高表面积的陶瓷涂层纤维制造技术

一种制造陶瓷涂层纤维的方法，包括对包含液体形式的陶瓷前体的活性炭涂层纤维进行热处理，以形成陶瓷涂层纤维。

Ceramic coating fiber with high surface area

A method of manufacturing a ceramic coated fiber comprising heating an activated carbon coated fiber containing a liquid form of ceramic precursor to form a ceramic coated fiber.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
在美国(Stachka和Pontius，1984)和其它国家，超过700种有机化合物已经确定存在于饮用水源中。许多自来水公司、企业和政府机构在地下水作为饮用水使用之前，必须从污染的地下水中去除或破坏有机化合物。此外，许多饮用水公司面临消毒副产物在备好的水中的形成。消毒副产物是水处理过程中作为消毒过程的结果而形成的化合物。该过程中，消毒剂如氯加入水源中，与存在于水源中的部分背景有机物质(background organic matter)(BOM)反应生成消毒副产物。BOM的反应部分被称作消毒副产物前体。相当多的研究是针对使消毒副产物的产生最小化的有效和经济的处理策略。高级氧化过程(advanced oxidation processes)(AOPs)是可选择的方法，它破坏有机化合物并将它们转变为无毒形式，如二氧化碳和水。AOPs包括产生高反应性的自由基，如羟基(OH·)，这导致有机化合物的破坏。AOPs可以区分为两个主要组AOPs包括单独使用或组合使用过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3)、氯、和紫外(UV)光的均相反应；和AOPs使用光活化催化剂(如半导体状二氧化钛(TiO2)和掺杂氮的二氧化钛(TiO2-xNx))的多相反应。后者情况(光催化氧化过程)下，光活化半导体催化剂浸入充氧水溶液(oxygenated aqueoussolution)中，并用UV或可见辐射照射，以生成反应性氧物质(species)，导致有机化合物的氧化。担负水溶液中有机化合物光催化氧化反应的主要氧化剂被认为是高反应性羟基(OH·)，尽管也有报导吸附有机化合物与表面物质如空穴的直接反应(Vlz等，1981；Ceresa等，Matthews，1984；和Turchi和Ollis，1990)。当光活化半导体用半导体的带隙能光子或更大照射时，光子使电子由价带激发，克服带隙的能量到导带，并在该价带中留下电子空位或空穴。例如，TiO2的锐钛矿形式具有约3.2eV的带隙能，这等价于387nm波长的UV光能量。因此，TiO2的锐钛矿形式可以由低于387nm的波长辐射而活化。激发的电子和导致的空穴可以参予与吸附物质(如水固界面的H2O、OH-、有机化合物和O2)的氧化还原过程。空穴可以参予与吸附的H2O或OH-的氧化半反应以形成羟基。电子参予与吸附的O2的还原半反应以生成超氧化物自由基O2-，它也可以依次生成H2O2和OH·(Okamoto等人，1985)。为了高光催化效率，具有大表面积的中孔TiO2是高度希望的，它首先使用磷酸盐表面活性剂通过改性溶胶-凝胶过程制备。该产物是不纯的TiO2，因为明显量的残留磷，并且在通过煅烧去除模板的过程中，其中孔性结构遭受部分坍塌(collapse)。另一个方法是在非水溶液中，自两性聚(亚烷基)嵌段共聚物作为结构导向剂(structure-directing agent)和有机钛盐作为前体生成中孔TiO2。然而，反应条件的轻微变化经常导致非常不同的结果，使得该方法难于再现。第三种方法，使用十二烷胺作为导向剂和异丙氧基钛作为前体，通过萃取弄空孔隙，产生的多孔结构在300℃干空气热处理之后没有残留。因此，迄今为止难以生成高度结晶的用于光催化所需的TiO2。现有TiO2光催化技术的第二个问题是需要紫外光活化。因为TiO2带隙的大能量(Eg＝3.2eV，锐钛矿)，它作为光催化剂的用途限于波长低于380nm的辐射。