effective construction of caterpillar-like structure, kinetics and thermodynamic equation of crystal growth reaction are solved and the function relation between the long diameter ratio r and the holding time t is established. Relationship between performance and fiber carrier structure used for photocatalytic degradation of dyes will be further explored. The implementation of this project will provide experimental and theoretical support for the development of high performance bionic alumina fiber.

氧化铝纤维是一种应用广泛的高性能无机纤维，设计具有异形或仿生结构的氧化铝纤维可以大幅度提升纤维性能，成为本领域研究热点。本项目拟采用新型静电溶液喷射技术，结合氟元素掺杂改性及高温煅烧过程控制，有效构筑具有“毛毛虫”状仿生结构的氧化铝纤维。重点围绕氟掺杂改性初生氧化铝纤维的可控制备、“毛毛虫”状氧化铝纤维针刺结构的成形机理、针刺结构的有效构筑等问题进行研究。采用中心组合设计响应面法优化静电溶液喷射纺丝过程；通过设计对比实验及分段煅烧的产物组分，明确针刺结构成形机理；求解晶体生长反应动力学及热力学方程，建立针刺结构长径比r与保温时间t之间的函数关系，实现针刺结构的有效构筑；初步探索该材料作为光催化剂载体用于染料催化降解时结构与性能间的构效关系。通过项目的实施，为发展新型高性能仿生氧化铝纤维提供理论依据和技术支撑。

氧化铝纤维是一种应用广泛的高性能无机纤维，设计具有异形或仿生结构的氧化铝纤维可以大幅度提升纤维性能，成为本领域研究热点。本项目采用溶胶凝胶技术，通过静电溶液喷射成形方法制备初生柔性氧化铝超细纤维，探讨了不同溶胶粘度和纺丝工艺参数对静电溶液喷射氧化铝初生纤维的形貌及纤维直径分布的影响。通过响应面法分析可知，单因素对纤维直径的CV值影响显著性顺序为纺丝风压（C）>溶胶粘度（A）>进液速率（D）>纺丝电压（B）。优化设计得出较佳的实验条件为：溶液粘度1.57Pa·s，电压40.25kV，风压0.15Mpa，进液速率29.37ml/h，预测响应值为10.90%。在最佳实验条件下制备的纤维直径的CV值为11.37%，与预测值接近。.以PTFE乳液为制孔剂配制氧化铝溶胶（PTFE占溶胶的质量分数为22%），利用EBS技术结合热处理工艺，成功构建了具有多级孔结构的超细氧化铝纤维。研究表明，煅烧温度对氧化铝纤维的形貌及结构影响显著。800 ℃煅烧条件下所制备的氧化铝纤维（HPAF-800），孔径分布集中在3.5 nm和64.5 nm处，具有明显的多级孔结构，纤维连续性较好，比表面积为67 m2 g-1。同时，HPAF-800对亚甲基蓝（MB）染料污染物表现出了优异的吸附性能，室温下30分钟内染料去除率可达97.65%。吸附动力学研究表明，HPAF-800对MB的吸附过程遵循准二级动力学模型。.采用单因素控制变量法，系统研究了不同PTFE添加量（0 wt%、22 wt%和36 wt%）、不同煅烧温度（700 ℃、900 ℃和1100 ℃）和不同升温速率（2 ℃ min-1、5 ℃ min-1和10 ℃ min-1）对氧化铝纤维形貌和结构的影响规律。研究表明，通过调节PTFE添加量和煅烧温度，可分别得到光滑、多级孔和“毛毛虫”状等不同结构氧化铝纤维。当PTFE添加量为36 wt%，煅烧温度为1100 ℃，升温速率为5 ℃ min-1时，可得到形貌良好的“毛毛虫”状氧化铝纤维，比表面积为96 m2 g-1。将该“毛毛虫”状纤维用作氧化铜（CuO）催化剂的载体，选择性地将5-羟甲基糠醛（HMF）催化氧化为2,5-呋喃二甲酸（FDCA），“毛毛虫”状结构很好的避免了CuO活性粒子的团聚。