專利名稱：一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)纖維的制備方法，具體地說(shuō)涉及一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法。
本世紀(jì)二十年代E型玻璃纖維的問(wèn)世及其作為增強(qiáng)材料在金屬和樹脂基復(fù)合材料中獲得成功應(yīng)用以來(lái)，眾多高性能陶瓷纖維如氧化鋁基、碳化硅、氮化硅及硼纖維等相繼問(wèn)世并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。將這些纖維以一定的比例引入到陶瓷、聚合物及金屬材料中可賦予材料新的優(yōu)異性能，能夠滿足某些苛刻條件下的使用要求。
近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的耐高溫性能提出了越來(lái)越高的要求，如材料在航空航天推進(jìn)器領(lǐng)域中的使用溫度通常在1370℃以上；先進(jìn)高溫氣輪機(jī)的工作溫度在1300℃以上，且隨著工作溫度升高，熱機(jī)效率會(huì)大大提高。但研究表明，當(dāng)長(zhǎng)期使用溫度在1200℃以上時(shí)，現(xiàn)有商品化的陶瓷纖維均不能滿足復(fù)合材料增強(qiáng)的要求。因此，迫切需要開發(fā)研制新型耐高溫纖維。九十年代中期鋁酸釔纖維(Y3Al5O12，YAG)的問(wèn)世在材料界引起強(qiáng)烈反響。研究發(fā)現(xiàn)，鋁酸釔纖維不僅具有高強(qiáng)度、抗氧化、抗蠕變性能及低的電導(dǎo)率，在25-1400℃范圍內(nèi)，還具有恒定的斷裂應(yīng)力，可廣泛用作絕熱耐火材料和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料。
目前，國(guó)外一些公司和大學(xué)正在進(jìn)行YAG纖維的研制工作，但大多存在制備步驟繁瑣或晶化溫度高等問(wèn)題。如Liu等人(J.Am.Ceram.Soc.，81[3]629-45(1998)以金屬有機(jī)化合物如異丁酸鋁+異丁酸釔或醋酸釔+甲酸鋁為原料制備YAG纖維時(shí)，原料需要在氯化汞催化劑的作用下來(lái)合成，并且還需要加入助溶劑和穩(wěn)定劑等，操作方法繁瑣，成本較高。而King等人(J.Am.Ceram.Soc.，78[8] 2141-48(1995)采用商業(yè)化的鋁溶膠、釔溶膠和水溶性聚合物為原料制備多晶YAG時(shí)，高溫下常件隨其它晶相的形成，只有當(dāng)焙燒溫度達(dá)到1400℃以上才能得到純相YAG。
本發(fā)明的目的是提供一種步驟簡(jiǎn)單，晶化溫度低的制備多晶鋁酸釔纖維的方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的采用無(wú)機(jī)釔鹽和鋁為基本原料，以水作溶劑，在一定量有機(jī)酸的催化下，制得均勻穩(wěn)定的鋁釔溶膠，然后將已加入適當(dāng)高分子助紡劑的膠體濃縮成具有一定流變性能的紡絲原液，最后經(jīng)噴吹法得到凝膠纖維。凝膠纖維經(jīng)低溫干燥、中溫水、熱處理和高溫焙燒，最終制得多晶鋁酸釔纖維。
本發(fā)明的制備方法具體步驟如下(1)按如下摩爾比有機(jī)酸∶蒸餾水∶鋁∶釔離子＝1.0～3.5∶25～120∶1.67∶1將無(wú)機(jī)釔鹽溶于蒸餾水，待完全溶解后加入純度為98.5％～99.99％的金屬鋁，然后再加入有機(jī)酸，在溫度為80℃～100℃下攪拌回流48-96小時(shí)，過(guò)濾得到無(wú)色透明的釔鋁溶膠；(2)以鋁酸釔固體含量為基準(zhǔn)，向步驟(1)得到的釔鋁溶膠中加入0.1-20wt％的水溶性有機(jī)高分子聚合物，再加入0.05～1.0wt％的消泡劑，在50℃下加熱