一种基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维及制法

摘要

本发明公开了一种基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维及制法，该纤维所采用的原料包括铝盐、芦苇纤维及溶剂无水乙醇，芦苇纤维与铝盐的质量比为7.5:1，铝盐与无水乙醇所形成的溶液浓度为20 g/L；制备时先将铝盐与无水乙醇混合后加入芦苇纤维，经取出、挤干、干燥、烧结、保温后，冷却制得中空莫来石陶瓷纤维。本发明的莫来石陶瓷纤维依托于芦苇纤维，一方面能够形成中空结构；另一方面，制备时通过采用特定的铝盐与芦苇纤维的质量比和形成特定浓度的浸渍液，基于该条件下，能够充分地激发所采用的芦苇纤维中的硅元素，进而与附着于芦苇纤维上的铝元素相结合，实现于芦苇纤维上原位生成莫来石陶瓷纤维。

权利要求

1.一种基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维，其特征在于包括如下原料：铝盐、芦苇纤维及溶剂无水乙醇，其中，所述芦苇纤维与铝盐的质量比为7.5:1，铝盐与无水乙醇所形成的溶液浓度为20 g/L；

该中空莫来石陶瓷纤维由如下步骤制得：

（1）按溶液浓度将铝盐与无水乙醇混合，制得浸渍液；

（2）按芦苇纤维与铝盐的质量比，将芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍1‑3 h，取出、挤干、干燥制得前驱体纤维；

（3）将上述前驱体纤维在烧结温度为900‑1400 ℃条件下保温2‑4 h后，随炉冷却即制得该中空莫来石陶瓷纤维。

2.根据权利要求1所述基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维，其特征在于：所述铝盐为九水硝酸铝、氯化铝或异丙醇铝。

3.根据权利要求1所述基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维，其特征在于：步骤（2）中，所述干燥是在60‑90 ℃条件下烘干12‑24 h。

4.根据权利要求1所述基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维，其特征在于：所述烧结的升温速率为4‑10 ℃/min。

说明书

一种基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维及制法

技术领域

[0001] 本发明属于莫来石陶瓷纤维领域，尤其涉及一种基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维及制法。

背景技术

[0002] 莫来石(3Al2O3·2SiO2)是Al2O3‑SiO2系中唯一稳定的二元化合物，属于氧化物陶瓷的一种，由于其氧化结构，莫来石在受热过程中无法进一步氧化，因此具有良好的耐高温性。莫来石纤维是以莫来石相为主晶相的多晶材料，具有较低的导热系数和优异的高温稳定性，抗热震性能，被广泛的应用于高温隔热耐火材料中。

[0003] 现有的莫来石纤维的生产方法有熔融法、溶胶‑凝胶法和模板法。其中，熔融法是将莫来石粉末熔融后用甩丝法或吹喷法形成纤维，熔融法制备莫来石纤维工艺简单，但由于生产温度较高，产物中容易形成玻璃态，不利于纤维的性能。

[0004] 溶胶‑凝胶法是将铝源(硝酸铝、氯化铝或异丙醇铝)，硅源(正硅酸乙酯)溶于液相中，经水解、缩合形成稳定的透明溶胶，溶胶经陈化作用形成具有三维网络结构的凝胶，最后用纺丝技术可得到莫来石纤维。该方法制备的莫来石纤维纯度高，合成温度低，但是生产工艺复杂，周期较长，原料价格昂贵，并且凝胶中存在微孔，导致纤维存在缺陷。

[0005] 模板法是将溶质铝源和硅源按照一定的摩尔比溶解于溶剂中，配制成一定浓度的浸渍液，随后将模板纤维置于该浸渍液中进而制得具有中空结构的莫来石陶瓷纤维。

[0006] 现有的莫来石纤维不论采用熔融法、溶胶‑凝胶法和模板法，均需要基于添加原料硅源和铝源的基础上才能实现。而对于模板纤维，模板纤维本身存在硅元素，但现有的莫来石纤维无论是试验研究或者制造生产中，均未考虑到将模板纤维本身所存在的硅元素所激发，以此减少原材料的使用，降低企业生产成本。

