專利名稱：用SiO₂納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可用于高溫保溫隔熱材料、復合材料增強增韌、卷繞或編織的多晶連續(xù)氧化鋁基纖維的制備工藝。
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，以適應不同的應用范圍。氧化鋁基纖維具有高的彈性模量和高溫強度、優(yōu)異的抗蠕變性和抗熱沖擊性能，在高溫氧化條件下具有良好的穩(wěn)定性和力學性能，還具有較低的熱導率和優(yōu)良的電絕緣性。由于氧化鋁基纖維各組分均為高溫穩(wěn)定型氧化物，因而相較于碳纖維、碳化硅纖維等無機纖維，良好的抗高溫氧化性是其最為突出的優(yōu)勢。由于其具有優(yōu)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(fā)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、金屬和樹脂等的復合增韌增強纖維，在航天航空、軍工武器、機械制造、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(yè)價值。目前，氧化鋁基多晶連續(xù)纖維的制造技術主要掌握在美、日、英等國家手中，但由于嚴重的技術封鎖，我國既無法得到相關技術信息，也無法進口其商業(yè)化成品。在國內，相應研究卻還不系統(tǒng)。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/硅溶膠/PVP制備了連續(xù)多晶氧化鋁基纖維，并對比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]以堿式氯化鋁為鋁源，甲基纖維素為紡絲助劑，以堿式2-異丙醇鋁為濕法紡絲凝固浴制得數(shù)十米長的氧化鋁基連續(xù)凝膠纖維，之后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+等金屬離子的方式制備多色系氧化鋁基纖維。以上工藝制備的前驅體溶膠固含量較低，可紡性較差，纖維連續(xù)性不好，燒結以后纖維的致密性也一般。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種氧化鋁基連續(xù)纖維的制備方法，采用固含量高、可紡性佳、纖維連續(xù)性好的前驅體溶膠配制工藝，進而經過一定條件下紡絲、干燥、煅燒后得到均勻、致密、連續(xù)的多晶氧化鋁基長纖維。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的一種用SW2納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于，包含下列步驟(1)將液體堿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，其中液體堿式氯化鋁的質量濃度為24 46% ；(2)將酸性硅溶膠和二氧化硅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，酸性硅溶膠與二氧化硅納米粉的質量比為0 50 1，酸性硅溶膠的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)的待紡溶膠采用干法紡絲得到氧化鋁基原生纖維；(6)將步驟(5)的原生纖維經干燥后，在空氣中于1100-1400°C燒結，保溫20-60 分鐘，最終獲得多晶氧化鋁基連續(xù)纖維。上述方法中，步驟(2)所述二氧化硅納米粉顆粒粒度為l-65nm，比表面85_425m2/ g ；酸性硅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)所述干法紡絲，采用絡紗機連續(xù)卷繞收集，連續(xù)紡絲平均長度大于15m，原生纖維直徑 5-42 μ m0步驟(6)所述干燥，溫度20-50°C，濕度低于45%，干燥時間1-20小時。所述在空氣中燒結，升溫速率為0. 3-10°C /min。本發(fā)明的特點在于，采用二氧化硅納米粉代替部分硅溶膠作為硅源，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(fā)明的優(yōu)點在于，采用水溶性體系，成本較低。采用干法紡絲，絡筒卷繞，工藝簡單，易于工業(yè)化大規(guī)模發(fā)展。采用二氧化硅納米粉為部分硅源，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。更易于得到燒結致密、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(xù)性更好的纖維。最終得到的纖維均勻致密，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(fā)明實施例5制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(fā)明作進一步的詳細說明。用SiO2納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，包含下列步驟(1)將液體堿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，其中液體堿式氯化鋁的質量濃度為24 46% (表1)；(2)將酸性硅溶膠和二氧化硅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，酸性硅溶膠與二氧化硅納米粉的質量比，酸性硅溶膠的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)將待紡溶膠采用干法紡絲得到氧化鋁基原生纖維；干法紡絲采用絡紗機連續(xù)卷繞收集，出絲口直徑0. l_3mm，卷繞速度IO-SOrmp ；連續(xù)紡絲平均長度大于15m，原生纖維直徑5-42，(參見表2)。(6)將原生纖維經干燥后，在空氣中于1100-1400°C燒結，升溫速率為0. 3_10°C / min (低溫排膠階段采用0. 3 1. 5°C /min的升溫速率，高溫階段采用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(xù)纖維；其中，干燥溫度20-50°C，濕度低于45%，干燥時間1-20小時，(工藝參數(shù)見表2)。本發(fā)明中的堿式氯化鋁(分子式[Al (0H)nCl6_n · XH2O]m(m ^ 10, η = 1-5))為液體，氧化鋁質量分數(shù)大于22%，總鹽基度35-98%。采用二氧化硅納米粉與酸性硅溶膠為硅源。二氧化硅納米粉顆粒粒度為l-65nm，比表面85-425m2/g。酸性硅溶膠溶膠顆粒粒度為 l-45nm。表1本發(fā)明前驅體溶膠制備工藝參數(shù)
權利要求
1.一種用SiO2納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于，包含下列步驟(1)將液體堿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，其中液體堿式氯化鋁的質量濃度為M 46% ；(2)將酸性硅溶膠和二氧化硅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，酸性硅溶膠與二氧化硅納米粉的質量比為0 50 1，酸性硅溶膠的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)將步驟的待紡溶膠采用干法紡絲得到氧化鋁基原生纖維；(6)將步驟(5)的原生纖維經干燥后，在空氣中于1100-1400°C燒結，保溫20-60分鐘， 最終獲得多晶氧化鋁基連續(xù)纖維。
2.如權利要求1所述用S^2納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于， 步驟( 所述二氧化硅納米粉顆粒粒度為l-65nm，比表面85-425m2/g ；酸性硅溶膠溶膠顆粒粒度為l_45nm。
3.如權利要求1所述用SiA納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于， 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納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于， 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納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于， 步驟(5)所述干法紡絲，采用絡紗機連續(xù)卷繞收集，連續(xù)紡絲平均長度大于15m，原生纖維直徑 5-42 μ m。
6.如權利要求1所述用S^2納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于， 步驟(6)所述干燥，溫度20-50°C，濕度低于45%，干燥時間1-20小時。
7.如權利要求1所述用SiA納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于， 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(fā)明公開了一種用SiO2納米粉原料制備氧化鋁基連續(xù)纖維的方法，其特征在于，向堿式氯化鋁溶液中加入酸性硅溶膠和二氧化硅納米粉，以聚乙烯醇為紡絲助劑，室溫下攪拌一定時間，經濃縮、陳化后得到合適粘度的前驅體溶膠，采用干法紡絲，連續(xù)卷繞收集后在空氣中于1050-1450℃燒結，得到致密的氧化鋁基連續(xù)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(yōu)先權日2011年7月6日
發(fā)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