一种中空氧化锆纤维的制备方法与流程

本发明属于耐火隔热材料领域，涉及一种中空氧化锆纤维的制备方法，具体涉及一种利用木棉纤维制备中空氧化锆隔热纤维的方法。

背景技术：

二氧化锆(ZrO₂)具有良好的化学稳定性和热稳定性，优良的高温导电性及较高的高温强度和韧性，良好的抗腐蚀性和稳定性，是目前发展迅速的特种陶瓷的重要原料，可用于生产高温结构陶瓷、生物陶瓷和电子陶瓷等。二氧化锆还具有马氏体相变的特性，可用于提高陶瓷材料的韧性和耐火材料热震稳定性(尹衍升等.氧化锆陶瓷及其复合材料[M].北京：化学工业出版社，2003：1-10)。氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷具有高的机械强度、良好的高温热稳定性和耐化学腐蚀性能，作为炉衬材料，大大节省了热工窑炉中由于炉衬材料所造成的能源消耗(胡利明等.隔热陶瓷纤维及制品[J]，现在技术陶瓷，2002(1)：24-26.)。

目前方法制备的氧化锆纤维大都为实心，这些纤维堆积在一起虽然具有较好的保温性能，但其实心构造却不利于锁定空气和获得更优异的隔热性能(中国专利200410024264.7)。部分纤维虽然为空心纤维，但是直径较大，难以用于隔热材料领域(Zhen S,et al.Fabrication and evaluation of NiO/Y₂O₃-stabilized-ZrO₂hollow fibers for anode-supported micro-tubular solid oxide fuel cells[J].Ceramics International,2016,42(7):8559-8564.)。

木棉纤维为中空管状结构，长度为8～32mm，平均直径为10～30μm，细胞壁厚约为0.5～2μm，纤维中空率为80％～90％，密度为0.29g/cm³，是迄今为止中空率最高密度最小的天然纤维。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种简单、稳定、实用的中空氧化锆纤维的制备方法，利用中空的木棉纤维为载体，将其浸渍于含锆溶液获得前驱体，高温煅烧后制得中空氧化锆纤维，该方法制备的纤维具有密度低，中空度高，保温性能良好等特点。

本发明的技术方案如下：

一种中空氧化锆纤维的制备方法，包括以下步骤：

按水溶性锆盐与水的质量比为1～15：100，将水溶性锆盐、硝酸钇溶于水中配制混合溶液，将木棉纤维浸入混合溶液中，真空条件下浸泡1h以上，取出烘干后在有氧气氛中以1～10℃/min的升温速率烧结至600～1800℃，制得中空氧化锆纤维。

所述的水溶性锆盐为氧氯化锆。

所述的氧化钇作为相稳定剂，可按常用比例加入，本发明中硝酸钇与水溶性锆盐的质量比为9.5:100。

优选地，所述的水溶性锆盐与水的质量比为3～10：100。

优选地，所述的浸泡时间为1～6h。

所述的有氧气氛为空气或纯氧气气氛。

优选地，所述的升温速率为1～3℃/min，烧结温度为750～1250℃，保温时间为1～2h。

本发明使用的木棉纤维具备吸油拒水的特点，需要在真空环境下才能保证其浸渍效果。木棉纤维在真空中经混合溶液浸泡后，锆盐、稳定剂进入到木棉纤维管壁中。在烘干并烧结的升温过程中，锆盐转变为氧化锆，存在于木棉纤维管壁中。较高温度时，木棉纤维分解烧蚀，留下氧化锆，最终获得中空的氧化锆纤维。氧化钇作为稳定剂与氧化锆形成稳定的固溶体从而保证在温度变化时不发生相变。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

本发明利用中空的木棉纤维为载体，将其浸渍于含锆溶液获得前驱体，高温煅烧后制得中空氧化锆纤维。本发明制备的氧化锆纤维呈中空状，且纤维直径较细，中空氧化锆纤维堆积在一起，可以将空气划分为更细小的空间，在传热过程中，空气的流动比在实心纤维中更困难，中空的氧化锆纤维的热导率更低，其隔热性能显著提高。

附图说明

图1是实施例1中制得的中空氧化锆纤维的X射线衍射图谱。

图2是实施例1中制得的中空氧化锆纤维的高倍率微观结构图。

图3是实施例1中制得的中空氧化锆纤维的低倍率微观结构图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

取4.97g的氧氯化锆溶入50ml去离子水中，加入0.47g硝酸钇稳定剂，配制氧氯化锆浸渍溶液。将木棉纤维浸入上述溶液中，置入真空箱中用真空泵抽真空至-0.1MPa，浸泡6h后，取出烘干。将烘干后的木棉纤维在空气中以3℃/min的升温速率升至1000℃，保温1h后，制得中空氧化锆纤维。

从图1中的X射线衍射图谱可知该中空氧化锆纤维为四方相立方相混合的氧化锆。图2所示为制得的氧化锆纤维扫描电镜高倍率照片，可见纤维呈中空状。图3所示为氧化锆纤维扫描电镜低倍率照片，可见纤维连续性较好。

实施例2

取0.92g的氧氯化锆溶入50ml去离子水中，加入0.087g硝酸钇稳定剂，配制氧氯化锆浸渍溶液。将木棉纤维浸入上述溶液中，置入真空箱中用真空泵抽真空至-0.1MPa，浸泡6h后，取出烘干。将烘干后的木棉纤维在空气中以1℃/min的升温速率升至600℃，保温1h后，制得中空氧化锆纤维。

实施例3

取18.6g的氧氯化锆溶入50ml去离子水中，加入1.77g硝酸钇稳定剂，配制氧氯化锆浸渍溶液。将木棉纤维浸入上述溶液中，置入真空箱中用真空泵抽真空至-0.1MPa，浸泡1h后，取出烘干。将烘干后的木棉纤维在空气中以10℃/min的升温速率升至1800℃，保温10h后，制得中空氧化锆纤维。