利用芦苇纤维制备中空镁铝尖晶石陶瓷纤维的方法与流程

本发明属于耐火隔热材料领域，具体涉及一种利用天然芦苇纤维制备中空镁铝尖晶石陶瓷纤维的方法。

背景技术：

镁铝尖晶石的化学式为mgo·al2o3，具有熔点高(2135℃)，热膨胀系数小，热导率低，热振稳定性好，抗碱侵蚀能力强等特点，广泛应用于颜料工业、耐火材料、精细陶瓷、耐磨材料等领域。现阶段耐火材料用的镁铝尖晶石都是通过人工合成的方法合成的。因为al-o、mg-o之间都是较强的离子键，且强度相等，所以镁铝尖晶石具有牢固的结构。镁铝尖晶石的具有良好的热震稳定性能、耐化学侵蚀性能和耐磨性能，能够在氧化或还原气氛中保持较好的稳定性，可用于制备耐火隔热陶瓷材料。传统制备镁铝尖晶石纤维的方法大多为固相法和气相沉积法。其中，固相法能耗大、效率低、易混入杂质，生成物的纯度较低。气相沉积法的反应条件和反应设备的要求都很高，使得生产成本过高。并且上述方法制得的镁铝尖晶石纤维都为实心状，不利于其隔热性能的提升(崔宏亮,刘和义,乔健等.溶胶-凝胶法制备连续mgal2o4纤维[j].人工晶体学报,2014,43(12):3191-3196)。利用同轴纺丝制得的空心纤维表面粗糙，纤维之间粘连易断裂(同轴静电纺丝法制备多孔镁铝尖晶石纤维[j].耐火材料,2017,51(02):105-111)。

近年来，遗态材料迅速发展，已广泛应用于生物、医药、半导体等领域。liujian等以水栖植物苦草为模板，制备出具有微米级介孔的tio2-sio2复合材料，该遗态材料具备高比表面积，光催化分解性能优于传统的tio2纳米晶体和二氧化钛p25粉末(jianl,qiangy,yangw,etal.aquaticplantinspiredhierarchicalartificialleavesforhighlyefficientphotocatalysis[j].journalofmaterialschemistrya,2013,1(26):7760-7766.)。yuchen等以蝶翅骨架为模板，制得具有蝶翅骨架结构的zro2光子晶体材料(cheny,guj,zhus,etal.synthesisofnaturallycross-linkedpolycrystallinezro2hollownanowiresusingbutterflyastemplates[j].materialschemistryandphysics,2012,134(1):16-20.)。贺辛亥等人对木材、竹子、纸、纤维素等进行仿生合成，使其成为具有生物形态的碳质遗态材料，并用生物模板法，以苎麻纤维为生物模板，制得具有苎麻纤维管状形态的sno2多孔陶瓷(贺辛亥,齐乐华,王俊勃,等.苎麻形态sic多孔陶瓷的制备及表征[j].功能材料,2011,42(8):1485-1488.)。许多学者通过模板技术合成了具有微米级至纳米级的多孔和管状材料。这种遗态材料具有优异的物理化学性质和作为催化剂载体的潜在应用，也可以在微电子器件中应用，具有很好的应用前景。总之，遗态方法借助生物进化而形成的优化结构为模板制备出的遗态材料，可以获得比人工仿生材料功能更为优异的材料特性，而且可以获得比原生物更完备的功能性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用芦苇纤维制备中空镁铝尖晶石陶瓷纤维的方法。该方法以天然芦苇为模板，采用遗态方法制备连续性良好、性能优异的中空镁铝尖晶石陶瓷纤维隔热材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

