一種複合陶瓷連續纖維的製備工藝的製作方法
2023-06-01 08:47:51
專利名稱：一種複合陶瓷連續纖維的製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可以用作纏繞、疊層或其他二維三維編織的陶瓷連續纖維的製備工藝。
背景技術：
陶瓷纖維是一種纖維狀材料，它的直徑一般為2 50 ym，纖維表面呈光滑圓柱形。陶瓷纖維的品種主要有普通矽酸鋁纖維、高鋁矽酸鋁纖維、矽酸鋁纖維、多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維等[現代技術陶瓷，2012，(I) :25-31]。陶瓷纖維具有質量輕、耐高溫、熱穩定性好、導熱率低、比熱小及耐機械震動等優點，因而廣泛應用於石化、冶金、電力、航空、航天、消防、家電、汽車、船舶等各個領域。隨著應用技術的提高，陶瓷纖維還在不斷拓展新的應用領域[纖維素科學與技術，2012，20 (I)79-85]。在國內，陶瓷短纖維的生產工藝比較成熟，生產廠家有山東魯陽，浙江德清，洛陽耐火材料等公司。在國外，陶瓷短纖維、陶瓷連續纖維的製備技術也已工業化生產，生產廠家如美國3M，英國ICI，日本Sunitomo等公司。但全世界的研究者繼續對纖維的製備進行更深入的研究，以期簡化纖維製備工藝、降低成本、提高質量。溶膠一凝膠法製備陶瓷纖維設備簡單、製備成本低，燒結溫度低(比淤漿法低400 500°C)，前驅體混合均勻(其化學均勻性可達分子水平)，製備過程中的反應溫和，反應過程易於控制。因此，用溶膠一凝膠法製備陶瓷纖維的研究較多。用溶膠一凝膠法製備陶瓷纖維過程中，前驅體溶膠在陳放環節中，隨著時間的延長，膠粒發生長大，一些膠粒將發生凝聚，形成三維網絡結構，使溶膠的紡絲性能下降[Materials and Manufacturing Processes, 2011，26 (10) : 1374-1377]。在前軀體溶膠中加入封端劑，將阻礙膠粒間凝聚，提高溶膠的穩定性，延長溶膠的紡絲時間窗口，將有利於溶膠的工業化生產。但關於適合陶瓷纖維前驅體溶膠的封端劑的相關研究，國內外還未見有報導。前軀體溶膠通過紡絲工藝得到凝膠纖維，凝膠纖維在乾燥和燒結過程中將進行脫水、脫碳，在凝膠纖維脫水、脫碳過程中，氣體揮發易在纖維內部產生應力，導致缺陷的產生，甚至使纖維開裂或斷裂。在前軀體溶膠中加入增強材料，將可避免凝膠纖維缺陷的產生。另外，凝膠纖維通過燒結後得到陶瓷纖維，增強材料也可作為陶瓷纖維的增強相，從而提高陶瓷纖維的強度。
目前的研究結果表明，用溶膠-凝膠法製備的溶膠的穩定性較差、得到的纖維強度較低、纖維的長度較短，不能得到連續的纖維。
發明內容
本發明的目的是提供一種在溶膠中加入封端劑和增強材料，以提高溶膠的穩定性和提高纖維的強度的複合陶瓷連續纖維的製備工藝。
為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的一種復 合陶瓷連續纖維的製備工藝，其特徵在於，包括下述步驟(I)在氧化鋁溶膠中加入氧化矽溶膠、氧化鎂、氧氯化鋯、封端劑、紡絲助劑製備陶瓷纖維前驅體溶膠，其中，氧化矽溶膠的加入量按氧化矽計，為氧化鋁溶膠質量的0. 1-50% ；氧化鎂的加入量為氧化鋁溶膠質量的0. 1-50% ;氧氯化鋯加入量為氧化鋁溶膠質量的0. 1-50% ;封端劑加入量為氧化鋁溶膠質量的0. 1-10% ;紡絲助劑加入量為氧化鋁溶膠質量的0. 1-10%，氧化鋁溶膠的質量按氧化鋁計，封端劑包括乙醛酸或多元醇醚類；(2)在陶瓷纖維前驅體溶膠中加入納米級無機單晶增強材料得到複合溶膠，其加入量為氧化鋁溶膠質量的0. 1-50% ；(3)將複合溶膠在40-100°C條件下濃縮；(4)將濃縮後的複合溶膠放入到帶噴絲孔的容器中，採用擠出紡絲工藝得到連續纖維陶瓷原絲；(5)將連續纖維陶瓷原絲在40 - 10(TC下乾燥，然後加熱至600°C脫去有機物，接著加熱至1000 - 1600°C煅燒，並在燒成溫度下保溫0. 5 — 6小時，最終獲得複合陶瓷連續纖維。上述方法中，步驟(I)中所述的氧化鋁溶膠是以氯化鋁和鋁粉為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和乳酸為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和酒石酸為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和蘋果酸為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和羥基乙酸為原料製備的溶膠中的一種。步驟(I)中所述的多元醇醚類包括二丙醇甲醚、二丙醇乙醚、二丙二醇正丁醚、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丙醚、乙酸乙二醇甲醚、乙酸乙二醇乙醚中的一種。步驟(I)中所述的紡絲助劑為聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯二醇、聚丙烯酸中的一種。