CN113737315A - 以芦苇为模板制备中空氧化铝基陶瓷纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以芦苇为模板制备中空氧化铝基陶瓷纤维的方法，所述方法将芦苇纤维浸入只含有氯化铝，或者含有氧氯化锆掺杂的氯化铝混合溶质的浸渍液中，浸渍一段时间后去掉多余水分，接着放入烘干机进烘干直至完全干燥，最后通过高温烧结来制备中空氧化铝纤维。本发明工艺简单、稳定，制备的纤维密度低、中空度高、保温耐火性能良好，较传统实心氧化铝纤维热导率降低，适用于隔热材料领域。

Description

以芦苇为模板制备中空氧化铝基陶瓷纤维的方法
技术领域
本发明属于隔热材料制备技术领域，具体涉及一种利用芦苇纤维获得中空氧化铝基隔热纤维的方法。
背景技术
氧化铝陶瓷属于高性能陶瓷，常见的氧化铝陶瓷的主要晶相是α-Al2O3。氧化铝陶瓷具有强度高、模量高、耐高温等优点，具有良好的耐腐蚀性，能够抵抗熔融金属和非氧化物材料的侵蚀，在氧化或还原气氛中保持良好的化学稳定性。作为耐高温材料，氧化铝纤维(Aluminafiber)是应用最广的陶瓷纤维之一，相比于常见的隔热碳纤维、碳化硅纤维，氧化铝纤维在高温下使用不需涂覆防氧化涂层，可作为高温结构材料、化学反应的催化剂载体和陶瓷基、金属基复合材料的增强体、高温炉衬底、热障涂层、催化剂载体、轻合金的增强材料。
现在工业生产上常见的氧化铝纤维制备方法有1溶胶—凝胶法（马运柱等.溶胶—凝胶法制备氧化铝纤维的组织结构与晶化动力学[J].粉末冶金材料科学与工程,2017(3):343-348.）；2淤浆法（李东风等.高性能无机连续纤维[J].合成纤维工业,2005,28(2):40-43.）。
以上传统的工业制备氧化铝纤维的方法工序复杂，对制备条件要求严格，在制备过程中易造成环境污染，同时，传统方法制备的多为实心纤维，难以制备具有特殊结构或复杂形貌的纤维。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用芦苇纤维制备密度低、中空度高、保温性能良好的中空氧化铝基隔热纤维的方法。
实现本发明的目的的技术方案如下：
一种利用芦苇纤维获得中空氧化铝基隔热纤维的方法，具体步骤如下：
步骤1，以氯化铝或氧氯化锆占氯化铝为5～35mol%的混合物作为溶质，将溶质溶于无水乙醇和去离子水的混合溶剂中，搅拌至清澈状，得到浸渍溶液；
步骤2，将芦苇纤维浸入浸渍溶液中一段时间，取出、挤干并烘干；
步骤3，将步骤2得到的芦苇纤维，在有氧气氛下，升温至900～1500℃烧结，保温，烧结结束后，随炉冷却，制得中空氧化铝基陶瓷纤维。
优选地，步骤1中，氯化铝与混合溶剂的质量比为1~10:50，混合溶剂中无水乙醇与去离子水体积比为1:1。
优选地，步骤2中，芦苇纤维在浸渍溶液中的浸泡时间为0.5～1.0h。
优选地，步骤2中，烘干温度为80～150℃，烘干时间为5～12h。
优选地，步骤3中，有氧气氛为空气或纯氧气气氛。
优选地，步骤3中，升温速率为5～20°C/min。
优选地，步骤3中，烧结保温时间为1～2h。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明利用芦苇纤维获得的氧化铝基隔热纤维为中空结构，较传统实心氧化铝纤维，热导率降低。
附图说明
图1是实施例1中制得的氧化铝基隔热纤维X射线衍射图谱。
图2是实施例1中制得的氧化铝基隔热纤维SEM低（a）、高（b）倍率微观结构图。
图3是实施例2中制得的氧化铝基隔热纤维X射线衍射图谱。
图4是实施例2中制得的氧化铝基隔热纤维SEM（a）、高（b）倍率微观结构图。
图5是实施例3中制得的氧化铝基隔热纤维SEM（a）、高（b）倍率微观结构图。
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细描述。
本发明利用芦苇纤维的中空特性，以氯化铝溶液为浸渍液的主体，将芦苇浸渍在相等配比的去离子水与无水乙醇的混合溶液中，浸渍过程中，溶质随溶液浸入并留在纤维管壁中，取出纤维后挤干，经烘干后置于马弗炉中烧结。氯化铝在高温下分解生成氧化铝，芦苇纤维燃烧分解，生成的氧化铝晶体保留了纤维的中空结构，因此烧结完成后，获得了具有中空结构的氧化铝纤维。
