专利名称：一种莫来石纤维的制备方法
技术领域：
本发明涉及高温耐火纤维制备技术领域，特别涉及一种绿色低成本莫来石纤维的制备方法。
背景技术：
莫来石纤维是高温技术领域的一类高技术基础材料，因具有一系列的优异性能， 包括高熔点(1850°C )、优良的高温抗蠕变性能、优异的高温强度、电绝缘性和化学稳定性，低热传导率和热膨胀系数(5. 3X10_6K)，以及优良的抗腐蚀性和高剪切模量，在国民经济发展中作用十分突出，与钢铁、有色金属、建材、能源及新技术产业的发展息息相关，是这类行业节能降耗的重要保障。因此，莫来石纤维自问世以来作为一种轻质耐高温材料越来越受到重视。在发达国家，耐火材料总产值约占国民经济中产值的O. 1%，市场前景非常广阔。随着科学技术水平的不断提高，工业现代化进程的加快，高性能莫来石纤维的应用不再局限于传统的窑炉及热工设备上，其在国防及高技术领域将有着更广阔的应用，而且市场容量超过传统行业的需求量。如在航天领域的应用美国国家航天局(NASA)采用轻型纤维瓦解决了航天飞机系统中的隔热系统问题；在汽车行业的应用由于经过莫来石纤维增强的铝镁合金具有优良的力学性能，已在汽车发动机活塞部件上成功应用。2010年我国汽车产量超过1800万辆，按每套活塞连杆使用O. 2Kg增强纤维计算，仅此一项陶瓷纤维用量即可达到3600吨。目前，在莫来石纤维的生产和研究中，均采用传统的电阻炉加热的方式进行热处理，热量主要通过热传导、热辐射及对流的方式由外至内传递，由于莫来石纤维热导率较低，因此传统加热方式效率较低，升温速率较慢，而且所需保温温度高达1300°C、保温时间约3小时，整个升温及保温过程一般需要8-10小时，可见生产效率低，生产周期长、能耗大。 同时，由于传统方式热处理温度高、保温时间长，纤维晶粒异常长大，纤维脆性断裂及粉化现象严重。此外，传统加热方式内外温度梯度较大，材料一致性能较低，易出现黑心问题，成品率低。因此，降低莫来石纤维热处理温度，减少保温时间，缩短生产周期，提高生产效率， 改善莫来石纤维性能，发展高性能莫来石纤维绿色低成本制备技术具有重要的研究价值和社会及经济效益。
发明内容
本发明的技术目的是针对上述技术现状，提供一种高效、节能、成本低廉并且易于产业化的莫来石纤维制备方法，利用该制备方法能够较快升温，并在较低温度、较短保温时间内合成莫来石纤维。本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为一种莫来石纤维的制备方法，具体为按照莫来石纤维化学式中各元素的化学计量比称取原料，配置胶体，然后经成纤、烘干排胶制成莫来石非晶纤维，再将纤维装入由透波材料制成的匣钵内，然后将匣钵放入专业微波炉内，在空气或氧气气氛下，通过调整微波功率控制升温速率，加热升温至热处理温度，最后冷却至室温，得到莫来石纤维。上述技术方案中胶体配置时采用的原料可以是所述莫来石纤维化学式中相应元素的单质、氧化物、氟化物、氮化物、溴化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐，也可以是所需原料元素的前躯体或者溶胶。所述成纤方法包括但不限于高速离心甩丝、热气流高压喷丝、静电纺丝或熔融拉丝。所述专业微波炉可以选自网带式微波炉/窑、推板式微波炉/窑、辊道式微波炉/ 窑、梭式微波炉/窑、箱式微波炉/窑及钟罩式微波炉/窑中的ー种，专业微波炉的微波频率一般为 300MHz 300GHz，优选的频率为 2. 45GHz、5. 8GHz、0. 915GHz 或 24. 15GHz。匣钵由透波性能较好的材料制成，优选由A1203、BN等材料中的一种或几种的复合材料制成。为了改善莫来石纤维的性能，加热升温至热处理温度后优选进行保温处理，保温时间优选为0. I 100h，进ー步优选为0. I lh。为了降低热处理温度，改善莫来石纤维的性能，可在原料中加入各种助溶剂，助溶剂包括但不限于铝粉、硅粉、SiO2, V2O5, Bi2O3, CuO, Bi (NO3)3, Cu (NO3) 2等中的ー种或者几种的混合。为了提高升温速率，更好地保持环境温度场的均匀性，优选在匣钵内加辅热材料。 辅热材料可直接与样品接触或者保持一定的距离。辅热材料包括但不限于SiC、Co2O3> CuO、WO3> MoS2, PbS、CuFeS2, WC 以及 ZrO2 等中的ー种或者几种的混合物。为了增加保温效果，优选将匣钵放入保温装置内，然后进行微波加热。匣钵和保温装置内壁之间填入保温材料。保温装置可以是保温桶、保温盒或保温匣等。保温装置是由透波性能良好的材料制成，优选由Al2O3、BN等材料中的ー种或几种的复合材料制成。同样， 在匣钵和保温桶内壁之间填入的保温材料也是透波性能良好的材料，优选为A1203、BN等材料中的ー种或几种的复合材料。冷却过程采用随炉冷却至室温，或者采用通过调整微波功率以一定的降温速率冷
