CN109440227A - 一种用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用粘胶纤维制备氧化锆纤维的方法，是以粘胶纤维为模板，以含锆盐溶液为浸渍液，经浸渍、干燥、高温烧结制得保持了粘胶纤维结构的氧化锆纤维。本发明工艺简单，所制备的ZrO₂陶瓷纤维具有粘胶纤维的结构形态。此类纤维堆积在一起，有利于蓄存大量的静止空气，防止空气对流，有利于提高纤维材料的隔热性能。

Description

一种用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于耐火材料领域，具体涉及一种用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维及其制备方法。

背景技术

氧化锆（ZrO₂）陶瓷属于新型陶瓷，由于它具有十分优异的物理、化学性能，不仅在科研领域已经成为研究热点，而且在工业生产中也得到了广泛的应用，是耐火材料、高温结构材料和电子材料的重要原料。与此同时，氧化锆具有良好的化学稳定性和热稳定性，优良的高温导电性及较高的高温强度和韧性，良好的抗腐蚀性和稳定性，是目前发展迅速的特种陶瓷的重要原料。可用于生产高温结构陶瓷、生物陶瓷和电子陶瓷等。氧化锆还具有马氏体相变的特性，这是氧化锆被用来提高陶瓷材料的韧性和耐火材料抗热震稳定性的重要依据。其中ZrO₂纤维主要用于隔热保温材料，如可用于航空器、航天器绝热部件，电池隔膜，各种加热炉、等静压炉、保温均热炉炉衬等。

根据文献“张旺玺等，氧化锆纤维的制备、性能和应用，合成技术及应用，2009年12月24卷4期：31-34页”与“胡利明等，氧化锆纤维及其制品，人工晶体学报，2009年38卷1期，265-270页”可知，近十年来，制备氧化锆纤维的方法有很多，如喷吹法，静电纺丝法，溶胶-凝胶法，模板法，浸渍法等。这些纤维堆积在一起，有利于蓄存大量的静止空气，防止空气对流，有利于纤维材料隔热性能的提高。由参考文献“李智璐等，静电纺丝法制备聚合物功能纤维的研究进展，合成纤维，2015年44卷2期，28-33页”可知，传统的ZrO₂纤维制备方法，如溶胶-凝胶法、浸渍法、无机盐法、静电纺丝法等，基本均属于前躯体转化法，即先配制含有锆离子的纺丝液，并通过喷丝、拉丝、旋转甩丝等方法将纺丝液制成有机和/或无机的前躯体纤维，再将其热处理转化为预定组成和结构的氧化锆纤维，可见这类制备方法较复杂，制备的纤维大小也不好控制。

发明内容

发明目的：在于提供一种工艺简单、性能优良的用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维及其制备方法。

技术方案：本发明为了解决上述技术问题，提供了一种用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维的方法，步骤如下：

（1）以含锆化合物固体为主要原料，硝酸钇（Y(NO₃)₃·6H₂O）为稳定剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为活性剂，来配制一定质量浓度的含锆的浸渍盐溶液；

（2）将粘胶纤维浸入上述制得的含锆浸渍盐溶液中，并轻微搅拌使粘胶纤维被充分浸泡；

（3）将浸渍有含锆浸渍盐溶液的粘胶纤维在烘箱中烘烤干燥；

（4）将经过前三个步骤后制得的干燥粘胶纤维置于烧结炉中烧结，便制得具有粘胶纤维结构形态的氧化锆陶瓷纤维材料。

本发明中粘胶纤维是从木材和植物藁杆等纤维素原料中提取的α-纤维素，或以棉短绒为原料，经加工成纺丝原液，再经湿法纺丝制成的人造纤维。以粘胶纤维作为制备模板，浸渍含锆的盐溶液来制备ZrO₂陶瓷纤维更加方便简单。

本发明中粘胶纤维经含有以含锆氧化物粉体为原料，硝酸钇为稳定剂，PVP为活性剂来配制的含锆浸渍盐溶液的浸泡并烘干后，由于溶液中含有PVP，作为一种合成水溶性高分子化合物，其优异的溶解性能及生理相容性，能帮助溶质能更好地附着于粘胶纤维上，因此盐溶液中溶质会均匀包裹于粘胶纤维表面。包裹主要有含锆化合物的溶质的粘胶纤维在加热过程中，会首先发生热分解反应并在粘胶纤维表面形成均匀的ZrO₂，而粘胶纤维在随后的升温过程中被烧蚀，在较高温度时，稳定剂硝酸钇保证氧化锆不发生相变，从而可获得保持粘胶纤维形态的ZrO₂陶瓷纤维。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：工艺简单，成本较低，对环境友好，由于粘胶纤维本身纤维直径为5~10μm，且纤维表面粗糙不平，具有多层状结构，所制备的ZrO₂具有粘胶纤维结构形貌，相对于圆柱形氧化锆纤维，比表面积更大，更有利于蓄积大量静止的空气，热导率更低。

