CN109402785B - 中空MgO-Al2O3隔热陶瓷纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空MgO‑Al₂O₃隔热陶瓷纤维的制备方法。所述方法先将氯化铝、氯化镁溶于乙醇溶液中得到质量分数为10％～30％的混合溶液，再将白茅花浸渍在混合溶液中，80～120℃下干燥，然后置于1100～1500℃下烧结，得到MgO的摩尔分数为40％～60％的中空MgO‑Al₂O₃纤维。本发明以天然白茅花为模板，天然白茅花纤维中含有硅酸盐，能够抑制MgO‑Al₂O₃纤维中的MgO结晶，降低材料的热导系数，改善其隔热性能。同时基于白茅花特殊的中空结构，制得的纤维具有相似的中空结构，阻滞热量传递。本发明制备的中空MgO‑Al₂O₃隔热陶瓷纤维260℃下热导系数为0.065W·m^‑1·K^‑1，密度为0.07～0.10g/cm³。

Description

中空MgO-Al2O3隔热陶瓷纤维的制备方法

技术领域

本发明属于隔热材料技术领域，涉及一种中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维的制备方法。

背景技术

钢铁、水泥、陶瓷等生产领域需要耐火度更高、密度更低、强度更高的轻质耐火隔热材料。隔热陶瓷纤维是纤维状的耐火隔热材料，是一种新型高效的绝热材料。它既有纤维的“柔软和强度”，也有耐高温、低热导、低密度等性能。镁铝尖晶石(MA)的化学式为MgO·Al₂O₃，MgO和Al₂O₃能固溶于MA中，形成富镁或富铝尖晶石，它们与MA的低共熔温度都在1900℃以上(荆桂花和肖国庆.镁铝尖晶石基耐火材料的最新研究进展[J].耐火材料，2004，38(5)：347～349)。而且镁铝尖晶石有很好的热震稳定性,当加入1％ZnO时，其热震稳定性提高，8次热循环后(从1000℃高温中取出, 放入空气中骤冷)，强度几乎不变，仍在200MPa以上(Ghosh A,et al.Effect of ZnO addition the densifi-cation and properties ofmagnesium aluminate spinels[J].Ceram Inter， 2000，26:605～608)。李慧等用纺丝法制备出多孔镁铝尖晶石纤维，探究了PVP用量、纺丝电压等对镁铝尖晶石纤维的物相和形貌的影响(李慧，吴振刚和魏恒勇等.同轴静电纺丝法制备多孔镁铝尖晶石纤维[J].耐火材料，2017，51(2)：105～111)。

目前隔热陶瓷材料实际生产中采用的方法多为单因素轮换法，这种方法不仅周期长、原料用量大，而且不能综合考虑各因素间可能存在的交互影响，无法得到最佳的制备工艺，影响产品性能，造成资源浪费。

发明内容

为了解决目前隔热陶瓷材料实际生产中周期长、效率低、成本高、浪费大的问题，本发明提供一种中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维的制备方法。该方法采用正交设计，以白茅花为植物模板，制备高效、环保、质量可控以及热导率低、密度小的中空隔热陶瓷纤维。

本发明的技术方案如下：

中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维的制备方法，具体步骤如下：

将氯化铝、氯化镁溶于乙醇溶液中得到混合溶液，所述的混合溶液中，氯化铝、氯化镁的总质量占混合溶液总质量的10％～30％，将白茅花浸渍在混合溶液中，80～120℃下干燥，然后置于1100～1500℃下烧结，得到中空MgO-Al₂O₃纤维，其中，MgO占 MgO-Al₂O₃摩尔量的40％～60％。

优选地，所述的乙醇溶液中，乙醇和水的体积比为1:1。

优选地，所述的氯化铝、氯化镁的总质量占混合溶液总质量的30％，干燥温度为100℃，烧结温度为1100℃，MgO占MgO-Al₂O₃摩尔量的40％。

优选地，所述的浸渍时间为5～15min，更优选为10～15min。

优选地，所述的干燥时间为16～20h，更优选为17～18h，所述的干燥为真空干燥。

优选地，所述的烧结过程中，升温速率为5～20℃/min，优选为5～10℃/min。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明以天然白茅花为模板，天然白茅花纤维中含有硅酸盐，能够抑制MgO-Al₂O₃纤维中的MgO结晶，降低材料的热导系数，改善其隔热性能。同时基于白茅花特殊的中空结构，制得的纤维具有相似的中空结构，阻滞热量传递。本发明制备的中空 MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维260℃下热导系数为0.065W·m^-1·K^-1，密度为0.07～0.10g/cm³，显著低于相同条件下的实心Al₂O₃·3SiO₂纤维(热导系数为0.083W·m^-1·K^-1，密度大于0.3g/cm³)。

