本發(fā)明具體涉及一種晶體纖維的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對耐熱材料的耐高溫性能要求也日益增長，在過去20年中，人們開發(fā)出各種各樣的氧化物陶瓷纖維以滿足高溫工程應(yīng)用。為了響應(yīng)當(dāng)今社會提出的倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保，降低能源浪費的口號，高能耗企業(yè)選擇和應(yīng)用性能優(yōu)異的絕熱保溫材料，不僅可以降低熱工設(shè)備的輻射熱損失、提高熱效率，而且是實現(xiàn)工業(yè)熱工設(shè)備優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、低消耗和節(jié)能減排最有效的技術(shù)手段。
目前最常見的硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維等保溫性能良好的材料已經(jīng)在我國的冶金、電力、建材、石油化工等行業(yè)得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用，并取得了良好的效果。但是硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維的高使用溫度只有1100℃和1600℃，無法在更高的溫度環(huán)境中使用。陶瓷纖維組成和結(jié)構(gòu)的差異直接決定了纖維的高低溫強(qiáng)度、抗蠕變性、彈性模量等；纖維的長度決定了纖維制品的最終形式：有些纖維可紡布、可制毯、可造紙，有些纖維就不行，最終決定了不同纖維制品各自專有的應(yīng)用領(lǐng)域。
纖維類隔熱材料由于成本低、密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、比熱容小、使用操作方便，一直備受市場青睞，但有機(jī)限位隔熱材料在高溫隔熱應(yīng)用中存在耐高溫和耐火相差、易吸濕的缺陷，而無機(jī)纖維因脆性大、強(qiáng)度低、可加工變形性差而限制了其在隔熱市場的應(yīng)用。因此研究一種具有優(yōu)異柔性和強(qiáng)度的隔熱材料，并進(jìn)一步提高其隔熱性能，有十分重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有纖維板制備技術(shù)的不足，本發(fā)明公布一種晶體纖維的生產(chǎn)方法，步驟如下：
（1）制漿：將柔性二氧化硅纖維、鋁酸鎂纖維和氧化鋯連續(xù)纖維按比例配合后緩慢加入慢速攪拌的料漿池中，與所述料漿池中的結(jié)合劑溶液配制成氧化鋯纖維漿體，直至攪拌均勻； (2)真空吸濾成型：將模具置于攪拌的料漿池中，打開真空泵，通過真空吸濾，獲得形狀穩(wěn)定的纖維板濕坯； (3)煅燒：先預(yù)處理到2000℃，持續(xù)5h，再經(jīng)2000℃煅燒15h,將纖維板濕坯干燥至含水率低于0.5%，纖維板濕坯長度、寬度和厚度方向的收縮率金衛(wèi)1.10%、1.02%、1.80%。
進(jìn)一步地，步驟（1）中柔性二氧化硅纖維、鋁酸鎂纖維和氧化鋯連續(xù)纖維的質(zhì)量比為1:2:0.3。
進(jìn)一步地，所述柔性二氧化硅纖維的制備步驟如下：
1)制備硅酸四乙酯水解液：將硅酸四乙酯、去離子水、磷酸以1:12:0.01的摩爾質(zhì)量比混合在一起，在室溫條件下攪拌8h；
