專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝的制作方法
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氧化鋁基連續(xù)纖維的制備工藝。
背景技術(shù)：
氧化鋁基纖維一般為多晶陶瓷纖維，以Al2O3為主要成分，并含Si02、B203、&02、Y203 或MgO等成分。氧化鋁基纖維具有高的彈性模量和高溫強(qiáng)度、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(xué)性能，還具有較低的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的電絕緣性， 氧化鋁基纖維可應(yīng)用于高溫材料、復(fù)合材料領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)，氧化鋁基短纖維的生產(chǎn)工藝比較成熟，生產(chǎn)廠家有山東魯陽(yáng)，浙江德清， 洛陽(yáng)耐火材料等公司。在國(guó)外，氧化鋁基短纖維、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(guó)3M，英國(guó)ICI，日本Simitomo等公司。但全世界的研究者繼續(xù)對(duì)纖維的制備進(jìn)行更深入的研究，以期簡(jiǎn)化纖維制備工藝、降低成本、提高質(zhì)量。溶膠-凝膠法制備氧化鋁基纖維設(shè)備簡(jiǎn)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(dá)分子水平)，制備過(guò)程中的反應(yīng)溫和，反應(yīng)過(guò)程易于控制。因此，用溶膠-凝膠法制備氧化鋁基纖維的研究較多。由于金屬醇鹽具有較高的化學(xué)反應(yīng)活性，以溶膠-凝膠法制備氧化鋁基纖維時(shí)， 胃用 Μ酉享為原 Chandradass 入[Journal of the European CeramicSociety, 1995,15(4) :283-289.]用異丙醇鋁為原料、稀硝酸為催化劑、甲基纖維素為紡絲助劑，通過(guò)溶膠-凝膠法制備了氧化鋁纖維。研究發(fā)現(xiàn)0^1203相變溫度為11001，增加紡絲助劑的量，纖維的強(qiáng)度降低。甲基纖維素?fù)搅繛?0wt%的纖維，在1600°C煅燒池后的強(qiáng)度為最大(; 28ΜΡει)0 ΜειηθθΓει ειηει ·入[Chemical Engineering Journal, 2008,137(1) 137-143]以仲丁醇鋁為原料、二乙二醇單乙基醚為溶劑(兩者摩爾比為2 1)制備了可紡的溶膠，用IOkV的電壓、溶膠流量為6. 35cm7h、電極間的距離為15cm、紡絲孔(針頭孔徑)0. 712mm時(shí)，通過(guò)電紡制備了連續(xù)的中空氧化鋁纖維，纖維的直徑為20 μ m。Towata等人[Composites =PartA, 2001, 32 (8) :1127-1131]用異丙醇鋁、異丙醇釔為原料，異丙醇為溶劑，加入HCl溶液使其水解，制備了釔鋁石榴石(YAG)纖維，研究發(fā)現(xiàn)YAG晶種的加入有利于纖維的石榴石化，當(dāng)其加入量大于2. 4Vol%時(shí)，石榴石化溫度由原來(lái)的1500°C降低到 1300dG，{氏了 200dG ο Chandradass 等人[Journal of the European Ceramic Society, 2006,26(13) :2611-2617]用異丙醇鋁、氯氧鋯為原料用溶膠-凝膠法制備了氧化鋁、氧化鋁-氧化鋯(10wt.纖維，研究了 MgO對(duì)纖維燒結(jié)性能和晶粒大小的影響。研究發(fā)現(xiàn) MgO使氧化鋁纖維向α -Al2O3相轉(zhuǎn)變的溫度推遲，但對(duì)氧化鋁-氧化鋯的物相轉(zhuǎn)變溫度不影響(纖維物相為α -Al2O3和t-&02，MgO能促進(jìn)^O2穩(wěn)定)，MgO能減小纖維中晶粒的尺寸，使纖維的強(qiáng)度增加(Al2O3纖維強(qiáng)度為U8MPa，摻2wt% MgO氧化鋁纖維強(qiáng)度為183MPa ； Al2O3-IO% ZrO2纖維強(qiáng)度為846MPa，摻2wt% MgO的復(fù)合纖維強(qiáng)度為1057MPa)。由于鋁醇鹽的成本較高，用溶膠-凝膠法制備氧化鋁基纖維時(shí)，常用金屬鋁粉和氯化鋁為原料制備前驅(qū)體溶膠(即聚氯氧鋁溶膠，也稱(chēng)聚合氯化鋁溶膠)。