附图说明

图1为实施例制备的中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维实物图。

图2为不同因素对中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维外观形貌的影响趋势图。

图3为I1-10制得的中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维实物图。

图4为中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维微观结构。

图5为中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维微观结构。

图6为对比例制得的中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维实物图。

图7为中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维的EDS图谱。

图8为中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例

按表1所示方案将氯化铝、氯化镁溶于乙醇溶液中，混合溶液中，氯化铝、氯化镁的总质量占混合溶液总质量的10％、20％或30％，将白茅花浸渍在混合溶液中采用模板浸渍法得到前驱体纤维，80℃、100℃或120℃下真空干燥，后在1100℃、1300℃或1500℃下烧结得到中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维。基于白茅花特殊的中空结构，制得的纤维具有相似的中空结构，如图4和图5所示。

表1

本实施例利用正交设计方法考虑不同因素之间可能存在的交互影响，经过极差分析和方差分析法处理得到实验条件下中空MgO-Al₂O₃纤维的最佳制备工艺。根据表1制得的9组样品如图1所示。依据图1中纤维的外观形貌对9组纤维按1～9分进行打分：I1-9 为9分；I1-4为1分。根据打分结果绘制出效应曲线图，如图2所示。图2中纵坐标“烧结纤维形貌”(打分值)为望大指标。表2为正交实验结果的直观分析表。经过表2的极差分析和方差分析，A(溶质质量分数)、B(干燥温度)、C(烧结温度)和D(ZrO₂的物质的量分数)四个实验因素中，C(烧结温度)的影响显著性大于其它3个因素，故结合图2和表2确定最佳制备工艺：C1D3A1B2(即I2-10：烧结温度为1100℃、溶质质量分数为30％、MgO物质的量分数为0.4、干燥温度为100℃)。图3的验证实验表明I2-10的纤维形貌更加蓬松，优于其他9组实验组(I1-1～I1-9)，故验证C1D3A1B2 为实验条件下制备中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维最佳工艺。该实验条件下制得的中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维在260℃下的热导系数为0.065W·m^-1·K^-1，密度为0.07～0.10g/cm³。

表2

对比例

按表3所示方案将氯化铝、氯化镁溶于乙醇溶液中，混合溶液中，氯化铝、氯化镁的总质量占混合溶液总质量的0.5％或30％，将白茅花浸渍在混合溶液中采用模板浸渍法得到前驱体纤维，60℃或100℃下真空干燥，后在1100℃或1600℃下烧结，得到中空 MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维，如图6所示。

表3

图6为对比例中制得的纤维，其外观形貌不如I1-1～I1-9等9组实验制备出的中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维蓬松，故进一步验证C1D3A1B2为实验条件下制备中空 MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维最佳工艺。图7说明白茅花中含有一定量硅酸盐，它可以抑制 MgO结晶(衍射峰强度降低)，降低材料的热导系数，改善其隔热性能，如图8所示。

Claims (9)

1.中空MgO-Al₂O₃隔热陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

将氯化铝、氯化镁溶于乙醇溶液中得到混合溶液，所述的混合溶液中，氯化铝、氯化镁的总质量占混合溶液总质量的30%，将白茅花浸渍在混合溶液中，100℃下干燥，然后置于1100℃下烧结，得到中空MgO-Al₂O₃纤维，其中，MgO占MgO-Al₂O₃摩尔量的40%。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的乙醇溶液中，乙醇和水的体积比为1:1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的浸渍时间为5~15min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的浸渍时间为10~15min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的干燥时间为16~20h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的干燥时间为17~18h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的干燥为真空干燥。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的烧结过程中，升温速率为5～20℃/min。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的烧结过程中，升温速率为5～10℃/min。

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