一种氧化铝陶瓷长丝及其溶胶-凝胶纺丝制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化铝陶瓷长丝及其溶胶‑凝胶纺丝制备方法。所述制备方法包括：步骤(1)将线形有机硅齐聚物与铝源均匀分散在有机溶剂中，加入催化剂，反应一定时间，制备得到溶胶；步骤(2)将所述溶胶纺丝在凝固浴中，形成凝胶纤维；(3)将凝胶纤维干燥，最后再分步煅烧，制备得到连续氧化铝陶瓷纤维。本发明专利技术具有原料简便易的、工艺简单、制备周期短、成本低等特点，所制备的氧化铝纤维直径在1～500微米，长度为100～10000米，耐温性能大于1500℃。

Alumina ceramic filament and its sol gel spinning method

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝陶瓷长丝及其溶胶-凝胶纺丝制备方法
本专利技术属于陶瓷领域，尤其涉及一种氧化铝陶瓷纤维及其制备方法。
技术介绍
氧化铝陶瓷是一种以氧化铝为主要成份的陶瓷材料，具有良好的传导性，优良的机械强度、和耐高温性能，同时具有耐磨性好、硬度大、质量轻等特点，被广泛应用在国防、航空航天、交通、石油、建筑、汽车、工业、特种设备等领域。在国民经济和日常生活中的应用也越来越广泛。从成份上分，氧化铝陶瓷分为普通型和高纯型两种：(1)普通型氧化铝陶瓷系按氧化铝含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接。(2)高纯型氧化铝陶瓷为氧化铝含量在99.9％以上的陶瓷材料。从结构上分，氧化铝陶瓷又可分为体型陶瓷和陶瓷纤维。其中，氧化铝纤维是一种新型的高性能无机纤维，具有高模量、高强度、优异的耐热和耐高温氧化等性能，常用作耐高温绝热材料和增强材料，广泛应用于军工、航空航天和民用工业等领域。溶胶-凝胶法是制备氧化铝陶瓷纤维的常用方法，制备出的纤维均匀性好，纯度高，可设计性强。溶胶-凝胶法制备氧化铝纤维一般以铝的醇盐或无机盐为原料，加入酸催化剂和水等，在一定条件下混合反应得到溶胶，经过浓缩处理达到一定粘度后成为可纺凝胶，再经过纺丝、干燥及烧结等步骤得到氧化铝纤维。烧结过程中，在较低温度段，溶剂和有机添加物等组分被去除，并伴随着较大的体积收缩和致密化；在较高温度段，纤维晶化且具有多种晶型相。尽管如此，如何制备连续的长达万米的氧化铝纤维，以及纤维直径的可控设计，稳定剂的均匀引入和分散，都是本领域面临的技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的不足和材料的局限性，本专利技术的主要目的在于提供一种氧化铝陶瓷长丝及其的溶胶-凝胶纺丝制备方法。本专利技术的增益效果为：通过结构设计合成一种线形有机硅聚合物短链(齐聚物)与氧化铝纳米颗粒的溶胶，该纳米颗粒可稳定分散，且浓度可调，从而实现对目前氧化铝纤维直径大小的调控；另一方面，在氧化铝凝胶纤维烧结时，有机硅聚合物形成氧化硅残留在氧化铝陶瓷当中，抑制氧化铝高温的熔融和晶体生长，提高相应陶瓷的耐高温性能。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术提供了一种氧化铝陶瓷长丝的溶胶-凝胶纺丝制备方法，包括三个关键步骤：(1)将线形有机硅齐聚物与铝源混合均匀，加入催化剂，反应一定时间，制备得到溶胶；(2)将所述溶胶纺丝在凝固浴中，形成凝胶纤维；(3)将凝胶纤维干燥，最后再分步煅烧，制备得到连续氧化铝陶瓷纤维。