用SiO₂納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法

2023-04-24 00:32:16

專利名稱：用SiO2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於高溫保溫隔熱材料、複合材料增強增韌、卷繞或編織的多晶連續氧化鋁基纖維的製備工藝。
背景技術：
氧化鋁基多晶陶瓷纖維主要成分為Al2O3,部分品種含有Si02、B203、Na20、&02、Mg0 等組分，以適應不同的應用範圍。氧化鋁基纖維具有高的彈性模量和高溫強度、優異的抗蠕變性和抗熱衝擊性能，在高溫氧化條件下具有良好的穩定性和力學性能，還具有較低的熱導率和優良的電絕緣性。由於氧化鋁基纖維各組分均為高溫穩定型氧化物，因而相較於碳纖維、碳化矽纖維等無機纖維，良好的抗高溫氧化性是其最為突出的優勢。由於其具有優異的高溫性能，氧化鋁基纖維作為耐火材料在冶金、化工、窯爐等基礎領域已經發揮了巨大的作用。而且它與各類基體的浸潤性好，界面反應較小，因此作為陶瓷、金屬和樹脂等的複合增韌增強纖維，在航天航空、軍工武器、機械製造、文體用品等領域也有著極其可觀的應用前景和巨大的商業價值。目前，氧化鋁基多晶連續纖維的製造技術主要掌握在美、日、英等國家手中，但由於嚴重的技術封鎖，我國既無法得到相關技術信息，也無法進口其商業化成品。在國內，相應研究卻還不系統。我國對此類纖維的生產也僅停留在短纖維的階段。文 ^ [Journal of European Ceramic Society,2005,25 :3249-3256. ] VX Al2(OH)5ClJH2O/矽溶膠/PVP製備了連續多晶氧化鋁基纖維，並對比Nexte 1720纖維， 研究了纖維燒結過程中的動力學。得出結論纖維在1500°C以下燒結時，晶粒長大緩慢， 15000C _1550°C時，長大不明顯，而1600°C以上，晶粒迅速長大。文獻[MaterialsChemistry and Physics，2004，83 :54-59]以鹼式氯化鋁為鋁源，甲基纖維素為紡絲助劑，以鹼式2-異丙醇鋁為溼法紡絲凝固浴製得數十米長的氧化鋁基連續凝膠纖維，之後1000°C熱處理得到直徑為80 μ m左右的透明氧化鋁纖維。同時還研究了通過引入Au3+、Co2+等金屬離子的方式製備多色系氧化鋁基纖維。以上工藝製備的前驅體溶膠固含量較低，可紡性較差，纖維連續性不好，燒結以後纖維的緻密性也一般。

發明內容
本發明的目的是提供一種氧化鋁基連續纖維的製備方法，採用固含量高、可紡性佳、纖維連續性好的前驅體溶膠配製工藝，進而經過一定條件下紡絲、乾燥、煅燒後得到均勻、緻密、連續的多晶氧化鋁基長纖維。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用SW2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於，包含下列步驟(1)將液體鹼式氯化鋁和蒸餾水按照體積比1 0. 5-2混合，室溫攪拌3-15分鐘，得混合液，其中液體鹼式氯化鋁的質量濃度為24 46% ；(2)將酸性矽溶膠和二氧化矽納米粉緩慢加入步驟⑴的混合液中，室溫下攪拌 5-30分鐘得混合溶膠，其中，酸性矽溶膠與二氧化矽納米粉的質量比為0 50 1，酸性矽溶膠的PH值為1-3 ；(3)在步驟(2)的混合溶膠中緩慢滴加紡絲助劑聚乙烯醇，室溫下攪拌2-8小時得前驅體溶膠，其中，聚乙烯醇的加入量為混合溶膠質量的5 15% ；(4)將步驟(3)的前驅體溶膠在30_70°C水浴濃縮或加熱攪拌濃縮或減壓濃縮至待紡溶膠；(5)將步驟(4)的待紡溶膠採用幹法紡絲得到氧化鋁基原生纖維；(6)將步驟(5)的原生纖維經乾燥後，在空氣中於1100-1400°C燒結，保溫20-60 分鐘，最終獲得多晶氧化鋁基連續纖維。上述方法中，步驟(2)所述二氧化矽納米粉顆粒粒度為l-65nm，比表面85_425m2/ g ；酸性矽溶膠溶膠顆粒粒度為l-45nm。步驟(3)所述聚乙烯醇聚合度為1500-2500，醇解度為45-95%。步驟(4)所述濃縮時間12-72小時，室溫陳化至粘度為5_250Pa · s。步驟 (5)所述幹法紡絲，採用絡紗機連續卷繞收集，連續紡絲平均長度大於15m，原生纖維直徑 5-42 μ m0步驟(6)所述乾燥，溫度20-50°C，溼度低於45%，乾燥時間1-20小時。所述在空氣中燒結，升溫速率為0. 3-10°C /min。本發明的特點在於，採用二氧化矽納米粉代替部分矽溶膠作為矽源，測定得到的前驅體溶膠的固含量達到42. 5%以上，有效提高了前驅體溶膠的固含量，而沒有損害前驅體溶膠的可紡性。本發明的優點在於，採用水溶性體系，成本較低。採用幹法紡絲，絡筒卷繞，工藝簡單，易於工業化大規模發展。採用二氧化矽納米粉為部分矽源，在保證前驅體溶膠可紡性的前提下，有效提高了前驅體的固含量。更易於得到燒結緻密、無缺陷的多晶氧化鋁基纖維。 較同類配方，亦可適量提高紡絲助劑的加入量而得到連續性更好的纖維。最終得到的纖維均勻緻密，最高抗拉強度2Gpa以上，單絲平均直徑1-15 μ m,平均單絲卷繞長度超過15m，最佳達到80m以上。


