專利名稱：一種在陶瓷纖維表面鍍鎳層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)鍍方法在隔熱陶瓷纖維表面鍍鎳的方法，屬于隔熱材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著軍工及航天科技的進一步發(fā)展，由于某些陶瓷纖維自身的弱點，比如力學(xué)性能低，高溫抗氧化性能差等限制了其應(yīng)用，單獨的纖維隔熱材料已不能滿足隔熱要求。航天器熱防護系統(tǒng)隔熱的首選材料硅酸鋁陶瓷纖維，在高溫環(huán)境中，由于熱輻射在傳熱中占主導(dǎo)地位，然而單獨的纖維材料不具屏蔽熱輻射傳熱的功能。因此，抑制陶瓷纖維隔熱氈的熱輻射就成為首要解決的問題。文獻(Mathes R,Blumenberg J5Keller K. Radiativeheat t ransferin insulations with random fibre orientation. Int JHeat, Mass Transfer, 1990,33 767)對纖維隔熱材料的研究可以發(fā)現(xiàn)，熱輻射在隔熱材料內(nèi)傳遞時，一部分會被纖維隔熱材料吸收，一部分被纖維隔熱材料以散射的形式反射。如果在纖維隔熱材料的纖維上涂上一層高折射系數(shù)的涂層，就會增加這種以散射形式的反射，使輻射在纖維隔熱材料內(nèi)的傳遞得到抑制，從而降低纖維隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，在纖維表面涂覆金屬或金屬氧化物可用于增加纖維隔熱材料對熱輻射的反射率，增強纖維隔熱材料的隔熱性能。金屬隔熱層如金、銀、鎳、鋁箔等對紅外線有較高反射率的材料，如針對衛(wèi)星的隔熱需求，德國MAN工藝公司研制了 IMI材料系統(tǒng)，該系統(tǒng)大量使用硅酸鋁纖維氈，并間隔鍍金或鍍鉬的硅酸鋁纖維[參見尹衍升，程之強，李貴佳，張偉儒.無機纖維隔熱材料在航空航天熱防護工程中的應(yīng)用.陶瓷.2004年第2期總第168期]。本發(fā)明能過在陶瓷纖維表面制備金屬鎳層，使其起到屏蔽熱輻射的作用，這項發(fā)明在航空航天領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用創(chuàng)新的方法在陶瓷隔熱纖維表面包覆一層具有紅外熱反射作用的鎳涂層，探索降低纖維類隔熱材料輻射傳熱的技術(shù)途徑。研究金屬鍍層工藝如施鍍溫度高低、施鍍時間長短和鎳離子濃度大小等工藝參數(shù)對陶瓷纖維表面鍍層微觀結(jié)構(gòu)和紅外熱反射性能的影響，獲得較理想的隔熱纖維化學(xué)鍍鎳工藝參數(shù)。本發(fā)明是用傳統(tǒng)的化學(xué)鍍方法在陶瓷纖維表面鍍上一層薄薄的鎳，依次包括以下步驟1清洗----2粗化----3敏化----4活化----5配制鍍液----6施鍍(其中前4步總稱為前處理)由于陶瓷纖維是電的不良導(dǎo)體，不具備化學(xué)鍍金屬的催化活性，所以化學(xué)鍍前必須對其進行適當(dāng)前處理，前處理工序包括(1)清洗把纖維浸泡在酒精溶液中，超聲清洗5min，再用去離子水沖洗三遍目的是除去纖維表面污垢；(2)粗化把纖維浸泡在硝酸溶液(10 % 20 %體積比)中，超聲清洗5min，再用去離子水沖洗三遍，目的是通過酸的刻蝕作用，使基體內(nèi)部裸露并形成凹凸不平，有利于與金屬咬合，增大陶瓷表面的微觀粗糙度和接觸面積以及親水能力，以保證鍍層與陶瓷表面良好的結(jié)合力。(3)偶聯(lián)稱取一定量(每IOOm溶液稱取5 IOg)干燥的纖維放入體積濃度1 % 的偶聯(lián)劑(偶聯(lián)劑選用KH-550，1% 5%體積比)酒精溶液中，在40°C (給出合適的溫度范圍)水浴條件下攪拌6 12h，過濾并在常溫下干燥；(4)敏化選用二氯化錫敏化液，其目的是使陶瓷表面吸附具有還原能力的二價錫離子，保證在活化過程中發(fā)生還原反應(yīng)生成金屬鈀，形成催化中心。