一種氧化鋯晶體纖維的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化鋯晶體纖維制備方法，它包括通過醋酸鋯與硝酸釔的配置，得到可紡性醋酸鋯膠體，然后經(jīng)高速離心甩絲機(jī)即得含鋯凝膠纖維，再經(jīng)熱處理獲得直徑為3～6且性能穩(wěn)定的氧化鋯晶體纖維，該氧化鋯晶體纖維純度高、強(qiáng)度好、直徑細(xì)、熱導(dǎo)率低、長時(shí)間耐高溫穩(wěn)定性能更好。
【專利說明】 一種氧化鋯晶體纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鋯晶體纖維的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋯纖維的耐熱保溫性能具有容重小、熱導(dǎo)率低、有氧環(huán)境耐熱高(在大氣中2500°C仍能保持良好的纖維形態(tài))等特點(diǎn)，并由此決定其在國防尖端科技和先進(jìn)民用工業(yè)都有著巨大的應(yīng)用需求，因此，特種晶體纖維的研制與應(yīng)用是現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)重要發(fā)展方向之一。
[0003]由于氧化鋯的高熔點(diǎn)和熔體的低粘度特性，不能采用像硅酸鋁及高鋁陶瓷纖維那樣的熔融制絲法，而只能采用前驅(qū)體法來制備，目前一般用有載體法、無機(jī)鹽法。
[0004]載體法是將含鋯的無機(jī)鹽(如硝酸鋯、氧氯化鋯)水溶液通過浸潰進(jìn)入人造絲等有機(jī)纖維或炭纖維等無機(jī)纖維之后，將這種“荷重前驅(qū)體纖維”置于特定的氣氛中進(jìn)行熱解至碳化氫、碳部分分解后再進(jìn)行熱處理(燒成)，使載體纖維充分氧化，鋯鹽轉(zhuǎn)化成氧化鋯，最終獲得保持原纖維微觀結(jié)構(gòu)的氧化鋯纖維。
[0005]無機(jī)鹽法是以水溶性鋯鹽為原料，加入一定量的水溶性高分子有機(jī)物制成混合液，過濾后加入穩(wěn)定劑，加熱濃縮到適當(dāng)?shù)恼扯?100?350Pa.s)，在特定的濕度和溫度條件下纖維化，纖維化可采用噴絲、拉絲和旋轉(zhuǎn)甩絲等方法，原纖維在一定溫度下干燥燒成后得到氧化鋯纖維。
[0006]以上方法均涉及到大量乙醇，甲醇，乙酰丙酮等易燃易爆并且有毒有機(jī)物做為溶劑并參與合成過程，而且從原料到獲得成纖凝膠均需要三步以上合成工序，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝危險(xiǎn)、工序繁瑣并且效益低下。且制備出的氧化鋯纖維在純度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度、直徑等方面質(zhì)量水平參差不齊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)周期更短、純度高、強(qiáng)度好、直徑細(xì)、熱導(dǎo)率低、長時(shí)間耐高溫穩(wěn)定性能更好的氧化鋯晶體纖維。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種氧化鋯晶體纖維的制備方法，步驟如下:
(I)可紡性醋酸鋯膠體的制備
按醋酸鋯與硝酸釔重量之比為1:0.045?0.228，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?5°C?75 °C條件下濃縮至粘度達(dá)到8?25Pa.s,制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后在15°C?45°C條件下老化至60?IOOPa.S，得到可紡性醋酸鋯膠體；
(2)凝膠纖維的成型:
將上述制得的可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲機(jī)即得含鋯凝膠纖維；
(3)氧化鋯晶體纖維的熱處理:
首先將上述制得的含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，以1.5?2V Mn的速度升溫至550°C，恒溫I h ;其次以5?10°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I h ;然后將其快速冷卻至室溫，即得直徑為3~6 性能穩(wěn)定的氧化鋯晶體纖維。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)中可紡性膠體為通過水體系溶膠-凝膠法獲得的可紡性醋酸鋯膠體。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)中的高速離心甩絲機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)恒溫在20 ~35?。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，高速離心甩絲機(jī)的轉(zhuǎn)速在10000~13000r/min之間。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(3)中使用的高溫輥道窯爐是通過電能加熱。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，氧化鋯晶體纖維的晶相是四方相和立方相混合相，并且能做到單一相。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:通過原料醋酸鋯和硝酸釔，經(jīng)過水體系一步合成溶膠-凝膠法可紡性醋酸鋯膠體的制備、凝膠纖維的成型、氧化鋯晶體纖維的熱處理三個(gè)步驟，即可制得性能穩(wěn)定的氧化鋯晶體纖維，該工藝生產(chǎn)原料只需兩種，膠體制備只需一步合成，制得的膠體純度高、品質(zhì)佳。因此采用此種方法工藝更簡單、產(chǎn)品的生產(chǎn)周期更短、纖維產(chǎn)品強(qiáng)度更好。
【具體實(shí)施方式】
[0015]一種氧化鋯晶體纖維的制備方法，步驟如下: (1)可紡性醋酸鋯膠體的制備
按醋酸鋯與硝酸釔重量之比為1:0.045~0.228，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?5°C~75 °C條件下濃縮至粘度達(dá)到8~25Pa.s,制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后在15°C~45°C條件下老化至60~IOOPa.S，得到可紡性醋酸鋯膠體；
(2)凝膠纖維的成型:
將上述制得的可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲機(jī)即得含鋯凝膠纖維；
(3)氧化鋯晶體纖維的熱處理:
首先將上述制得的含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，以1.5~2V Mn的速度升溫至550°C，恒溫I h ;其次以5~10°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I h ;然后將其快速冷卻至室溫，即得直徑為3~6 性能穩(wěn)定的氧化鋯晶體纖維。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)中可紡性膠體為通過水體系溶膠-凝膠法獲得的可紡性醋酸鋯膠體。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)中的高速離心甩絲機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)恒溫在20 ~35?。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，高速離心甩絲機(jī)的轉(zhuǎn)速在10000~13000r/min之間。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(3)中使用的高溫輥道窯爐是通過電能加熱。
[0020]實(shí)施例1:
