一种氧化铝-氧化锆复合短纤维及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化铝‑氧化锆复合短纤维的制备方法，包括以下步骤：A)制备聚合氯化铝溶胶；将氧氯化锆溶液和聚合氯化铝溶胶混合，得到锆铝凝胶；B)将所述锆铝凝胶解胶，得到锆铝溶液；C)将锆铝溶液和纺丝助剂的水溶液混合，蒸馏浓缩，得到锆铝复合纺丝溶液；D)将所述锆铝复合纺丝溶液陈化后甩丝成纤，得到前驱体纤维；E)将所述前驱体纤维进行热处理，得到氧化铝‑氧化锆复合短纤维。本发明专利技术通过使用单一的无机铝源和无机锆盐反应，且利用先凝胶再解胶的特点，提升了溶胶纺丝液的稳定性，不用添加额外稳定助剂与晶粒抑制剂，简单安全，适合工业化生产制备氧化铝‑氧化锆复合短纤维。

A kind of alumina zirconia composite short fiber and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝-氧化锆复合短纤维及其制备方法
本专利技术涉及复合纤维
，尤其涉及一种氧化铝-氧化锆复合短纤维及其制备方法。
技术介绍
氧化铝/氧化锆复合纤维(以下简称Al2O3/ZrO2纤维)具有比氧化铝纤维更耐高温的性能，比氧化锆纤维更高的抗弯强度和断裂韧性；且已被美国杜邦公司研制并商品化，命名为PRD-166纤维，其含80％氧化铝、20％氧化锆及少量钇。经过测试氧化铝/氧化锆复合纤维的耐高温性能、机械和物理性能优于其他金属和陶瓷材料。鉴于氧化铝/氧化锆复合纤维的上述优点，研究者开始了广泛研究。J.Chandradass等人在硝酸存在下将异丙醇铝溶解于去离子水中加热搅拌回流，待异丙醇铝完全溶解后加入草酸和氧氯化锆溶液，将得到的溶胶蒸发浓缩得到可纺的氧化铝前驱体凝胶，然后经过干燥烧结得到Al2O3/ZrO2纤维，其还研究了MgO2等添加剂对纤维结构性能的影响(有机铝源，成本高，溶胶凝胶一步法)(MaterialsScienceandEngineering.2005，408:165–168)。Chandradass等采用异丙醇铝、氧氯化锆为原料，羟乙基纤维素为纺丝助剂，制备了Al2O3-10wt％ZrO2陶瓷纤维，由于金属醇盐的价格比较昂贵，成本太高，限制了利用金属醇盐制备Al2O3-ZrO2陶瓷纤维的发展(J.Europ.Ceram.Soc.2006，26，2611)。CN103408292涉及一种氧化铝-氧化锆陶瓷纤维的制备方法，该方法利用异丙醇铝、甲酸、醋酸锆和/或添加剂制备可溶性溶胶前驱体，采用离心成纤工艺制备凝胶纤维，再经煅烧得到直径再1～8微米的氧化铝-氧化锆纤维。上述氧化铝/氧化锆复合纤维采用的铝源和锆源均是有机物，价格昂贵，不适合工业化生产。USP5002906A公开了一种氧化铝-氧化锆陶瓷纤维的制备方法，该方法首先使氧化铝粉体和氯化铝在30～60℃发生聚合反应，然后加入锆水溶液，搅拌均匀后经浓缩、纺丝、热处理得到氧化铝-氧化锆复合陶瓷纤维，该方法铝和锆的混合很难达到均匀，使溶胶性质不稳定；CN1379130A公开了一种氧化铝-氧化锆陶瓷纤维的制备方法，该方法以无机铝盐、锆盐及金属铝为主要原料，在回流条件下制得前驱体溶胶，加入水溶性高分子作为助纺剂，浓缩后制得丝原液，经喷吹法制得凝胶纤维(溶胶-凝胶一步法，喷吹成纤，该方法铝和锆的混合很难达到均匀，使溶胶性质不稳定)；乔健等以无机氯化铝、铝粉、碱式碳酸锆、醋酸钇和醋酸为原料，通过溶胶-凝胶法和离心纺丝技术制备了Al2O3-ZrO2(3mol％Y2O3)复合陶瓷纤维，凝胶纤维最大长度达70cm，1200℃处理后，完全转变成α-氧化铝(α-Al2O3)和四方相氧化锆(t-ZrO2)(参见：人工晶体学报2014，43，3163)，上述制备方法有铝粉的存在会产生氢气，出现溶胶不稳定的现象，需要添加晶相稳定剂。