敏化將步驟(3)的纖維放入敏化液中，浸泡5 lOmin，然后過濾并在105 120°C下干燥；敏化液為SnCl2為 22. 6g/L、鹽酸為40ml/L的水溶液；(5)活化將敏化處理后的纖維浸入活化液當(dāng)中，浸泡10 15min，取出用去離子水清洗，并在105°C下干燥；活化液為氯化鈀0. 5g/L、濃鹽酸的水溶液；(6)施鍍過程在常溫下，把主鹽溶液與還原溶液以8 7比例體積比混合， 放入步驟(5)中活化好的纖維，在攪拌的條件下加熱到80°C，保溫30min，過濾并去離子水清洗，在105 °C下干燥；所述的主鹽溶液為硫酸鎳(NiSO4 · 6H20)25g/L、檸檬酸鈉(Na3C6H5O7 · 2H20) 30g/L及醋酸鈉(NaAc) 20g/L的水溶液；還原溶液為次亞磷酸鈉 (NaH2PO2 · H2O) 30g/L 的水溶液。(7)施鍍在常溫下，把主鹽溶液與還原溶液混合并攪拌，放入活化好的纖維，加熱到一定的溫度，施鍍30min，取出清洗干燥。本發(fā)明對傳統(tǒng)的化學(xué)鍍方法進行了創(chuàng)新，在氧化鋁陶瓷纖維表面制備出光滑的鎳的涂層。雖然全是常規(guī)藥品，但配方獨特，這是制備此種纖維涂層所必須的。為了增加涂層與纖維的結(jié)合，設(shè)計出獨特的偶聯(lián)劑使用方法。使得活性點鈀與纖維之間建立起較為穩(wěn)固的橋梁。而且制備過程的操作較傳統(tǒng)的化學(xué)鍍方法也較為便單。其優(yōu)點是使用的原料都是化學(xué)鍍鎳的常規(guī)藥品，生產(chǎn)成本低，特別是大批量生產(chǎn)時。這種制備涂料的方法不使用特殊的儀器或設(shè)備，整個工藝過程都使用常規(guī)儀器，生產(chǎn)工藝較為簡單，可控性強，反應(yīng)過程影響因素少、條件易控，容易實現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)。制備出的纖維涂層質(zhì)地均勻，且平整光滑，厚度可以嚴(yán)格控制在5-8微米范圍內(nèi)。本發(fā)明，成功地改性了在纖維的表面特性，為以后纖維的隔熱性能提高打下基礎(chǔ)，有望在航空航天隔熱材料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明(實施例1與實施例2)分別為使用了偶聯(lián)劑鎳涂層纖維樣品照片圖2為沒有使用偶聯(lián)劑的鎳涂層纖維樣品照片?？梢郧宄乜闯?，使用偶聯(lián)劑以后，鎳涂層更為光滑平整。(對本發(fā)明不具有說明作用)圖3為本發(fā)明(實施例3)EDS能譜圖，EDS分析結(jié)果分析得到，分析以上實施例鍍層主要成分為鎳，平均含量在60%左右。從譜圖上也可清楚地看到Ni峰在最高的位置。圖4為本發(fā)明的(實施例1)XRD譜圖，譜圖中各個尖銳峰對應(yīng)于氧化鋁基體纖維， 說明結(jié)晶性能很好，在大約45度處有一個饅頭峰，它對應(yīng)的就是金屬鍍層M。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1首先稱取5g的陶瓷纖維(主要成份為Al2O3)，放入200ml燒杯中，用10%的酒精溶液在超聲波振動下清洗，大約5min，再用去離子水清洗三次，之后干燥；將清洗過后的纖維，放入濃度為20% (體積比)的硝酸溶液中，大約5min后取出，用去離子水清洗三次， 再干燥；干燥的纖維基體放入含有Iml偶聯(lián)劑KH550和IOOml酒精溶液中，在攪拌下反應(yīng) 6h，溫度40°C，過濾分離，并干燥。另取一 200ml燒杯，將敏化液倒入其中，將干燥好的纖維放入，大約敏化5min，取出清洗，并干燥，敏化液的配比如下2. 26gSnCl2,100去離子水， 4ml濃鹽酸；敏化處理后的纖維浸入含有催化活性的活化液當(dāng)中，侵泡lOmin，取出清洗，并干燥，活化液配比如下0. 05g氯化鈀，1. 