CN111153685B - 连续氮化铝纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备连续氮化铝纤维的方法，包括步骤：1)合成含氧化铝的母液；2)母液中添加金属铝粉；3)再添加有机高分子得到纺丝淤浆；4)纺丝淤浆通过干法纺丝获得连续原丝；5)连续原丝经过含氮气氛以800～1600℃煅烧得到连续氮化铝纤维。含氧化铝母液中，有机醇铝水解形成的是带有Al‑O基团的化合物，加热煅烧时分解为Al2O3，可以直接发生氮化反应。为加强氮化反应，母液中还添加金属铝粉和有机高分子，从而满足2Al+N2＝2AlN、2Al+2NH3＝2AlN+3H2、Al2O3+N2+3C＝2AlN+3CO等氮化铝的合成反应。提供的制备方法将三类氮化铝的合成反应糅合到一起，工艺过程简单，成本低，制得的氮化铝纤维性能好。

Description

连续氮化铝纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子化合物的组合物技术领域，特别涉及一种连续氮化铝纤维，以及制备该纤维的方法。
背景技术
氮化铝具有一种具有纤锌矿结构的III-V族强共价键化合物，理论密度为3.26g/cm3，在常压下分解温度为2480℃。氮化铝的介电常数为8-9(1MHz)，介电损耗只有3*10-4，比玻璃纤维低一个数量级。理论上氮化铝热导率可达320W/(m.K)，实际可达160-200W/(m.K)。同时，其电阻率大于1014Ω·m，是一种良好的绝缘导热材料。氮化铝优异的物理性能使其在众多领域都有非常广阔的应用前景。
纤维材料由于直径小，减少了缺陷，因此表现出比块状陶瓷更好的力学性能。连续纤维由于具有编织性能，可以预织布的形式应用于多种场合，比短纤维或晶须具有更好的性能，应用范围也更加广阔。然而，尽管已有氮化铝晶须或短纤维(长度<10cm)的研究报道，但目前尚未有连续氮化铝纤维问世。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种连续氮化铝纤维，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题，本发明一方面提供了以下技术方案：
制备连续氮化铝纤维的方法，包括步骤：
1)合成含氧化铝的母液；
2)母液中添加金属铝粉；
3)再添加有机高分子得到纺丝淤浆；
4)纺丝淤浆通过干法纺丝获得连续原丝；
5)连续原丝经过含氮气氛以800～1600℃煅烧得到连续氮化铝纤维。
其中，所述母液由以下步骤制成：将有机醇铝溶解在有机醇溶剂中，然后加入稳定剂，搅拌反应1-24h后，加入催化剂和水，催化有机醇铝水解、陈化生成含氧化铝的母液。
进一步，所述有机醇铝在有机醇溶剂中的质量分数为1～60％，稳定剂与有机醇铝的摩尔比为1～6:1，水和有机醇铝的摩尔比为1～10:1，水解、陈化反应时间4～72h。
进一步，所述有机醇铝选自碳原子数为1～18的有机醇铝中的一种或多种组合；优选地，所述有机醇铝选自乙醇铝、丙醇铝、丁醇铝、戊醇铝中的一种或多种组合。
进一步，所述有机醇溶剂选自碳原子数为1～10的有机醇中的一种或多种组合；优选为碳原子数为1～5的有机醇中的一种或多种组合。
进一步，所述稳定剂为β–二羰基化合物、醇胺类化合物中的一种或多种组合；特别优选为乙酰丙酮。
进一步，所述催化剂选自盐酸、硝酸、硫酸以及有机酸中的一种。
优选地，步骤2所述金属铝粉的粒径不超过5微米；所述金属铝粉和母液中的铝的摩尔比为0.2～10:1，优选为1～10:1。
优选地，步骤3所述有机高分子选自聚乙烯吡咯烷酮、改性纤维素、改性淀粉、聚乙烯醇、聚氧化乙烯中的一种或多种组合；优选地，所述有机高分子的添加量为有机醇铝的30～300％。
优选地，步骤4所述的含氮气氛由氢气或氨气与氮气混合而成。
上述方法制得的连续氮化铝纤维长度不小于1米，直径为0.1～100微米，可应用于通信、LED等领域，作为PCB板的基材导热绝缘纤维使用。
本发明与现有技术相比具有优点：
含氧化铝母液中，有机醇铝水解形成的是带有Al-O基团的化合物，加热煅烧时分解为Al2O3，可以在含氮的气氛如氨气中直接发生氮化反应形成氮化铝。为加强氮化反应，母液中还添加金属铝粉和有机高分子，从而满足2Al+N2＝2AlN、2Al+2NH3＝2AlN+3H2、Al2O3+N2+3C＝2AlN+3CO等氮化铝的合成反应。提供的制备方法将三类氮化铝的合成反应糅合到一起，加快氮化反应，工艺过程简单，成本低，制得的氮化铝纤维性能好。