2)配置聚乙烯醇水溶液：將聚乙烯醇粉末加入去離子水中，勻速攪拌10min后，在80℃的溫度下加熱8h-9h,使聚乙烯醇在去離子水中充分溶解，然后停止加熱，繼續(xù)攪拌，自然冷卻至室溫；
3)將硅酸四乙酯水解液與聚乙烯醇水溶液按照1:1的質(zhì)量比混合，并在室溫下攪拌5h-7h，混合液經(jīng)過靜電紡絲裝置制得雜化納米纖維膜，靜電紡絲結(jié)束后，將纖維膜放置在90℃的真空烘箱內(nèi)烘烤1h-1.5h，去除纖維膜中附帶的水分和殘留溶劑；
4)煅燒處理：將上述纖維膜放入設(shè)置好的煅燒爐內(nèi)，煅燒爐以10℃/min的速率升溫至850℃-900℃，持續(xù)0.5h后自然冷卻至室溫，該過程將纖維膜中的聚乙烯醇和其他殘留溶劑小分子在高溫條件下斷裂分解，從而得到柔性二氧化硅纖維。
靜電紡二氧化硅纖維表面光滑、纖維直徑均勻、平均直徑為250nm，可以顯著降低熱量通過材料時的氣體傳熱，二氧化硅纖維將纖維細(xì)化到了納米級別，引進(jìn)了大量的納米結(jié)構(gòu)，材料的柔性不變，柔軟度測試由最初的50mN上升到337.6mN，柔韌性得到進(jìn)一步提高，對材料多次對折、任意扭曲而無明顯裂紋產(chǎn)生。
進(jìn)一步地，所述鋁酸鎂纖維的制備步驟如下：
①將鋁粉和無水氯化鋁按1：1的質(zhì)量比緩慢加入蒸餾水加熱到100℃，反應(yīng)2h-3h,得到無色透明的鋁溶膠；
②在上述鋁溶膠內(nèi)加入硝酸鎂或氯化鎂或乳酸鎂或檸檬酸鎂，使鋁離子與鎂離子的摩爾比保持在2:1，加入醋酸作為穩(wěn)定劑，其中鎂離子與醋酸的摩爾比為1:0.8-1.6，攪拌均勻至溶液澄清后，在80℃的條件下減壓蒸餾，得到鋁酸鎂紡絲液；其中，當(dāng)不添加醋酸時，鋁酸鎂紡絲液迅速凝膠固化，失去紡絲性能；而當(dāng)鎂離子與醋酸的摩爾比為1:2時，鎂鋁紡絲液在濃縮時會產(chǎn)生白色沉淀。破壞溶膠紡絲性能；鎂離子與醋酸的摩爾比為1:0.8-1.6時，溶膠可紡性好，放置一段時間沒有出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象，每隔一段時間進(jìn)行觀察并進(jìn)行用絲，均發(fā)現(xiàn)溶膠比較穩(wěn)定，可紡性幾乎不變，用絲質(zhì)量好。
③將鋁酸鎂紡絲液，放入熱處理裝置內(nèi)，以4℃/min-6℃/min的速度升溫至600℃，再以6℃/min-10℃/min的速度升溫至1000℃，保持2h-3h，即得到鋁酸鎂纖維。由于鋁酸鎂溶液中含有大量有機(jī)物，在有機(jī)物受熱分解過程中如果升溫速率過快，有機(jī)物迅速分解會導(dǎo)致限位結(jié)構(gòu)收縮，內(nèi)部應(yīng)力增大，從而出現(xiàn)纖維內(nèi)外分離剝落的現(xiàn)象。經(jīng)該熱處理后，纖維直徑為4-7μm，纖維長度可達(dá)12㎝以上，晶粒尺寸為23nm。
在鋁酸鎂結(jié)構(gòu)中，兩種金屬陽離子與陽離子之間以較強(qiáng)的離子鍵結(jié)合，二者靜電鍵強(qiáng)度相等，具有相當(dāng)牢固的結(jié)構(gòu)，因此鋁酸鎂晶體纖維的飽和結(jié)構(gòu)使其具有良好的抗熱震性、耐磨性、耐腐蝕性，能夠在氧化或者還原等腐蝕性氣氛中依舊具有良好的穩(wěn)定性。鋁鎂晶體纖維因其在形狀尺寸上的優(yōu)勢而同時具備了鋁鎂晶體的特性和陶瓷纖維的優(yōu)點，其比氧化鋁纖維具有更高的熔點和更穩(wěn)定的化學(xué)性能。
進(jìn)一步地，所述氧化鋯連續(xù)纖維的制備步驟如下：