5ml濃鹽酸，IOOml去離子水；再分別取兩個200ml 燒杯，分別配制還原液和主鹽溶液，把纖維，還原液和主鹽溶液全倒入250ml的三口杯燒瓶中，固定在有攪拌裝置的鐵架臺上，并用水浴鍋加熱，溫度設(shè)定為80°C，攪拌速度為150r/ min, 0.證后取出，清洗并干燥。所得的纖維鍍層包裹均勻，且表面光滑，平整，從電鏡照片來看，厚度大概有3 μ m。實施例2首先稱取5g的陶瓷纖維(主要成份為Al2O3,放入200ml燒杯中，用10%的酒精溶液在超聲波振動下清洗，大約5min，再用去離子水清洗三次，之后干燥；將清洗過后的纖維，放入濃度濃度為20% (體積比)的硝酸溶液中，大約5min后取出，用去離子水清洗三次，再干燥；另取一 200ml燒杯，將敏化液倒入其中，將干燥好的纖維放入，大約敏化5min， 取出清洗，并干燥，敏化液的配比如下2. 26g SnCl2,100去離子水，細(xì)1濃鹽酸；敏化處理后的纖維浸入含有催化活性的活化液當(dāng)中，侵泡lOmin，取出清洗，并干燥，活化液配比如下 0. 05g氯化鈀(PbCl2)，1. 5ml濃鹽酸，IOOml去離子水；再分別取2個200ml燒杯，分別配制還原液和主鹽溶液，把纖維，還原液和主鹽溶液全倒入250ml的三口杯燒瓶中，固定在有攪拌裝置的鐵架臺上，并用水浴鍋加熱，溫度設(shè)定為80°C，攪拌速度為150r/min，0.證后取出，清洗并干燥。所得的纖維鍍層包裹均勻，但表面不光滑，可以看到鎳單質(zhì)較大顆粒，從電鏡照片來看，厚度大概有5 μ m。實施例3首先稱取5g的纖維，放入200ml燒杯中，用10 %的酒精溶液在超聲波振動下清洗， 大約5min，再用去離子水清洗三次，之后干燥；將清洗過后的纖維，放入濃度為20% (體積比)的硝酸溶液中，大約5分鐘后取出，用去離子水清洗三次，再干燥；另取一 200ml燒杯， 將敏化液倒入其中，將干燥好的纖維放入，大約敏化5min，取出清洗，并干燥，敏化液的配比如下2. 26g SnCl2,100去離子水，細(xì)1濃鹽酸；敏化處理后的纖維浸入含有催化活性的活化液當(dāng)中，侵泡lOmin，取出清洗，并干燥，活化液配比如下0. 05g氯化鈀，1. 5ml濃鹽酸， IOOml去離子水；再分別取兩個200ml燒杯，分別配制還原液和主鹽溶液，把纖維，還原液和主鹽溶液全倒入250ml的三口杯燒瓶中，固定在有攪拌裝置的鐵架臺上，并用水浴鍋加熱， 溫度設(shè)定為90°C，攪拌速度為150r/min，0.證后取出，清洗并干燥。所得的纖維鍍層包裹均勻，且凹凸不平，從電鏡照片來看，厚度大概有8 μ m。實施例4
首先稱取5g的纖維，放入200ml燒杯中，用10 %的酒精溶液在超聲波振動下清洗， 大約5min，再用去離子水清洗三次，之后干燥；將清洗過后的纖維，放入一定濃度的硝酸溶液中(20ml硝酸和80ml水)，大約5min后取出，用去離子水清洗三次，再干燥；另取一 200ml 燒杯，將敏化液倒入其中，將干燥好的纖維放入，大約敏化5min，取出清洗，并干燥，敏化液的配比如下2. 26g SnCl2,100去離子水，細(xì)1濃鹽酸；敏化處理后的纖維浸入含有催化活性的活化液當(dāng)中，侵泡lOmin，取出清洗，并干燥，活化液配比如下0. 05g氯化鈀，1.5ml濃鹽酸，IOOml去離子水；再分別取兩個200ml燒杯，分別配制還原液和主鹽溶液，把纖維，還原液和主鹽溶液全倒入250ml的三口杯燒瓶中，固定在有攪拌裝置的鐵架臺上，并用水浴鍋加熱，溫度設(shè)定為70°C，攪拌速度為150r/min，半小時后取出，清洗并干燥。所得的纖維鍍層包裹不均勻，其中有很多纖維基體裸露，從電鏡照片來看，厚度大概有2 μ m。實施例5首先稱取5g的纖維，放入200ml燒杯中，用10 %的酒精溶液在超聲波振動下清洗，大約5min，再用去離子水清洗三次，之后干燥；將清洗過后的纖維，放入濃度的硝酸溶液中，大約5min后取出，用去離子水清洗三次，再干燥；另取一 200ml燒杯，將敏化液倒入其中，將干燥好的纖維放入，大約敏化5min，取出清洗，并干燥，敏化液的配比如下2. 