一种硅氧碳陶瓷纤维膜及其制备方法

本发明属于隔热材料，具体涉及一种耐高温隔热陶瓷纤维膜及其制备方法。

背景技术：

1、陶瓷纤维具有重量轻、热稳定性好等优势，广泛用于高温隔热领域。但是传统氧化物陶瓷隔热纤维高温稳定性差，如氧化硅纤维材料，其服役温度不高于800℃，而碳化物隔热材料，如碳化硅等在高温环境下易被氧化成氧化硅，其力学性能显著下降。

2、硅氧碳陶瓷是近年来开发的新型高温隔热非晶陶瓷，其以硅氧烷聚合物为前驱体，经交联、热解后可转化为硅氧碳陶瓷，该材料具有耐高温、抗氧化以及优异的隔热性能，在航空航天和核能领域得到了广泛的应用。传统工艺制备硅氧碳陶瓷纤维膜首先通过静电纺丝工艺制备聚硅氧烷纤维膜，然后再通过低温热处理(反应温度：200℃-300℃，反应时间：24h)使纤维中的聚硅氧烷交联完全，最终通过高温热处理(反应温度：800℃-1000℃，反应时间：24h)获得硅氧碳非晶陶瓷纤维。这种制备方法需要进行长时间的低温热处理，操作复杂，使得制备效率大大降低。

技术实现思路

1、因此，本发明提供一种硅氧碳陶瓷纤维膜及其制备方法，将静电纺丝技术与紫外光固化工艺相结合，无需进行长时间的低温热处理，从而简化纤维膜的制备步骤，提高制膜效率。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其中：包括以下步骤：

3、步骤1)制备纺丝溶液：将聚硅氧烷溶液、纺丝助剂和光引发剂溶解于挥发性溶剂中，得到纺丝溶液；

4、步骤2)紫外固化纺丝：对所述纺丝溶液进行静电纺丝，同时进行紫外固化，得到纤维膜前体；

5、步骤3)热处理：对所述纤维膜前体进行热处理，得到硅氧碳陶瓷纤维膜。

6、在一些实施方式中，在所述步骤1)中：按质量百分比计，所述纺丝溶液中各组分的含量为：硅氧烷溶液：15-40％，纺丝助剂：5-15％，引发剂：0.1-5％，挥发性溶剂：40-70％。

7、在一些实施方式中，在所述步骤1)中：所述聚硅氧烷溶液为丙烯酸酯基团硅氧烷溶液；

8、和/或，所述光引发剂为苯基双-2,4,6-三甲基苯甲酰-氧化膦、二苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰-氧化膦中的一种；

9、和/或，所述纺丝助剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯中的一种；

10、和/或，所述挥发性溶剂为乙醇、异丙醇中的一种。

11、在一些实施方式中，在所述步骤1)中，所述纺丝溶液的粘度控制为500-5000cp。

12、在一些实施方式中，在所述步骤2)中，将所述纺丝溶液置于紫外灯下进行静电纺丝；优选的，所述紫外灯的辐照强度为40-100mw/cm2；所述紫外灯的波长为365-405nm；优选的，所述紫外灯距离所述纺丝液30cm。

13、在一些实施方式中，在所述步骤2)中，所述静电纺丝的纺丝电压为10-30kv；和/或，所述静电纺丝的纺丝距离为10-30cm；和/或，静电纺丝头的推进速度为0.5-2ml/h。

14、在一些实施方式中，在所述步骤2)中，所述纤维膜前体的厚度为20-200μm，

15、在一些实施方式中，在所述步骤3)中，所述热处理的温度为800-1400℃；热处理的时间为1-10h；加热速率为：1-10℃/min。

16、另一方面，本发明还提供一种硅氧碳陶瓷纤维膜，所述硅氧碳陶瓷纤维膜的厚度为0.01-0.2mm；硅氧碳陶瓷纤维膜内纤维的直径为0.5-1.5μm；硅氧碳陶瓷纤维膜的耐热温度为200-1200℃，硅氧碳陶瓷纤维膜的热导率为0.04-0.1w/(m·k)。

17、在一些实施方式中，上述所述硅氧碳陶瓷纤维膜采用权利要求上述任一所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法得到。