濃縮，得到粘度為3～8泊(溫度為20℃)的微黃紡絲液；(3)將上述紡絲液倒入液料罐中，控制氣壓為0.02～0.3Mpa，液壓為0.01～0.1Mpa，保持液流方向與氣流方向成20～60°，于15～40℃和相對(duì)濕度為60％-85％時(shí)噴吹出直徑在2～8μm的光亮無(wú)渣球的纖維原絲；(4)將上述原絲在100℃和200℃分別脫去吸附水和部分有機(jī)物，然后在200～400℃間以0.15～0.5ml/min通入預(yù)熱的水蒸氣，恒溫20～40分鐘，得到白色纖維，最后在900℃下焙燒2～3小時(shí)，得到潔白柔軟的多晶鋁酸釔纖維。
上述的有機(jī)酸可以是甲酸、冰乙酸、乙二酸或檸檬酸。
上述的無(wú)機(jī)釔鹽可以是硝酸釔或氯酸釔。
上述的金屬鋁是純度為98.5～99.99％的鋁粉、鋁?；蜾X片。
上述的水溶性有機(jī)高分子聚合物可以是聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚乙二醇。
上述的消泡劑是C2～C6醇。
上述步驟(1)中原料摩爾比最好為有機(jī)酸∶蒸餾水∶鋁∶釔離子＝1.5～2.5∶50～100∶1.67∶1。
本發(fā)明與現(xiàn)有的制備方法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.原料價(jià)廉易得，紡絲液配制及纖維噴吹工藝簡(jiǎn)單。
2.該方法制得的纖維無(wú)渣球，直徑均勻且柔軟亮澤。
本發(fā)明的實(shí)施例如下

圖1為本發(fā)明的纖維原絲掃描電鏡照片。
圖2為本發(fā)明的多晶鋁酸釔掃描電鏡照片(900℃下焙燒2小時(shí))。
實(shí)施例1
(1)聚137.9g Y(NO3)3·6H2O(A.R)溶于450ml蒸餾水，待完全溶解后倒入加有16.2g純度為99.99％的金屬鋁片的三頸燒瓶中，然后再加入35ml冰乙酸，于100℃攪拌下回流72小時(shí)，過(guò)濾得到無(wú)色透明的釔鋁溶液；(2)向上述膠體中加入分子量為60萬(wàn)的聚氧化乙烯0.9g，再加入0.3g消泡劑異丁醇，于50℃下加熱濃縮，得到粘度為5泊(20℃)的微黃紡絲液；(3)將上述紡絲液倒入液料罐中，控制氣壓為1Kg/cm2，液壓為0.02Kg/cm2，保持液流方向與氣流方向成約30°，于室溫(22℃)和相對(duì)濕度為75％時(shí)噴吹出直徑在3-6μm的光亮無(wú)渣球的纖維原絲(圖1)；(4)將上述原絲首先在100℃和200℃分別脫去吸附水和部分有機(jī)物，然后在200～400℃間以0.2ml/min通入預(yù)熱的水蒸氣，恒溫20分鐘，得到白色纖維，最后在空氣中900℃下焙燒2小時(shí)，得到潔白柔軟的多晶YAG(圖2)。
實(shí)施例2向?qū)嵤├?制得的膠體中加入分子量為60萬(wàn)的聚氧化乙烯1.8g及0.6g異丁醇，然后按實(shí)施例1相同的方法處理纖維，但高溫焙燒溫度為1000℃，得到均勻柔軟的YAG纖維。
實(shí)施例3將實(shí)施例1制得的纖維原絲在100℃和200℃分別脫去吸附水和部分有機(jī)物，然后在200～350℃間以0.25ml/min通入預(yù)熱的水蒸氣，恒溫30分鐘，得到白色纖維，最后在空氣中900℃下焙燒2小時(shí)，得到潔白柔軟的多晶YAG。
實(shí)施例4聚137.9g Y(NO3)3·6H2O(A.R)溶于450ml蒸餾水，待完全溶解后倒入加有16.2g純度為99.99％的金屬鋁片的三頸燒瓶中，然后再加入45ml冰乙酸，于100℃攪拌下回流約72小時(shí)，過(guò)濾得到無(wú)色透明的釔鋁溶液；然后按實(shí)施例1完全相同的方法步驟，制備出潔白、光澤的YAG纖維。
實(shí)施例5向?qū)嵤├?制得的膠體中加入分子量為30萬(wàn)的聚氧化乙烯4.5g和1.2g異丁醇，于55℃下濃縮成粘度為4泊的紡絲原液，然后按實(shí)施例1相同的步驟制備出光亮柔軟的YAG纖維。
