一種可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維的輔助制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維的輔助制備工藝，其特征在于：將氧化鋯納米粉體與Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體混合，獲得復(fù)合氧化鋯納米粉體，在其中加入淀粉和水，攪拌后再加入聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液得漿體，漿體加壓加溫，采用螺旋噴嘴噴射成絲，經(jīng)大分子聚合液浴，風(fēng)冷后卷繞，得到氧化鋯長連續(xù)纖維。本發(fā)明工藝簡單且制備過程中不含復(fù)雜的化學(xué)工藝，成本較低，產(chǎn)品合格率高。
【專利說明】一種可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維的輔助制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鋯(ZrO2)長連續(xù)纖維的輔助制備工藝，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋯(ZrO2)連續(xù)纖維在航天和其它特殊領(lǐng)域有重要應(yīng)用需求，如用于航天飛機前錐體和翼前緣、發(fā)動機喉部、內(nèi)襯及噴管、貴金屬熔煉爐、原子能反應(yīng)堆、磁流體發(fā)電隔熱、熱離子、感應(yīng)爐、微波燒結(jié)等超高溫隔熱材料。
[0003]通常將長度大于Im的氧化鋯纖維稱為氧化鋯長連續(xù)纖維。國際上制備氧化鋯連續(xù)纖維的方法基本為前驅(qū)體法。其中溶液浸潰法得到的纖維結(jié)構(gòu)相對疏松，強度較低。有機聚鋯法有副產(chǎn)品伴生，回收處理繁瑣。溶膠-凝膠法的工藝復(fù)雜，溶膠配比要求極高，醇鹽價格昂貴。噴吹法紡絲只能得到短纖維。中國建筑材料科學(xué)研究總院的何順愛以超細部分穩(wěn)定氧化鋯微粉制備的水基泥漿為原材料，通過擠出-聚凝成型工藝制備了氧化鋯陶瓷纖維，但固相含量高時纖維較粗，固相含量低時容易粉化，難以形成長連續(xù)纖維。
[0004]自20世紀(jì)60年代末，美國聯(lián)合碳化物公司(Un1n Carbide Corporat1n)首先研制成功氧化鋯(ZrO2)纖維，制品涉及短纖維、定長纖維、纖維氈、纖維織物、纖維板、筒及異型制品等，除用于空間技術(shù)和高【技術(shù)領(lǐng)域】外，還廣泛用于機械、電子、冶金、化工等高溫領(lǐng)域。日本品川耐火材料公司于1986年研制成功氧化鋯纖維材料，其產(chǎn)品主要用于各種超高溫設(shè)備的隔熱材料，使用溫度可達1800°C。國內(nèi)洛陽耐火材料研究院、山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院、山東大學(xué)、南京理工大學(xué)、東華大學(xué)都曾進行過氧化鋯纖維的研究工作，取得了一定進展，但由于過分追求可紡性，加之無機纖維的不可拉伸性，其可織性及晶化后的力學(xué)性能仍有待改進。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明是為了避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維的制備方法，以期在簡化制備工藝、降低工藝成本的同時獲得質(zhì)量可靠、力學(xué)性能好的產(chǎn)品O
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明涉及可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維的輔助制備工藝，其特點在于按如下步驟進行:
[0008](I)將氧化錯納米粉體與Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體混合,獲得復(fù)合氧化鋯納米粉體；
[0009](2)在攪拌作用下將淀粉與所述復(fù)合氧化鋯納米粉體混入去離子水中，攪拌30min-60min,獲得前驅(qū)體；所述淀粉質(zhì)量為復(fù)合氧化錯納米粉體質(zhì)量的8-15%,所述水的體積為淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體總體積的8-12倍；
[0010](3)在所述前驅(qū)體中加入10-50VOl%的聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液，獲得粘度為5-10Pa-s的漿體；所述聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇醋酸混合溶液中聚乙烯醇為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的5-7 %，醋酸為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的2-3 %，所述聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液的溶劑為水；
[0011](4)將所述漿體過300目濾板后加壓加溫，然后采用螺旋噴嘴噴射成絲，經(jīng)大分子聚合液浴，風(fēng)冷后卷繞，得到氧化鋯長連續(xù)纖維。
[0012]步驟(I)所述復(fù)合氧化錯納米粉體中氧化錯納米粉體、Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體的摩爾比為l-x-y-z:x:y:z，其中x為0.05-0.07，y為0.02-0.03，z為0.005-0.015。