a.將氧化鋯、醋酸、蒸餾水以1:2.8-4:15-25的質(zhì)量比混合，并以氧化鋯：硝酸釔=90:10的質(zhì)量比，加入相應(yīng)質(zhì)量的硝酸釔，以在65℃的溫度下抽氣攪拌反應(yīng)生成無色透明體，然后在75℃-85℃的恒溫條件下減壓蒸餾，出去溶劑，得到醋酸聚鋯紡絲液，該紡絲液性能良好、具有極好的穩(wěn)定性，長時間放置不發(fā)生凝結(jié)、沉淀現(xiàn)象；
b.將上述醋酸聚鋯紡絲液倒入甩絲罐中，在離心機(jī)轉(zhuǎn)速為16000-20000r/min的條件下，使紡絲液從孔徑為0.5mm的小孔沿水平方向高速離心甩出，然后在溫度為80℃-100℃，噴吹方向為環(huán)形向下的高速氣流噴吹下，被進(jìn)一步牽伸、固化，得到醋酸聚鋯纖維；
c.醋酸聚鋯纖維在空氣氣氛下經(jīng)熱處理工藝，同時加入氧化釔或者氧化鈣或者氧化鎂作為穩(wěn)定劑，最終得到氧化鋯連續(xù)纖維。
進(jìn)一步地，步驟中鋁溶膠中的鎂鹽為檸檬酸鎂，經(jīng)過相同熱處理機(jī)制后，檸檬酸鋁鎂晶體纖維在長度和韌性方面要高于其它鎂鹽制得的鋁鎂纖維，而且檸檬酸鋁鎂晶體纖維在熱處理后依舊保持連續(xù)長纖維狀，而其它鎂鹽制得的鋁鎂纖維則碎裂成了長度為10mm以下的短纖維。
進(jìn)一步地，步驟c中的熱處理工藝為：先以1℃/min的速率生溫至100℃，然后以0.3℃/min的速度緩慢升溫至200℃，再以1℃/min的速率升至500℃，最后以2℃/min-3℃/min的速度升至900℃，保溫2h-2.5h，該階段升溫速率不宜過快，否則有機(jī)物分解脫出劇烈，產(chǎn)生較多的氣孔和裂紋，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度降低，該熱處理工藝減少熱分解和結(jié)晶等反應(yīng)帶來的結(jié)構(gòu)破壞，同時盡可能的節(jié)約時間。
進(jìn)一步地，步驟c中的穩(wěn)定劑采用氧化釔。
本發(fā)明的有益效果在于：
1.本發(fā)明公開的晶體纖維由三種不同比例的晶體纖維合成，不僅保留了原有晶體纖維自身的優(yōu)點，并且進(jìn)一步增強(qiáng)了合成纖維的隔熱性能，穩(wěn)定性和耐熱性能。
2.柔性二氧化硅纖維使合成晶體纖維具備較好的柔韌性和曲面貼合性能，能夠?qū)⒑铣删w纖維制成不同的形狀包覆在熱源或者被防護(hù)物體表面，同時提高晶體合成纖維的重復(fù)利用率，延長其使用壽命，有效地避免了無機(jī)纖維的脆性對隔熱效果的影響。
3.鋁酸鎂纖維晶粒細(xì)小，晶粒之間堆積緊密，無明顯孔隙，具有密度高硬度優(yōu)的特點，使得合成晶體纖維內(nèi)部排列緊密，抗壓強(qiáng)度增大，在高溫條件下收縮率較小，不易發(fā)生斷裂。
4.氧化鋯連續(xù)纖維具有更高的抗拉強(qiáng)度，高達(dá)2GPa，熔點高達(dá)2750℃，使該合成晶體纖維能夠在2500℃的溫度下仍然保持完整的纖維狀態(tài)，增強(qiáng)耐燒蝕隔熱性能。
具體實施方式
對本發(fā)明一種晶體纖維的生產(chǎn)方法的實施方式做進(jìn)一步說明：
實施例一
本發(fā)明公布一種晶體纖維的生產(chǎn)方法，步驟如下：
（1）制漿：將柔性二氧化硅纖維、鋁酸鎂纖維和氧化鋯連續(xù)纖維按比例配合后緩慢加入慢速攪拌的料漿池中，與所述料漿池中的結(jié)合劑溶液配制成氧化鋯纖維漿體，直至攪拌均勻； (2)真空吸濾成型：將模具置于攪拌的料漿池中，打開真空泵，通過真空吸濾，獲得形狀穩(wěn)定的纖維板濕坯； (3)煅燒：先預(yù)處理到2000℃，持續(xù)5h，再經(jīng)2000℃煅燒15h,將纖維板濕坯干燥至含水率低于0.5%，纖維板濕坯長度、寬度和厚度方向的收縮率分別為1.10%、1.02%、1.80%。
