一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶及其制备方法与应用，该溶胶主要组分的化学通式为：MgLn·xH2O，其中L为醋酸根、丙酸根、丙烯酸根、硝酸根、甘氨酸根或/和苹果酸根，n＝0.5～2，x＝0～6；该溶胶在溶剂中表现为牛顿流体，溶胶脱水后的干粉以及氧化镁前驱体纤维均为无定型玻璃态。本发明专利技术的可纺丝性氧化镁纤维前驱体溶胶不需要加入任何助纺剂即具有很好的纺丝性能，具有含镁量高、均匀透明、容易掺杂各种所需的元素的特点，纺丝溶胶在使用过程中无沉淀、无胶结、无杂质、无气泡，加入溶剂后可以反复浓缩，重复使用，长期保存不变质。

【技术实现步骤摘要】
一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶及其制备方法与应用，属于超高温耐火材料制备与应用

技术介绍
特种纤维的研制与应用是现代材料科学与技术重要发展方向之一。超高温氧化物纤维是一种结合了氧化物的耐高温性能和纤维可纺特性的一种高强度耐火材料，具有质量轻、耐高温、耐热冲击、热稳定性好、导热率低、比热容小、耐腐蚀等优良的性能，在航空、航天、军事等尖端技术和工业等许多领域具有重要的应用价值。氧化镁(熔点2850℃)是熔点仅次于氧化钍(3300℃，有放射性污染)的高温金属氧化物。目前广泛应用的高温隔热纤维有氧化铝纤维、氧化锆纤维、二氧化硅纤维和岩棉纤维等，但这些纤维基质的熔点均低于氧化镁的熔点，其中莫来石和氧化铝纤维的最高使用温度分别只有1400℃和1600℃。氧化锆的熔点最高(熔点2715℃)，但纯氧化锆在高温时会发生相变，并伴随约7％左右的体积变化，需加入适量的相稳定剂(氧化镁、氧化钙、三氧化二钇和氧化铈等)，才能够获得超高温下晶相稳定的氧化锆纤维。氧化镁的相对分子量为40.3，真密度为3.58g/cm3，以氧化镁为基质的纤维具有质量轻、密度小、熔点高和晶相稳定的优点，同时也具有优良的抗热冲击性能，能够在环境温度高、热冲击频繁、氧化气流流速快等严苛的条件下应用，是继氧化锆纤维之后又一种新型超高温隔热纤维。目前制备一维棒状形貌氧化镁的方法有CVD法、水热法、沉淀法等，这些方法制备的一维形貌氧化镁纤维直径不易控制，长径比较小，纤维形貌较差，且存在制备条件要求苛刻，制备产物存在产物不易收集，制备工艺不易放大等缺点。静电纺丝技术的缺点在于纺丝液中需要加入大量高分子助纺剂，从而造成目标元素摩尔含量低、纤维体疏松多孔、纤维强度差、粉化严重，从而限制了氧化镁纤维的应用。现有的氧化镁纤维制备技术中氧化镁纤维前驱体溶胶可纺性较差，而且多为手工纺丝，纺丝效率低，得到的氧化镁纤维存在形貌较差、晶粒不均匀、疏松多孔以及强度较差等缺点，而且得到的纤维量极少。目前离心甩丝和喷吹成纤技术尚未用于氧化镁纤维的制备，其优点在于能够实现氧化镁纤维的批量化制备，但需要研制出与这两种技术相匹配的纺丝溶胶，这种纺丝溶胶的主要成份是具有高分子线性结构的氧化镁前驱体，这种前驱体必须在浓缩和纺丝过程中均一稳定、透明。
技术实现思路
针对现有技术中不足，以及离心甩丝和喷吹成纤技术需要对氧化镁纤维纺丝溶胶的特殊要求，本专利技术提供了一种原料来源广泛、工艺简单并且可纺性极佳的氧化镁纤维前驱体溶胶及其制备方法与应用。本专利技术的氧化镁纤维前驱体溶胶可通过批量化纺丝和高温烧结的方法制备氧化镁纤维，在纺丝过程中不需要添加任何助纺剂，不仅解决了纺丝效率低以及氧化镁纤维质量不均匀和抗拉强度差的缺点，而且实现了氧化镁纤维的批量化制备。本专利技术的技术方案如下：一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶，主要组分的化学通式为：MgLn·xH2O，其中L为醋酸根、丙酸根、丙烯酸根、硝酸根、甘氨酸根或/和苹果酸根，n＝0.5～2，x＝0～6；该溶胶在溶剂中表现为牛顿流体，溶胶脱水后的干粉以及氧化镁前驱体纤维均为无定型玻璃态。