耐热耐火仿生纳米复合纤维材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开耐热耐火仿生纳米复合纤维材料及其制备方法和用途。该方法包括：使蒙脱土(montmorillonite，MMT)溶液与海藻酸钠(sodium alginate，SA)溶液混合后搅拌得到MMT

【技术实现步骤摘要】
耐热耐火仿生纳米复合纤维材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及纳米复合纤维材料制备领域，具体地涉及耐热耐火仿生纳米复合纤维材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料，它是天然的矿物纤维，其微观结构为链状硅酸盐晶体结构。但石棉具有致癌性，在石棉粉尘严重的环境中会增大感染癌型间皮瘤和肺癌的可能性。
[0003]珍珠层是一种有机
‑
无机复合材料，由95wt.％的无机矿物质(通常是碳酸钙)和5wt.％的有机生物聚合物(通常是几丁质及蛋白质)组成，这两者都是相对较弱的成分。在珍珠层中，碳酸钙晶片通过蛋白质堆叠在一起形成生物有机质层层交错构筑的“砖
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砂浆”微观结构，同时无机片层和有机质之间存在不同界面作用，使珍珠层具有强韧一体化的优异力学性能。珍珠层这种独特的微观结构，可作为仿生的“黄金标准”，为构建具有综合高强度和韧性的纳米复合材料提供了一种新的策略。目前Gao等人制备的石墨烯/蒙脱土纳米复合纤维材料(ACS Nano 2015,9,5214)，其强度达270MPa，即使在600℃灼烧1h仍然保留113MPa的强度；Cheng等人制备的石墨烯/10,12
‑
二十五碳二炔
‑1‑
醇(PCDO)纳米复合纤维材料(Adv.Mater.2016,28,2834)，其强度达842.6MPa，并且韧性达15.8MJm
‑3。上述提到的纳米复合材料多为二维薄膜类复合材料，一维类贝壳状纳米复合纤维材料少有报道，特别是以无机矿物为基体的具有优良的耐热耐火特性仿生无机
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有机复合纳米纤维材料未被报道过。
[0004]蒙脱土是一种天然的环保耐热耐火的无机矿物材料，被广泛应用于隔热耐火材料等领域。Yu等人报道了一种具有耐火特性的壳聚糖/蒙脱土薄膜材料，其通过简单的真空辅助过滤法制备，蒙脱土在长时间暴露在火焰下保持惰性，薄膜的形状保持不变(Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,10127)。Andreas Walther等人通过蒸发干燥制备了纤维素纳米晶/蒙脱土复合薄膜，暴露在1300℃丁烷气体火焰中，薄膜材料几乎不燃烧且形状持久，可以作为固体热屏障材料应用于防火材料等领域(ACS Appl.Mater.Interfaces 2013,5,3738)。蒙脱土在仿生纳米复合材料中多用于构建二维薄膜材料(J.Mater.Chem.A 2015,3,21194、ACS Nano 2014,8,2739、ACS Appl.Mater.Interfaces 2018,10,32543、ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,28816、ACS Appl.Mater.Interfaces 2013,5,7613、ACS Appl.Mater.Interfaces 2020,12,6371等)，在一维仿生纳米复合纤维材料中作为基体材料还没有被报道过。
[0005]虽然Cheng等人制备了石墨烯/10,12
‑
二十五碳二炔
‑1‑
醇(PCDO)纳米复合纤维材料具有高的强度和韧性，但不具有耐热耐火特性。Gao等人采用湿法纺丝法制备了石墨烯/蒙脱土纳米复合纤维材料优良的耐火特性，但其作为基体材料的石墨烯原料制备复杂、价格较高。
[0006]目前以无机矿物为基体的具有优良的耐热耐火特性的复合纤维材料少有报道，因
此，仍需要一种具有优异耐热耐火仿生纳米复合纤维，以作为天然石棉纤维材料一些应用领域的替代品，进而应用于诸如服装等领域。
[0007]
技术介绍
中的信息仅仅在于说明本专利技术的总体背景，不应视为承认或以任何形式暗示这些信息构成本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0008]为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种耐热耐火仿生纳米复合纤维材料及其制备方法和用途。本专利技术采用蒙脱土(MMT)作为基元材料，与海藻酸钠(SA)复合得到耐热耐火仿生纳米复合纤维材料。该材料可以在火焰加热条件下保存其材料结构且保持一定拉伸强度。这种耐热耐火人造仿生纳米复合纤维材料可作为天然石棉纤维材料一些应用领域的替代品，在耐火服装、国防工业、航空航天等领域具有潜在的应用前景。具体地，本专利技术包括以下内容。