圖1是本發明實施例5製得的多晶氧化鋁基纖維的掃描電鏡照片。
具體實施例方式以下結合實施案例對本發明作進一步的詳細說明。用SiO2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，包含下列步驟(1)將液體鹼式氯化鋁和蒸餾水按照表1所列體積比混合，室溫下磁力攪拌3-15 分鐘，得混合液，其中液體鹼式氯化鋁的質量濃度為24 46% (表1)；(2)將酸性矽溶膠和二氧化矽納米粉依次緩慢加入混合液中，室溫下磁力攪拌 5-30分鐘得混合溶膠，其中，酸性矽溶膠與二氧化矽納米粉的質量比，酸性矽溶膠的PH值如表1所示。(3)在混合溶膠中緩慢滴加紡絲助劑聚乙烯醇，室溫下磁力攪拌2-8小時得均勻微白的前驅體溶膠，其中，聚乙烯醇的加入量如表1所示；聚乙烯醇聚合度為1500-2500，醇解度為45-95%。(4)將前驅體溶膠在30-70°C水浴濃縮或加熱攪拌濃縮或減壓濃縮至待紡溶膠； 濃縮時間12-72小時，室溫陳化至粘度為5-250Pa · s,(參見表2)。(5)將待紡溶膠採用幹法紡絲得到氧化鋁基原生纖維；幹法紡絲採用絡紗機連續卷繞收集，出絲口直徑0. l_3mm，卷繞速度IO-SOrmp ；連續紡絲平均長度大於15m，原生纖維直徑5-42，(參見表2)。(6)將原生纖維經乾燥後，在空氣中於1100-1400°C燒結，升溫速率為0. 3_10°C / min (低溫排膠階段採用0. 3 1. 5°C /min的升溫速率，高溫階段採用3 10°C /min的升溫速度。)，保溫20-60分鐘，最終獲得多晶氧化鋁基連續纖維；其中，乾燥溫度20-50°C，溼度低於45%，乾燥時間1-20小時，(工藝參數見表2)。本發明中的鹼式氯化鋁(分子式[Al (0H)nCl6_n · XH2O]m(m ^ 10, η = 1-5))為液體，氧化鋁質量分數大於22%，總鹽基度35-98%。採用二氧化矽納米粉與酸性矽溶膠為矽源。二氧化矽納米粉顆粒粒度為l-65nm，比表面85-425m2/g。酸性矽溶膠溶膠顆粒粒度為 l-45nm。表1本發明前驅體溶膠製備工藝參數
權利要求
1.一種用SiO2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於，包含下列步驟(1)將液體鹼式氯化鋁和蒸餾水按照體積比1 0.5-2混合，室溫攪拌3-15分鐘，得混合液，其中液體鹼式氯化鋁的質量濃度為M 46% ；(2)將酸性矽溶膠和二氧化矽納米粉緩慢加入步驟(1)的混合液中，室溫下攪拌5-30 分鐘得混合溶膠.其中，酸性矽溶膠與二氧化矽納米粉的質量比為0 50 1，酸性矽溶膠的PH值為1-3 ；(3)在步驟⑵的混合溶膠中緩慢滴加紡絲助劑聚乙烯醇，室溫下攪拌2-8小時得前驅體溶膠，其中，聚乙烯醇的加入量為混合溶膠質量的5 15% ；(4)將步驟(3)的前驅體溶膠在30-70°C水浴濃縮或加熱攪拌濃縮或減壓濃縮至待紡溶膠；(5)將步驟的待紡溶膠採用幹法紡絲得到氧化鋁基原生纖維；(6)將步驟(5)的原生纖維經乾燥後，在空氣中於1100-1400°C燒結，保溫20-60分鐘， 最終獲得多晶氧化鋁基連續纖維。
2.如權利要求1所述用S^2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於， 步驟( 所述二氧化矽納米粉顆粒粒度為l-65nm，比表面85-425m2/g ；酸性矽溶膠溶膠顆粒粒度為l_45nm。
3.如權利要求1所述用SiA納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於， 步驟C3)所述聚乙烯醇聚合度為1500-2500，醇解度為45-95%。
4.如權利要求1所述用S^2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於， 步驟(4)所述濃縮時間12-72小時，室溫陳化至粘度為5-250Pa · s。
5.如權利要求1所述用SiA納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於， 步驟(5)所述幹法紡絲，採用絡紗機連續卷繞收集，連續紡絲平均長度大於15m，原生纖維直徑 5-42 μ m。
6.如權利要求1所述用S^2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於， 步驟(6)所述乾燥，溫度20-50°C，溼度低於45%，乾燥時間1-20小時。
7.如權利要求1所述用SiA納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於， 步驟(6)所述在空氣中燒結，升溫速率為0. 3-10°C /min。
全文摘要
本發明公開了一種用SiO2納米粉原料製備氧化鋁基連續纖維的方法，其特徵在於，向鹼式氯化鋁溶液中加入酸性矽溶膠和二氧化矽納米粉，以聚乙烯醇為紡絲助劑，室溫下攪拌一定時間，經濃縮、陳化後得到合適粘度的前驅體溶膠，採用幹法紡絲，連續卷繞收集後在空氣中於1050-1450℃燒結，得到緻密的氧化鋁基連續纖維。
文檔編號C04B35/10GK102351516SQ20111018861
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者丁亞平, 張亞彬, 張海鴻, 楊建鋒, 杭勇, 林光, 譚宏斌 申請人:西安交通大學