[0013]步驟(2)中所述淀粉包括直鏈淀粉和支鏈淀粉，其中直鏈淀粉占淀粉總質(zhì)量的60-80%，支鏈淀粉占淀粉總質(zhì)量的20% -40%。
[0014]步驟⑷所述加溫加壓是:加壓至50_200MPa，加溫至35_85°C。
[0015]步驟(4)所述大分子聚合液為聚胺基葡萄糖溶液、聚乙烯醇溶液、甲殼素溶液、聚丙烯腈溶液中的一種或幾種的混合。溶劑優(yōu)選為二甲基乙酰胺，各溶液濃度優(yōu)選為8_18Pa.S0
[0016]本發(fā)明所用的噴射裝置為螺旋噴嘴，其功能在于形成核殼結(jié)構(gòu)的同時得到多股旋扭絲。
[0017]本發(fā)明的另一特征為:產(chǎn)物氧化鋯長連續(xù)纖維采用兩步熱處理方式進行晶化，經(jīng)16000C -1700°C燒結(jié)2-3h并于1150°C _1250°C熱處理2_4h，通過控制升溫速率，得到具有特殊相組成的纖維晶體。晶化后的氧化鋯長連續(xù)纖維仍具有良好的柔韌性，無粉化現(xiàn)象，且不會出現(xiàn)水化。
[0018]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0019]本發(fā)明中采取的四元納米粉體原料體系，屬干-濕法相結(jié)合的成絲工藝，在長連續(xù)纖維的制備過程中，沒有副產(chǎn)物生成。合理改變原料及淀粉的混合比例，采用特殊噴射裝置，精細其它工藝流程參數(shù)，即能得到超長氧化鋯連續(xù)纖維，工藝流程簡單且制備過程中不含復(fù)雜的化學(xué)合成工藝，成本較低，產(chǎn)品合格率高；通過本發(fā)明方法制備的氧化鋯長連續(xù)纖維在晶化后具有良好的柔韌性，無粉化現(xiàn)象，且不會出現(xiàn)水化。
具體實施例
[0020]實施例1
[0021]本實施例采用如下方式制備可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維:
[0022](I)將氧化鋯納米粉體與Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體按摩爾比0.925:0.05:0.02:0.005 混合，獲得復(fù)合氧化鋯納米粉體(ZrO2) 0.925- (Y2O3) 0.05- (Al2O3) 0.005-(MgO) 0.02 ；
[0023](2)在攪拌作用下將淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體混入去離子水中，攪拌45min，獲得前驅(qū)體；淀粉質(zhì)量為復(fù)合氧化鋯納米粉體質(zhì)量的10%，水的體積為淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體總體積的8倍；淀粉中直鏈淀粉質(zhì)量占60%，支鏈淀粉質(zhì)量占40% ；
[0024](3)在前驅(qū)體中加入15Vol%的聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液，獲得粘度為5Pa-s的漿體；聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇醋酸混合溶液中聚乙烯醇為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的5%，醋酸為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的2 %，聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液的溶劑為水；
[0025](4)將漿體過300目濾板后加壓加溫至100Mpa、60°C，然后采用螺旋噴嘴噴射成絲，經(jīng)大分子聚合液浴，風(fēng)冷后卷繞，得到氧化鋯長連續(xù)纖維。大分子聚合液為濃度為1Pa.s的聚胺基葡萄糖溶液，溶劑是二甲基乙酰胺。
[0026]本實施例所得氧化鋯長連續(xù)纖維的單束直徑約15 μ m，拉伸強度約300Mpa。
[0027]本實施例所得樣品經(jīng)1600°C溫度燒結(jié)3h，再經(jīng)1200°C熱處理2h后晶化。晶化后纖維的平均拉伸強度約為500Mpa。
[0028]實施例2
[0029]本實施例采用如下方式制備可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維:
[0030](I)將氧化鋯納米粉體與Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體按原子量比 0.905:0.06:0.025:0.01 混合，獲得復(fù)合氧化鋯納米粉體(ZrO2)a 905-(Y2O3)tl06-(Al2O3)a01- (MgO) 0.025 ;
[0031](2)在攪拌作用下將淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體混入去離子水中，攪拌60min，獲得前驅(qū)體；淀粉質(zhì)量為復(fù)合氧化鋯納米粉體質(zhì)量的13%，水的體積為淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體總體積的10倍；淀粉中直鏈淀粉質(zhì)量占70%，支鏈淀粉質(zhì)量占30% ；
[0032](3)在前驅(qū)體中加入30vol %的聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液，獲得粘度為8Pa-s的漿體；聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇醋酸混合溶液中聚乙烯醇為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的6%，醋酸為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的2 %，聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液的溶劑為水；
