TWI261582B - Continuous enstatite ceramic fibers manufactured by chemical modification of sol-gel route - Google Patents

Description

1261582 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是在提供一種以化學改質溶凝膠(chemically modified sd_gel )技術製取連續铜火輝邮_紙MgSi〇3) 陶瓷纖維之方法，特別是有關於一種使用冰醋酸改質鎂、矽 醇鹽前置物(alkoxide precursor)經控制溶膠之溶解度、分子結 構、與膠化速率以產生清澈溶膠體，再經縮聚合、抽纺纖維、 • 乾煉及燒結等步驟以直接製取連續性頑火輝石纖維之方法。 【先前技術】 已知溶膠一凝膠技術製備之玻璃與陶瓷材料具有高純 度、高均質性、細晶粒、及可降低製程溫度等優點（如

Mackenzie^l988^^J.Non^^^ 1〇〇4? 162^68 胃所提出）；另已知(如BurHtch於美國專利公報第515細號 所提出)利用雙氧水控制醇鹽之溶凝膠反應，可製備鎮基石夕酸 • 齡膠，以細於㈣賴，若將轉置人鹼性溶液中可製 取片狀之膠_維，長度為0·5〜2 cm，直徑為⑽〜4咖。 近年來以金屬醇鹽(metal alc〇h〇l故^為原料之 溶膠-凝膠技術已廣泛應用於合成玻璃、玻璃陶究及陶究材 料但疋國内外尚未有關於利用醋酸改質溶凝膠技術以製取 頑火輝石纖維之文獻或技術資料提出。 頌火輝石具有低介電常數、高溶點、及高電阻率等特性， 故若能製取頑火輝石纖維，將可擴展其於纖維補強複合材料 5 1261582 及微機電製程封裝用低介電性材料之應用。 惟’以溶膝—凝膠技術製備多成分係材料，易因金屬醇鹽 間具有相異之水解速率而導致水物之異雜，故有人提 出利用兩段式水解，將水解鱗贿之_先行水解再做混 合，可製備MgSiCb膠體粉末(如Ban等人於1999年之】 can Ce腿ic Society，82卷，22_26頁所提出）；亦有人提出藉由 螯合劑(chelating agent)如戊二酮或乙醯乙酸乙脂改質混合醇 > 鹽’可避免析出氫氧化物峨得均質之氧脑系塗層凝膠(如

Schmidt#A^1990^^J. Non-CrystSolids, 1214, 329-333! 所提出）；且’對溶凝膠技術而言，溶膠之黏度通常是隨反應 時間而緩慢增加’於接近膠化點時，減呈突触速增加: 發生膠化’以形成三維度之膠體結構，此結果將導致無法由 溶膠體抽賴維，故以轉—凝職術製解體麟，溶膠及 其凝賴必須具有雜之分預觀蚊之減變化方可抽 I 紡纖維。 【發明内容】 本發明之目的，即在提供一種改質溶凝膠技術以製得具 有連續性、均m、細晶粒度、與低介電常數之頌火輝石陶 瓷纖維之方法。 本發明之以化學改質溶凝膠技術製取賴性頑火輝石陶 兗纖維之方法，係賴、⑪金屬醇鹽均句混合後以適量濃度 之冰醋酸貫施改質處理使之形成醋酸㈣狀錯合物(che㈣ 6 1261582 : e⑽pl⑽），雜财解_合反_敲料線性分子灶 構之清澈縛體，再經«合反應使轉之辦適於抽紡纖 維，繼之，將抽紡之連續性膠體纖維經乾燥及空氣燐蜱垆處 理’以製取連續性頑火輝石喊齡。經依上述方法製得之 膠體纖維長度為5〜80 cm，直徑為15〜2G0 經燒結· °C，可得具有平均晶粒度為45〜⑽nm、長度為3〜6〇咖之 頑火輝石陶竞纖維；經燒結13〇〇 °C之頌火輝石陶堯纖維平 • 均晶粒度為0.1〜〇.2 μιη、長度為2〜5〇 cm、比表面積為Μ 〜9.5m2/g、介電常數為5.2(±〇.5)。 【實施方式】 本發明之較佳具體實施例示於圖1。 - 請參閱第一圖，本發明之以化學改質溶凝膠技術製取連 續性頑火輝石陶瓷纖維之方法包含下列步驟： 步驟一：溶膠體之製備 • 將12.9g鎂甲醇鹽〔Mg(OCH3)2〕與31.8g矽乙醇鹽 〔Si(OC2H5)4〕分別配製鎂甲醇鹽·曱醇溶液及矽乙醇鹽·乙醇 溶液，其中鎂曱醇鹽溶液濃度為21.5 wt°/〇，矽乙醇鹽溶液濃度 為60〜82wt%，將該兩種醇鹽溶液混合後置於恆溫水槽中進行 回流冷凝1至3小時，溫度為25 QC ;繼之，加入冰醋酸實施改 質處理1至3小時使之生成醋酸鹽螯狀錯合物，冰醋酸濃度為 0.3〜1.8莫耳/升；隨後將醋酸鹽錯合物進行水解反應，時間為 3小時，溫度為〇。(：，水濃度為0.3〜3.0莫耳/升。將水解反應 7 1261582 _ 狀產物於室溫下靜置即可製得清澈透明之溶膠體。 - 步驟二：連續性頑火輝石前置物膠體纖維之製備 、將依上述方法製得之清澈鱗體於洗及相對濕度挪 下進行縮聚合反應’以獲得具有適於抽纺黏度之透明溶膠 體’於溶膠黏度為刚〜48_ mPa.s，以直徑為i 〇〜2 〇 _ 之玻璃棒浸人轉巾直接抽_觀連·賴麟，並於 抓相職度巡下錢完全，叫得連續性敎輝石前置 » 物膠體纖維，長度為5〜80 cm，直徑祕〜· _，紅外線 光譜儀顯福合物與賴纖_具有雜雜基結構。 步驟三：連續性頑火輝石m維之製備 將依上述方法製得之膠體纖維於空氣爐中燒結，燒結溫 度為mo〜·。c ’燒結時間為2小時，空氣爐之加熱速度 為1 3 C/min’可獲知均質結晶之連續性頑火輝石陶究纖 維，長度可達50〜60 cm，直徑為1〇〜15〇 μιη。纖維之特性 藝X.総射儀、f子贿鏡、恆溫氮氣吸喊、及電性 係數分析儀制之。減方法製得之連雜雜纖維經燒結 聰。〇可得具有平均晶粒度為45〜80nm、長度為3〜6〇cm 之頑火輝石陶莞纖維，·經燒結1300 〇c之頭火輝石陶竟纖維平 均晶粒度為αΐ〜G.2 _、長度為2〜50 em、比表面積為5.5 〜9.5m2/g、介電常數為5.2(±〇.5)。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明具體實施例之製造流程圖。 8 •1261582 【主要元件符號說明】 經由以上之說明，可知本發明以化學改質溶凝膠技術可 製取具有連續性長膠體纖維，燒結後可獲得具有細晶及低介 電常數之連續性頑火輝石陶瓷纖維，茲综合分析其特點與效 益如下：