26g SnCl2,100去離子水，細(xì)1濃鹽酸；敏化處理后的纖維浸入含有催化活性的活化液當(dāng)中，侵泡lOmin，取出清洗，并干燥，活化液配比如下0. 05g氯化鈀，1. 5ml濃鹽酸，IOOml去離子水；再分別取2個200ml燒杯，分別配制還原液和主鹽溶液，把纖維，還原液和主鹽溶液全倒入250ml的三口杯燒瓶中，固定在有攪拌裝置的鐵架臺上，并用水浴鍋加熱，溫度設(shè)定為 80°C，攪拌速度為300r/min，半小時后取出，清洗并干燥。所得的纖維鍍層包裹不均勻，且很多纖維表面沒有沉積鍍層，從電鏡照片來看，厚度大概有1 μ m。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷纖維表面鍍鎳層的制備方法，依次包括以下步驟(1)清洗把纖維浸泡在酒精溶液中，超聲清洗5min，再用去離子水沖洗三遍，(2)粗化把纖維浸泡在硝酸溶液中，超聲清洗5min，再用去離子水沖洗三遍，(3)偶聯(lián)稱取一定量干燥的纖維放入含有偶聯(lián)劑(體積分?jǐn)?shù)，偶聯(lián)劑選用 KH-550)的酒精中，在40°C水浴條件下攪拌他，過濾并在常溫下干燥，(4)敏化敏化液的配方如下22.6g/L SnCl2,40ml/L鹽酸；再將處理好的纖維放入敏化液中，浸泡5min，然后過濾并在105°C下干燥，(5)活化活化液配方如下0.5g/L氯化鈀，15ml/L濃鹽酸，敏化處理后的纖維浸入活化液當(dāng)中，浸泡lOmin，取出清洗，并在105°C下干燥；(6)配制鍍液主鹽溶液配方硫酸鎳(NiSO4· 6H20)25g/L ；檸檬酸鈉(Na3C6H5O7 · 2H20) 30g/L ；醋酸鈉(NaAc) 20g/L ；還原溶液配方次亞磷酸鈉 (NaH2PO2 · H20)30g/L。選用水作溶劑，(7)施鍍過程在常溫下，把主鹽溶液與還原溶液(以8 7比例體積比)混合，放入步驟( 中活化好的纖維，在攪拌的條件下加熱到80°C，保溫30min，過濾并清洗在105°C下干燥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷纖維表面鍍鎳層的制備方法，其特征在于在步驟(3) 中所述的偶聯(lián)劑選用KH-550，1%的含量(偶聯(lián)劑與溶劑的體積比，溶劑為酒精)，反應(yīng)時間為乩，溫度為40°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷纖維表面鍍鎳層的制備方法，其特征在于在步驟(4) 和(5)中所述的敏化時，配方為22. 6g/LSnCl2,40ml濃鹽酸；活化液配方為0. 5g/L氯化鈀 (PbCl2), 15ml 濃鹽酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷纖維表面鍍鎳層的制備方法，其特征在于在步驟(6) 中所述的主鹽溶液配方硫酸鎳NiSO4 · 6H20 25g/L ；檸檬酸鈉(Na3C6H5O7 · 2H20) 30g/L ；醋酸鈉(NaAc) 20g/L ；還原溶液配方次亞磷酸鈉(NaH2PA · H2O) 30g/L ；還原液與主鹽液要分開配制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳涂層的制備方法，其特征在于在步驟(7)中所述的，施鍍溫度為80°C，施鍍時間為30min。
全文摘要
本發(fā)明創(chuàng)新性地在陶瓷纖維表面制備了一層鎳層。改進了傳統(tǒng)的化學(xué)鍍方法，為化學(xué)鍍鎳的舊方法，找到了新的應(yīng)用，確定了在微米級纖維表面制備鎳層的工藝條件，制備出的纖維鍍層包裹均勻，且可以達到光滑平整，為實現(xiàn)對太陽輻射反射奠定基礎(chǔ)。
文檔編號C23C18/36GK102234794SQ20101015272
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者宋懷河, 胡子君, 郭政融, 陳曉紅, 陳海坤 申請人:北京化工大學(xué), 航天材料及工藝研究所