CN106757525A - 一种晶体纤维的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶体纤维的生产方法，操作步骤如下：（1）制浆：将柔性二氧化硅纤维、铝酸镁纤维和氧化锆连续纤维按比例配合后缓慢加入慢速搅拌的料浆池中，与所述料浆池中的结合剂溶液配制成氧化锆纤维浆体，直至搅拌均匀；(2)真空吸滤成型：将模具置于搅拌的料浆池中，打开真空泵，通过真空吸滤，获得形状稳定的纤维板湿坯；(3)煅烧：先预处理到2000℃，持续5h，再经2000℃煅烧15h,将纤维板湿坯干燥至含水率低于0.5%，纤维板湿坯长度、宽度和厚度方向的收缩率金卫1.10%、1.02%、1.80%。本发明将多种纤维结合制备出一种合成晶体纤维板，不仅保留了原有晶体纤维自身的优点，并且进一步增强了合成纤维的隔热性能，稳定性和耐热性能。

Description

一种晶体纤维的生产方法
技术领域
本发明具体涉及一种晶体纤维的生产方法。
背景技术
随着现代工业的迅速发展，人们对耐热材料的耐高温性能要求也日益增长，在过去20年中，人们开发出各种各样的氧化物陶瓷纤维以满足高温工程应用。为了响应当今社会提出的倡导节能环保，降低能源浪费的口号，高能耗企业选择和应用性能优异的绝热保温材料，不仅可以降低热工设备的辐射热损失、提高热效率，而且是实现工业热工设备优质高产、低消耗和节能减排最有效的技术手段。
目前最常见的硅酸铝纤维和氧化铝纤维等保温性能良好的材料已经在我国的冶金、电力、建材、石油化工等行业得到大规模的推广应用，并取得了良好的效果。但是硅酸铝纤维和氧化铝纤维的高使用温度只有1100℃和1600℃，无法在更高的温度环境中使用。陶瓷纤维组成和结构的差异直接决定了纤维的高低温强度、抗蠕变性、弹性模量等；纤维的长度决定了纤维制品的最终形式：有些纤维可纺布、可制毯、可造纸，有些纤维就不行，最终决定了不同纤维制品各自专有的应用领域。
纤维类隔热材料由于成本低、密度低、导热系数低、比热容小、使用操作方便，一直备受市场青睐，但有机限位隔热材料在高温隔热应用中存在耐高温和耐火相差、易吸湿的缺陷，而无机纤维因脆性大、强度低、可加工变形性差而限制了其在隔热市场的应用。因此研究一种具有优异柔性和强度的隔热材料，并进一步提高其隔热性能，有十分重要的社会和经济意义。
发明内容
本发明针对现有纤维板制备技术的不足，本发明公布一种晶体纤维的生产方法，步骤如下：
（1）制浆：将柔性二氧化硅纤维、铝酸镁纤维和氧化锆连续纤维按比例配合后缓慢加入慢速搅拌的料浆池中，与所述料浆池中的结合剂溶液配制成氧化锆纤维浆体，直至搅拌均匀； (2)真空吸滤成型：将模具置于搅拌的料浆池中，打开真空泵，通过真空吸滤，获得形状稳定的纤维板湿坯； (3)煅烧：先预处理到2000℃，持续5h，再经2000℃煅烧15h,将纤维板湿坯干燥至含水率低于0.5%，纤维板湿坯长度、宽度和厚度方向的收缩率金卫1.10%、1.02%、1.80%。
进一步地，步骤（1）中柔性二氧化硅纤维、铝酸镁纤维和氧化锆连续纤维的质量比为1:2:0.3。
进一步地，所述柔性二氧化硅纤维的制备步骤如下：