[0033](4)將漿體過300目濾板后加壓加溫至85Mpa、70°C，然后采用螺旋噴嘴噴射成絲，經(jīng)大分子聚合液浴，風(fēng)冷后卷繞，得到氧化鋯長連續(xù)纖維。大分子聚合液為濃度為15Pa.s的聚乙烯醇與聚丙烯腈的混合溶液，溶劑是二甲基乙酰胺。
[0034]本實施例所得氧化鋯長連續(xù)纖維的單束直徑約14 μ m,拉伸強度約330Mpa。
[0035]本實施例所得樣品經(jīng)1650°C溫度燒結(jié)2h，再經(jīng)1150°C熱處理2h后晶化。晶化后纖維的平均拉伸強度約為630Mpa。
[0036]實施例3
[0037]本實施例采用如下方式制備可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維:
[0038](I)將氧化鋯納米粉體與Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體按原子量比 0.885:0.07:0.03:0.015 混合，獲得復(fù)合氧化鋯納米粉體(ZrO2)a 885-(Y2O3)a07-(Al2O3)a0
15_ (MgO) 0.03 ；
[0039](2)在攪拌作用下將淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體混入去離子水中，攪拌60min，獲得前驅(qū)體；淀粉質(zhì)量為復(fù)合氧化鋯納米粉體質(zhì)量的15%，水的體積為淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體總體積的12倍；淀粉中直鏈淀粉質(zhì)量占80%，支鏈淀粉質(zhì)量占20% ；
[0040](3)在前驅(qū)體中加入45vol %的聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液，獲得粘度為1Pa.s的漿體；聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇醋酸混合溶液中聚乙烯醇為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的6 %，醋酸為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的3 %，聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液的溶劑為水；
[0041](4)將漿體過300目濾板后加壓加溫至150Mpa、60°C，然后采用螺旋噴嘴噴射成絲，經(jīng)大分子聚合液浴，風(fēng)冷后卷繞，得到氧化鋯長連續(xù)纖維。大分子聚合液為濃度為15Pa.s的聚乙烯醇與聚丙烯腈、聚胺基葡萄糖的混合溶液，溶劑是二甲基乙酰胺。
[0042]本實施例所得氧化鋯長連續(xù)纖維的單束直徑約14 μ m，拉伸強度約380Mpa。
[0043]本實施例所得樣品經(jīng)1700°C溫度燒結(jié)3h，再經(jīng)1250°C熱處理4h后晶化。晶化后纖維的平均拉伸強度約為550Mpa。
【權(quán)利要求】
1.一種可紡可織氧化鋯長連續(xù)纖維的輔助制備工藝，其特征在于按如下步驟進行: (1)將氧化鋯納米粉體與Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體混合，獲得復(fù)合氧化鋯納米粉體； (2)在攪拌作用下將淀粉與所述復(fù)合氧化鋯納米粉體混入去離子水中，攪拌30min-60min,獲得前驅(qū)體；所述淀粉質(zhì)量為復(fù)合氧化錯納米粉體質(zhì)量的8-15%,所述水的體積為淀粉與復(fù)合氧化鋯納米粉體總體積的8-12倍； (3)在所述前驅(qū)體中加入10-50VOl%的聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液，獲得粘度為5-10Pa.s的漿體；所述聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇醋酸混合溶液中聚乙烯醇為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的5-7%，醋酸為聚胺基葡萄糖質(zhì)量的2-3%，所述聚胺基葡萄糖-聚乙烯醇-醋酸混合溶液的溶劑為水； (4)將所述漿體過300目濾板后加壓加溫，然后采用螺旋噴嘴噴射成絲，經(jīng)大分子聚合液浴，風(fēng)冷后卷繞，得到氧化鋯長連續(xù)纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于:所述復(fù)合氧化鋯納米粉體中氧化鋯納米粉體、Y2O3納米粉體、MgO納米粉體及Al2O3納米粉體的摩爾比為l-x-y-z:x:y:z,其中X 為 0.05-0.07，y 為 0.02-0.03，z 為 0.005-0.015。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于: 所述淀粉包括直鏈淀粉和支鏈淀粉，其中直鏈淀粉占淀粉總質(zhì)量的60-80%，支鏈淀粉占淀粉總質(zhì)量的20% -40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于: 步驟(4)所述加溫加壓是:加壓至50-200MPa，加溫至35_85°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于: 所述大分子聚合液為濃度在8-18Pa-s的聚胺基葡萄糖溶液、聚乙烯醇溶液、甲殼素溶液、聚丙烯腈溶液中的一種或幾種的混合。
【文檔編號】D01D5/06GK104357954SQ201410545076
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】胡永剛, 趙玉寶, 肖建中 申請人:南華大學(xué)