专利名称：一种氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备方法
技术领域：
本发明属于无机非金属材料制备技术领域，特别涉及一种氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备方法。
背景技术：
石英纤维是一种SiO2含量高的玻璃纤维，具有优异的性能，广泛应用于水泥基增强复合材料、滤网，及增强树脂复合材料等领域。对于石英纤维增强水泥基复合材料，石英纤维在硅酸盐水泥水化中析出Ca(OH)2所形成的碱性环境中存在被腐蚀的潜在可能性，致使石英纤维很快失去对混凝土的增强作用，这将直接影响复合材料的长期性能和强度的稳定性，而水泥基体对石英纤维的碱侵蚀，通常包括化学作用和物理作用；对于石英纤维增强的滤网及容器，在过滤及盛放一些碱性液体的时候，也很容易被腐蚀，发生的腐蚀主要是化学作用；石英纤维常常处于高温的工作环境中，在高温作用下，石英纤维具有热退化倾向，影响其高温使用性能，变得僵硬脆性，这一致命缺点严重限制了其发展与应用。因此如何阻止石英纤维与基体及腐蚀性液体之间的物理、化学反应，提高石英纤维增强复合材料的强度及耐碱蚀性能，成为研究的热点。解决这一问题可以通过表面涂覆涂层来对石英纤维进行表面改性。目前主要研究的涂层有氧化铝、氧化硅、氧化钛等。氧化铝涂层由于具有耐高温、耐酸碱腐蚀、耐磨、抗辐射、绝缘强度高等优点，故用涂覆氧化铝涂层对石英纤维进行表面改性是一种很有前景的方法，所得到的氧化铝/石英复合纤维也将具有广泛的用途。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备氧化铝/石英玻璃复合纤维的方法。一种制备氧化铝/石英玻璃复合纤维的方法，其特征在于，该方法步骤如下，(I)石英纤维表面预处理；采用酸蚀预处理工艺对纤维表面进行预处理以去除纤维表面的浸润剂。取一定量的石英纤维放入稀硫酸溶液中在90 100°C恒温条件下浸泡I 3h，取出冷却后用去离子水清洗至呈中性，在80 90°C烘箱中烘干，然后自然冷却至室温；(2)制备勃姆石溶胶；①称取原料，将AlCl3 6H20溶解水中，待充分水解后加入铝粉，在90 100°C的恒温水浴中，机械搅拌并回流8 12h，形成胶体母液；②将母液过滤以除去未溶解的铝粉，然后加入成胶助剂乳酸，搅拌均匀后，在60 90°C的恒温水浴中静置，最后浓缩得到勃姆石溶胶；(3)氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备将(I)得到的表面预处理后的石英纤维浸溃到(2)制得的勃姆石溶胶中，浸溃一段时间使溶胶与石英纤维充分接触后，取出自然晾干后放入60 80°C烘箱内干燥，然后放入马弗炉内在较低的升温速率条件下进行热处理，可避免升温过快或不稳定造成对复合纤维性能的影响，最后自然冷却至室温即可得氧化铝/石英玻璃复合纤维。
采用溶胶凝胶法及浸溃涂覆法制备氧化铝/石英玻璃复合纤维，AlCl3 6H20和金属Al粉的摩尔比为I : 2 I : 4。所述成胶助剂乳酸溶液的浓度为质量百分数比5 15%。所述母液浓缩为勃姆石溶胶所需时间为10 12h。所述浸溃用勃姆石溶胶粘度为I 15mPa S。所述石英纤维预处理所用的稀硫酸浓度为质量百分比2 8%。所述氧化铝/石英玻璃复合纤维的热处理温度为200 500°C。
所述氧化铝/石英玻璃复合纤维热处理时升温速率控制为0. 5 5°C /min。本发明的有益效果为(I)由于勃姆石溶胶采用溶胶凝胶法制备，该方法制备温度低，所用时间短，所得溶胶均匀性好，纯度高，性能稳定，而且该工艺简单易操作，工艺条件要求低。(2)由于氧化铝/石英玻璃复合纤维采用浸溃涂覆法制备，涂层的厚度可以通过溶胶粘度及浸溃涂覆时间来控制。(3)由于对石英纤维表面预处理采用的是硫酸酸蚀法，可以保证纤维表面的浸润剂完全去除的同时，纤维仍然具有较高的强度保留率。(4)由于采用的成胶助剂是乳酸，所制得的溶胶成膜性好，涂层均匀，氧化铝/石英复合纤维表面光滑均匀。(5)该制备方法简单，操作方便，能耗低，该方法制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维具有较高的拉伸强度和较强的耐碱性。