[0009]本专利技术的第一方面，提供一种耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0010](1)使蒙脱土溶液与海藻酸钠溶液混合后搅拌得到MMT
‑
SA溶液，其中所述MMT
‑
SA溶液中以蒙脱土作为基体材料；
[0011](2)加热浓缩所述MMT
‑
SA溶液至浓度为15
‑
30mg/mL得到MMT
‑
SA浓缩液；和
[0012](3)使所述MMT
‑
SA浓缩液从喷嘴连续注射进入醇浴，通过流体的流变剪切诱导自组装方式进行诱导自组装，并萃取凝固得到凝胶纤维，收集所述凝胶纤维，干燥得到仿生纳米复合纤维材料。
[0013]根据本专利技术所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，优选地，所述MMT
‑
SA浓缩液注射的速度足以使蒙脱土纳米片在注射时利用流变剪切作用自组装成层状圆柱结构。
[0014]根据本专利技术所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，优选地，所述蒙脱土溶液的浓度为1
‑
3.5mg/ml，且其制备方法包括将蒙脱土溶解于去离子水中，搅拌7
‑
10d后，取悬浊液以2000
‑
2200r/min的转速离心，取上清液得到蒙脱土溶液，再次以10000
‑
12000r/min的转速离心浓缩，得到浓缩的蒙脱土溶液，搅拌2
‑
5d，即获得所需的蒙脱土溶液。
[0015]根据本专利技术所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，优选地，所述MMT
‑
SA溶液中蒙脱土的质量分数为40
‑
90％，相对的海藻酸钠的质量分数为10
‑
60％，例如10％、20％、30％、40％、50％、60％。
[0016]根据本专利技术所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，优选地，所述海藻酸钠溶液的浓度为0.5
‑
10mg/ml。
[0017]根据本专利技术所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，优选地，所述MMT
‑
SA溶液中蒙脱土与海藻酸钠的重量比为(1
‑
9):(1
‑
3)。
[0018]根据本专利技术所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，优选地，进一步包括(4)用含有二价金属离子的醇水溶液进一步处理所述仿生纳米复合纤维材料，从而强化所述仿生纳米复合纤维材料的步骤。
[0019]根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)使蒙脱土溶液与海藻酸钠溶液混合后搅拌得到MMT
‑
SA溶液，其中所述MMT
‑
SA溶液中以蒙脱土作为基体材料；(2)加热浓缩所述MMT
‑
SA溶液至浓度为15
‑
30mg/mL得到MMT
‑
SA浓缩液；和(3)使所述MMT
‑
SA浓缩液从喷嘴连续注射进入醇浴，通过流体的流变剪切诱导自组装方式进行诱导自组装，并萃取凝固得到凝胶纤维，收集所述凝胶纤维，干燥得到仿生纳米复合纤维材料。2.根据权利要求1所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述MMT
‑
SA浓缩液注射的速度足以使蒙脱土纳米片层在注射时利用流变剪切作用自组装成层状圆柱结构。3.根据权利要求1所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述蒙脱土溶液的浓度为1
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3.5mg/ml，且其制备方法包括将蒙脱土溶解于去离子水中，搅拌7
‑
10d后，取悬浊液以2000
‑
2200r/min的转速离心，取上清液得到蒙脱土溶液，再次以10000
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12000r/min的转速离心浓缩，得到浓缩的蒙脱土溶液，搅拌2
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5d，即获得所需的蒙脱土溶液。4.根据权利要求1所述的耐热耐火仿生纳米复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张媛媛，任晨诚，彭景淞，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：