利用芦苇纤维制备中空镁铝尖晶石陶瓷纤维的方法，以天然芦苇为模板，根据芦苇纤维吸油拒水的特点，以乙醇水溶液为浸渍溶剂，通过浸渍在铝盐和镁盐的混合乙醇水溶液中，干燥后进行高温烧结，在烧结过程中氯化铝和氯化镁各自反应生成氧化铝和氧化镁，芦苇纤维发生分解，最终作为模板的芦苇消失，生成的氧化铝和氧化镁形成了稳定的镁铝尖晶石结构，并且保留了芦苇模板的中空结构，具体步骤如下：

步骤1，将铝盐和镁盐的混合物溶于乙醇水溶液中得到混合溶液，铝元素和镁元素的摩尔比为133～600:100，铝盐和镁盐的总质量浓度为5～20％；

步骤2，将芦苇纤维浸入混合溶液中，充分浸渍后挤干，取出后干燥获得前驱体纤维；

步骤3，将前驱体纤维在有氧气氛中升温至800～1600℃下烧结，保温，制得中空镁铝尖晶石陶瓷纤维。

进一步地，步骤1中，所述的乙醇水溶液中乙醇的体积浓度为50％。

进一步地，步骤1中，所述的铝盐为六水合氯化铝，镁盐为六水合氯化镁。

进一步地，步骤2中，浸渍时间为15min以上，优选为6h。

进一步的，步骤2中，所述的干燥为真空环境下干燥。

进一步地，步骤3中，所述的有氧气氛为空气或纯氧气气氛。

进一步地，步骤3中，所述的升温速率为1～15℃/min，优选为5～10℃/min。

进一步地，步骤3中，所述的烧结温度为900～1500℃。

进一步地，步骤3中，所述的保温时间为0～10h，优选为1～2h。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)采用乙醇水溶液作为浸渍溶剂，极大地缩短了浸渍时间，并利用乙醇的易挥发性，得到的纤维不易发生粘连，连续性较好；

(2)通过控制铝元素和镁元素的摩尔比为133～600:100，制备得到稳定的、中空度高、形貌良好的中空镁铝尖晶石隔热陶瓷纤维；

(3)制备的镁铝尖晶石纤维呈中空状，且纤维直径较细，这样的纤维堆积在一起，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，而空气本身热导率极低、有利于隔热性能的提高。

综上，本发明方法简单、稳定、实用，制得的中空镁铝尖晶石纤维隔热材料熔点高、密度低、中空度高、热膨胀系数小、热导率低、热振稳定性好、保温性能良好且抗碱侵蚀能力强，可用作窑炉的内衬，能够很好地达到保温的效果，节约能源，降低生产成本。

附图说明

图1是实施例1中制得的不同温度下镁铝尖晶石x射线衍射图谱。

图2是实施例1中制得的中空镁铝尖晶石纤维高倍率微观结构图。

图3是实施例1中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

图4是实施例2中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

图5是实施例2中制得的中空镁铝尖晶石纤维高倍率微观结构图。

图6是实施例3中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

图7是实施例4中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

图8是对比例1中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

图9是对比例1中制得的中空镁铝尖晶石纤维高倍率微观结构图。

图10是对比例2中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

图11是对比例3中制得的中空镁铝尖晶石纤维高倍率微观结构图。

图12是对比例3中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

图13是对比例4中制得的中空镁铝尖晶石纤维低倍率微观结构图。

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。

本发明采用芦苇纤维模板，相比于蚕丝、棉花、木棉、牛角瓜、香蒲绒、杨絮、萝藦、白茅花等天然植物模板制备的陶瓷纤维，具有明显优势。芦苇是全世界分布最广的被子植物之一，其生长周期较短，因此产量相当高。另一方面，芦苇纤维呈细杆状，每根纤维粗细均匀，端口封闭，纤维截面呈圆形或椭圆形，纤维的壁很薄，具有纤细而中空的结构。中空结构将进一步阻碍空气流动，由于杆茎纤细，管壁间隙非常小，空气相对流动缓慢，从而达到更好的保暖效果。利用遗态法制备具有芦苇纤维结构的隔热材料，材料性能较以往隔热纤维有所提升，且成本低廉，有广阔的研究空间和推广价值。