1)制备硅酸四乙酯水解液：将硅酸四乙酯、去离子水、磷酸以1:12:0.01的摩尔质量比混合在一起，在室温条件下搅拌8h；
2)配置聚乙烯醇水溶液：将聚乙烯醇粉末加入去离子水中，匀速搅拌10min后，在80℃的温度下加热8h-9h,使聚乙烯醇在去离子水中充分溶解，然后停止加热，继续搅拌，自然冷却至室温；
3)将硅酸四乙酯水解液与聚乙烯醇水溶液按照1:1的质量比混合，并在室温下搅拌5h-7h，混合液经过静电纺丝装置制得杂化纳米纤维膜，静电纺丝结束后，将纤维膜放置在90℃的真空烘箱内烘烤1h-1.5h，去除纤维膜中附带的水分和残留溶剂；
4)煅烧处理：将上述纤维膜放入设置好的煅烧炉内，煅烧炉以10℃/min的速率升温至850℃-900℃，持续0.5h后自然冷却至室温，该过程将纤维膜中的聚乙烯醇和其他残留溶剂小分子在高温条件下断裂分解，从而得到柔性二氧化硅纤维。
静电纺二氧化硅纤维表面光滑、纤维直径均匀、平均直径为250nm，可以显著降低热量通过材料时的气体传热，二氧化硅纤维将纤维细化到了纳米级别，引进了大量的纳米结构，材料的柔性不变，柔软度测试由最初的50mN上升到337.6mN，柔韧性得到进一步提高，对材料多次对折、任意扭曲而无明显裂纹产生。
进一步地，所述铝酸镁纤维的制备步骤如下：
①将铝粉和无水氯化铝按1：1的质量比缓慢加入蒸馏水加热到100℃，反应2h-3h,得到无色透明的铝溶胶；
②在上述铝溶胶内加入硝酸镁或氯化镁或乳酸镁或柠檬酸镁，使铝离子与镁离子的摩尔比保持在2:1，加入醋酸作为稳定剂，其中镁离子与醋酸的摩尔比为1:0.8-1.6，搅拌均匀至溶液澄清后，在80℃的条件下减压蒸馏，得到铝酸镁纺丝液；其中，当不添加醋酸时，铝酸镁纺丝液迅速凝胶固化，失去纺丝性能；而当镁离子与醋酸的摩尔比为1:2时，镁铝纺丝液在浓缩时会产生白色沉淀。破坏溶胶纺丝性能；镁离子与醋酸的摩尔比为1:0.8-1.6时，溶胶可纺性好，放置一段时间没有出现凝胶现象，每隔一段时间进行观察并进行用丝，均发现溶胶比较稳定，可纺性几乎不变，用丝质量好。
③将铝酸镁纺丝液，放入热处理装置内，以4℃/min-6℃/min的速度升温至600℃，再以6℃/min-10℃/min的速度升温至1000℃，保持2h-3h，即得到铝酸镁纤维。由于铝酸镁溶液中含有大量有机物，在有机物受热分解过程中如果升温速率过快，有机物迅速分解会导致限位结构收缩，内部应力增大，从而出现纤维内外分离剥落的现象。经该热处理后，纤维直径为4-7μm，纤维长度可达12㎝以上，晶粒尺寸为23nm。
在铝酸镁结构中，两种金属阳离子与阳离子之间以较强的离子键结合，二者静电键强度相等，具有相当牢固的结构，因此铝酸镁晶体纤维的饱和结构使其具有良好的抗热震性、耐磨性、耐腐蚀性，能够在氧化或者还原等腐蚀性气氛中依旧具有良好的稳定性。铝镁晶体纤维因其在形状尺寸上的优势而同时具备了铝镁晶体的特性和陶瓷纤维的优点，其比氧化铝纤维具有更高的熔点和更稳定的化学性能。
进一步地，所述氧化锆连续纤维的制备步骤如下：