本专利技术实施例还提供了一种氧化铝陶瓷长丝，该陶瓷纤维主要为氧化铝，内部均匀分散少量二氧化硅，氧化铝纤维直径在1～500微米，长度为100～10000米，耐温性能大于1500℃。附图说明图1为本专利技术实施列1-6中所获氧化铝陶瓷纤维前驱体溶胶的结构示意图；图2为本专利技术实施列1-6中所获氧化铝陶瓷纤维的结构示意图；图3为本专利技术实施例1中所获氧化铝陶瓷纤维的扫描电子显微镜图；图4为本专利技术实施例2中所获氧化铝陶瓷纤维的扫描电子显微镜图；具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。首先提供了一种氧化铝陶瓷长丝及其溶胶-凝胶纺丝制备方法。本专利技术实施例的一个方面提供了一种氧化铝陶瓷长丝的溶胶-凝胶纺丝制备方法，包括三个关键步骤：(1)将线形有机硅齐聚物与铝源混合均匀，加入催化剂，反应一定时间，制备得到溶胶；(2)将所述溶胶纺丝在凝固浴中，形成凝胶纤维；(3)将凝胶纤维干燥，最后再分步煅烧，制备得到连续氧化铝陶瓷纤维。在一些实施例中，所述有机硅烷齐聚物包括聚二乙氧基硅氧烷，聚二甲氧基硅氧烷，聚甲基乙氧基硅氧烷，聚甲基甲氧基硅氧烷，聚己基乙氧基硅氧烷，聚己基甲氧基硅氧烷，烷氧基硅氧烷共聚物，且不限于此。进一步地，所述有机硅聚合物的重复单元为5-20。进一步地，所述铝源包括铝粉、氯化铝、硫酸铝、硝酸铝、硅酸铝、硫化铝、异丙醇铝、九水硝酸铝的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步地，所述铝源与有机硅齐聚物的摩尔比大于10∶1。进一步地，所述溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、丁醇，叔丁醇，正己烷，四氢呋喃，N-甲基吡咯烷酮，丙酮，二甲基亚砜，N，N-二甲基甲酰胺，且不限于此。进一步地，所述溶剂用量为有机硅聚合物的10倍以上。作为优选的实施方案之一，所述催化剂包括：氢氧化钠、氢氧化钾、尿素、氨水、吡啶、三甲基氯化铵、和三乙胺中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步地，所述催化剂与有机硅齐聚物的摩尔比为0.01∶1～0.1∶1。进一步地，所述反应时间为3～10小时。进一步地，所述反应温度为室温至80℃。在一些实施例中，所述凝固浴为甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、丁醇、叔丁醇、正己烷、环己烷、正庚烷、乙腈、甲苯、四氢呋喃、异苯甲醇和水中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步地，所述凝固浴的温度为40℃～80℃。在一些实施例中，所述凝胶纤维干燥时间为5～24小时。进一步地，所述干燥温度为室温至100℃。进一步地，所述煅烧步骤不少于2次。进一步地，所述煅烧温度为800～1300℃。进一步地，所述煅烧时间为5～100分钟。以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本专利技术的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本专利技术，而不限制本专利技术的范围。实施例1(1)氧化铝陶瓷前驱体溶胶的合成：取1mol平均重复单元数为5的聚二乙氧基硅氧烷，8mol的铝粉和2mol的九水硝酸铝，分散在12mol甲醇当中，剧烈搅拌，再加入0.01mol的氢氧化钾，在室温搅拌10小时，获得前驱体溶胶，该前驱体结构示意图参见图1。(2)纺丝：配置1L乙醇为凝固浴，加热并维持40℃，将上述前驱体溶胶纺丝到此凝固浴中并用滚筒收集，获得氧化铝凝胶纤维。