该溶胶能够在牵伸力的作用下均匀成丝，干燥后成为氧化镁前驱体纤维。根据本专利技术，优选的，所述的氧化镁纤维前驱体溶胶的平均粒径为110～850nm。根据本专利技术，一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶的制备方法，步骤如下：(1)将配体酸溶于溶剂，然后于30～85℃、搅拌条件下加入镁源，搅拌保温反应0.2～5.0h；或者，于30～85℃、搅拌条件下，分别将镁源与配体酸加入到溶剂中，搅拌保温反应0.2～5.0h；所述的镁源为氧化镁、单质镁、碳酸氢镁、碱式碳酸镁、过氧化镁或/和方镁石矿粉；所述的溶剂为甲醇、双氧水、异丙醇、乙醇、水、正丙醇或/和四氢呋喃；所述的配体酸为醋酸、丙酸、丙烯酸、硝酸、甘氨酸或/和苹果酸；所述的溶剂与镁源中镁元素的摩尔比为(3～55):1，所述的镁源中镁元素与配体酸的摩尔比为1:(0.4～4.6)；(2)将步骤(1)反应后得到的物料冷却至室温，静置，过滤去除不溶性杂质，将滤液浓缩至25℃温度下的粘度范围为10～145Pa·s，即得。根据本专利技术，优选的，步骤(1)中所述的溶剂与镁源中镁元素的摩尔比为(7～30):1，所述的镁源中镁元素与配体酸的摩尔比为1:(0.7～2.7)。根据本专利技术，优选的，当溶剂为水或/和双氧水时，水或/和双氧水与镁源中镁元素的摩尔比为(3～32):1；当溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇或/和四氢呋喃时，需向体系中补入水或/和双氧水，补入的水或/和双氧水与镁源中镁元素的摩尔比为(0.2～8):1。根据本专利技术，一种可纺丝性氧化镁纤维前驱体溶胶的制备方法，步骤如下：(i)将镁盐加入到有机溶剂中充分溶解，再按水与镁盐中镁元素的摩尔比为(0～6):1加入水，得溶液A；所述镁盐选自氯化镁、溴化镁、氟化镁、硝酸镁及上述镁盐的水合物；所述的有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、正丙醇或/和四氢呋喃；所述的镁盐中镁元素与有机溶剂的摩尔比为1:(2～35)；(ii)将配体加入到有机溶剂中充分溶解，得溶液B；所述的配体选自醋酸钾、柠檬酸钾、柠檬酸钠、醋酸钠、醋酸铵、丙酸钾、丙酸铵、丙酸钠、丙烯酸钾、丙烯酸钠、丙烯酸铵及上述化合物的水合物；所述的有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、正丙醇或/和四氢呋喃；所述的配体与有机溶剂的摩尔比为1:(2～41)；(iii)在30～70℃温度下，将溶液A缓慢滴加到溶液B中；或者将溶液B缓慢滴加到溶液A中；或者将溶液A和溶液B同时缓慢加入容器中，滴加的过程中不断搅拌，体系温度控制在30～70℃；控制镁盐中镁元素和配体的摩尔比为1:(0.5～3.6)；(iv)滴加结束后，继续在30～70℃的温度范围内保温并搅拌0.2～1.0h，然后停止搅拌，反应液在室温静置2～72h，过滤除去不溶物得滤液，将滤液浓缩至25℃温度下的粘度范围为10～145Pa·s，即得。根据本专利技术，优选的，步骤(i)中水与镁盐中镁元素的的摩尔比(0～2.5):1。根据本专利技术，优选的，步骤(ii)中配体为醋酸钾、丙酸钾、丙酸钠、醋酸钠或醋酸铵。根据本专利技术，优选的，步骤(iii)中控制镁盐中镁元素和配体的摩尔比为1:(1.7～3.0)。根据本专利技术，一种可纺丝性氧化镁纤维前驱体溶胶的制备方法，步骤如下：将镁盐溶于溶剂中混合均匀，过滤去除不溶性杂质，将滤液浓缩至25℃温度下的粘度范围为10～145Pa·s，即得；所述的镁盐选自醋酸镁、丙酸镁、柠檬酸镁、丙烯酸镁、硝酸镁、甘氨酸镁及上述镁盐的水合物；所述的溶剂选自水、双氧水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、四氢呋喃或/和丙酮；所述的溶剂与镁盐的质量比为(2～15):1。