a.将氧化锆、醋酸、蒸馏水以1:2.8-4:15-25的质量比混合，并以氧化锆：硝酸钇=90:10的质量比，加入相应质量的硝酸钇，以在65℃的温度下抽气搅拌反应生成无色透明体，然后在75℃-85℃的恒温条件下减压蒸馏，出去溶剂，得到醋酸聚锆纺丝液，该纺丝液性能良好、具有极好的稳定性，长时间放置不发生凝结、沉淀现象；
b.将上述醋酸聚锆纺丝液倒入甩丝罐中，在离心机转速为16000-20000r/min的条件下，使纺丝液从孔径为0.5mm的小孔沿水平方向高速离心甩出，然后在温度为80℃-100℃，喷吹方向为环形向下的高速气流喷吹下，被进一步牵伸、固化，得到醋酸聚锆纤维；
c.醋酸聚锆纤维在空气气氛下经热处理工艺，同时加入氧化钇或者氧化钙或者氧化镁作为稳定剂，最终得到氧化锆连续纤维。
进一步地，步骤中铝溶胶中的镁盐为柠檬酸镁，经过相同热处理机制后，柠檬酸铝镁晶体纤维在长度和韧性方面要高于其它镁盐制得的铝镁纤维，而且柠檬酸铝镁晶体纤维在热处理后依旧保持连续长纤维状，而其它镁盐制得的铝镁纤维则碎裂成了长度为10mm以下的短纤维。
进一步地，步骤c中的热处理工艺为：先以1℃/min的速率生温至100℃，然后以0.3℃/min的速度缓慢升温至200℃，再以1℃/min的速率升至500℃，最后以2℃/min-3℃/min的速度升至900℃，保温2h-2.5h，该阶段升温速率不宜过快，否则有机物分解脱出剧烈，产生较多的气孔和裂纹，导致纤维强度降低，该热处理工艺减少热分解和结晶等反应带来的结构破坏，同时尽可能的节约时间。
进一步地，步骤c中的稳定剂采用氧化钇。
本发明的有益效果在于：
1.本发明公开的晶体纤维由三种不同比例的晶体纤维合成，不仅保留了原有晶体纤维自身的优点，并且进一步增强了合成纤维的隔热性能，稳定性和耐热性能。
2.柔性二氧化硅纤维使合成晶体纤维具备较好的柔韧性和曲面贴合性能，能够将合成晶体纤维制成不同的形状包覆在热源或者被防护物体表面，同时提高晶体合成纤维的重复利用率，延长其使用寿命，有效地避免了无机纤维的脆性对隔热效果的影响。
3.铝酸镁纤维晶粒细小，晶粒之间堆积紧密，无明显孔隙，具有密度高硬度优的特点，使得合成晶体纤维内部排列紧密，抗压强度增大，在高温条件下收缩率较小，不易发生断裂。
4.氧化锆连续纤维具有更高的抗拉强度，高达2GPa，熔点高达2750℃，使该合成晶体纤维能够在2500℃的温度下仍然保持完整的纤维状态，增强耐烧蚀隔热性能。
具体实施方式
对本发明一种晶体纤维的生产方法的实施方式做进一步说明：
实施例一
本发明公布一种晶体纤维的生产方法，步骤如下：
（1）制浆：将柔性二氧化硅纤维、铝酸镁纤维和氧化锆连续纤维按比例配合后缓慢加入慢速搅拌的料浆池中，与所述料浆池中的结合剂溶液配制成氧化锆纤维浆体，直至搅拌均匀； (2)真空吸滤成型：将模具置于搅拌的料浆池中，打开真空泵，通过真空吸滤，获得形状稳定的纤维板湿坯； (3)煅烧：先预处理到2000℃，持续5h，再经2000℃煅烧15h,将纤维板湿坯干燥至含水率低于0.5%，纤维板湿坯长度、宽度和厚度方向的收缩率分别为1.10%、1.02%、1.80%。
进一步地，步骤（1）中柔性二氧化硅纤维、铝酸镁纤维和氧化锆连续纤维的质量比为1:2:0.3。
