本发明专利技术公开了一种氧化铝陶瓷纤维的制备方法，该方法利用含有Al13胶粒的氧化铝溶胶和硅溶胶制备可纺性前驱体溶胶，采用喷吹成纤工艺制备凝胶纤维，再经热处理得到直径1～7μm的氧化铝陶瓷纤维。本发明专利技术采用溶胶-凝胶方法制备的溶胶体系稳定，含量可控且杂质少；热处理后的陶瓷纤维柔韧性好，操作性优异，无渣球，可用于复合材料中的增强体、提高材料强度和耐热性等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氧化铝陶瓷纤维的制备，属于无机非金属材料领域。
技术介绍
氧化铝陶瓷纤维属于无机晶体纤维，主要成分是三氧化二铝(Al2O3)，还含有一定量的添加剂，如二氧化硅(Si02)、氧化铁(Fe2O3)等，它具很多优良性质，如具有高强度、耐高温、高熔点、耐腐蚀性强、绝热性能好，且比重小等特点，医学上可增强造骨细胞骨取代的功能，也是一种综合性能比较好的工程材料，在复合材料、工业及军事领域都有非常重要的应用。Al2O3陶瓷纤维作为隔热材料，有很好的保温性能，可显著减少热量损失，最高耐热温度可达1700°C，与碳纤维和金属纤维相比，Al2O3陶瓷纤维热导率低、热膨胀系数小、抗热震性好，是高温隔热材料的首选;A1203陶瓷纤维高温性质稳定，比表面积大，可用作催化剂载体。制备无机纤维的传统方法是加热原料使之变为熔融状态，熔融法纺丝成，而氧化铝熔点很高，即使熔融其熔体粘度也很低，其纤维难以用熔融法制备。因此人们研究开发了多种前驱体方法来制备Al2O3陶瓷纤维，即在常温下先经过纺丝工艺制备含有铝成分及其它有机、无机成分的纤维材料，再经高温煅烧热解除去其中的溶剂、有机物或无机阴离子等制得Al2O3陶瓷纤维。例如，美国圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司利用高能磨碎机将a -Al2O3多晶颗粒分散于水中制得淤浆后加入硝酸和仲丁醇铝，在80°C剧烈搅拌2h得到溶胶，纺丝制得前驱体纤维，再煅烧而得到Al2O3陶瓷纤维(CN200480009462.4);帝国化学工业公司将硫脲和聚环氧乙烷溶解于氯化铝溶液中，再加入水合氯化铝及硅氧烷表面活性剂得到可拉丝溶液，拉丝并进行热处理，得到Al2O3陶瓷纤维(CN1034768A);洛阳新聚能高热技术有限公司将氧化铝粉体分散在水中，制成悬浮液，再加入混有有机酸的无机盐水溶液和硅溶胶，最后加入结合剂、增塑剂、干燥控制剂、分散剂，在水浴下搅拌，反应后浓缩至成纤胶体，在经离心甩丝、干燥和热处理制备Al2O3多晶纤维(CN103160954A);天津工业大学以结晶A1A、去离子水以及铝粉为主要原料，以成丝剂为辅料，得到可纺溶胶，再经成纤、干燥及热处理制备Al2O3陶瓷纤维(CN103114352A) ;UematSu等采用亲水性良好的粘胶纤维作为基体纤维浸溃无机铝盐溶液，再经干燥、烧结等步骤得到Al2O3陶瓷纤维(J.Am.Ceram.Soc.1995，78，3107) ；Venkatesh等利用氯氧化物无机盐及有机高分子做助剂制得溶液，再经过纺丝及煅烧等过程，而得到Al2O3陶瓷纤维，并研究了各种工艺因素所导致的纤维缺陷(Mater.Lett.2002，55，189 ；J.Europ.Ceram.Soc.2000，20，2543)。但是上述方法都采用有机物为成纤助剂，制备的Al2O3陶瓷纤维直径较粗、纤维致密性差、孔隙率高且强度低，且纤维的杂质含量高，成份含量无法精确控制。溶胶-凝胶法(Sol-Gel)可克服上述方法存在的缺点，能在较低温度下制备出的微观结构和化学成分均匀、长径比大的陶瓷纤维，纤维的致密性较好，强度较大和柔韧性优良，陶瓷纤维的纯度高、性能稳定，且制备工艺简单，可设计性强，是一种发展前景很好的制备Al2O3陶瓷纤维的方法；该方法主要以铝醇盐或无机盐为原料，加入有机酸催化剂，均匀溶于醇或水中，经过醇解或水解和聚合反应得到溶胶，浓缩溶胶至一定粘度后进行纺丝得到凝胶纤维，最后经热处理得到Al2O3陶瓷纤维。例如日本住友化学公司利用甲基铝氧烷与水反应合成甲基铝氧烷聚合物，然后把该聚合物溶解在含有有机硅化合物的有机溶剂中，浓缩得到可纺性粘液，经干法纺丝制成前驱体纤维，煅烧后得到多晶Al2O3陶瓷纤维(J.Polymer Sc1.1991，29，495) ；Tan等通过溶胶-凝胶法，采用硝酸铝、酒石酸和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料，得到可纺性氧化铝溶胶，经干燥及热处理后得到 Al2O3 陶瓷纤维(Int.J.Minerals Metall.Mater.2011, 18 (6), 691) ；Zhang 等以聚乙烯醇(PVB)和水合硝酸铝为原料，通过类似的工艺过程得到Al2O3陶瓷纤维(J.Sol-GelSc1.