传统方法制得的镁铝尖晶石纤维都为实心状，其结构不利于隔热性能提升。本发明采用遗态法制成的镁铝尖晶石纤维可以完整的保留天然芦苇纤维原有的形貌，纤维呈现中空状。本发明控制铝元素和镁元素的摩尔比为133～600:100，在该范围下，可以形成稳定的镁铝尖晶石相，制备的中空纤维中空度高、形貌良好、隔热性能优异。

实施例1

取2.943g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入1.238g六水合氯化镁，配制浓度为10％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为2:1。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1100℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1100℃，10℃/min，1100℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。从图1中的x射线衍射图谱可知该材料为分子式为al2o3·mgo。图2为制得的镁铝尖晶石纤维扫描电镜高倍率图，可见纤维表面较为光滑，中空度较高，纤维壁厚较为均匀。图3为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见纤维粗细较为均匀，缠结较少，纤维长度较长且连续不断。经检测，该尖晶石中空纤维在500℃下的导热系数为0.1449w/(m·k)。

实施例2

取4.43g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入2.79g六水合氯化镁，配制质量分数为15％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为133:100。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1100℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1100℃，10℃/min，1100℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。图4所示为制得的镁铝尖晶石纤维扫描电镜高倍率图，可见纤维中空度较高，纤维壁厚较为均匀。图5所示为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见纤维长度较长且连续不断。

实施例3

取1.593g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入0.224g六水合氯化镁，配制浓度为5％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为600:100。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1100℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1300℃，10℃/min，1300℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。图6所示为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见纤维长度较长且连续不断。

实施例4

取7.681g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入3.19g六水合氯化镁，配制浓度为20％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为200:100。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1300℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1300℃，10℃/min，1300℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。图7所示为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见纤维长度较长且连续不断。

应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

对比例1

取11.33g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入4.78g六水合氯化镁，配制浓度为25％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为200:100。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1100℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1100℃，10℃/min，1100℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。图8所示为制得的镁铝尖晶石纤维扫描电镜高倍率图，可见浓度过高，溶质会在芦苇纤维间析出。图9所示为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见烧结后尖晶石已大量结块，无法形成纤维管。所以当浓度过高时，无法形成镁铝尖晶石中空纤维。

对比例2

取0.24g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入0.10g六水合氯化镁，配制浓度为1％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为200:100。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1100℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1100℃，10℃/min，1100℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。图10所示为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见纤维连续性差，纤维管很短。所以当浓度过低时纤维碎裂，不利于使用。

对比例3

取3.33g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入4.21g六水合氯化镁，配制浓度为15％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为66:100。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1100℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1100℃，10℃/min，1100℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。图11所示为制得的镁铝尖晶石纤维扫描电镜高倍率图，可见纤维管管壁厚薄不均匀，管壁有裂痕，图12所示为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见纤维破碎。所以当铝浓度过低而镁浓度过高时，烧结后多余的镁盐会生成强度低氧化镁纤维，此时纤维容易碎裂，不利于使用。

对比例4

取6.42g的六水合氯化铝溶入20ml的体积分数50％的酒精中，加入0.30g六水合氯化镁，配制浓度为15％的浸渍溶液，此时铝元素与镁元素的摩尔比为1800:100。将芦苇纤维浸入上述溶液中，浸泡15min后，取出烘干；将烘干后的芦苇纤维在空气中升温至1100℃，保温1h，加热曲线为：室温～300℃，2℃/min；300～1100℃，10℃/min，1100℃保温60min，最后随炉冷却，制得中空镁铝尖晶石纤维。图13所示为镁铝尖晶石纤维扫描电镜低倍率图，可见纤维破碎、开裂。所以当铝浓度过高时，烧结后多余的铝盐会生成氧化铝纤维，此时纤维延展性不好，无法形成卷曲的长纤维，不利于使用。