其中，所述柔性二氧化硅纤维的制备步骤如下：
1)制备硅酸四乙酯水解液：将硅酸四乙酯、去离子水、磷酸以1:12:0.01的摩尔质量比混合在一起，在室温条件下搅拌8h；
2)配置聚乙烯醇水溶液：将聚乙烯醇粉末加入去离子水中，匀速搅拌10min后，在80℃的温度下加热8h-9h,使聚乙烯醇在去离子水中充分溶解，然后停止加热，继续搅拌，自然冷却至室温；
3)将硅酸四乙酯水解液与聚乙烯醇水溶液按照1:1的质量比混合，并在室温下搅拌5h-7h，混合液经过静电纺丝装置制得杂化纳米纤维膜，静电纺丝结束后，将纤维膜放置在90℃的真空烘箱内烘烤1h-1.5h，去除纤维膜中附带的水分和残留溶剂；
4)煅烧处理：将上述纤维膜放入设置好的煅烧炉内，煅烧炉以10℃/min的速率升温至850℃-900℃，持续0.5h后自然冷却至室温，该过程将纤维膜中的聚乙烯醇和其他残留溶剂小分子在高温条件下断裂分解，从而得到柔性二氧化硅纤维。
静电纺二氧化硅纤维表面光滑、纤维直径均匀、平均直径为250nm，可以显著降低热量通过材料时的气体传热，二氧化硅纤维将纤维细化到了纳米级别，引进了大量的纳米结构，材料的柔性不变，柔软度测试由最初的50mN上升到337.6mN，柔韧性得到进一步提高，对材料多次对折、任意扭曲而无明显裂纹产生。
另外，所述铝酸镁纤维的制备步骤如下：
①将铝粉和无水氯化铝按1：1的质量比缓慢加入蒸馏水加热到100℃，反应2h-3h,得到无色透明的铝溶胶；
②在上述铝溶胶内加入硝酸镁或氯化镁或乳酸镁或柠檬酸镁，使铝离子与镁离子的摩尔比保持在2:1，加入醋酸作为稳定剂，其中镁离子与醋酸的摩尔比为1:0.8-1.6，搅拌均匀至溶液澄清后，在80℃的条件下减压蒸馏，得到铝酸镁纺丝液；其中，当不添加醋酸时，铝酸镁纺丝液迅速凝胶固化，失去纺丝性能；而当镁离子与醋酸的摩尔比为1:2时，镁铝纺丝液在浓缩时会产生白色沉淀。破坏溶胶纺丝性能；镁离子与醋酸的摩尔比为1:0.8-1.6时，溶胶可纺性好，放置一段时间没有出现凝胶现象，每隔一段时间进行观察并进行用丝，均发现溶胶比较稳定，可纺性几乎不变，用丝质量好。
③将铝酸镁纺丝液，放入热处理装置内，以4℃/min-6℃/min的速度升温至600℃，再以6℃/min-10℃/min的速度升温至1000℃，保持2h-3h，即得到铝酸镁纤维。由于铝酸镁溶液中含有大量有机物，在有机物受热分解过程中如果升温速率过快，有机物迅速分解会导致限位结构收缩，内部应力增大，从而出现纤维内外分离剥落的现象。经该热处理后，纤维直径为4-7μm，纤维长度可达12㎝以上，晶粒尺寸为23nm。
在铝酸镁结构中，两种金属阳离子与阳离子之间以较强的离子键结合，二者静电键强度相等，具有相当牢固的结构，因此铝酸镁晶体纤维的饱和结构使其具有良好的抗热震性、耐磨性、耐腐蚀性，能够在氧化或者还原等腐蚀性气氛中依旧具有良好的稳定性。铝镁晶体纤维因其在形状尺寸上的优势而同时具备了铝镁晶体的特性和陶瓷纤维的优点，其比氧化铝纤维具有更高的熔点和更稳定的化学性能。
同时，所述氧化锆连续纤维的制备步骤如下：
