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一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维及其制备方法技术

技术编号:17794691 阅读:72 留言:0更新日期:2018-04-25 18:07
本发明专利技术涉及一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维及其制备方法。该轻质高柔莫来石纳米纤维采用静电纺丝工艺结合溶胶凝胶技术获得,直径在200~350nm范围内,密度小于2.7g/cm

A lightweight high flexible mullite ultrafine / nano ceramic fiber and its preparation method

The invention relates to a lightweight high flexible mullite ultrafine / nano ceramic fiber and a preparation method thereof. The lightweight and high mullite nanofibers were obtained by electrospinning process combined with sol-gel technology. The diameter of the mullite nanofibers was within 200 ~ 350nm, and the density was less than 2.7g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维及其制备方法
本专利技术涉及轻质高柔莫来石陶瓷纤维的制备,具体涉及一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维及其制备方法,属于无机非金属材料

技术介绍
莫来石纤维是一种高性能氧化物纤维,由于具有导热系数低、高温稳定性好、比热小等优点而广泛应用于冶金化工、核电能源、航空航天等领域。对于莫来石纤维的应用,特别是作为耐火材料时,将其制备成所需结构及形状的产品对于提高防护效果,降低原料成本意义重大。近年来,由于纳米科技的兴起,莫来石超细/纳米纤维也引起了广泛关注,特别是纳米尺度的陶瓷纤维具有比微米尺度的陶瓷纤维更好的柔韧性、更高的比表面积、更低的导热系数等优点。现阶段,莫来石超细/纳米纤维一般是采用静电纺丝技术与溶胶凝胶法相结合的方法进行制备,Wu等采用硝酸铝、异丙醇铝为铝源,正硅酸乙酯为硅源,PVP为纺丝助剂制备了莫来石超细/纳米纤维,纤维在1200℃下烧结后基本全部晶化,势必会影响莫来石纳米纤维的柔韧性。Peng等报道了用相同的铝源和硅源采用静电纺丝的方法制备莫来石纤维的研究,纺丝助剂则选用了聚丙烯腈(PAN),他们得到的纤维产品平均直径已经达到1.78um,已不属于纳米纤维产品。目前,莫来石纳米纤维的研究大多是未引入第二相的纯莫来石结构,还没有关于元素掺杂方面的研究。同时现有莫来石超细/纳米陶瓷纤维的韧性较差,很难适用于一些特殊领域,因此急需开发一种新型的具有轻质高柔特性的莫来石纳米纤维并掌握其适于大量生产的制备方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维及其制备方法,得到了具有低密度、低弹性模量的莫来石超细/纳米纤维。本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维,所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的密度小于2.7g/cm3,弹性模量为6.27~14.42GPa,所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维中,纤维的平均直径为240~350nm;所述所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维中,Al与B的摩尔比为3:1~1.5、Al与Si的摩尔比为3:1-1.2、优选为3:1。本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维,所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维中均匀分布有非晶二氧化硅。本专利技术所开发的轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维,柔韧可弯曲。本专利技术选用添加硼酸作为稳定剂的次乙酸铝为铝源和硼源、去离子水作为铝溶胶的溶剂,以硅溶胶为硅源、稀硝酸作为硅溶胶的调节剂,利用溶胶凝胶法制备出铝硅复合溶胶,经过与作为纺丝助剂的PVP混合后得到性质稳定的纺丝液,通过静电纺丝技术制备出纺成前驱体纤维,再经烧结处理后得到轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维。本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的制备方法,具体包括下述步骤:步骤1首先将添加硼酸作为稳定剂的次乙酸铝溶解到去离子水中并制成铝溶胶,然后将酸化硅溶胶加入铝溶胶中,搅拌均匀得到浅白色透明的铝硅复合溶胶产品;步骤2将PVP粉末倒入有机溶剂中,搅拌,得到PVP浓度为10-18wt%、优选为16wt%的PVP溶液;步骤3将步骤1所得铝硅复合溶胶与步骤2所得PVP溶液按质量比;铝硅复合溶胶:PVP溶液=(1~2):3进行混合,得到性能稳定的无色透明纺丝液;步骤4将步骤3所制备的无色透明纺丝液在纺丝电压为-6.45~-8.0kV,推注速度为0.45~0.6ml/min,接收距离为15cm的纺丝工艺参数下进行静电纺丝得到纺成前驱体纤维;步骤5将步骤4所述的前驱体纤维烘干,然后取出置于烧结炉内,升至600~800℃保温1~2h,为防止纤维中晶粒过快长大而影响其性能,先将纤维取出冷却后,再于800~1000℃的条件下保温0.2~1h,得到轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维。本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的制备方法,添加硼酸作为稳定剂的次乙酸铝的化学式为Al(OH)2(OOCCH3)·1/3H3BO3,本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的制备方法,步骤1中,添加硼酸作为稳定剂的次乙酸铝和去离子水的质量比为1:3~5、优选为1:4。步骤1中,酸化的硅溶胶,是通过下述方法制备的:将质量浓度为0.8-1.2%的硝酸加入硅溶胶中,搅拌得到酸化硅溶胶;所述酸化硅溶胶的pH值为3.5~4.3,其中SiO2的质量百分含量为6.0~7.5%。上述步骤1中浅白色透明的铝硅复合溶胶产品中,按原子比计,Al:Si=3:1。作为优选,本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的制备方法,步骤4中纺丝电极提供的电压为负电压,电压大小为-6.45~-8.0kV。作为优选,本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的制备方法,步骤5中纺成前驱体纤维的烘干温度为40~60℃。作为优选,本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的制备方法,步骤5中,升温至600~800℃的升温速率为5℃/min。作为优选,本专利技术一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的制备方法,步骤5中,在900~1000℃的烧结温度下得到的纤维物相结构为Al4B2O9相和非晶二氧化硅。本专利技术技术特点如下:1、使用添加硼酸作为稳定剂的次乙酸铝作为铝源和硼源,可以在莫来石超细/纳米纤维中原位引入适量的硼元素,适量的硼可以起到以下作用:确保纤维中大量非晶的存在从而明显提高莫来石纤维的柔韧性;由于氧化硼的密度小,最终产物的密度也会显著下降,在本产品大量使用时能够减小设备总重量;可以阻碍晶粒长大,防止纤维在烧结过程中因晶粒长大过快而产生孔洞、裂纹等缺陷。2、采用酸化硅溶胶作为硅源可以避免溶胶中铝和硅结合过于紧密,可以阻止莫来石相的生成从而提高纤维产品的性能,同时硅溶胶绿色环保、危险性较小。3、所得铝硅复合溶胶物理化学性能稳定,可长时间存放,即用即取。4、静电纺丝技术操作简单、使用范围广,通过调节纺丝工艺参数可以制备不同直径范围的莫来石纳米纤维产品。5、轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维性能稳定,适用温度范围广,可根据不同使用环境随意调节纤维布的形状、大小等。附图说明图1是实施例1所得轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的SEM照片。图2是实施例2所得轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的XRD衍射图谱。图3是实施例2所得轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维对折的SEM照片。图4是实施例5所得轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维对折的高倍SEM照片。图5是对比例1所得莫来石超细/纳米陶瓷纤维的SEM照片。图6是对比例2所得莫来石超细/纳米陶瓷纤维对折的SEM照片。图7是对比例3所得莫来石前驱体超细/纳米纤维的SEM照片。具体实施方式实施例中使用的次乙酸铝化学式为Al(OH)2(OOCCH3)·1/3H3BO3,由美国StremChemicals,Inc.提供。所用的硅溶胶牌号为LUDOX@LS,由Sigma-Aldrich提供。静电纺丝机为公知设备,由北京永康乐业科技有限公司提供。实施例1步骤1:前驱体溶胶的制备将2g次乙酸铝溶解到8g去离子水中,在40℃水浴条件下搅拌12h得到铝溶胶,再将LUDOX@LS硅溶胶用1%稀硝酸稀释4倍,最后将铝溶胶和3.78g酸化的硅溶胶在常温下混合并搅拌1h,得到浅白色透明的铝硅复合溶胶产品。步骤2:将纺丝助剂PVP制成均匀的酒精溶液将PVP粉末倒入酒精中,常温搅拌3h,P本文档来自技高网...
一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维及其制备方法