傅順德等人 [耐火材料，2010,44 ) :116-118]以結(jié)晶氯化鋁、鋁粉和硅溶膠為原料制備出不同粘度的溶膠，研究甩絲盤(pán)轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)溫度對(duì)纖維直徑和單絲拉伸強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)膠體粘度為20 · S、甩絲盤(pán)轉(zhuǎn)速為6000r · mirT1、熱風(fēng)溫度為80°C時(shí)，單絲拉伸強(qiáng)度較高，超過(guò) IOOOMPa,纖維的平均直徑為3. 8 μ m。目前的研究結(jié)果表明，現(xiàn)制備的氧化鋁纖維的長(zhǎng)度較短，不能得到連續(xù)的纖維。在制備前軀體溶膠時(shí)，加入溶膠穩(wěn)定劑，可以增加膠粒間的位阻，使溶膠的穩(wěn)定性增加，加入紡絲助劑，可提高凝膠纖維的長(zhǎng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本的溶膠-凝膠法制備氧化鋁基連續(xù)纖維的新工藝。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，其特征在于，包括下述步驟(1)在蒸餾水中加入醋酸和正硅酸乙酯，連續(xù)攪拌l_6h，得到硅溶膠。在硅溶膠中加入溶膠穩(wěn)定劑和鋁的無(wú)機(jī)鹽，鋁的無(wú)機(jī)鹽溶解后加入金屬鋁粉；其中正硅酸乙酯的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的0. 1-0. 6，醋酸的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的0. 01-0. 1，溶膠穩(wěn)定劑的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的0.01-0. 1，鋁的無(wú)機(jī)鹽的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的 0.1-1，金屬鋁粉與蒸餾水的摩爾比為1 10-30;所得混合物溶液在40-100°C、連續(xù)攪拌和冷凝回流條件下，反應(yīng)2-8小時(shí)制備出硅鋁溶液；(2)在步驟(1)的硅鋁溶膠中按金屬鋁粉的質(zhì)量加入0-30%的高聚物紡絲助劑；(3)將步驟(2)加入高聚物紡絲助劑的硅鋁溶膠在40-100°C條件下濃縮；(4)將步驟C3)濃縮得到的硅鋁溶膠放入到帶紡絲漏板的儲(chǔ)液槽中，采用干法或濕法紡絲得到氧化鋁基連續(xù)纖維原絲；(5)將步驟(4)得到的氧化鋁基連續(xù)纖維原絲在40-100°C下干燥，然后加熱至 600°C脫去有機(jī)物，接著加熱至1000-1600°C燒成，并在燒成溫度下保溫0. 5-2小時(shí)，最終獲
得多晶氧化鋁基連續(xù)纖維。上述方案中，步驟(1)中所述的鋁的無(wú)機(jī)鹽為硝酸鋁或氯化鋁。溶膠穩(wěn)定劑為含一個(gè)羥基(-0H)或一個(gè)羰基(-C00H)的直線性有機(jī)物，有機(jī)物中的碳原子數(shù)為3-10，包括丙醇，正丁醇，新戊醇，丙酸，丁酸，乙醇酸甲酯，乙醇酸乙酯，乙二酸乙二酯的任一種。步驟O)中所述的高聚物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(5)中所述的加熱至600°C脫去有機(jī)物，升溫速率為0. 5-50C /min。加熱至 1000-1600°C燒成，升溫速率為 5-10°C /min。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是，利用低成本的鋁的無(wú)機(jī)鹽、金屬鋁粉為原料制備鋁的溶膠，在較低的燒結(jié)溫度(1200°C左右)獲得抗拉強(qiáng)度高的多晶氧化鋁基連續(xù)纖維。在制備鋁溶膠時(shí)，選擇加入溶膠穩(wěn)定劑劑，可提高溶膠的穩(wěn)定性；加入紡絲助劑，提高溶膠的紡絲性能。按照本發(fā)明的方法，通過(guò)調(diào)整配方組成，得到的多元復(fù)合氧化鋁基纖維含有氧化鋁相和莫來(lái)石相，各相的比例隨正硅酸乙酯加入量的比例變化。制備所得到的氧化鋁基連續(xù)纖維直徑為5-50 μ m，具有很高的強(qiáng)度，最大為1020MPa ；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。
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為采用本發(fā)明工藝的氧化鋁基連續(xù)纖維原絲的照片。圖2為采用本發(fā)明工藝實(shí)施例5的氧化鋁基連續(xù)纖維表面的SEM照片圖3為采用本發(fā)明工藝實(shí)施例5的氧化鋁基連續(xù)纖維表面放大的SEM照片圖4為采用本發(fā)明工藝實(shí)施例5的氧化鋁基連續(xù)纖維斷口的SEM照片