氧化铝纤维存在抗拉强度低、晶粒粗大、致密度低等缺陷，易产生脆性断裂，常使用MgO、SiO2、ZrO2等作为添加剂，改变氧化铝纤维的力学性能。本发明通过添加氧化锆对氧化铝纤维进行增韧。在加热过程中Al2O3-ZrO2体系中分布良好的四方氧化锆(t-ZrO2)晶粒转变为单斜相(m-ZrO2)，可以显著提高陶瓷的高温断裂韧性和强度，而ZrO2的含量对该体系陶瓷材料的机械性能、断裂韧性、抗热震性起到决定性的影响，尤其是在氧化铝材料裂纹扩展过程中，锆(ZrO2)颗粒在裂纹尖端由四方相(t-ZrO2)向单斜相(m-ZrO2)转变的过程，会导致体积膨胀，从而韧性增强。此外，氧化锆颗粒的加入通过固定晶界来抑制氧化铝晶粒的异常生长。
本发明采用芦苇纤维作模板，相比于其他植物模板（如地稍瓜、牛角瓜、杨絮、香蒲绒、梧桐树毛等）有明显的优势。从取材上说，芦苇为全球广泛分布的多型种，茎秆中间是空心的。由于它们之间的间隙非常小，空气相对流动缓慢，从而保暖效果极好。与现有的采用相似方法制备中空陶瓷相比，本发明制备的中空氧化铝基纤维原料成本更低，应用前景更广。
本发明主要通过制备出纤维内部更多的孔隙，减缓热传导与热对流的热量传递速率达到保温绝热的目的。中空纤维内部空气的热导率极低，且整体热对流传热差，因此相对于传统实心纤维隔热性能显著提升。
实施例1（六水合氯化铝与混合溶剂的质量比为10:100）
取1.78g的六水合氯化铝溶解于10ml的无水乙醇和10ml的去离子水溶液中。将芦苇纤维浸入溶液中，浸泡1h后挤干，后将纤维80°C烘干。将烘干后的芦苇纤维以5°C/min的升温速率升至1000°C，保温1h，制得中空氧化铝基纤维。图1为该温度下得到的XRD物相；图2a、2b为该浓度下中空纤维低、高倍率照片。从图1中可以看出，氧化铝峰值不是很明显，并且保留了许多芦苇本身自带的C、Si、K元素的化合物。同时，图2a、2b中完整的中空纤维较少、较短。推测因为浓度较低，没有形成足量的氧化铝附着在芦苇上。
实施例2（六水合氯化铝与混合溶剂的质量比为20:100）
取4.03g的六水合氯化铝溶解于10ml的无水乙醇和10ml的去离子水溶液中。将芦苇纤维浸入溶液中，浸泡1h后挤干，后将纤维80°C烘干。将烘干后的芦苇纤维以5°C/min的升温速率升至1000°C，保温1h，制得中空氧化铝基纤维。图3为此浓度下得到的XRD物相；图4a、4b为该浓度下氧化铝基纤维低、高倍率照片。从图中可以看出，氧化铝纤维结构良好、纤维较长，纤维呈中空状，纤维之间有一定的缠结、纤维壁薄、韧性良好，较好地模仿了芦苇模板。
实施例3（六水合氯化铝与混合溶剂的质量比为10:100，氧氯化锆占氯化铝10mol%）
取1.80g的六水合氯化铝和0.24g的八水合氧氯化锆溶解于10ml的无水乙醇和10ml的去离子水溶液中。将芦苇纤维浸入溶液中，浸泡1h后挤干，后将纤维80°C烘干。将烘干后的芦苇纤维以5°C/min的升温速率升至1000°C，保温1h，制得中空氧化铝基纤维。图5a、5b为该浓度下氧化铝基纤维低、高倍率照片。从图中可以看出，纤维较长且顺滑，连续不断，固韧性较好，并且有非常均匀的微纹，可以极大程度提高隔热性能，能较好的模仿天然芦苇结构。

Claims (7)

1.一种以芦苇为模板制备中空氧化铝基陶瓷纤维的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，以氯化铝或氧氯化锆占氯化铝为5～35mol%的混合物作为溶质，将溶质溶于无水乙醇和去离子水的混合溶剂中，搅拌至清澈状，得到浸渍溶液；
步骤2，将芦苇纤维浸入浸渍溶液中一段时间，取出、挤干并烘干；
步骤3，将步骤2得到的芦苇纤维，在有氧气氛下，升温至900～1500℃烧结，保温，烧结结束后，随炉冷却，制得中空氧化铝基陶瓷纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，氯化铝与混合溶剂的质量比为1~10:50，混合溶剂中无水乙醇与去离子水体积比为1:1。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，芦苇纤维在浸渍溶液中的浸泡时间为0.5～1.0h。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，烘干温度为80～150℃，烘干时间为5～12h。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，有氧气氛为空气或纯氧气气氛。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，升温速率为5～20°C/min。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，烧结保温时间为1～2h。
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