【技术保护点】
一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维,其特征在于:所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的密度小于2.7g/cm

【技术特征摘要】
1.一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维,其特征在于:所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的密度小于2.7g/cm3,弹性模量为6.27~14.42GPa,所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维中,纤维的平均直径为240~350nm;所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维中,Al与B的摩尔比为3:1-1.5、Al与Si的摩尔比为3:1-1.2。2.根据权利要求1所述的一种轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维,其特征在于:所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维中均匀分布有非晶二氧化硅。3.一种制备如权利要求1或2所述轻质高柔莫来石超细/纳米陶瓷纤维的方法,其特征在于;包括下述步骤:步骤1首先将添加硼酸作为稳定剂的次乙酸铝溶解到去离子水中并制成铝溶胶,然后将酸化硅溶胶加入铝溶胶中,搅拌均匀得到浅白色透明的铝硅复合溶胶产品;步骤2将PVP粉末倒入有机溶剂中,搅拌,得到PVP浓度为10-18wt%;步骤3将步骤1所得铝硅复合溶胶与步骤2所得PVP溶液按质量比;铝硅复合溶胶:PVP溶液=(1~2):3进行混合,得到性能稳定的无色透明纺丝液;步骤4将步骤3所制备的无色透明纺丝液在纺丝电压为-6.45~-8.0kV,推注速度为0.45~0.6ml/min,接收距离为15cm的纺丝工艺参数下进行静电纺丝得到纺成前驱体纤维;步骤5将步骤4所述的前驱体纤维烘干,然后取出置于烧结炉内,升至600~800℃保温1~2h,为防止纤维中晶粒过快长大而影响其性能,先将纤维取出冷却后,再于800~1000℃的条件下保温0.2~1h,得到轻质高柔莫来石...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘文胜宋晓雷马运柱王娟徐书恒
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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