具體實(shí)施例方式表1列出了編號(hào)為1-8的8個(gè)實(shí)施例第一步工藝中的配方組成。根據(jù)表1不同的實(shí)施例確定蒸餾水、硅溶膠(醋酸、正硅酸乙酯)、溶膠穩(wěn)定劑、鋁的無(wú)機(jī)鹽、金屬鋁粉的加入量。表1中的溶膠穩(wěn)定劑可采用含一個(gè)羥基或一個(gè)羰基的直線性有機(jī)物，有機(jī)物中的碳原子數(shù)為3-10。如丙醇，正丁醇，新戊醇，丙酸，丁酸，乙醇酸甲酯，乙醇酸乙酯，乙二酸
乙二酯。表1.原料的配方
權(quán)利要求
1.一種無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，其特征在于，包括下述步驟(1)在蒸餾水中加入醋酸和正硅酸乙酯，連續(xù)攪拌l-6h，得到硅溶膠，在硅溶膠中加入溶膠穩(wěn)定劑和鋁的無(wú)機(jī)鹽，鋁的無(wú)機(jī)鹽溶解后加入金屬鋁粉；其中正硅酸乙酯的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的0. 1-0. 6，醋酸的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的0. 01-0. 1，溶膠穩(wěn)定劑的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的0.01-0. 1，鋁的無(wú)機(jī)鹽的加入量為金屬鋁粉摩爾數(shù)的 0.1-1，金屬鋁粉與蒸餾水的摩爾比為1 10-30;所得混合物溶液在40-100°C、連續(xù)攪拌和冷凝回流條件下，反應(yīng)2-8小時(shí)制備出硅鋁溶液；(2)在步驟(1)的硅鋁溶膠中按金屬鋁粉的質(zhì)量加入0-30%的高聚物紡絲助劑；(3)將步驟(2)加入高聚物紡絲助劑的硅鋁溶膠在40-100°C條件下濃縮；(4)將步驟C3)濃縮得到的硅鋁溶膠放入到帶紡絲漏板的儲(chǔ)液槽中，采用干法或濕法紡絲得到氧化鋁基連續(xù)纖維原絲；(5)將步驟(4)得到的氧化鋁基連續(xù)纖維原絲在40-100°C下干燥，然后加熱至600°C脫去有機(jī)物，接著加熱至1000-160(TC燒成，并在燒成溫度下保溫0. 5-2小時(shí)，最終獲得多晶氧化鋁基連續(xù)纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，其特征在于，步驟(1) 中所述的鋁的無(wú)機(jī)鹽為硝酸鋁或氯化鋁。
3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，其特征在于，步驟(1) 中所述的溶膠穩(wěn)定劑為含一個(gè)羥基或一個(gè)羰基的直線性有機(jī)物，有機(jī)物中的碳原子數(shù)為 3-10，包括丙醇，正丁醇，新戊醇，丙酸，丁酸，乙醇酸甲酯，乙醇酸乙酯，乙二酸乙二酯的任一種。
4.如權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，其特征在于，步驟(2) 中所述的高聚物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。
5.如權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，其特征在于，步驟(5) 中所述的加熱至600°C脫去有機(jī)物，升溫速率為0. 5-50C /min。
6.如權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，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5-10°C /min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)機(jī)鋁鹽制備氧化鋁基連續(xù)纖維的工藝，其特征在于，在蒸餾水中加入醋酸和正硅酸乙酯，攪拌后加入溶膠穩(wěn)定劑和一種鋁的無(wú)機(jī)鹽，鋁鹽溶解后加入金屬鋁粉?；旌衔镌?0-100℃、連續(xù)攪拌和冷凝回流條件下反應(yīng)，得到穩(wěn)定性好的前驅(qū)體硅鋁溶膠。在前驅(qū)體溶膠中加入高聚物紡絲助劑，將溶液濃縮，得到可紡的前驅(qū)體溶膠。濃縮的溶膠放入到帶紡絲漏板的儲(chǔ)液槽中，采用干法或濕法紡絲得到含有有機(jī)物的氧化鋁基連續(xù)纖維原絲，最后將原絲干燥、燒結(jié)得到氧化鋁基纖維。本發(fā)明氧化鋁基纖維可用于航空航天、汽車(chē)、文體用品等領(lǐng)域，作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)體。
文檔編號(hào)D01F9/10GK102180656SQ201110041290
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者傅明星, 譚宏斌, 郭從盛 申請(qǐng)人:陜西理工學(xué)院