CN108286087B - 制备氧化铝板条增强氧化锆中空隔热纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备氧化铝板条增强氧化锆中空纤维的方法。以锆盐、铝盐和六水合硝酸钇为原料，将其混合后溶于乙醇水溶液中制得前驱体液；将白茅花纤维浸泡在前驱体液一定时间后取出干燥制得前驱体纤维；把前驱体纤维在有氧气氛下烧结，从而获得板条状氧化铝增强氧化锆中空纤维。相比于传统方法制备的实心氧化锆纤维，本发明制得的氧化锆纤维呈中空状，该结构可以把空气限制在管内，限制热流的流动，隔热性能可大幅提升；本发明制得的氧化锆纤维表面出现了板条状氧化铝，这可提升纤维的抗弯强度，克服纯氧化锆中空纤维机械强度差，易破碎的问题；相比于传统的颗粒状或纤维状氧化铝，板条状氧化铝有更好的增强效果，可使纤维的使用性能大幅提升。

Description

制备氧化铝板条增强氧化锆中空隔热纤维的方法
技术领域
本发明属于耐火隔热材料领域，具体涉及一种制备氧化铝板条增强氧化锆中空纤维的的方法。
背景技术
氧化锆材料因具有高硬度、高强度、高韧性、极高的耐磨性等优良性能，尤其是其优良的常温力学性能及耐高温、耐腐蚀性能吸引越来越多研究人员的关注，并在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、航空航天、生物、化学等各领域获得了广泛的应用。目前制备的氧化锆陶瓷纤维基本为实心纤维。高温隔热部件常用实心氧化锆纤维堆压成的纤维板，利用纤维间的空隙限制板内空气流动以达到一定保温效果（刘和义，崔宏亮，朱玉龙等，氧化锆纤维制品的制备及其在高效节能电炉中的应用研究，真空电子技术，2015, 4:15-20）。分析认为，实心纤维保温性能不及同直径的中空纤维，若将氧化锆纤维制成中空结构，其隔热性能将得到大幅提高。目前，利用常规的合成手段还难以制备微米级直径的氧化锆中空纤维。然而，中空结构氧化锆纤维的强度和韧性不如同直径的实心纤维，压制隔热板时纤维易破碎，若在氧化锆中空纤维上引入增强体可改善其机械性能。相关研究指出，向氧化锆中加入一定的纤维状氧化铝增强体可提升氧化锆陶瓷制品的强度（李明华，氧化铝纤维对牙科纳米复合氧化锆陶瓷的性能影响的研究，吉林大学，2006）。
有报到显示研究者曾利用蚕丝、棉花作为模板制得中空氧化锆纤维（Preparationand heat-insulating property of the bio-inspired ZrO2 fibers based on thesilk template, Ceramics International，2012, 38(8), 6783-6788.），但其中并未添加增强体，因此所得氧化锆纤维强度较低。研究者还利用木棉模板制得氧化铝增强的氧化锆中空纤维（Synthesis and heat-insulating properties of yttria-stabilized ZrO2hollow fibers derived from a ceiba template, Ceramics International，2017, 43 (12), 9296-9302.），但反应形成的氧化铝与氧化锆混合在一起，铝元素以原子形式固溶在氧化锆晶格中，未偏析成有一定尺寸的氧化铝块体，因此增强效果不好。此外，还有研究者制得氧化铝增强的氧化锆实心纤维，同样的，其中的氧化铝与氧化锆混合在一起，未形成氧化铝块体，增强效果不好。
发明内容
为了解决氧化锆中空纤维不易制备以及中空纤维机械强度较差的问题，本发明提供一种利用白茅花纤维获得氧化铝板条增强氧化锆中空隔热纤维的方法，相对于传统方法而言，本发明方法简单、稳定、实用，制备的纤维具有中空度高，机械性能好，保温性能优秀等特点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种制备氧化铝板条增强氧化锆中空隔热纤维的方法，其步骤如下：
