專利名稱：一種復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(xù)纖維的制備工藝。
背景技術(shù)：
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硅酸鋁纖維、高鋁硅酸鋁纖維、硅酸鋁纖維、多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維等[現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2012，(I) :25-31]。陶瓷纖維具有質(zhì)量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、比熱小及耐機械震動等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于石化、冶金、電力、航空、航天、消防、家電、汽車、船舶等各個領(lǐng)域。隨著應(yīng)用技術(shù)的提高，陶瓷纖維還在不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域[纖維素科學(xué)與技術(shù)，2012，20 (I)79-85]。在國內(nèi)，陶瓷短纖維的生產(chǎn)工藝比較成熟，生產(chǎn)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(xù)纖維的制備技術(shù)也已工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)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(xù)對纖維的制備進行更深入的研究，以期簡化纖維制備工藝、降低成本、提高質(zhì)量。溶膠一凝膠法制備陶瓷纖維設(shè)備簡單、制備成本低，燒結(jié)溫度低(比淤漿法低400 500°C)，前驅(qū)體混合均勻(其化學(xué)均勻性可達分子水平)，制備過程中的反應(yīng)溫和，反應(yīng)過程易于控制。因此，用溶膠一凝膠法制備陶瓷纖維的研究較多。用溶膠一凝膠法制備陶瓷纖維過程中，前驅(qū)體溶膠在陳放環(huán)節(jié)中，隨著時間的延長，膠粒發(fā)生長大，一些膠粒將發(fā)生凝聚，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性，延長溶膠的紡絲時間窗口，將有利于溶膠的工業(yè)化生產(chǎn)。但關(guān)于適合陶瓷纖維前驅(qū)體溶膠的封端劑的相關(guān)研究，國內(nèi)外還未見有報道。前軀體溶膠通過紡絲工藝得到凝膠纖維，凝膠纖維在干燥和燒結(jié)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(fā)易在纖維內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)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(chǎn)生。另外，凝膠纖維通過燒結(jié)后得到陶瓷纖維，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(jié)果表明，用溶膠-凝膠法制備的溶膠的穩(wěn)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(xù)的纖維。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(wěn)定性和提高纖維的強度的復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備工藝。
為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種復(fù) 合陶瓷連續(xù)纖維的制備工藝，其特征在于，包括下述步驟(I)在氧化鋁溶膠中加入氧化硅溶膠、氧化鎂、氧氯化鋯、封端劑、紡絲助劑制備陶瓷纖維前驅(qū)體溶膠，其中，氧化硅溶膠的加入量按氧化硅計，為氧化鋁溶膠質(zhì)量的0. 1-50% ；氧化鎂的加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的0. 1-50% ;氧氯化鋯加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的0. 1-50% ;封端劑加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的0. 1-10% ;紡絲助劑加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的0. 1-10%，氧化鋁溶膠的質(zhì)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(qū)體溶膠中加入納米級無機單晶增強材料得到復(fù)合溶膠，其加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的0. 1-50% ；(3)將復(fù)合溶膠在40-100°C條件下濃縮；(4)將濃縮后的復(fù)合溶膠放入到帶噴絲孔的容器中，采用擠出紡絲工藝得到連續(xù)纖維陶瓷原絲；(5)將連續(xù)纖維陶瓷原絲在40 - 10(TC下干燥，然后加熱至600°C脫去有機物，接著加熱至1000 - 1600°C煅燒，并在燒成溫度下保溫0. 5 — 6小時，最終獲得復(fù)合陶瓷連續(xù)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制備的溶膠、以硝酸鋁和乳酸為原料制備的溶膠、以硝酸鋁和酒石酸為原料制備的溶膠、以硝酸鋁和蘋果酸為原料制備的溶膠、以硝酸鋁和羥基乙酸為原料制備的溶膠中的一種。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(fā)明優(yōu)點是，在溶膠中加入封端劑，阻礙膠粒凝聚，可提高溶膠的穩(wěn)定性，延長溶膠的紡絲時間窗口，有利于溶膠的工業(yè)化生產(chǎn)；本發(fā)明加入的增強材料為單晶材料，具有較高的強度，在溶膠中加入后，可提高凝膠纖維的成品率，避免纖維在干燥、煅燒過程中產(chǎn)生裂紋和斷裂；由于本發(fā)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(fā)生變化，因此增強材料還可提高陶瓷纖維的強度。按照本發(fā)明的方法，通過調(diào)整配方組成，得到的復(fù)合陶瓷纖維直徑為5-50 Pm，具有很高的強度，最大為2600MPa;并且能夠纏繞在導(dǎo)向輥上，纖維斷面致密，可以滿足特殊的使用要求，例如復(fù)合材料的纖維預(yù)制體或其他結(jié)構(gòu)材料。
