苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，苎麻纤维的预处理，即将苎麻纤维经过洗、打纤处理、脱胶碱后清洗得到碱处理苎麻纤维；步骤2，苎麻纤维浸渍处理，首先配制浸渍溶液然后将步骤1得到的碱处理苎麻纤维进行反复浸渍直至浸渍率保持不变；步骤3将步骤2中完成浸渍处理的碱处理苎麻纤维浸渍产物进行有氧烧结处理。本发明的方法解决了现有制备方法制备的金属ZnO半导体气敏材料对目标气体敏感性差的问题。

权利要求

1.一种苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，苎麻纤维的预处理；

具体按照以下步骤实施：

步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维2～4次，除去苎麻纤维表面的杂质；

步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至10～15mm的长度；

步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为

12～15％的NaOH溶液浸泡20～24h；进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板；

步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质的量-1浓度为0.1～0.3mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中80～

100℃干燥2～3h，即得到碱处理苎麻纤维；

步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

具体按照以下步骤实施：

-1

步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.1～0.5mol·L的硝酸锌溶液；

步骤2.2：将步骤1中处理得到的碱处理苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:1.5～7.5；

步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在85～100℃温度下干燥 1～2h，计算浸渍率；反复浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理麻纤维浸渍产物；

步骤3，高温有氧烧结处理。

2.根据权利要求1所述的一种苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3具体按照以下步骤实施：步骤3：烧结，将步骤2中经过浸渍处理的碱处理麻纤维浸渍产物置于烧结设备中，按照3～5℃/min的升温速率，升温至600℃～800℃后，随炉保温1～2h，得到苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料。

说明书

苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属氧化物气敏传感材料技术领域，涉及一种苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法。

背景技术

[0002] 目前，公知的制备苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的技术有：1.文章《蛋膜结构氧化锌微纤维的合成与表征》(河南师范大学学报[J]，2007，35(4):103-105)；2.文章《以蛋清为模板制备多孔结构ZnO》(山东陶瓷[J]，2010，33(6)：7-10)；3.文章《以DNA为模板合成氧化锌纳米链状结构》(天津大学硕士论文[D]，2007，6)；

[0003] 以上公开的遗态转化制备技术所采用的生物模板主要涉及蛋膜、蛋清及生物遗传载体DNA等这些有机高分子材料，而采用“遗态转化”思想巧妙的复制苎麻微观分级多孔结构的苎麻形态氧化锌的制备工艺却未见报道。

[0004] 并且现有制备技术制备的金属ZnO半导体气敏材料对目标气体敏感性差、选择性低、工作温度高的缺点。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法，解决了现有制备方法制备的金属ZnO气敏陶瓷材料对目标气体敏感性差的问题。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0007] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0008] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0009] 步骤3，高温有氧烧结处理。

[0010] 本发明的特点还在于：

[0011] 步骤1具体按照以下步骤实施：

[0012] 步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维2～4次，除去苎麻纤维表面的杂质；

[0013] 步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至10～15mm的长度；

[0014] 步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为12～15％的NaOH溶液中浸泡20～24h，进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板。

[0015] 步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.1～0.3mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中
80～100℃干燥2～3h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0016] 步骤2具体按照以下步骤实施：

[0017] 步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.1～-10.5mol·L 的硝酸锌溶液；

[0018] 步骤2.2：将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:1.5～7.5。

[0019] 步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在85～100℃温度下干燥1～2h，计算浸渍率，并反复进行浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0020] 步骤3具体按照以下步骤实施：

[0021] 步骤3：烧结，将步骤2中处理得到的碱处理苎麻纤维浸渍产物置于烧结设备中，按照3～5℃/min的升温速率，升温至600℃～800℃后，随炉保温1～2h，得到苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料。

[0022] 本发明的有益效果是，本发明基于“遗态转化”思想，提供一种具有苎麻纤维遗态结构ZnO气敏陶瓷的制备方法。制得的苎麻形态ZnO多孔陶瓷气敏材料，具有高的气体灵敏度、吸脱附时间较短、工作温度较低等优点，且苎麻形态微观结构可以有效地抑制颗粒团聚，提高气敏材料长期工作的热稳定性，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

[0023] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

[0024] 本发明提供一种苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0025] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0026] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0027] 步骤3，高温有氧烧结处理。