步骤1、将原料锆盐，铝盐和稳定剂六水合硝酸钇混合，并将混合物溶解于体积分数50%的乙醇水溶液中配制成前驱液，硝酸钇与锆盐的摩尔比为4～25：100，锆盐与体积分数50%的乙醇水溶液质量比为5～15%；
步骤2、将白茅花纤维浸泡在步骤1所得溶液中，充分浸渍后取出挤干并干燥，获得前驱体纤维；
步骤3、将步骤2中制得的前驱体纤维置入的马弗炉中，在有氧气氛升温烧结，制得中空的氧化铝增强氧化锆纤维。
进一步地，步骤1中所述的锆盐为氧氯化锆或硝酸锆。配成的溶液中锆盐与50%体积分数酒精的质量比优选10～25%；所述铝盐与锆盐的摩尔比为25～40:100，优选30～35:100。
进一步地，所述步骤2中的白茅花纤维浸泡时间大于1min，优选10min。
进一步地，所述步骤3中的升温速率为1～15℃/min，优选5～10℃/min。烧结温度为1000～1800℃，优选1400～1600℃。保温时间为0～10h，优选1～2h。有氧气氛为空气、纯氧气气氛。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：方法简单、稳定、实用，制备的纤维具有密度低，中空度高，保温性能良好，机械强度高等特点。
附图说明
图1是本发明实施例1中制得的氧化铝板条增强氧化锆中空纤维的高倍率微观结构图。
图2是本发明实施例1中制得的氧化锆X射线衍射图谱。
图3是本发明实施例1中制得的氧化铝板条增强氧化锆中空纤维的低倍率微观结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
遗态材料是以复杂精细的动植物为模板，通过浸渍、烧结等手段，制备具有相似结构的功能材料。用遗态法可获得人工手段难以制备的复杂结构。白茅花纤维是中空管状纤维，长度10～20mm，直径15～25μm，纤维直而短，直径较小，无转曲，表面光滑（邵珍，张洪亭等，白茅花纤维的形态结构，山东纺织经济，2012，12，40-41）。白茅花的结构为制备中空氧化铝纤维提供可能。且白茅花纤维当中的含硅化合物，可为氧化铝的偏析并形成板条状氧化铝提供可能。
本发明利用白茅花纤维中空特性，将白茅花纤维浸渍在含锆盐，六水合三氯化铝和五水合硝酸钇的乙醇水溶液中，使溶质随溶液浸入纤维管壁中，浸渍一段时间后取出烘干并烧结。烧结过程中锆盐分解为氧化锆，五水合硝酸钇分解为氧化钇并固溶在氧化锆晶格中，获得稳定的四方相或四方相立方相混合的氧化锆；六水合氯化铝分解为氧化铝并在氧化锆的晶界处聚集形成氧化铝板条状增强体；白茅花纤维燃烧分解，最终获得氧化铝板条增强氧化锆中空纤维。所得氧化锆纤维的空腔可更好地锁住空气，可更有效限制热流传递的效果，大幅提升保温性能。所得板条状氧化铝作为增强体，可克服中空纤维机械性能差，受弯曲载荷易断裂，受冲击易破碎的缺点。在承受静载荷时，氧化铝对基体有增强作用，使纤维的抗弯强度提升；在承受冲击并萌生裂纹时，氧化铝可阻碍裂纹的扩展，起增韧的效果。因此，此法制得的氧化铝增强氧化锆纤维具备普通空心氧化锆纤维不具有的优秀机械性能。
本发明采用白茅花纤维模板，相比于其他植物模板（如木棉、牛角瓜、杨絮、香蒲绒、梧桐树毛等）制备的氧化锆纤维，有明显的优势。从取材上，白茅花属于常见的禾本科植物，在中国分布广泛，容易获得。从纤维性能上，白茅花纤维容易润湿，对溶质吸附能力强，所得氧化锆纤维可更好地保留天然白茅花纤维中空的特性，纤维连续性更好。白茅花纤维直径更小，利用白茅花纤维制得的氧化锆纤维直径只为8～10μm。
本发明采用的白茅花纤维自身含有较多的硅元素，相比于其他植物模板，在烧结过程中白茅花模板更有利于铝元素在氧化锆的晶界处偏聚并形成板条状氧化铝增强体。
本发明获得的板条状氧化铝增强体，犹如在薄片上形成的加强筋，对氧化锆有很好的增强效果，相比于传统方法制得的与氧化锆混合在一起的氧化铝，具有更好的抗弯、抗压性能。
一种制备氧化铝板条增强氧化锆中空纤维的方法，其步骤如下：
