一种氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法技术

本发明专利技术涉及一种氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法，该方法是在氧化铝基陶瓷纤维表面均匀粘附SiO2的前驱体溶液，在纤维表面进行原位化学反应形成使之均匀的SiO2纳米颗粒，完成对氧化铝基陶瓷纤维的表面改性。采用本发明专利技术的方法对氧化铝基陶瓷纤维进行表面改性，可提高纤维的强度，还可使氧化铝基陶瓷纤维在高温下保持良好的力学性能。同时可修补氧化铝基陶瓷纤维在制备过程中可能形成的表面微裂纹，改善氧化铝基陶瓷连续纤维的表面状态。该方法应用广泛，可用于氧化铝基陶瓷长纤维、短纤维及其纤维制品等，适于工业化生产，易于推广。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法
本专利技术涉及一种无机陶瓷纤维表面改性技术，具体涉及一种氧化铝基陶瓷纤维的表面改性方法，属于无机非金属材料领域。
技术介绍
氧化铝基陶瓷纤维是重要的高性能无机非金属材料，属于陶瓷纤维的一类，它以Al2O3为主要成分，同时还添加SiO2、Fe2O3等。氧化铝基陶瓷纤维具有高强度、耐高温、耐腐蚀、可编织等一系列优点，可用做高温高效隔热材料、高性能复合材料和催化剂载体等，用于高温工业炉、新材料、化工以及军工、核工业、航空航天等领域。目前氧化铝基陶瓷纤维的制备方法主要有熔融法、溶胶-凝胶法、浸渍法、静电纺丝法等，其中熔融法是先通过熔融方式获得可纺性熔体，然后通过不同的成纤方式制备连续纤维或短纤维，而溶胶-凝胶法和静电纺丝法一般包括可纺性溶胶的制备、成纤和热处理过程；浸渍法是首先获得前驱体溶液或浆液，然后经过浸渍、干燥、烧结等步骤得到结构复杂的纤维。无论采用何种方法生产氧化铝基陶瓷纤维，在其形成过程中都可能会在纤维表面产生微裂纹，这些微裂纹会影响纤维的力学性能；且氧化铝基陶瓷纤维主要用于高温复合材料的增强体，所以考虑在氧化铝基陶瓷纤维表面包覆一层无机物，修补纤维表面的微裂纹，改善纤维的表面状态，可增强氧化铝基陶瓷纤维的强度，从而提高复合材料高温下的力学性能，而且将纳米颗粒分散于纤维复合材料中，不仅能够改善单一填料在增强复合材料时所出现的不足，而且能够增加两相界面的粗糙度，得到性能更好的复合材料，这种新型涂层结构是在纤维表面涂覆一层纳米材料，从而形成＂根－须＂结构，传统纤维为＂根＂，纳米填料为＂须＂的结构。相对于传统纤维，这种结构可增加纤维的表面积，有利于形成更好的界面结合力。目前纤维表面涂覆无机物的制备方法主要有以下几种:等离子体改性法、溶胶-凝胶法以及自组装法，其中利用等离子体改性法对纤维表面改性是将纳米颗粒通过超声波震荡技术配制成溶胶并涂覆于纤维表面，将纤维烘干后置于等离子体处理设备专用传输装置上，将等离子体喷射表面进行改性。例如：专利文件(CN101413211A)提出了利用等离子体处理涂覆纳米SiO2溶胶的Vectran纤维表面改性的方法；专利文件(CN101413209A)提出了用等离子体处理涂覆纳米溶胶的碳纤维表面改性的方法。溶胶-凝胶法也有不少报道，例如：刘瑜真，碳纤维表面氧化铝涂层的制备及性能研究，山东大学，2014报道了以金属醇盐或无机盐为前驱体，通过水解聚合等反应制备溶胶，将纤维进入预制的溶胶当中，经涂覆和热处理在纤维表面制备纯度较高的陶瓷涂层实现改善纤维润湿性进而提高材料性能的；专利文件(CN106835684A)公开了一种碳纤维表面包覆处理方法；Tang等采用溶胶-凝胶法在短切碳纤维表面制备α-Al2O3涂层用于纤维增强铝基复合材料(参见:Y.Tang,Y.Deng,K.Zhang,etal.ImprovementofinterfacebetweenAlandshortcarbonfibersbyα-Al2O3coatingsdepositedbysol-geltechnology[J].CeramicsInternational,2008,34(7),1787-1790.)。纳米材料的自组装是在合适的物理/化学条件下，原子、分子、颗粒和其它结构单元等通过氢键、范德华力、静电力等非共价键的相互作用、亲水-疏水相互作用，在系统能量最低性原理的驱动下，自发形成纳米结构材料的过程。高俊彦等通过溶剂蒸发和毛细作用力，单分散无机纳米球可组装成为两维或三维有序纳米结构薄膜(参见:高俊彦，SiO2颗粒的制备及其在石英纤维表面的自组装，北京化工大学，2011)；专利文件(CN102249557A)公开了一种利用自组装法在石英纤维表面改性方法；专利文件(CN102808317A)公开了一种SiO2纳米球组装高分子纤维的方法。国外科研人员研究了在石英纤维表面涂覆无机物如Al2O3和SiO2(参见:P.E.D.Morgan,D.B.Marshall,Buildingplanardefectsintocolloidalcrystalsusingparticlesofdifference[J].Mater.Sci.Engineer.A1993,162(1-2),15-23；P.E.D.Morgan,D.B.Marshall,R.M.Housley,Comparingfateandeffectsofthreeparticlesofdifferentsurfaceproperties[J].Mater.Sci.Engineer.A,1995,195(1),215-222)。