图I是实施例2制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维放大5000倍的扫描电子显微镜(SEM)图片；图2是实施例2中石英纤维在2mol/LNa0H溶液中腐蚀12h后放大5000倍的扫描电子显微镜(SEM)图片；图3是实施例2制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维碱在2mol/LNa0H溶液中腐蚀12h后放大5000倍的扫描电子显微镜(SEM)图片。
具体实施例方式采用溶胶凝胶法，以AlCl3 *640、金属Al粉、乳酸和水为原料制备勃姆石溶胶。采用浸溃涂覆法，以勃姆石溶胶、表面预处理过的石英纤维为原料制备氧化铝/石英玻璃复合纤维。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明实施例I一种氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备方法，该方法步骤如下(I)石英纤维表面预处理；采用酸蚀预处理工艺对纤维表面进行预处理以去除纤维表面的浸润剂。取一定量的石英纤维分别放入质量分数为2%的稀硫酸溶液中在98°C恒温条件下浸泡lh，取出冷却后用去离子水清洗至呈中性，在80°C烘箱中烘干，然后自然冷却至室温；
(2)制备勃姆石溶胶；①称取原料，将AlCl3 6H20溶解水中，待充分水解后加入铝粉，AlCl3 6H20和金属Al粉的摩尔比为I : 2，在100°C的恒温水浴中，机械搅拌并回流10h，形成胶体母液；②将母液过滤以除去未溶解的铝粉，然后加入质量分数为3%的乳酸，搅拌均匀后，在65°C的恒温水浴中静置，最后浓缩12h得到勃姆石溶胶；(3)氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备将(I)得到的表面预处理后的石英纤维浸溃到(2)制得的勃姆石溶胶中，浸溃一段时间使溶胶与石英纤维充分接触后，取出自然晾干后放入80°C烘箱内干燥，然后放入马弗炉内进行热处理，为避免升温过快或不稳定造成对复合纤维性能的影响，升温速率设为0. 2V /min，最后自然冷却至室温即可得氧化铝/石英玻璃复合纤维。制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维性能较石英纤维有所提高，与石英纤维相比，拉伸强度提高I. 3倍左右，耐碱蚀性提高3倍左右。实施例2一种氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备方法，该方法步骤如下(I)石英纤维表面预处理；采用酸蚀预处理工艺对纤维表面进行预处理以去除纤维表面的浸润剂。取一定量的石英纤维分别放入质量分数为6%的稀硫酸溶液中在98°C恒温条件下浸泡lh，取出冷却后用去离子水清洗至呈中性，在80°C烘箱中烘干，然后自然冷却至室温；(2)制备勃姆石溶胶；①称取原料，将AlCl3 6H20溶解水中，待充分水解后加入铝粉，AlCl3 6H20和金属Al粉的摩尔比为I : 2. 5，在100°C的恒温水浴中，机械搅拌并回流10h，形成胶体母液；②将母液过滤以除去未溶解的铝粉，然后加入质量分数为8%的乳酸，搅拌均匀后，在70°C的恒温水浴中静置，最后浓缩IOh得到勃姆石溶胶；(3)氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备将(I)得到的表面预处理后的石英纤维浸溃到(2)制得的勃姆石溶胶中，浸溃一段时间使溶胶与石英纤维充分接触后，取出自然晾干后放入80°C烘箱内干燥，然后放入马弗炉内进行热处理，为避免升温过快或不稳定造成对复合纤维性能的影响，升温速率设为I0C /min，最后自然冷却至室温即可得氧化铝/石英玻璃复合纤维。制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维性能较石英纤维有所提高，与石英纤维相比，拉伸强度提高I. 7倍左右，耐碱蚀性提高4. 5倍左右。