专利CN107266081A涉及一种采用挤出工艺制备氧化铝-氧化锆复合陶瓷连续纤维的方法，该方法利用含Al13胶粒的氧化铝溶胶、γ-AlOOH纳米分散液、醋酸锆、硝酸钇和聚乙烯醇(PVA)制备可纺性前驱体溶胶，采用干法纺丝技术制备凝胶纤维，经热处理得到氧化铝-氧化锆复合陶瓷连续纤维，该制备工艺的锆源为有机锆源，干法挤出连续的长纤维。现有工业化生产氧化铝/氧化锆复合纤维，需要将溶胶进行陈化一定时间，陈化过程中溶胶容易受到温度等影响，且其本身固含量较大且属于热力学不稳定体系，故需要对溶胶在甩吹成纤前的稳定性提出要求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种氧化铝-氧化锆复合短纤维的制备方法，该制备方法制备的氧化铝-氧化锆复合短纤维具有较好的稳定性。有鉴于此，本申请提供了一种氧化铝-氧化锆复合短纤维的制备方法，包括以下步骤：A)将铝粉、盐酸和水加热回流，得到聚合氯化铝溶胶；将氧氯化锆溶液和所述聚合氯化铝溶胶混合，得到锆铝凝胶；B)将醋酸溶液与所述锆铝凝胶混合解胶，得到锆铝溶液；C)将锆铝溶液和纺丝助剂的水溶液混合，蒸馏浓缩，得到锆铝复合纺丝溶液；D)将所述锆铝复合纺丝溶液陈化后甩丝成纤，得到前驱体纤维；E)将所述前驱体纤维进行热处理，得到氧化铝-氧化锆复合短纤维。优选的，步骤A)中，所述铝粉、盐酸和水的摩尔比为(1.6～2)：1：(10～30)，所述聚合氯化铝溶胶中氧化铝的含量为18wt％～25wt％，Al元素和Cl元素的摩尔比是(1.6～2.0)：1，pH为3～4；所述氧氯化锆溶液的浓度为50wt％～70wt％，氧化锆的含量为35～40wt％，所述聚合氯化铝溶胶中氧化铝和所述氧氯化锆溶液中氧化锆的质量比为(0.5～5)：1。优选的，所述醋酸溶液的浓度为30～60wt％，所述醋酸溶液中醋酸的量为所述聚合氯化铝溶胶中氧化铝和所述氧氯化锆溶液中氧化锆总质量的5～8wt％。优选的，所述纺丝助剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、部分水解的聚醋酸乙烯、聚丙烯氨、部分水解的聚丙烯氨、聚氧乙烯、羟烷基纤维素、羧烷基纤维素和聚乙烯乙二醇中的一种或多种，所述纺丝助剂的水溶液的浓度为4wt％～9wt％，所述纺丝助剂的加入量为所述聚合氯化铝溶胶中氧化铝和所述氧氯化锆溶液中氧化锆总质量的3～8wt％。优选的，所述蒸馏浓缩的温度为70～80℃，时间为2～4h。优选的，所述陈化的时间为2～5d，所述陈化后纺丝液的粘度为1500～5000mpa.s。优选的，所述甩丝的条件具体为：甩丝盘的转速为15～40Hz，风压130～160Pa，液流与风流方向的夹角为30°～50°，温度为30～70℃，相对湿度为20％～40％。优选的，所述热处理具体为：将所述前驱体纤维以5～10℃/min升温至100～150℃，再以2～5℃/min升温至150～500℃，最后在空气气氛中以1300～1400℃焙烧30～70min。本申请还提供了所述的制备方法所制备的氧化铝-氧化锆复合短纤维，其特征在于，氧化铝-氧化锆复合短纤维的平均长度为3～5cm，直径为3～5μm。