当暴露于大于380nm波长的可见光下时，材料催化活性能够在光强度低的环境(例如户内或车辆内)中获得令人满意的光催化。现有技术的另一个主要问题是粉末形式的光催化剂难以处理，并且太细以至于不能从光反应器回收。因此，开发了TiO2在各种基材和载体上的几种膜以用于光催化应用。然而，颗粒烧结和结块极大地减少了光催化剂的表面积。TiO2对基材的结合也是问题的来源。TiO2膜通过导向生长和后合成晶体附着得以装配在基材上。两种方法均依赖于化学粘合剂固定TiO2到基材表面。不幸地是，有机粘合剂敏感，在UV光下易分解。因此，TiO2膜从基材上松开，容易分离。TiO2的粉末、纤维和膜已经报导，许多光催化的TiO2粉末制剂是市场上可买到的。然而，这些粉末难以应用于水的净化，并且这些粉末的表面积低，导致低催化活性和只有少量催化部位。相反，TiO2纤维具有很高的表面积、高耐磨性和机械强度以及高热稳定性。此外，当用于化学反应器时，TiO2纤维仅引起小的压降并可以作为增强材料和作为各种形状和尺寸的基质。TiO2纤维可以由各种制造方法制备。例如，TiO2纤维由纤维状K2Ti4O9前体的溶剂热反应(solvothermal reaction)制备、由K2O·4TiO2纤维的离子交换反应制备和H2Ti4O9的热分解制备。活性炭纤维(ACF)传统上通过加热有机前体直到碳化，然后活化该碳化材料而生成。活化典型地由氧化环境下加热碳化材料获得。可选择地，碳可以是化学活化的。该过程包括用例如磷酸、氯化锌或氢氧化钾浸渍该碳前体，随后碳化。然而，以上方法产生脆且易碎的ACF，限制了它们对包括一些机械载体的体系的用途。该问题通过制备其中在基材纤维上形成活性炭作为涂层的纤维而得到缓和。例如，美国专利No.5,834,114描述了涂有活性炭的玻璃或矿物纤维。它们通过以树脂对纤维基材进行涂覆来制备，交联该树脂，加热该涂层纤维基材和树脂以碳化该树脂，并且暴露该涂层纤维基材于蚀刻剂下，以活化该涂层纤维基材。美国专利No.6,517,906描述了用包含有机聚合物材料和化学活化剂的混合物对基材纤维进行涂覆，其中化学活化剂如路易斯酸或碱。该混合物在低于较早方法要求的温度下碳化，允许形成在低熔点纤维如HEPA纤维上的活性炭涂层。
技术实现思路
本专利技术的第一个方面是制造陶瓷涂层纤维的方法，包括对包含陶瓷前体的活性炭涂层纤维进行热处理，以形成陶瓷涂层纤维。本专利技术的第二个方面是陶瓷涂层纤维，包括(a)纤维，和(b)涂覆在该纤维上的陶瓷。该陶瓷具有至少60m2/g的BET表面积，并且该陶瓷包括结晶陶瓷。本专利技术的第三个方面是制造用于制作陶瓷涂层纤维的中间体的方法，包括对包含陶瓷前体的活性炭涂层纤维进行加热，以固化该前体。本专利技术的第四个方面是陶瓷涂层纤维，包括(a)纤维，和(b)涂覆在该纤维上的陶瓷。该陶瓷具有至少50m2/g的BET表面积，且该陶瓷包括选自Al2O3、ZrO2和MgO中的至少一种。附图说明图1说明了根据实施例1方法生成的陶瓷纤维的表面电子显微照片(SEM)。图2说明由实施例1的纤维催化的硬脂酸光降解(图2A)，和由作为参比的市售TiO2光催化剂催化的硬脂酸光降解(图2B)。图3说明由实施例1的纤维催化的硬脂酸光降解(图3A)，和由作为参比的市售TiO2光催化剂催化的硬脂酸光降解(图3B)。图4说明由实施例(3)的TiON纤维催化腐殖酸的光降解。图5说明用实施例(3)的TiON纤维和用实施例(5)的Ag-TiON纤维进行的大肠杆菌细菌培养物的温育。图6说明ACF对表面积和Al2O3纤维产率的影响。图7说明第二次加热的温度对表面积和Al2O3纤维产率的影响。图8说明第二次加热的温度对表面积和MgO纤维产率的影响。具体实施例方式在氧化气氛下，活性炭不能抵抗高于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造陶瓷涂层纤维的方法，包括：对包含陶瓷前体的活性炭涂层纤维进行热处理，以形成陶瓷涂层纤维。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚健酷，谢荣才，岳中仁，詹姆斯伊科诺米，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学受托管理委员会，
类型：发明
国别省市：US[美国]