附图说明
图1是实施例1所述连续氮化铝纤维的制备过程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。
实施例1，制备连续氮化铝纤维。
如图1所示，经由以下步骤进行制备：
1)合成含氧化铝的母液：将有机醇铝溶解在有机醇溶剂中，然后加入稳定剂，搅拌反应5h后，加入催化剂和水，催化有机醇铝水解、陈化生成含氧化铝的母液；所述有机醇铝选取丁醇铝；所述稳定剂为β–二羰基化合物；所述催化剂选取硝酸，且催化剂与水混合后的pH值小于等于3；
含氧化铝母液中，有机醇铝水解形成的是带有Al-O基团的化合物，在最后加热煅烧时分解为Al2O3，可以直接发生氮化反应，如在氨气中的反应Al2O3+2NH3＝2AlN+3H2O，在氢气中的反应Al2O3+3H2＝2Al+3H2O；
2)母液中添加金属铝粉；
金属铝粉与母液中被还原的纯铝在最后加热煅烧时一同进行氮化反应，包括：跟氮气反应2Al+N2＝2AlN，跟氨气反应：2Al+2NH3＝2AlN+3H2；
3)再添加有机高分子得到纺丝淤浆，所述有机高分子选自聚乙烯吡咯烷酮；
有机高分子在最后加热煅烧时可在氮气下分解为碳，可以帮助Al2O3的碳热还原氮化反应，如在氮气中的反应：Al2O3+N2+3C＝2AlN+3CO；
4)纺丝淤浆通过干法纺丝获得连续原丝，从而确保制得的氮化铝纤维是长度不小于1米的连续纤维；
5)连续原丝经过含氮气氛以800～1600℃煅烧得到连续氮化铝纤维；纯铝在660℃会熔化成液体铝，进一步加热到800℃以上，液体铝会与氧化铝反应形成Al2O这种高活性的中间物质(4Al+Al2O3＝3Al2O)，从而促进了氮化反应：如H2+Al2O+N2＝2AlN+H2O，C+Al2O+N2＝2AlN+CO，2NH3+Al2O＝2AlN+H2O+4H2。因此，加入的金属铝粉除了自身的氮化，也辅助了含氧化铝的母液分解产生氧化铝的氮化；加入的有机高分子分解的碳也帮助氧化铝的氮化。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种连续氮化铝纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）合成含氧化铝的母液；
2）母液中添加金属铝粉；所述金属铝粉的粒径不超过5微米；所述金属铝粉和母液中的铝的摩尔比为0.2~10:1；
3）再添加有机高分子得到纺丝淤浆；所述有机高分子选自聚乙烯吡咯烷酮、改性纤维素、改性淀粉、聚乙烯醇、聚氧化乙烯中的一种或多种组合；所述有机高分子的添加量为有机醇铝的30~300%；
4）纺丝淤浆通过干法纺丝获得连续原丝；
5）连续原丝经过含氮气氛以800~1600℃煅烧得到连续氮化铝纤维；
所述母液由以下步骤制成：将有机醇铝溶解在有机醇溶剂中，然后加入稳定剂，搅拌反应1-24h后，加入催化剂和水，催化有机醇铝水解、陈化生成含氧化铝的母液；所述稳定剂为β–二羰基化合物、醇胺类化合物中的一种或多种组合。
2.根据权利要求1所述的连续氮化铝纤维的制备方法，其特征在于，所述有机醇铝在有机醇溶剂中的质量分数为1~60%，稳定剂与有机醇铝的摩尔比为1~6:1，水和有机醇铝的摩尔比为1~10:1，水解、陈化反应时间4~72h。
3.根据权利要求1所述的连续氮化铝纤维的制备方法，其特征在于，所述有机醇铝选自碳原子数为1~18的有机醇铝中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的连续氮化铝纤维的制备方法，其特征在于，所述有机醇溶剂选自碳原子数为1~10的有机醇中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的连续氮化铝纤维的制备方法，其特征在于，所述催化剂选自盐酸、硝酸、硫酸以及有机酸中的一种。
6.根据权利要求1所述的连续氮化铝纤维的制备方法，其特征在于，步骤5）所述的含氮气氛由氢气或氨气与氮气混合而成。
7.一种连续氮化铝纤维，其特征在于，由权利要求1至6任一项所述制备方法制得，所述连续氮化铝纤维长度≥1米，直径为0.1~100微米。
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