[0028] 其中，步骤1具体按照以下步骤实施：

[0029] 步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维2～4次，以除去苎麻纤维表面的杂质；

[0030] 步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至10～15mm的长度；

[0031] 步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为12～15％的NaOH溶液浸泡20～24h，进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板；

[0032] 步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.1～0.3mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中
80～100℃干燥2～3h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0033] 其中，步骤2具体按照以下步骤实施：

[0034] 步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.1～-10.5mol·L 的硝酸锌溶液500ml；

[0035] 步骤2.2：将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:1.5～7.5。

[0036] 步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在85～100℃温度下干燥1～2h，计算浸渍率，并经反复浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0037] 其中，步骤3具体按照以下步骤实施：

[0038] 步骤3：烧结，将步骤2处理得到的碱处理苎麻纤维浸渍产物置于烧结设备中，按照3～5℃/min的升温速率，升温至600℃～800℃后，随炉保温1～2h，得到苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料。

[0039] 其中步骤3中的烧结设备为马沸炉。

[0040] 本发明基于“遗态转化”思想，提供一种基于苎麻纤维遗态结构氧化锌多孔陶瓷材料的制备方法，通过前处理调控苎麻纤维成分和微观结构，制备苎麻形态ZnO气敏材料。具体包括对苎麻纤维生物模板进行预处理、锌盐的溶解、浓度的调控、前驱体浸渍液的反复浸渍、高温有氧烧结，制备苎麻形态ZnO多孔陶瓷气敏材料。在高温烧结的过程中，硝酸锌分解成氧化锌，同时苎麻模板经高温氧化而除去，最终得到具有苎麻形貌的氧化锌多孔陶瓷气敏材料。

[0041] 在步骤1中，将苎麻纤维经预先碱液处理后得到碱处理苎麻纤维，通过对苎麻纤维进行预处理，实现对其化学成分和微观结构的调控。

[0042] 在步骤2中，控制锌盐的浓度值，在浸渍过程中，通过对不同浓度的浸渍溶液对苎-1麻的浸渍效果进行实验，可以得出：若浸渍溶液的浓度低于0.1mol·L ，浸渍效果不明显；
-1
但是若浸渍浓度高于0.5mol·L ，将导致浸渍物在苎麻表面团聚，在后期高温处理后会脱-1
落。所以本发明选择浓度为0.1～0.5mol·L 的硝酸锌溶液作为浸渍前驱液，以改善溶液-苎麻浸渍均匀性，同时提高溶胶浸渍率。

[0043] 在步骤3中，经高温有氧煅烧获得一种苎麻形态ZnO多孔陶瓷气敏材料，其中烧结温度对苎麻模板的去除至关重要，苎麻的炭化去除温度至少在600℃，而高烧结温度将导致晶粒长大。综合考虑：本发明采取五个烧结温度制备苎麻形态ZnO多孔气敏陶瓷材料。

[0044] 本发明方法制得的苎麻形态ZnO多孔陶瓷气敏材料，具有高的气体灵敏度、吸脱附时间短、工作温度低等优点，且苎麻形态微观结构可以有效地抑制颗粒团聚，提高气敏材料长期工作的热稳定性，具有广阔的应用前景。

[0045] 实施例1

[0046] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0047] 步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维2次，以除去苎麻纤维表面的杂质；

[0048] 步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至10mm的长度；

[0049] 步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为12％的NaOH溶液浸泡20h。进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板；

[0050] 步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.1mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中80℃干燥2h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0051] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0052] 步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.1mol·L-1的硝酸锌溶液；

[0053] 步骤2.2：将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:1.5。

[0054] 步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在85～100℃温度下干燥1h，计算浸渍率，反复浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0055] 步骤3，高温有氧烧结处理：将步骤2中得到的碱处理苎麻纤维浸渍产物放入马沸炉中，按照3℃/min的升温速率，升温至600℃后，随炉保温1h，得到苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料。

[0056] 实施例2

[0057] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0058] 步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维4次，以除去苎麻纤维表面的杂质；

[0059] 步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至15mm的长度；

[0060] 步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为15％的NaOH溶液浸泡24h。进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板；

[0061] 步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.3mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中100℃干燥3h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0062] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0063] 步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.5mol·L-1的硝酸锌溶液；

[0064] 步骤2.2：将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:7.5；

[0065] 步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在100℃温度下干燥2h，计算浸渍率。反复浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0066] 步骤3，高温有氧烧结处理：将步骤2中经过浸渍处理的碱处理苎麻纤维浸渍产物放入马沸炉中，按照5℃/min的升温速率，升温至800℃后，随炉保温2h。最终得到苎麻纤维遗态结构ZnO气敏材料。