（1）将原料锆盐，铝盐和稳定剂六水合硝酸钇混合，并将混合物溶解于体积分数50%的乙醇水溶液中配制成前驱液，硝酸钇与锆盐的摩尔比为4～25：100，锆盐与体积分数50%的乙醇水溶液质量比为5～15%；铝盐与锆盐的摩尔比为25～40:100；
（2）将白茅花纤维浸泡在上述溶液中，浸渍10min取出挤干并干燥，获得前驱体纤维；
（3）将前驱体纤维置入的马弗炉中，在马弗炉中以5～10℃/min的速度升温至1400～1600℃，保温1～2h，制得氧化铝板条增强氧化锆中空纤维。
实施例1
取4.41g的八水合氧氯化锆和1.16g六水氯化铝溶入20ml的体积分数50%的酒精中，加入0.42g五水硝酸钇稳定剂，配制质量分数为10%的氧氯化锆浸渍溶液。将白茅花纤维浸入上述溶液中，浸泡10min后，取出烘干制得前驱体纤维；将烘干后的前驱体纤维在空气中以5℃/min的升温速率升至1500℃，保温1.5h后，制得氧化铝板条增强氧化锆中空纤维。图1所示为制得的氧化锆纤维扫描电镜高倍率照片，可见纤维呈中空状，且纤维壁存在板条状氧化铝增强体，如箭头所指。从图2中的X射线衍射图谱可知该材料组成为四方相氧化锆和氧化铝。图3所示为氧化锆纤维扫描电镜低倍率照片，可见纤维连续性较好。
实施例2
取1.99g的八水合氧氯化锆和0.52g六水氯化铝溶入20ml的体积分数50%的酒精中，加入0.19g五水硝酸钇稳定剂，配制质量分数为5%的氧氯化锆浸渍溶液。将白茅花纤维浸入上述溶液中，浸泡10min后，取出烘干制得前驱体纤维；将烘干后的前驱体纤维在空气中以10℃/min的升温速率升至1600℃，保温1h后，制得氧化铝板条增强氧化锆中空纤维。
实施例3
取7.44g的八水合氧氯化锆和1.76g六水氯化铝溶入20ml的体积分数50%的酒精中，加入0.734g五水硝酸钇稳定剂，配制质量分数为5%的氧氯化锆浸渍溶液。将白茅花纤维浸入上述溶液中，浸泡10min后，取出烘干制得前驱体纤维；将烘干后的前驱体纤维在空气中以8℃/min的升温速率升至1400℃，保温2h后，制得氧化铝板条增强氧化锆中空纤维。

Claims (8)

1.制备氧化铝板条增强氧化锆中空纤维的方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤1、将原料锆盐，铝盐和稳定剂硝酸钇混合，并将混合物溶解于体积分数50%的乙醇水溶液中配制成前驱液，其中，硝酸钇与锆盐的摩尔比为4～25：100，锆盐与体积分数50%的乙醇水溶液的质量比为10～25%，铝盐与锆盐的摩尔比为25～40:100；
步骤2、将白茅花纤维浸泡在步骤1所得溶液中，充分浸渍后取出挤干并干燥，获得前驱体纤维；
步骤3、将步骤2中制得的前驱体纤维置入马弗炉中，在有氧气氛升温烧结，保温，制得氧化锆中空纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的原料锆盐为八水合氧氯化锆或五水合硝酸锆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的铝盐为六水合氯化铝。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，白茅花纤维的浸泡时间为大于1min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的升温速率为1～15℃/min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的烧结温度为1000～1800℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的保温时间为1～10h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的有氧气氛为空气或纯氧气气氛。
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