18、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

19、1.本发明提供一种硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，将静电纺丝技术与紫外光固化工艺相结合，在纺丝过程中实现聚硅氧烷溶液交联固化，无需进行长时间的低温热处理，将纺丝后的纤维膜直接热解即可获得硅氧碳陶瓷纤维，简化制备流程，降低制备周期，提高了制膜效率，且减少了低温热处理时的环境污染。

20、2进一步的，本发明通过将光引发剂、纺丝助剂和具有光引发特性的聚硅氧烷溶液溶解于挥发性溶剂中制备纺丝溶液，在静电纺丝过程中加入紫外光照射，实现聚硅氧烷溶液的交联固化，其中，硅氧烷溶液在纺丝过程中用于形成硅氧碳前驱体材料，以便后续高温热解形成硅氧碳陶瓷，光引发剂用于在紫外光(405nm)照射下产生自由基，从而引发硅氧烷交联固化用于提高纺丝溶液的成膜性，增加纺丝溶液粘度，挥发性溶剂为易挥发溶剂用于溶解前述三种材料。

21、3.本发明通过调整聚硅氧烷的含量，确保纺丝溶液的粘度满足500-5000cp，防止制备的硅氧碳陶瓷纤维膜丝径过大，以及丝线上会出现小液滴，从而避免降低纤维强度和隔热性能。

22、4.本发明还提供一种硅氧碳陶瓷纤维膜，该硅氧碳陶瓷纤维膜的厚度为0.01-0.2mm，膜内纤维的直径为0.5-1.5μm，耐热温度为200-1200℃，热导率为0.04-0.1w/(m·k)。

技术特征：

1.一种硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，按质量百分比计，所述纺丝溶液中各组分的含量为：硅氧烷溶液：15-40％，纺丝助剂：5-15％，引发剂：0.1-5％，挥发性溶剂：40-70％。

3.根据权利要求1所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中：所述聚硅氧烷溶液为丙烯酸酯基团硅氧烷溶液；

4.根据权利要求1所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述纺丝溶液的粘度控制为500-5000cp。

5.根据权利要求1所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中：将所述纺丝溶液置于紫外灯下进行静电纺丝；

6.根据权利要求1所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中：所述静电纺丝的纺丝电压为10-30kv；和/或，所述静电纺丝的纺丝距离为10-30cm；和/或，静电纺丝头的推进速度为0.5-2ml/h。

7.根据权利要求1所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述纤维膜前体的厚度为20-200μm。

8.根据权利要求1所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中：所述热处理的温度为800-1400℃；热处理的时间为1-10h；加热速率为：1-10℃/min。

9.一种硅氧碳陶瓷纤维膜，其特征在于，所述硅氧碳陶瓷纤维膜的厚度为0.01-0.2mm；硅氧碳陶瓷纤维膜内纤维的直径为0.5-1.5μm；硅氧碳陶瓷纤维膜的耐热温度为200-1200℃，硅氧碳陶瓷纤维膜的热导率为0.04-0.1w/(m·k)。

10.根据权利要求9所述的硅氧碳陶瓷纤维膜，其特征在于，所述硅氧碳陶瓷纤维膜采用权利要求1-8任一所述的硅氧碳陶瓷纤维膜的制备方法得到。

技术总结
本发明提供一种硅氧碳陶瓷纤维膜及其制备方法，涉及隔热材料技术领域，制备方法包括以下步骤：步骤1)制备纺丝溶液：将聚硅氧烷溶液、纺丝助剂和光引发剂溶解于挥发性溶剂中，得到纺丝溶液；步骤2)紫外固化纺丝：对纺丝溶液进行静电纺丝，同时进行紫外固化，得到纤维膜前体；步骤3)热处理：对纤维膜前体进行热处理，得到硅氧碳陶瓷纤维膜。本发明通过将静电纺丝技术与紫外光固化工艺相结合，在纺丝过程中实现聚硅氧烷溶液交联固化，替代了传统工艺中低温热处理过程，将纺丝后的纤维膜直接热解即可获得硅氧碳陶瓷纤维，简化制备流程，降低制备周期，提高了制膜效率，且减少了低温热处理时的环境污染。

技术研发人员：曹磊,张兴,时雨,华铃文,张卓卿,杨锐
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17