根据本专利技术，上述可纺丝性氧化镁纤维前驱体溶胶用于制备氧化镁纤维，具体步骤如下：a.氧化镁纤维前驱体纺丝溶胶的配制将氧化镁纤维前驱体溶胶静置脱泡和陈化0.2～7h，得到氧化镁纤维前驱体纺丝溶胶；b.氧化镁前驱体纤维的制备将氧化镁纤维前躯体纺丝溶胶离心甩丝，干燥，得氧化镁前躯体纤维，离心甩丝的工艺为：离心机的转速为4000～39000r/min，甩丝孔直径为0.05～1.8mm，离心甩丝及干燥过程中通干燥热风，热风的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶，其特征在于，该溶胶主要组分的化学通式为：MgLn·xH2O，其中L为醋酸根、丙酸根、丙烯酸根、硝酸根、甘氨酸根或/和苹果酸根，n＝0.5～2，x＝0～6；该溶胶在溶剂中表现为牛顿流体，溶胶脱水后的干粉以及氧化镁前驱体纤维均为无定型玻璃态。

【技术特征摘要】
1.一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶，其特征在于，该溶胶主要组分的化学通式为：MgLn·xH2O，其中L为醋酸根、丙酸根或/和丙烯酸根，n=2，0＜x≤6；该溶胶在溶剂中表现为牛顿流体，溶胶脱水后的干粉以及氧化镁前驱体纤维均为无定型玻璃态；所述的可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶的制备方法，步骤如下：（1）将配体酸溶于溶剂，然后于30～85℃、搅拌条件下加入镁源，搅拌保温反应0.2～5.0h；或者，于30～85℃、搅拌条件下，分别将镁源与配体酸加入到溶剂中，搅拌保温反应0.2～5.0h；所述的镁源为氧化镁、单质镁、碳酸氢镁、碱式碳酸镁、过氧化镁或/和方镁石矿粉；所述的溶剂为甲醇、双氧水、异丙醇、乙醇、水、正丙醇或/和四氢呋喃；所述的配体酸为醋酸、丙酸或/和丙烯酸；所述的溶剂与镁源中镁元素的摩尔比为(3～55):1，所述的镁源中镁元素与配体酸的摩尔比为1:(0.4～4.6)；（2）将步骤（1）反应后得到的物料冷却至室温，静置，过滤去除不溶性杂质，将滤液浓缩至25℃温度下的粘度范围为10～145Pa·s，即得。2.根据权利要求1所述的可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶，其特征在于，所述的氧化镁纤维前驱体溶胶的平均粒径为110~850nm。3.一种权利要求1或2所述的可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶的制备方法，步骤如下：（1）将配体酸溶于溶剂，然后于30～85℃、搅拌条件下加入镁源，搅拌保温反应0.2～5.0h；或者，于30～85℃、搅拌条件下，分别将镁源与配体酸加入到溶剂中，搅拌保温反应0.2～5.0h；所述的镁源为氧化镁、单质镁、碳酸氢镁、碱式碳酸镁、过氧化镁或/和方镁石矿粉；所述的溶剂为甲醇、双氧水、异丙醇、乙醇、水、正丙醇或/和四氢呋喃；所述的配体酸为醋酸、丙酸或/和丙烯酸；所述的溶剂与镁源中镁元素的摩尔比为(3～55):1，所述的镁源中镁元素与配体酸的摩尔比为1:(0.4～4.6)；（2）将步骤（1）反应后得到的物料冷却至室温，静置，过滤去除不溶性杂质，将滤液浓缩至25℃温度下的粘度范围为10～145Pa·s，即得。4.根据权利要求3所述的可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：许东，王新强，林学军，朱陆益，刘雪松，张光辉，刘红静，袁康康，郑磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37