却至室温。本发明制备方法中的升温速率优选为5°C /min 200°C /min，进ー步优选为 IO0C /min 80°C /min。热处理温度一般为600°C 1700°C，进ー步优选为750°C 1300°C。利用本发明方法，可根据实际应用需要，将莫来石纤维成型或加工成所需形状和尺寸的器件。本发明利用微波与莫来石非晶纤维直接耦合，升温速度快，烧结时间短，有利于获得晶粒细小、致密度高的莫来石纤维，而且材料内外均匀受热，可减少莫来石纤维内部热应力，降低纤维脆性断裂及粉化比例；此外微波的非热效应可促进活化烧结，提高分子扩散速率，降低活化能，可降低纤维热处理温度。因此，本发明利用微波法热处理莫来石纤维，其有益效果体现在
(I)提升了莫来石纤维热处理过程中的升温速率，降低了热处理温度，缩短了保温时间，大幅提升了生广效率；(2)提高了能源利用率，大幅降低了生产成本，易于实现大规模产业化；(3)由于微波整体加热的特性，提升了莫来石纤维产品性能的一致性，降低了纤维脆性断裂及粉化现象，提高了成品率；(4)由于升温速度快，保温时间短，可获得晶粒细小、致密度高的莫来石纤维，纤维后续加工性得到改善。综上所述，本发明提供的绿色低成本莫来石纤维制备方法是一种快速、高效、节能环保，成本低廉且易于实现大规模生产的制备方法。
图I是本发明实施例I得到的莫来石纤维的XRD图谱；图2是本发明实施例I得到的莫来石纤维的断口 SEM照片。
具体实施例方式以下结合附图与实施例对本发明的具体实施方式
作进一步说明，需要指出的是， 以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。实施例I :本实施例中，莫来石纤维的化学表示式为3A1203 · 2Si02,具体制备方法如下(I)称取241. 5g六水氯化铝(AlCl3 · 6H20)，135g铝粉，加入400ml去离子水中， 以800rpm的转速搅拌20min制得混合溶液A，然后加入480ml硅溶胶(SiO2含量为O. 25g/ ml)，以及I %的聚乙烯醇，加热至80°C，并充分搅拌,搅拌过程中滴加lmol/L的HCl调节pH 为5±1。搅拌12h后制得溶胶。(2)溶胶经甩丝成纤得到胶体纤维；(3)胶体纤维以2V /min的升温速率加热至500°C，热处理2h，得非晶纤维；(4)将⑶中得到的非晶纤维经放入专业微波炉内热处理，烧结气氛为空气，常压下以10°C /min的升温速率升温至1000°C，然后保温30min，之后随炉冷却，即得到多晶莫来
石纤维。对上述制备得到的多晶莫来石纤维样品进行测量分析，用X射线衍射仪分析样品的物相如图I所示，由图I可知，在微波处理温度为1000°C时纤维已完全呈莫来石相，用扫描电子显微镜观察样品的断口形貌、晶粒尺寸、及结构特征，得到图2。由图2可知样品晶粒尺寸约30nm,纤维直径约6 10 μ m,纤维断面致密。实施例2 实施例2 8中，莫来石纤维的化学表示式与实施例相同，具体制备方法也与实施例I基本相同，所不同的是升温速率、烧结温度，以及保温时间具体如下表I所示。表I实施例2 8中莫来石纤维的化学表不式及工艺条件实施例化学表示式升温速率 (°C/min)烧结温度(°c)保温时间 (h)23Al203.2Si0210800I33Al203.2Si02209000.543Al203.2Si022011000.553Al203.2Si021012000.563Al203.2Si021012500.573Al203*2Si025013000.183Al203.2Si025013500.05对上述制备得到的多晶莫来石纤维样品进行测量分析，用X射线衍射仪分析样品的物相类似图I所示，表明在表I所示的微波处理温度下纤维呈莫来石相；用扫描电子显微镜观察样品的断ロ形貌、晶粒尺寸、及结构特征，得到类似图2所示的图像，晶粒尺寸 30-60nm,纤维直径6 10 y m,纤维断面致密。