具體實施例方式本發(fā)明復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備工藝，包括下述步驟第一步,在氧化鋁溶膠中加入氧化硅溶膠、氧化鎂、氧氯化鋯、封端劑和紡絲助劑制備陶瓷纖維前驅(qū)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(jù)表I不同的實施例確定氧化鋁溶膠、氧化硅溶膠、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(qū)體溶膠中加入增強材料得到復(fù)合溶膠；第三步，將復(fù)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(jù)表2的濃縮條件制備出可紡的復(fù)合溶膠。表I.原料的配方
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備エ藝，其特征在于，包括下述步驟 (1)在氧化鋁溶膠中加入氧化硅溶膠、氧化鎂、氧氯化鋯、封端劑、紡絲助劑制備陶瓷纖維前驅(qū)體溶膠，其中，氧化硅溶膠的加入量按氧化硅計，為氧化鋁溶膠質(zhì)量的O. 1-50% ；氧化鎂的加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的O. 1-50% ;氧氯化鋯加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的O.1-50% ;封端劑加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的O. 1-10% ;紡絲助劑加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的O. 1-10%，氧化鋁溶膠的質(zhì)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(qū)體溶膠中加入納米級無機單晶增強材料得到復(fù)合溶膠，其加入量為氧化鋁溶膠質(zhì)量的O. 1-50% ； (3)將復(fù)合溶膠在40-100°C條件下濃縮； (4)將濃縮后的復(fù)合溶膠放入到帶噴絲孔的容器中，采用擠出紡絲エ藝得到連續(xù)纖維陶瓷原絲； (5)將連續(xù)纖維陶瓷原絲在40— 100°C下干燥，然后加熱至600°C脫去有機物，接著加熱至1000 — 1600°C煅燒，并在燒成溫度下保溫O. 5 一 6小時，最終獲得復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維。
2.如權(quán)利要求I所述的復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備エ藝，其特征在于，步驟(I)中所述的氧化鋁溶膠是以氯化鋁和鋁粉為原料制備的溶膠、以硝酸鋁和乳酸為原料制備的溶膠、以硝酸鋁和酒石酸為原料制備的溶膠、以硝酸鋁和蘋果酸為原料制備的溶膠、以硝酸鋁和羥基こ酸為原料制備的溶膠中的ー種。
3.如權(quán)利要求I所述的復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備エ藝，其特征在于，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(quán)利要求I所述的復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備エ藝，其特征在于，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(quán)利要求I所述的復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備エ藝，其特征在于，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、碳化硅納米線、氧化硅納米線、氧化鈦納米線和氮化娃納米線的ー種。
6.如權(quán)利要求I所述的復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備エ藝，其特征在于，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(quán)利要求I所述的復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備エ藝，其特征在于，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(fā)明公開了一種復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維的制備工藝，其特征在于，在陶瓷纖維前驅(qū)體溶膠中加入一種增強材料，攪拌均勻后，將復(fù)合溶液濃縮，得到可紡的前驅(qū)體復(fù)合溶膠。濃縮的復(fù)合溶膠，采用擠出紡絲工藝得到含增強材料的連續(xù)纖維陶瓷原絲，最后將原絲干燥、燒結(jié)得到復(fù)合陶瓷連續(xù)纖維。本發(fā)明的陶瓷纖維可用于航空航天、汽車、文體用品等領(lǐng)域，作為復(fù)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(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者譚宏斌, 馬小玲 申請人:陜西理工學(xué)院