图I是实施例2制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维放大5000倍的扫描电子显微镜(SEM)图片，图中显示复合纤维表面均匀致密。图2是实施例2中石英纤维碱蚀后放大5000倍的扫描电子显微镜(SEM)图片，可以看出纤维表面存在大量因腐蚀形成的大而深的凹坑，纤维表面损坏较严重。图3是实施例2制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维碱蚀后放 大5000倍的扫描电子显微镜(SEM)图片,可以看出纤维表面存在一些小凹孔,纤维表面损坏较轻。比较可以看出，原石英纤维碱蚀后和所制备的氧化铝/石英玻璃复合纤维碱蚀后的表面形貌有很大差异，这是由于复合纤维表面的氧化铝涂层有效有地保护了石英纤维，阻止了碱对石英纤维表面的破坏。
权利要求
1.一种氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下，(1)石英纤维表面预处理；采用酸蚀预处理工艺对纤维表面进行预处理以去除纤维表面的浸润剂。取一定量的石英纤维放入稀硫酸溶液中在90 100°C恒温条件下浸泡I 3h，取出冷却后用去离子水清洗至呈中性，在80 90°C烘箱中烘干，然后自然冷却至室温；(2)制备勃姆石溶胶；①称取原料，将AlCl3· 6H20溶解水中，待充分水解后加入铝粉，在90 100°C的恒温水浴中，机械搅拌并回流8 12h，形成胶体母液；②将母液过滤以除去未溶解的铝粉，然后加入成胶助剂乳酸，搅拌均匀后，在60 900C的恒温水浴中静置，最后浓缩得到勃姆石溶胶；(3)氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备；将(I)得到的表面预处理后的石英纤维浸溃到(2)制得的勃姆石溶胶中，浸溃一段时间使溶胶与石英纤维充分接触后，取出自然晾干后放入60 80°C烘箱内干燥，然后放入马弗炉内在较低的升温速率条件下进行热处理，可避免升温过快或不稳定造成对复合纤维性能的影响，最后自然冷却至室温即可得氧化铝/石英玻璃复合纤维。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述石英纤维预处理所用的稀硫酸浓度为质量百分比2 8%。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述AlCl3· 6H20和金属Al粉的摩尔比为 I : 2 I : 4。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述成胶助剂乳酸溶液的浓度为质量百分数比5 15%。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述母液浓缩为勃姆石溶胶所需时间为 10 12h。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述浸溃用勃姆石溶胶粘度为I 15mPa · S。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述氧化铝/石英玻璃复合纤维的热处理温度为200 500°C。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述氧化铝/石英玻璃复合纤维热处理时升温速率控制为O. 5 5°C /min。
全文摘要
本发明公开了属于无机纤维领域的一种氧化铝/石英玻璃复合纤维的制备方法。该制备方法包括1.采用稀硫酸溶液对石英纤维进行预处理；2.采用溶胶-凝胶法，以AlCl3·6H2O、金属Al粉、乳酸和H2O为原料制备勃姆石溶胶；3.将预处理后的石英纤维浸渍在勃姆石溶胶中，干燥后进行热处理，即得氧化铝/石英复合纤维。该制备方法工艺简单，操作方便，能耗低，所制得的复合纤维的拉伸强度和耐碱蚀性较石英纤维有较大提高。
文档编号C04B14/42GK102701605SQ20121020840
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者任素娥, 刘建, 左蕊, 李冬梅, 李建新, 梁小平, 王化平, 王家丹 申请人:天津工业大学