a.将氧化锆、醋酸、蒸馏水以1:2.8-4:15-25的质量比混合，并以氧化锆：硝酸钇=90:10的质量比，加入相应质量的硝酸钇，以在65℃的温度下抽气搅拌反应生成无色透明体，然后在75℃-85℃的恒温条件下减压蒸馏，出去溶剂，得到醋酸聚锆纺丝液，该纺丝液性能良好、具有极好的稳定性，长时间放置不发生凝结、沉淀现象；
b.将上述醋酸聚锆纺丝液倒入甩丝罐中，在离心机转速为16000-20000r/min的条件下，使纺丝液从孔径为0.5mm的小孔沿水平方向高速离心甩出，然后在温度为80℃-100℃，喷吹方向为环形向下的高速气流喷吹下，被进一步牵伸、固化，得到醋酸聚锆纤维；
c.醋酸聚锆纤维在空气气氛下经热处理工艺，同时加入氧化钇或者氧化钙或者氧化镁作为稳定剂，最终得到氧化锆连续纤维。
进一步地，步骤中铝溶胶中的镁盐为柠檬酸镁，经过相同热处理机制后，柠檬酸铝镁晶体纤维在长度和韧性方面要高于其它镁盐制得的铝镁纤维，而且柠檬酸铝镁晶体纤维在热处理后依旧保持连续长纤维状，而其它镁盐制得的铝镁纤维则碎裂成了长度为10mm以下的短纤维。
进一步地，步骤c中的热处理工艺为：先以1℃/min的速率生温至100℃，然后以0.3℃/min的速度缓慢升温至200℃，再以1℃/min的速率升至500℃，最后以2℃/min-3℃/min的速度升至900℃，保温2h-2.5h，该阶段升温速率不宜过快，否则有机物分解脱出剧烈，产生较多的气孔和裂纹，导致纤维强度降低，该热处理工艺减少热分解和结晶等反应带来的结构破坏，同时尽可能的节约时间。
进一步地，步骤c中的稳定剂采用氧化钇。
实施例二
同实施例一所述，不同之处在于将100克柔性二氧化硅纤维、200克铝酸镁纤维和30克氧化锆连续纤维，使用切丝机短切至1mm，然后置于料浆池，所制得的晶体纤维的性能如下：容重300kg/m3，热导率为0.21W/mK，收缩率在1650℃×24h条件下为0.03%，2100℃×10h条件下为0.15％。
实施例三
同实施例一所述，不同之处在于煅烧时，先将纤维板湿坯预处理到2100℃，持续5h，再经2100℃煅烧15h,将纤维板湿坯干燥至含水率低于0.5%，纤维板湿坯长度、宽度和厚度方向的收缩率分别为1.25%、1.12%、1.95%。
实施例四
同实施例一所述，不同之处在于煅烧时，先将纤维板湿坯预处理到1900℃，持续5h，再经1900℃煅烧15h,将纤维板湿坯干燥至含水率低于0.5%，纤维板湿坯长度、宽度和厚度方向的收缩率分别为1.15%、1.10%、1.90%。

Claims (8)

1.一种晶体纤维的生产方法，其特征在于，操作步骤如下：
（1）制浆：将柔性二氧化硅纤维、铝酸镁纤维和氧化锆连续纤维按比例配合后缓慢加入慢速搅拌的料浆池中，与所述料浆池中的结合剂溶液配制成氧化锆纤维浆体，直至搅拌均匀； (2)真空吸滤成型：将模具置于搅拌的料浆池中，打开真空泵，通过真空吸滤，获得形状稳定的纤维板湿坯； (3)煅烧：先预处理到2000℃，持续5h，再经2000℃煅烧15h,将纤维板湿坯干燥至含水率低于0.5%。
2.根据权利要求1所述的晶体纤维的生产方法，其特征在于，步骤（1）中柔性二氧化硅纤维、铝酸镁纤维和氧化锆连续纤维的质量比为1:2:0.3。