附图说明

图1 是本发明实施例1中制得的氧化锆纤维低倍率微观结构图。

图2 是本发明实施例1中制得的氧化锆纤维高倍率微观结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

称取氧氯化锆固体（ZrOCl₂·8H₂O）5.00 g，硝酸钇（Y(NO₃)₃·6H₂O）0.20 g，聚乙烯吡咯烷酮（PVP, K-30）0.5 g，蒸馏水45 ml，配制出5wt.%氧氯化锆浸渍盐溶液。将干燥后的粘胶纤维浸泡在溶液中5min，并加以轻微搅拌，使加含锆盐溶液在粘胶纤维中的快速分散，将浸泡后的粘胶纤维挤除多余溶液，然后放入干燥箱中70℃干燥12h，将干燥后的粘胶纤维置于坩埚中，在电炉中以升温速率为3℃/min在900℃温度下烧结，并保温2h，制得粘胶纤维状ZrO₂陶瓷纤维。经检测，该氧化锆纤维的主晶相为单斜相与四方相的混合物。图1 所示为粘胶纤维在5wt.%的含锆浸渍溶液中浸泡10分钟并在900 ℃烧结所得的氧化锆陶瓷纤维扫描电镜低倍率照片。图2 所示为制得的氧化锆陶瓷纤维扫描电镜高倍率照片。可以看出，氧化锆纤维基本保持了粘胶纤维的基本形貌，纤维平均直径为5~10µm。

实施例2

称取硝酸锆固体（Zr(NO₃)₄）6.7 g，硝酸钇（Y(NO₃)₃·6H₂O）0.7 g、聚乙烯吡咯烷酮（PVP K-30）0.1 g，蒸馏水47 ml，配制出7wt.%的含锆浸渍盐溶液，将干燥后的粘胶纤维浸泡在溶液中10min，并加以轻微搅拌。将浸泡后的粘胶纤维在滤网中挤除多余溶液，然后放入干燥箱中50℃干燥12h，将干燥后的粘胶纤维置于坩埚中，在电炉中以升温速率为3℃/min在1300℃温度下烧结，并保温2h，制得具有粘胶纤维结构的ZrO₂陶瓷纤维。该材料主晶相为四方相与单斜相的混合物。且纤维具有一定的连续性并保持了粘胶纤维模板的结构形态。

实施例3

称取氧氯化锆粉体（ZrOCl₂·8H₂O）9.83 g，硝酸钇（Y(NO₃)₃·6H₂O）1.00 g、聚乙烯吡咯烷酮（PVP K-30）0.90 g，蒸馏水50 ml，配置出10wt.%的含锆浸渍盐溶液，将干燥后的粘胶纤维浸泡在溶液中10min，并加以轻微搅拌，将浸泡后的粘胶纤维在滤网中挤除多余溶液，然后放入干燥箱中60℃干燥20h，将干燥后的粘胶纤维置于坩埚中，在电炉中以升温速率为3℃/min在1200℃烧结，并保温2h，制得粘胶纤维状ZrO₂陶瓷纤维。该材料主晶相也为四方相与单斜相的混合物。且纤维具有一定的连续性并保持了粘胶纤维模板的结构形态。

应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维，其特征在于：其制备原料组分按重量份计包括如下：

含锆化合物粉体 5~10份

稳定剂 0.2~1份

活性剂 0.1~1份

粘胶纤维 5~10份

水 45~50份 。

2.根据权利要求1所述的用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维，其特征在于：所述稳定剂为硝酸钇。

3.根据权利要求1所述的用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维，其特征在于：所述活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

4.根据权利要求1所述的用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维，其特征在于：所述含锆化合物包括氧氯化锆固体或者硝酸锆固体中一种或者两种。

5.一种基于权利要求1所示的一种用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、以含锆化合物粉体为原料，硝酸钇为稳定剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为活性剂以及水来配制质量浓度在5~15%的含锆浸渍液；

步骤2、将粘胶纤维放入步骤1中的含锆化合物的浸渍盐溶液浸泡1~20min，并轻微搅拌；

步骤3、将步骤2中浸渍有含锆化合物的浸渍盐溶液的粘胶纤维在烘箱中干燥；

步骤4、将干燥后的粘胶纤维置于烧结炉中，以一定升温速率在600~1600℃高温烧结，并保温2~4h，制得具有粘胶纤维结构形态的氧化锆陶瓷纤维。

6.根据权利要求5所述的用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维的方法，其特征在于：所述步骤1中，所述的含锆化合物为氧氯化锆（ZrOCl₂·8H₂O）、硝酸锆（Zr(NO₃)₄·5H₂O）中的一种或者；硝酸钇（Y(NO₃)₃·6H₂O）为稳定剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为活性剂，来配制含锆浸渍液，其质量百分比为5~10%。

7.根据权利要求5所述的用粘胶纤维制备氧化锆陶瓷纤维的方法，其特征在于：所述步骤2中，浸泡粘胶纤维的时间为1~10min。

8.根据权利要求5所述的用粘胶纤维制备氧化锆纤维的方法，其特征在于：所述步骤3中，粘胶纤维在烘箱中的干燥温度为50~70℃，干燥时间为12~20h。

9.根据权利要求5所述的用粘胶纤维制备氧化锆纤维的方法，其特征在于：所述步骤4中，烧结炉中的烧结温度为900~1300℃，保温时间为2h。

10.根据权利要求5所述的用粘胶纤维制备氧化锆纤维的方法，其特征在于：所述升温速率为3℃/min。