利用自组装法虽然可以实现对纤维表面的无机纳米颗粒改性，但是工艺条件严苛，必须在合适的物理、化学条件下才能完成自组装过程，且不适合放大生产。利用等离子改性法需要等离子体处理设备专用传输装置，工艺复杂且生产成本较高；利用溶胶-凝胶法要制备合适的溶胶再经涂覆及热处理，工艺也比较复杂，且利用溶胶-凝胶法对纤维表面进行改性主要是为了提高纤维的润湿性及抗氧化性，并不能解决本专利技术要解决的纤维制备过程中产生的微裂纹问题，而且溶胶涂覆在纤维上再经热处理后可能会产生新的裂纹。以上三种纤维表面改性的方法都是利用已制备的纳米颗粒对纤维表面进行涂覆，存在纳米颗粒在溶液体系中发生聚合而不能完全单分散的问题，导致纳米颗粒并不能完全均匀的涂覆到纤维表面上。因此，氧化铝基陶瓷纤维表面进行无机纳米颗粒均匀涂覆，需要探究更适宜的方法。目前，利用原位化学反应形成无机纳米颗粒修补氧化铝基陶瓷纤维并对其表面改性的方法未见报道，为此提出本专利技术。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法。本专利技术利用原位合成法先在氧化铝基陶瓷纤维表面均匀粘附前驱体溶液，再经化学反应在纤维表面形成纳米颗粒，利用这种方法不仅可以使前驱体溶液进入纤维微裂纹缝隙中，在裂纹缝隙中原位形成纳米颗粒，从而修补微裂纹，还可对氧化铝基陶瓷纤维表面进行均匀涂覆改性。该方法可以提高纤维的强度，且在高温下保持氧化铝基陶瓷纤维良好的力学性能；同时还可修补氧化铝基陶瓷纤维制备过程中可能出现的微裂纹，改善其表面状态。本专利技术的技术方案如下：一种氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法，包括如下步骤：(1)将表面净化处理后的氧化铝基陶瓷纤维浸入到含有硅源的前驱体溶液中浸泡，使氧化铝基陶瓷纤维与前驱体溶液充分接触；(2)将与含有硅源的前驱体溶液充分接触后的氧化铝基陶瓷纤维置于反应液中进行原位合成反应；(3)将反应后的氧化铝基陶瓷纤维干燥，即完成对氧化铝基陶瓷纤维的表面改性。根据本专利技术，优选的，步骤(1)中氧化铝基陶瓷纤维的表面净化处理过程为：将氧化铝基陶瓷纤维浸入溶剂A中，经过超声处理后干燥；优选的，所述的溶剂A为去离子水、无水乙醇或丙酮中的一种或其混和溶液；优选的，超声处理时间为2h，干燥温度为110℃，干燥时间为1h。根据本专利技术，优选的，步骤(1)中所述的含有硅源的前驱体溶液为烷氧基硅烷与溶剂B的混合溶液；进一步优选的，前驱体溶液中烷氧基硅烷质量含量为60％～90％，进一步优选80％～90％。优选的，所述的烷氧基硅烷为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法，包括如下步骤：(1)将表面净化处理后的氧化铝基陶瓷纤维浸入到含有硅源的前驱体溶液中浸泡，使氧化铝基陶瓷纤维与前驱体溶液充分接触；(2)将与含有硅源的前驱体溶液充分接触后的氧化铝基陶瓷纤维置于反应液中进行原位合成反应；(3)将反应后的氧化铝基陶瓷纤维干燥，即完成对氧化铝基陶瓷纤维的表面改性。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法，包括如下步骤：(1)将表面净化处理后的氧化铝基陶瓷纤维浸入到含有硅源的前驱体溶液中浸泡，使氧化铝基陶瓷纤维与前驱体溶液充分接触；(2)将与含有硅源的前驱体溶液充分接触后的氧化铝基陶瓷纤维置于反应液中进行原位合成反应；(3)将反应后的氧化铝基陶瓷纤维干燥，即完成对氧化铝基陶瓷纤维的表面改性。2.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法，其特征在于，步骤(1)中氧化铝基陶瓷纤维的表面净化处理过程为：将氧化铝基陶瓷纤维浸入溶剂A中，经过超声处理后干燥；优选的，所述的溶剂A为去离子水、无水乙醇或丙酮中的一种或其混和溶液；优选的，超声处理时间为2h，干燥温度为110℃，干燥时间为1h。3.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的含有硅源的前驱体溶液为烷氧基硅烷与溶剂B的混合溶液；优选的，前驱体溶液中烷氧基硅烷质量含量为60％～90％。4.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷纤维表面改性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的烷氧基硅烷为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、四(2-甲氧基-1-甲基乙基)硅酸酯、四(乙氧基丁基)硅酸酯中的一种；优选的，所述的溶剂B为醇、酮、醚、酯中的一种或其混合物；进一步优选的，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇；所述酮为丙酮、甲乙酮或丙二酮；所述的醚为乙醚或二甲醚；所述酯为乙酸乙酯、正丁酯或乙酸丁酯；优选的，...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦秀玲，秦嘉，贾玉娜，陈代荣，杨杰，魏士龙，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37