進(jìn)一步地，步驟（1）中柔性二氧化硅纖維、鋁酸鎂纖維和氧化鋯連續(xù)纖維的質(zhì)量比為1:2:0.3。
其中，所述柔性二氧化硅纖維的制備步驟如下：
1)制備硅酸四乙酯水解液：將硅酸四乙酯、去離子水、磷酸以1:12:0.01的摩爾質(zhì)量比混合在一起，在室溫條件下攪拌8h；
2)配置聚乙烯醇水溶液：將聚乙烯醇粉末加入去離子水中，勻速攪拌10min后，在80℃的溫度下加熱8h-9h,使聚乙烯醇在去離子水中充分溶解，然后停止加熱，繼續(xù)攪拌，自然冷卻至室溫；
3)將硅酸四乙酯水解液與聚乙烯醇水溶液按照1:1的質(zhì)量比混合，并在室溫下攪拌5h-7h，混合液經(jīng)過靜電紡絲裝置制得雜化納米纖維膜，靜電紡絲結(jié)束后，將纖維膜放置在90℃的真空烘箱內(nèi)烘烤1h-1.5h，去除纖維膜中附帶的水分和殘留溶劑；
4)煅燒處理：將上述纖維膜放入設(shè)置好的煅燒爐內(nèi)，煅燒爐以10℃/min的速率升溫至850℃-900℃，持續(xù)0.5h后自然冷卻至室溫，該過程將纖維膜中的聚乙烯醇和其他殘留溶劑小分子在高溫條件下斷裂分解，從而得到柔性二氧化硅纖維。
靜電紡二氧化硅纖維表面光滑、纖維直徑均勻、平均直徑為250nm，可以顯著降低熱量通過材料時的氣體傳熱，二氧化硅纖維將纖維細(xì)化到了納米級別，引進(jìn)了大量的納米結(jié)構(gòu)，材料的柔性不變，柔軟度測試由最初的50mN上升到337.6mN，柔韌性得到進(jìn)一步提高，對材料多次對折、任意扭曲而無明顯裂紋產(chǎn)生。
另外，所述鋁酸鎂纖維的制備步驟如下：
①將鋁粉和無水氯化鋁按1：1的質(zhì)量比緩慢加入蒸餾水加熱到100℃，反應(yīng)2h-3h,得到無色透明的鋁溶膠；
②在上述鋁溶膠內(nèi)加入硝酸鎂或氯化鎂或乳酸鎂或檸檬酸鎂，使鋁離子與鎂離子的摩爾比保持在2:1，加入醋酸作為穩(wěn)定劑，其中鎂離子與醋酸的摩爾比為1:0.8-1.6，攪拌均勻至溶液澄清后，在80℃的條件下減壓蒸餾，得到鋁酸鎂紡絲液；其中，當(dāng)不添加醋酸時，鋁酸鎂紡絲液迅速凝膠固化，失去紡絲性能；而當(dāng)鎂離子與醋酸的摩爾比為1:2時，鎂鋁紡絲液在濃縮時會產(chǎn)生白色沉淀。破壞溶膠紡絲性能；鎂離子與醋酸的摩爾比為1:0.8-1.6時，溶膠可紡性好，放置一段時間沒有出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象，每隔一段時間進(jìn)行觀察并進(jìn)行用絲，均發(fā)現(xiàn)溶膠比較穩(wěn)定，可紡性幾乎不變，用絲質(zhì)量好。
③將鋁酸鎂紡絲液，放入熱處理裝置內(nèi)，以4℃/min-6℃/min的速度升溫至600℃，再以6℃/min-10℃/min的速度升溫至1000℃，保持2h-3h，即得到鋁酸鎂纖維。由于鋁酸鎂溶液中含有大量有機(jī)物，在有機(jī)物受熱分解過程中如果升溫速率過快，有機(jī)物迅速分解會導(dǎo)致限位結(jié)構(gòu)收縮，內(nèi)部應(yīng)力增大，從而出現(xiàn)纖維內(nèi)外分離剝落的現(xiàn)象。經(jīng)該熱處理后，纖維直徑為4-7μm，纖維長度可達(dá)12㎝以上，晶粒尺寸為23nm。