步驟(2)中所述的納米級無機單晶增強材料包括莫來石晶須、片狀氧化鋁、碳納米管、碳化娃納米線、氧化娃納米線、氧化鈦納米線和氮化娃納米線的一種。步驟(5)中所述的加熱至600°C脫去有機物，升溫速率為0. 5 — 50C /min。所述的加熱至1000 - 1600°C燒成，升溫速率為5 - IO0C /min。本發明優點是，在溶膠中加入封端劑，阻礙膠粒凝聚，可提高溶膠的穩定性，延長溶膠的紡絲時間窗口，有利於溶膠的工業化生產；本發明加入的增強材料為單晶材料，具有較高的強度，在溶膠中加入後，可提高凝膠纖維的成品率，避免纖維在乾燥、煅燒過程中產生裂紋和斷裂；由於本發明使用的增強材料具有較高的熔點，凝膠纖維燒成時，增強材料的性能不發生變化，因此增強材料還可提高陶瓷纖維的強度。按照本發明的方法，通過調整配方組成，得到的複合陶瓷纖維直徑為5-50 Pm，具有很高的強度，最大為2600MPa;並且能夠纏繞在導向輥上，纖維斷面緻密，可以滿足特殊的使用要求，例如複合材料的纖維預製體或其他結構材料。
具體實施例方式本發明複合陶瓷連續纖維的製備工藝，包括下述步驟第一步,在氧化鋁溶膠中加入氧化矽溶膠、氧化鎂、氧氯化鋯、封端劑和紡絲助劑製備陶瓷纖維前驅體溶膠。
表I列出了編號為1-10的10個具體實施例第一步工藝中的配方組成。根據表I不同的實施例確定氧化鋁溶膠、氧化矽溶膠、氧化鎂、氧氯化鋯、封端劑和紡絲助劑的種類和加入量。第二步，在陶瓷纖維前驅體溶膠中加入增強材料得到複合溶膠；第三步，將複合溶膠在40-10(TC條件下濃縮。表2列出了表I不同實施例的第二、三步工藝條件，確定增強相的種類和加入量，根據表2的濃縮條件製備出可紡的複合溶膠。表I.原料的配方
權利要求
1.一種複合陶瓷連續纖維的製備エ藝，其特徵在於，包括下述步驟 (1)在氧化鋁溶膠中加入氧化矽溶膠、氧化鎂、氧氯化鋯、封端劑、紡絲助劑製備陶瓷纖維前驅體溶膠，其中，氧化矽溶膠的加入量按氧化矽計，為氧化鋁溶膠質量的O. 1-50% ；氧化鎂的加入量為氧化鋁溶膠質量的O. 1-50% ;氧氯化鋯加入量為氧化鋁溶膠質量的O.1-50% ;封端劑加入量為氧化鋁溶膠質量的O. 1-10% ;紡絲助劑加入量為氧化鋁溶膠質量的O. 1-10%，氧化鋁溶膠的質量按氧化鋁計，封端劑包括こ醛酸或多元醇醚類； (2)在陶瓷纖維前驅體溶膠中加入納米級無機單晶增強材料得到複合溶膠，其加入量為氧化鋁溶膠質量的O. 1-50% ； (3)將複合溶膠在40-100°C條件下濃縮； (4)將濃縮後的複合溶膠放入到帶噴絲孔的容器中，採用擠出紡絲エ藝得到連續纖維陶瓷原絲； (5)將連續纖維陶瓷原絲在40— 100°C下乾燥，然後加熱至600°C脫去有機物，接著加熱至1000 — 1600°C煅燒，並在燒成溫度下保溫O. 5 一 6小時，最終獲得複合陶瓷連續纖維。
2.如權利要求I所述的複合陶瓷連續纖維的製備エ藝，其特徵在於，步驟(I)中所述的氧化鋁溶膠是以氯化鋁和鋁粉為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和乳酸為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和酒石酸為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和蘋果酸為原料製備的溶膠、以硝酸鋁和羥基こ酸為原料製備的溶膠中的ー種。
3.如權利要求I所述的複合陶瓷連續纖維的製備エ藝，其特徵在於，步驟(I)中所述的多元醇醚類包括ニ丙醇甲醚、ニ丙醇こ醚、ニ丙ニ醇正丁醚、こニ醇甲醚、こニ醇こ醚、こニ醇丙醚、こ酸こニ醇甲醚、こ酸こニ醇こ醚中的ー種。
4.如權利要求I所述的複合陶瓷連續纖維的製備エ藝，其特徵在於，步驟(I)中所述的紡絲助劑為聚こ烯醇縮丁醛、聚こ烯醇、聚こ烯吡咯烷酮、聚こ烯ニ醇、聚丙烯酸中的ー種。
5.如權利要求I所述的複合陶瓷連續纖維的製備エ藝，其特徵在於，步驟(2)中所述的納米級無機單晶增強材料包括莫來石晶須、片狀氧化鋁、碳納米管、碳化矽納米線、氧化矽納米線、氧化鈦納米線和氮化娃納米線的ー種。
6.如權利要求I所述的複合陶瓷連續纖維的製備エ藝，其特徵在於，步驟(5)中所述的加熱至600°C脫去有機物，升溫速率為O. 5 — 50C /min。
7.如權利要求I所述的複合陶瓷連續纖維的製備エ藝，其特徵在於，步驟(5)中所述的加熱至1000 — 1600°C燒成，升溫速率為5 — IO0C /min。
全文摘要
本發明公開了一種複合陶瓷連續纖維的製備工藝，其特徵在於，在陶瓷纖維前驅體溶膠中加入一種增強材料，攪拌均勻後，將複合溶液濃縮，得到可紡的前驅體複合溶膠。濃縮的複合溶膠，採用擠出紡絲工藝得到含增強材料的連續纖維陶瓷原絲，最後將原絲乾燥、燒結得到複合陶瓷連續纖維。本發明的陶瓷纖維可用於航空航天、汽車、文體用品等領域，作為複合材料中的增強體。
文檔編號C04B35/622GK102731104SQ201210199188
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者譚宏斌, 馬小玲 申請人:陝西理工學院