以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种莫来石纤维的制备方法，其特征是按照莫来石纤维化学式中各元素的化学计量比称取原料，配置胶体，然后经成纤、烘干排胶制成莫来石非晶纤维，再将纤维装入由透波材料制成的匣钵内，接着将匣钵放入专业微波炉内，在空气或氧气气氛下，通过调整微波功率，控制升温速率，加热升温至热处理温度，最后冷却至室温，得到莫来石纤维。
2.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是胶体配置时采用的原料可以是所述莫来石纤维化学式中相应元素的单质、氧化物、氟化物、氮化物、溴化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐，也可以是所需原料元素的前躯体或者溶胶。
3.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述成纤方法包括高速离心甩丝、热气流高压喷丝、静电纺丝或熔融拉丝。
4.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的专业微波炉选自网带式微波炉/窑、推板式微波炉/窑、辊道式微波炉/窑、梭式微波炉/窑、箱式微波炉 /窑及钟罩式微波炉/窑中的ー种。
5.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的专业微波炉的微波频率为300MHz 300GHz。
6.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的专业微波炉的微波频率为 2. 45GHz、5. 8GHz、0. 915GHz 或 24. 15GHz。
7.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的匣钵由氧化铝、 氮化硼和莫来石材料中的ー种或几种的复合材料制成。
8.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是加热升温至热处理温度后进行保温处理，保温时间为0. I 100h，进ー步优选为0. I lh。
9.根据权利要求I中所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的升温速率为5°C /min 200 °C /min。
10.根据权利要求I至9中任ー权利要求所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的升温速率为10°c /min 80°C /min。
11.根据权利要求I至9中任ー权利要求所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的热处理温度为600°C 1700°C。
12.根据权利要求I至9中任ー权利要求所述的莫来石纤维的制备方法，其特征是所述的热处理温度为750V 1300°C。
全文摘要
本发明公开了一种高效快捷的莫来石纤维绿色低成本制备方法，具体为按照莫来石纤维化学式中各元素的化学计量比称取原料，配置胶体，然后经成纤、烘干排胶制成莫来石非晶纤维，再将纤维装入由透波材料制成的匣钵内，接着将匣钵放入专业微波炉内，在空气或氧气气氛下，通过调整微波功率，控制升温速率，加热升温至热处理温度，最后冷却至室温，得到莫来石纤维。本发明制得的莫来石纤维相纯度高，晶粒尺寸约30nm，纤维直径6～10μm，孔隙率低。并且产品一致性能优良，大大降低了纤维脆性断裂粉化现象，提高了成品率，另外还降低了热处理温度，缩短了保温时间，大幅提升了生产效率。
文档编号C04B35/185GK102603276SQ20121006544
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者周小兵, 胡春峰, 黄庆 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所