&Technol.2009, 49 (3), 385) ；Chandradass等在硝酸存在下将异丙醇招溶解于水中加热回流，待异丙醇铝完全溶解后加入草酸和氯氧化锆溶液，将溶胶蒸发浓缩得到可纺性溶胶，然后经纺丝、干燥、烧结得到Al2O3陶瓷纤维，还研究了 MgO等添加剂对纤维结构性能的影响(Mater1.Sc1.Engineer.2005, 408, 165 ； J.Europ.Ceram.Soc.2006, 26, 2611 ；J.Mater.Processing Technol.2006, 173, 275);美国专利采用乙酸铝、硅溶胶、二甲基甲酰胺、硼酸等为原料，在一定条件下合成出前驱体溶胶，在喷丝机中对该溶胶挤压喷丝，经干燥热处理后可获得Al2O3陶瓷纤维(USP3760049);美国专利以碱式氯化铝、硅溶胶、聚乙烯醇等为原料，在一定条件下合成出纺丝液(USP7033537)，而美国专利采用铝酸钠、硝酸、硝酸铝等为原料，在一定条件下制备出纺丝溶液，继而获得性能较好的Al2O3陶瓷纤维(USP4297336)。国内沈湘黔等采用乳酸硝酸铝等为主要原料经一系列混合、旋转蒸发、真空脱水等工艺制备出可纺性溶胶(矿冶工程2004，24(5)，76)，黄前军等采用氯化铝、氯化镁、铝粉、水等为原材料，经回流、溶解等步骤得到铝氧溶胶，再加入适量高分子化合物溶液，加热浓缩得到可纺粘稠液(厦门大学学报2006，45(3)，672)，而王孝瑞等采用金属铝和水为原材料制成聚合氧化铝溶液，再加入适量硅溶胶和高分子成纤助剂及有机酸制成溶胶(耐火材料2000，34(4)，203);这些溶胶进一步经过成纤、干燥、煅烧等工艺而制得Al2O3陶瓷纤维。然而，由于引入有机高分子助剂或有机基团，使纤维在热处理过程中易造成孔洞，纤维的致密性差，且强度低柔韧性差，这些缺陷使纤维的使用性质受到限制。
技术实现思路
针对现有技术制备的Al2O3陶瓷纤维致密性差，孔隙率高，强度低，柔韧性差等不足，本专利技术提供了一种Al2O3陶瓷纤维的制备方法。专利技术概述本专利技术以含有Al13胶粒的氧化铝溶胶为原料制备可纺性溶胶，溶胶中只添加无机助剂SiO2溶胶，不添加有机或高分子助剂，并结合喷吹法制得Al2O3陶瓷纤维；其特点是含有Al13胶粒的氧化铝溶胶反应活性较低，在1300°C以上才与添加助剂SiO2发生反应，SiO2在纤维中以玻璃态存在，使纤维柔韧性好，强度高，更利于制作复合材料。与硅酸铝纤维和其它以Al3+或有机铝为铝源制备的Al2O3陶瓷纤维相比，有更好的耐高温性质。专利技术详述本专利技术的技术方案如下:一种Al2O3陶瓷纤维的制备方法，包括步骤如下:(I)可纺性前驱体溶胶的制备将硅溶胶加入到含有Al13胶粒的氧化铝溶胶中，使得Al2O3和SiO2的质量比为1:(0.25?0.67)，搅拌混合均匀，然后在30?80°C水浴中老化至黏度为10?160Pa.s’得到前驱体溶胶；所述的氧化铝溶胶中Al13胶粒的质量含量为15?本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Al2O3陶瓷纤维的制备方法，包括步骤如下：(1)可纺性前驱体溶胶的制备将硅溶胶加入到含有Al13胶粒的氧化铝溶胶中，使得Al2O3和SiO2的质量比为1：(0.25～0.67)，搅拌混合均匀，然后在30～80℃水浴中老化至黏度为10～160Pa·s，得到前驱体溶胶；所述氧化铝溶胶中Al13胶粒的质量含量为15～50％；(2)喷吹成纤制备凝胶纤维将步骤(1)制备的前驱体溶胶进行喷吹成纤，得到凝胶纤维；工艺条件：喷丝孔内径为0.03～0.20mm，压力为5～16MPa，空气温度为20～100℃，空气流速为5～80m/min；(3)凝胶纤维陶瓷化将步骤(2)制备的凝胶纤维陶瓷化，工艺条件：以0.5～5℃/min的速度升温至500～600℃，在此温度保温0.5～2h；再以3～15℃/min的速度升温至1000～1300℃，在此温度保温0.5～3h，得到Al2O3陶瓷纤维。
【技术特征摘要】
1.一种Al2O3陶瓷纤维的制备方法，包括步骤如下: (1)可纺性前驱体溶胶的制备 将硅溶胶加入到含有Al13胶粒的氧化铝溶胶中，使得Al2O3和SiO2的质量比为1:(0.25?0.67)，搅拌混合均匀，然后在30?80°C水浴中老化至黏度为10?160Pa.s’得到前驱体溶胶；所述氧化铝溶胶中Al13胶粒的质量含量为15?50% ; (2)喷吹成纤制备凝胶纤维 将步骤(1)制备的前驱体溶胶进行喷吹成纤，得到凝胶纤维；工艺条件:喷丝孔内径为0.03?0.20mm，压力为5?16MPa，空气温度为20?100°C，空气流速为5?80m/min ； (3)凝胶纤维陶瓷化 将步骤(2)制备的凝胶纤维陶瓷化，工艺条件:以0.5?5°C /min的速度升温至500?600°C，在此温度保温0.5?2h ;再以3?15°C /min的速度升温至1000?1300°C，在此温度保温0.5?3h，得到Al2O3陶瓷纤维。2.根据权利要求1所述的Al2O3陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，步骤(I)中所述的硅溶胶固含量为15?40%。3.根据权利要求1所述的Al2O3陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，步骤(I)中所...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈代荣，贾玉娜，焦秀玲，关芳，柴鲁宁，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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