3.根据权利要求1所述的晶体纤维的生产方法，其特征在于，所述柔性二氧化硅纤维的制备步骤如下：
1)制备硅酸四乙酯水解液：将硅酸四乙酯、去离子水、磷酸以1:12:0.01的摩尔质量比混合在一起，在室温条件下搅拌8h；
2)配置聚乙烯醇水溶液：将聚乙烯醇粉末加入去离子水中，匀速搅拌10min后，在80℃的温度下加热8h-9h,使聚乙烯醇在去离子水中充分溶解，然后停止加热，继续搅拌，自然冷却至室温；
3)将硅酸四乙酯水解液与聚乙烯醇水溶液按照1:1的质量比混合，并在室温下搅拌5h-7h，混合液经过静电纺丝装置制得杂化纳米纤维膜，静电纺丝结束后，将纤维膜放置在90℃的真空烘箱内烘烤1h-1.5h，去除纤维膜中附带的水分和残留溶剂；
4)煅烧处理：将上述纤维膜放入设置好的煅烧炉内，煅烧炉以10℃/min的速率升温至850℃-900℃，持续0.5h后自然冷却至室温，该过程将纤维膜中的聚乙烯醇和其他残留溶剂小分子在高温条件下断裂分解，从而得到柔性二氧化硅纤维。
4.根据权利要求1所述的晶体纤维的生产方法，其特征在于，所述铝酸镁纤维的制备步骤如下：
①将铝粉和无水氯化铝按1：1的质量比缓慢加入蒸馏水加热到100℃，反应2h-3h,得到无色透明的铝溶胶；
②在上述铝溶胶内加入硝酸镁或氯化镁或乳酸镁或柠檬酸镁，使铝离子与镁离子的摩尔比保持在2:1，加入醋酸作为稳定剂，搅拌均匀至溶液澄清后，在80℃的条件下减压蒸馏，得到铝酸镁纺丝液；
③将铝酸镁纺丝液，放入热处理装置内，以4℃/min-6℃/min的速度升温至600℃，再以6℃/min-10℃/min的速度升温至1000℃，保持2h-3h，即得到铝酸镁纤维。
5.根据权利要求1所述的晶体纤维的生产方法，其特征在于，所述氧化锆连续纤维的制备步骤如下：
a.将氧化锆、醋酸、蒸馏水以1:2.8-4:15-25的质量比混合，并以氧化锆：硝酸钇=90:10的质量比，加入相应质量的硝酸钇，以在65℃的温度下抽气搅拌反应生成无色透明体，然后在75℃-85℃的恒温条件下减压蒸馏，出去溶剂，得到醋酸聚锆纺丝液；
b.将上述醋酸聚锆纺丝液倒入甩丝罐中，在离心机转速为16000-20000r/min的条件下，使纺丝液从孔径为0.5mm的小孔沿水平方向高速离心甩出，然后在温度为80℃-100℃，喷吹方向为环形向下的高速气流喷吹下，被进一步牵伸、固化，得到醋酸聚锆纤维；
c.醋酸聚锆纤维在空气气氛下经热处理工艺，同时加入氧化钇或者氧化钙或者氧化镁作为稳定剂，最终得到氧化锆连续纤维。
6.根据权利要求4所述的晶体纤维的生产方法，其特征在于，铝溶胶中的镁盐为柠檬酸镁。
7.根据权利要求5所述的晶体纤维的生产方法，其特征在于，步骤c中的热处理工艺为：先以1℃/min的速率生温至100℃，然后以0.3℃/min的速度缓慢升温至200℃，再以1℃/min的速率升至500℃，最后以2℃/min-3℃/min的速度升至900℃，保温2h-2.5h。
8.根据权利要求5所述的晶体纤维的生产方法，其特征在于，步骤c中的稳定剂采用氧化钇。
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