權(quán)利要求
1.一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法，其特征在于步驟如下(1)按如下摩爾比有機(jī)酸∶蒸餾水∶鋁∶釔離子＝1.0～3.5∶25～120∶1.67∶1將無(wú)機(jī)釔鹽溶于蒸餾水，待完全溶解后加入純度為98.5％～99.99％的金屬鋁，然后再加入有機(jī)酸，在溫度為80℃～100℃下攪拌回流48-96小時(shí)，過(guò)濾得到無(wú)色透明的釔鋁溶膠；(2)以鋁酸釔固體含量為基準(zhǔn)，向步驟(1)得到的釔鋁溶膠中加入0.1-20wt％的水溶性有機(jī)高分子聚合物，再加入0.05～1.0wt％的消泡劑，在50℃下加熱濃縮，得到粘度為3～8泊(溫度為20℃)的微黃紡絲液；(3)將上述紡絲液倒入液料罐中，控制氣壓為0.02～0.3Mpa，液壓為0.01～0.1Mpa，保持液流方向與氣流方向成20～60°，于15～40℃和相對(duì)濕度為60％-85％時(shí)噴吹出直徑在2～8μm的光亮無(wú)渣球的纖維原絲；(4)將上述原絲在100℃和200℃分別脫去吸附水和部分有機(jī)物，然后在200～400℃間以0.15～0.5ml/min通入預(yù)熱的水蒸氣，恒溫20～40分鐘，得到白色纖維，最后在900℃下焙燒2～3小時(shí)，得到潔白柔軟的多晶鋁酸釔纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)酸是甲酸、冰乙酸、乙二酸或檸檬酸。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法，其特征在于所述的無(wú)機(jī)釔鹽是硝酸釔或氯酸釔。
4.如權(quán)利要求1所述的一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法，其特征在于所述的金屬鋁是純度為98.5～99.99％的鋁粉、鋁粒或鋁片。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法，其特征在于所述的水溶性有機(jī)高分子聚合物是聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚乙二醇。
6.如權(quán)利要求1所述的一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法，其特征在于所述的消泡劑是C2～C6醇。
7.如權(quán)利要求1所述的一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法，其特征在于所述的步驟(1)中原料摩爾比為有機(jī)酸∶蒸餾水∶鋁∶釔離子＝1.5～2.5∶50～100∶1.67∶1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶鋁酸釔纖維的制備方法,采用無(wú)機(jī)釔鹽和鋁為基本原料,以水作溶劑,在一定量有機(jī)酸的催化下,制得均勻穩(wěn)定的鋁釔溶膠,然后將已加入適當(dāng)高分子助紡劑的膠體濃縮成具有一定流變性能的紡絲原液,最后經(jīng)噴吹法得到凝膠纖維。凝膠纖維經(jīng)低溫干燥、中溫水、熱處理和高溫焙燒,最終制得多晶鋁酸釔纖維。該方法原料價(jià)廉易得,紡絲液配制及纖維噴吹工藝簡(jiǎn)單,制得的纖維無(wú)渣球,直徑均勻且柔軟亮澤。
文檔編號(hào)D01F9/08GK1377997SQ0111227
公開日2002年11月6日 申請(qǐng)日期2001年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月3日
發(fā)明者王心葵, 王浩靜, 董文生, 路清梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所