优选的，所述氧化铝-氧化锆复合短纤维中氧化铝和氧化锆的质量比为(0.5～5)：1。本申请提供了一种氧化铝-氧化锆复合短纤维的制备方法，其采用无机铝源和无机锆盐作为氧化铝-氧化锆复合短纤维的原料，在制备的过程中引入了醋酸对锆铝凝胶进行解胶，即先凝胶再解胶的方式提升了溶胶纺丝液的稳定性，不需要加额外稳定助剂和晶粒抑制剂，即可制备氧化铝-氧化锆复合短纤维；进一步的，在制备的过程中，通过制备过程中相关参数的调整，进一步保证了氧化铝-氧化锆复合短纤维的稳定性。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。现有技术中氧化铝-氧化锆复合纤维的制备方法，采用有机铝源和有机锆盐制备氧化铝-氧化锆复合溶胶，价格昂贵，不适合工业化生产，而使用无机铝源和无机锆盐，采用溶胶凝胶一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铝-氧化锆复合短纤维的制备方法，包括以下步骤：/nA)将铝粉、盐酸和水加热回流，得到聚合氯化铝溶胶；将氧氯化锆溶液和所述聚合氯化铝溶胶混合，得到锆铝凝胶；/nB)将醋酸溶液与所述锆铝凝胶混合解胶，得到锆铝溶液；/nC)将锆铝溶液和纺丝助剂的水溶液混合，蒸馏浓缩，得到锆铝复合纺丝溶液；/nD)将所述锆铝复合纺丝溶液陈化后甩丝成纤，得到前驱体纤维；/nE)将所述前驱体纤维进行热处理，得到氧化铝-氧化锆复合短纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝-氧化锆复合短纤维的制备方法，包括以下步骤：
A)将铝粉、盐酸和水加热回流，得到聚合氯化铝溶胶；将氧氯化锆溶液和所述聚合氯化铝溶胶混合，得到锆铝凝胶；
B)将醋酸溶液与所述锆铝凝胶混合解胶，得到锆铝溶液；
C)将锆铝溶液和纺丝助剂的水溶液混合，蒸馏浓缩，得到锆铝复合纺丝溶液；
D)将所述锆铝复合纺丝溶液陈化后甩丝成纤，得到前驱体纤维；
E)将所述前驱体纤维进行热处理，得到氧化铝-氧化锆复合短纤维。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述铝粉、盐酸和水的摩尔比为(1.6～2)：1：(10～30)，所述聚合氯化铝溶胶中氧化铝的含量为18wt％～25wt％，Al元素和Cl元素的摩尔比是(1.6～2.0)：1，pH为3～4；所述氧氯化锆溶液的浓度为50wt％～70wt％，氧化锆的含量为35～40wt％，所述聚合氯化铝溶胶中氧化铝和所述氧氯化锆溶液中氧化锆的质量比为(0.5～5)：1。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述醋酸溶液的浓度为30～60wt％，所述醋酸溶液中醋酸的量为所述聚合氯化铝溶胶中氧化铝和所述氧氯化锆溶液中氧化锆总质量的5～8wt％。


4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝助剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、部分水解的聚醋酸乙烯、聚丙烯氨、部分水解的聚丙烯氨、聚氧乙烯、羟烷基纤维素、羧烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅超，郑维金，岳耀辉，鹿明，王成龙，
申请(专利权)人：山东鲁阳浩特高技术纤维有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37