(3)干燥与煅烧：将所得氧化铝凝胶纤维在室温干燥24小时，随后在800℃煅烧10分钟，再于1200℃煅烧30分钟，获得长度为10000米的氧化铝陶瓷纤维，该纤维直径约5微米，其结构示意图参见图2，扫描电镜图参见图3。实施例2(1)氧化铝陶瓷前驱体溶胶的合成：取1mol平均重复单元为8的聚二甲氧基硅氧烷，10mol的氯化铝和3mol的硫酸铝，分散在15mol丁醇中，搅拌均匀后加入0.03mol的氨水，在50℃搅拌3小时，获得前驱体溶胶，该前驱体结构示意图参见图1。(2)纺丝：配置2L正己烷为凝固浴，加热并维持50℃，将上述前驱体溶胶纺丝到此凝固浴中并用滚筒收集，获得氧化铝凝胶纤维。(3)干燥与煅烧：将所得氧化铝凝胶纤维在50℃干燥20小时，随后在900℃煅烧30分钟，再于1300℃煅烧10分钟，获得长度为8000米的氧化铝陶瓷纤维，该纤维直径约45微米，其结构示意图参见图2，扫描电镜图参见图4。实施例3(1)氧化铝陶瓷前驱体溶胶的合成：取1mol平均重复单元数为12的聚甲基乙氧基硅氧烷，10mol的硝酸铝和5mol的硅酸铝，分散在13mol的二甲基亚砜中，搅拌均匀后加入0.08mol的吡啶，在80℃搅拌5小时，获得前驱体溶胶，该前驱体结构示意图参见图1。(2)纺丝：配置2L甲苯为凝固浴，加热并维持80℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铝陶瓷长丝的溶胶‑凝胶纺丝制备方法，其特征在于包括以下三个关键步骤：(1)将线形有机硅齐聚物与铝源均匀分散在有机溶液中，加入催化剂，反应一定时间，制备得到溶胶；(2)将所述溶胶纺丝在凝固浴中，形成凝胶纤维；(3)将凝胶纤维干燥，最后再分步煅烧，制备得到连续氧化铝陶瓷纤维。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝陶瓷长丝的溶胶-凝胶纺丝制备方法，其特征在于包括以下三个关键步骤：(1)将线形有机硅齐聚物与铝源均匀分散在有机溶液中，加入催化剂，反应一定时间，制备得到溶胶；(2)将所述溶胶纺丝在凝固浴中，形成凝胶纤维；(3)将凝胶纤维干燥，最后再分步煅烧，制备得到连续氧化铝陶瓷纤维。2.根据权利要求1所述一种氧化铝陶瓷长丝的溶胶-凝胶纺丝制备方法，其特征在于步骤(1)所述线形有机硅齐聚物为聚二乙氧基硅氧烷，聚二甲氧基硅氧烷，聚甲基乙氧基硅氧烷，聚甲基甲氧基硅氧烷，聚己基乙氧基硅氧烷，聚己基甲氧基硅氧烷，烷氧基硅氧烷共聚物，或其两种或以上的混合；和/或所述有机硅聚合物的重复单元为5-20。3.根据权利要求1所述一种氧化铝陶瓷长丝的溶胶-凝胶纺丝制备方法，其特征在于步骤(1)所述铝源包括：铝粉、氯化铝、硫酸铝、硝酸铝、硅酸铝、硫化铝、异丙醇铝、九水硝酸铝的任意一种或两种以上的组合；和/或所述铝源与有机硅齐聚物的摩尔比大于10∶1；和/或所述溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、丁醇，叔丁醇，正己烷，四氢呋喃，N-甲基吡咯烷酮，丙酮，二甲基亚砜，N，N-二甲基甲酰胺；和/或所用溶剂用量为有机硅聚合物的10倍以上。4.根据权利要求1所述一种氧化铝陶瓷长丝的溶胶-凝胶纺丝制备方法，其特征在于步骤(1)所述催化剂包括：氢氧化钠、氢氧化钾、尿素、氨...

【专利技术属性】
技术研发人员：马小民，王慧，崔吟雪，张德育，李富萍，
申请(专利权)人：国装新材料技术江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32