(1) 節省能源，若以熔煉方法製備頑火輝石陶瓷纖維製程 溫度需高於1650 °C以i，本發明之頑火輝石陶莞纖維製造技 術車父溶煉法之製程溫度降低35〇〜55〇〇c。 (2) 可製取連續性陶瓷纖維，經冰醋酸改質之錯合物具有 良好之均質性及穩定之膠化速度，可獲得具魏性分子結構 之長膠體纖維，經燒結後可製取連續性陶瓷纖維。 (3) 操作容易，僅需於室溫下控制縮聚合反應以產生適於 抽纺黏度之清澈溶膠體，且經空氣爐燒結即可轉體纖維直 接製得陶瓷纖維。 (4) 頌火輝石__具有财料數及高熔點，可應用 於微機電製程之低介電性或封裝材料。 (5) 可適用於一般之以溶膠_凝膠法製備陶瓷纖維之製 &，故可驗本發明之方法在喊_製程上之應用。 内休t所述’本發明之技術思想確屬高賴作，同時查遍國 維之技術資料與文獻中，亦未發現有 件，在先’是以，本發明實已具備發明專利要 9

Claims (1)

1261582 十、申請專利範圍： 1 —種以化學改質溶凝膠技術製取連續性頑火輝石陶兗纖維之方 法，包括下列步驟： 步驟一：溶膠體之製備 將鎂甲醇鹽〔Mg(0CH3)2〕與矽乙醇鹽〔Si(〇C2H5)4〕依莫 耳比1，1分別配製鎮曱醉鹽-曱酵溶液及石夕乙醇鹽_乙醇溶液，其 中鎂曱醇鹽溶液濃度為20〜22wt%，石夕乙醇鹽溶液濃度為6〇〜82 • wt%，將該兩種醇鹽溶液混合後置於恆溫水槽中進行回流冷凝！ 〜5小時’繼之加入冰醋酸實施改質處理1〜5小時使之生成醋酸 鹽螯狀錯合物，回流冷凝及改質處理溫度為25〜6〇，冰酷酸 濃度為0·3〜2.0莫耳/升；隨後將醋酸鹽錯合物進行水解反應，時 -間為2〜6小時，溫度為〇〜5 °C，水濃度為〇3〜3 〇莫耳/升；將 水解反應後之產物於室溫下靜置即可製得清澈透明之溶膠體； 步驟二·連續性頑火輝石前置物膠體纖維之製備 • 將依上述方法製得之清澈溶膠體於15〜35QC及相對濕度35 80/。下進行縮聚合反應，以獲得具有適於抽紡黏度之透明溶膠 體，於溶膠黏度為100〜48000 mPa.s，以直徑為丨〇〜2 〇 玻离杯/又入/谷膠中直接抽紡以獲得連續性之膠體纖維，並於 25°C相對贿35〜8G%下賴完全，以獲得連續性之頑火輝石前 置物賴纖維，長度為5〜8()·，直徑為15〜·阿； 步驟二：連續性頑火輝石陶瓷纖維之製備 將依上述方法製得之膠體纖維於空氣爐中燒結，燒結溫度 10 J261582 為1100〜1300°c，燒妹眭pq劣， U w為1〜4小時，空氣爐之加熱速度為1 〜5 °C /min，可獲得均質έ士曰4t 、'、"曰曰之連績性頑火輝石陶瓷纖維，直徑 為 10〜150 μιη。 2·如申請專利範圍第1項所述之—種以化學改質溶凝膠技術製取連 續性頑火輝石陶親維之方法，其中步驟三該膠體纖維之燒結 /皿度可為11GG C，依此方法製得之秋___平均晶粒 度為45〜80 nm、長度為3〜60 cm。 3·如申料她圍第丨項所狀—種以化學改質溶凝職術製取 連續性頑火輝石陶甍纖維之方法，其中步驟三該膠體纖維之燒 結溫度可為13〇〇 °C，依此方法製得之頑火輝石陶甍纖維平均晶 粒度為0.1〜〇·2 μπι、長度為2〜50 cm、比表面積為5 5〜9 5 »!2々、介電常數為5.2(士0.5)。