將7.2g硝酸釔倒入100g醋酸鋯液體中攪拌，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙饩鶆颍缓笤?5°C條件下濃縮至粘度達(dá)到8Pa.s，制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后將前驅(qū)體醋酸鋯溶膠在15°C條件下老化至60Pa.s，得到可紡性醋酸鋯膠體。將可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，按1.5°C /min的速度升溫至550°C，恒溫I小時(shí)，然后5°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I小時(shí)，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相結(jié)構(gòu)，纖維直徑約6 μ m。
[0021]實(shí)施例2:
將11.2g硝酸釔倒入IOOg醋酸鋯液體中攪拌，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙饩鶆?，然后?5°C條件下濃縮至粘度達(dá)到12Pa.s，制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后將前驅(qū)體醋酸鋯溶膠在20°C條件下老化至70Pa.s，得到可紡性醋酸鋯膠體。將可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，按1.6°C /min的速度升溫至550°C，恒溫I小時(shí)，然后6°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I小時(shí)，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相和立方相結(jié)構(gòu)，其中，所得的產(chǎn)品中四方相占產(chǎn)品質(zhì)量的50%,立方相相占產(chǎn)品質(zhì)量的50%,纖維直徑約5μηι。
[0022]實(shí)施例3:
將15.2g硝酸釔倒入IOOg醋酸鋯液體中攪拌，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙饩鶆?，然后?0°C條件下濃縮至粘度達(dá)到15Pa.s，制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后將前驅(qū)體醋酸鋯溶膠在25°C條件下老化至80Pa.s，得到可紡性醋酸鋯膠體。將可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，按1.7V /min的速度升溫至550°C，恒溫I小時(shí)，然后7V Mn的速度升溫至1050°C，再恒溫I小時(shí)，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是立方相結(jié)構(gòu)，纖維直徑約4 μ m。
[0023]實(shí)施例4:
將7.2g硝酸釔倒入IOOg醋酸鋯液體中攪拌，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙饩鶆?，然后?5°C條件下濃縮至粘度達(dá)到18Pa.s，制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后將前驅(qū)體醋酸鋯溶膠在30°C條件下老化至90Pa.s，得到可紡性醋酸鋯膠體。將可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，按1.8°C /min的速度升溫至550°C，恒溫I小時(shí)，然后8°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I小時(shí)，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相結(jié)構(gòu)，纖維直徑約4 μ m。
[0024]實(shí)施例5:
將11.2g硝酸釔倒入IOOg醋酸鋯液體中攪拌，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙饩鶆?，然后?0°C條件下濃縮至粘度達(dá)到21Pa.s，制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后將前驅(qū)體醋酸鋯溶膠在35°C條件下老化至IOOPa.S，得到可紡性醋酸鋯膠體。將可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，按1.9°C /min的速度升溫至550°C，恒溫I小時(shí)，然后9°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I小時(shí)，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相和立方相結(jié)構(gòu)，其中，所得的產(chǎn)品中四方相占產(chǎn)品質(zhì)量的50%，立方相相占產(chǎn)品質(zhì)量的50%，纖維直徑約3 μ m。
[0025]實(shí)施例6:
將15.2g硝酸釔倒入IOOg醋酸鋯液體中攪拌，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙饩鶆?，然后?5°C條件下濃縮至粘度達(dá)到25Pa.s，制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后將前驅(qū)體醋酸鋯溶膠在45°C條件下老化至IOOPa.S，得到可紡性醋酸鋯膠體。將可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，按2°C /min的速度升溫至550°C，恒溫I小時(shí)，然后10°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I小時(shí)，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是立方相結(jié)構(gòu)，纖維直徑約3 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于采用以下步驟: (I)可紡性醋酸鋯膠體的制備 按醋酸鋯與硝酸釔重量之比為1:0.045?0.228，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆颍缓笤?5°C?75 °C條件下濃縮至粘度達(dá)到8?25Pa.s,制得前驅(qū)體醋酸鋯溶膠，最后在15°C?45°C條件下老化至60?IOOPa.S，得到可紡性醋酸鋯膠體； (2)凝膠纖維的成型: 將上述制得的可紡性醋酸鋯膠體經(jīng)高速離心甩絲機(jī)即得含鋯凝膠纖維； (3)氧化鋯晶體纖維的熱處理: 首先將上述制得的含鋯凝膠纖維放入高溫輥道窯爐中進(jìn)行加熱，以1.5?2V Mn的速度升溫至550°C，恒溫I Ii ;其次以5?10°C /min的速度升溫至1050°C，再恒溫I h ,然后將其快速冷卻至室溫，即得直徑為3?6 —性能穩(wěn)定的氧化鋯晶體纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于:步驟(2)中可紡性膠體為通過水體系溶膠-凝膠法獲得的可紡性醋酸鋯膠體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯晶體纖維的制備方法的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中的高速離心甩絲機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)恒溫在20?35°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于:所述高速離心甩絲機(jī)的轉(zhuǎn)速在10000?13000r/min之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中使用的高溫輥道窯爐是通過電能加熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于:所述氧化鋯晶體纖維的晶相是四方相和立方相混合相，并且能做到單一相。
【文檔編號(hào)】D01F9/08GK103757749SQ201310688860
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】任克誠, 許元虎, 陳代榮, 吳成秀, 任葉強(qiáng), 周小平 申請(qǐng)人:安徽同和晶體新材料股份有限公司