[0067] 实施例3

[0068] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0069] 步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维3次，以除去苎麻纤维表面的杂质；

[0070] 步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至12mm的长度；

[0071] 步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为13％的NaOH溶液浸泡22h。进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板；

[0072] 步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.2mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中90℃干燥2.5h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0073] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0074] 步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.3mol·L-1的硝酸锌溶液；

[0075] 步骤2.2：将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:4.5；

[0076] 步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在95℃温度下干燥1.5h，计算浸渍率，反复浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0077] 步骤3，高温有氧烧结处理：将步骤2中经过浸渍处理的碱处理苎麻纤维浸渍产物放入马沸炉中，按照4℃/min的升温速率，升温至600℃～800℃后，随炉保温1.5h，得到苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料。

[0078] 实施例4

[0079] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0080] 步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维2次，以除去苎麻纤维表面的杂质；

[0081] 步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至13mm的长度；

[0082] 步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为15％的NaOH溶液浸泡20h。进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板；

[0083] 步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.15mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中100℃干燥2h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0084] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0085] 步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.2mol·L-1的硝酸锌溶液；

[0086] 步骤2.2：将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:5.5；

[0087] 步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在100℃温度下干燥1.2h，计算浸渍率，经过反复浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0088] 步骤3，高温有氧烧结处理：将步骤2中经过浸渍处理的碱处理苎麻纤维浸渍产物放入马沸炉中，按照3℃/min的升温速率，升温至700℃后，随炉保温1.8h，得到苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料。

[0089] 实施例5

[0090] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0091] 步骤1.1：清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维4次，以除去苎麻纤维表面的杂质；

[0092] 步骤1.2：打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至15mm的长度；

[0093] 步骤1.3：脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为14％的NaOH溶液浸泡23h。进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板；

[0094] 步骤1.4：将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.3mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中90℃干燥3h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0095] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0096] 步骤2.1：将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.4mol·L-1的硝酸锌溶液；

[0097] 步骤2.2：将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:2.5；

[0098] 步骤2.3：将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在90℃温度下干燥2h，计算浸渍率，并反复进行浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0099] 步骤3，高温有氧烧结处理：将步骤2中经过浸渍处理的碱处理苎麻纤维浸渍产物放入马沸炉中，按照5℃/min的升温速率，升温至650℃后，随炉保温2h，得到苎麻形态ZnO气敏陶瓷材料。

[0100] 实施例6

[0101] 步骤1，苎麻纤维的预处理；

[0102] 步骤1.1，清洗，用去离子水揉搓清洗苎麻原麻纤维3次，以除去苎麻纤维表面的杂质；

[0103] 步骤1.2，打纤处理，机械敲打纤维至蓬松状，然后剪切至15mm的长度；

[0104] 步骤1.3，脱胶碱处理，将步骤1.2中经过打纤处理的苎麻原麻纤维置于质量分数为12％的NaOH溶液浸泡21h。进行脱胶处理，得到微观形貌优良、吸附性好的碱处理苎麻纤维生物模板。

[0105] 步骤1.4，将步骤1.3中得到的碱处理苎麻纤维生物模板依次用去离子水和物质-1的量浓度为0.1mol·L 的盐酸进行酸洗，再用去离子水水洗至中性，再在干燥箱中100℃干燥3h，即得到碱处理苎麻纤维。

[0106] 步骤2，苎麻纤维浸渍处理；

[0107] 步骤2.1，将Zn(NO3)2·6H2O溶于去离子水中配制成物质的量浓度为0.4mol·L-1的硝酸锌溶液；

[0108] 步骤2.2，将预先碱处理的苎麻纤维放入配制好浸渍液中进行浸渍处理，其中碱处理苎麻纤维和浸渍液溶质的质量比为：1:5。

[0109] 步骤2.3，将浸渍后的碱处理苎麻纤维取出后在90℃温度下干燥2h，计算浸渍率。并经过反复浸渍处理，直至浸渍率保持不变，则完成对纤维的浸渍处理，得到碱处理苎麻纤维浸渍产物。

[0110] 步骤3，高温有氧烧结处理：将步骤2中经过浸渍处理的碱处理苎麻纤维浸渍产物放入马沸炉中，按照5℃/min的升温速率，升温至750℃后，随炉保温1h。最终得到苎麻形