在鋁酸鎂結(jié)構(gòu)中，兩種金屬陽離子與陽離子之間以較強(qiáng)的離子鍵結(jié)合，二者靜電鍵強(qiáng)度相等，具有相當(dāng)牢固的結(jié)構(gòu)，因此鋁酸鎂晶體纖維的飽和結(jié)構(gòu)使其具有良好的抗熱震性、耐磨性、耐腐蝕性，能夠在氧化或者還原等腐蝕性氣氛中依舊具有良好的穩(wěn)定性。鋁鎂晶體纖維因其在形狀尺寸上的優(yōu)勢而同時具備了鋁鎂晶體的特性和陶瓷纖維的優(yōu)點，其比氧化鋁纖維具有更高的熔點和更穩(wěn)定的化學(xué)性能。
同時，所述氧化鋯連續(xù)纖維的制備步驟如下：
a.將氧化鋯、醋酸、蒸餾水以1:2.8-4:15-25的質(zhì)量比混合，并以氧化鋯：硝酸釔=90:10的質(zhì)量比，加入相應(yīng)質(zhì)量的硝酸釔，以在65℃的溫度下抽氣攪拌反應(yīng)生成無色透明體，然后在75℃-85℃的恒溫條件下減壓蒸餾，出去溶劑，得到醋酸聚鋯紡絲液，該紡絲液性能良好、具有極好的穩(wěn)定性，長時間放置不發(fā)生凝結(jié)、沉淀現(xiàn)象；
b.將上述醋酸聚鋯紡絲液倒入甩絲罐中，在離心機(jī)轉(zhuǎn)速為16000-20000r/min的條件下，使紡絲液從孔徑為0.5mm的小孔沿水平方向高速離心甩出，然后在溫度為80℃-100℃，噴吹方向為環(huán)形向下的高速氣流噴吹下，被進(jìn)一步牽伸、固化，得到醋酸聚鋯纖維；
c.醋酸聚鋯纖維在空氣氣氛下經(jīng)熱處理工藝，同時加入氧化釔或者氧化鈣或者氧化鎂作為穩(wěn)定劑，最終得到氧化鋯連續(xù)纖維。
進(jìn)一步地，步驟中鋁溶膠中的鎂鹽為檸檬酸鎂，經(jīng)過相同熱處理機(jī)制后，檸檬酸鋁鎂晶體纖維在長度和韌性方面要高于其它鎂鹽制得的鋁鎂纖維，而且檸檬酸鋁鎂晶體纖維在熱處理后依舊保持連續(xù)長纖維狀，而其它鎂鹽制得的鋁鎂纖維則碎裂成了長度為10mm以下的短纖維。
進(jìn)一步地，步驟c中的熱處理工藝為：先以1℃/min的速率生溫至100℃，然后以0.3℃/min的速度緩慢升溫至200℃，再以1℃/min的速率升至500℃，最后以2℃/min-3℃/min的速度升至900℃，保溫2h-2.5h，該階段升溫速率不宜過快，否則有機(jī)物分解脫出劇烈，產(chǎn)生較多的氣孔和裂紋，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度降低，該熱處理工藝減少熱分解和結(jié)晶等反應(yīng)帶來的結(jié)構(gòu)破壞，同時盡可能的節(jié)約時間。
進(jìn)一步地，步驟c中的穩(wěn)定劑采用氧化釔。
實施例二
同實施例一所述，不同之處在于將100克柔性二氧化硅纖維、200克鋁酸鎂纖維和30克氧化鋯連續(xù)纖維，使用切絲機(jī)短切至1mm，然后置于料漿池，所制得的晶體纖維的性能如下：容重300kg/m3，熱導(dǎo)率為0.21W/mK，收縮率在1650℃×24h條件下為0.03%，2100℃×10h條件下為0.15％。
實施例三
同實施例一所述，不同之處在于煅燒時，先將纖維板濕坯預(yù)處理到2100℃，持續(xù)5h，再經(jīng)2100℃煅燒15h,將纖維板濕坯干燥至含水率低于0.5%，纖維板濕坯長度、寬度和厚度方向的收縮率分別為1.25%、1.12%、1.95%。
實施例四
同實施例一所述，不同之處在于煅燒時，先將纖維板濕坯預(yù)處理到1900℃，持續(xù)5h，再經(jīng)1900℃煅燒15h,將纖維板濕坯干燥至含水率低于0.5%，纖維板濕坯長度、寬度和厚度方向的收縮率分別為1.15%、1.10%、1.90%。