发明内容

[0007] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的中空莫来石陶瓷纤维，该莫来石陶瓷纤维能够在不额外添加硅原料的基础上，通过激发芦苇纤维本身所含有的硅元素与铝源原位生成。

[0008] 技术方案：本发明基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维，包括如下原料：铝盐、芦苇纤维及溶剂无水乙醇，其中，所述芦苇纤维与铝盐的质量比为7.5:1，铝盐与无水乙醇所形成的溶液浓度为15‑30 g/L。

[0009] 本发明通过采用特定铝盐与芦苇纤维的质量比和形成特定浓度的浸渍液，基于该条件下，能够充分地激发所采用的芦苇纤维中的硅元素，进而与附着于芦苇纤维上的铝元素相结合，实现于芦苇纤维上原位生成莫来石陶瓷纤维，且借助于芦苇纤维本身模板，依然能够形成中空结构，降低了导热系数。

[0010] 进一步说，该莫来石陶瓷纤维所采用的铝盐可为九水硝酸铝、氯化铝或异丙醇铝。

[0011] 本发明制备上述中空莫来石陶瓷纤维的方法，包括如下步骤：

[0012] （1）按溶液浓度将铝盐与无水乙醇混合，制得浸渍液；

[0013] （2）按芦苇纤维与铝盐的质量比，将芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍1‑3 h，取出、挤干、干燥制得前驱体纤维；

[0014] （3）将上述前驱体纤维经烧结、保温后，随炉冷却即制得该中空莫来石陶瓷纤维。

[0015] 进一步说，该制备方法的步骤（2）中，所述干燥是在60‑90 ℃条件下烘干12‑24 h。

[0016] 进一步说，该制备方法的步骤（3）中，所述烧结、保温是在烧结温度为900‑1400 ℃条件下保温2‑4 h。

[0017] 进一步说，该制备方法所采用的烧结的升温速率为4‑10 ℃/min。

[0018] 有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该莫来石陶瓷纤维依托于芦苇纤维，一方面能够形成中空结构，降低了该莫来石陶瓷纤维的导热系数，提高了保温性能；另一方面，制备时通过采用特定的铝盐与芦苇纤维的质量比和形成特定浓度的浸渍液，基于该条件下，能够充分地激发所采用的芦苇纤维中的硅元素，进而与附着于芦苇纤维上的铝元素相结合，实现于芦苇纤维上原位生成莫来石陶瓷纤维。

附图说明

[0019] 图1为实施例1所制备的莫来石纤维微观形貌图（高倍SEM图）；

[0020] 图2为实施例1所制备的莫来石纤维微观形貌图（低倍SEM图）；

[0021] 图3为实施例1所制备的莫来石纤维的X射线衍射图谱；

[0022] 图4为实施例2所制备的莫来石纤维微观形貌图（高倍SEM图）；

[0023] 图5为实施例2所制备的莫来石纤维微观形貌图（低倍SEM图）；

[0024] 图6为对比例1所制备的纤维的X射线衍射图谱；

[0025] 图7为对比例2所制备的纤维的X射线衍射图谱；

[0026] 图8为对比例3第1组所制备的纤维的X射线衍射图谱；

[0027] 图9为对比例3第5组所制备的纤维的X射线衍射图谱。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

[0029] 本发明基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维，按重量份数计包括如下原料：铝盐、芦苇纤维及溶剂无水乙醇，其中，所述芦苇纤维与铝盐的质量比为7.5:1，铝盐与无水乙醇所形成的溶液浓度为15‑30 g/L。

[0030] 实施例1

[0031] 该实施例1制备基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维的方法包括如下步骤：

[0032] （1）将1 g的九水硝酸铝与50 ml的无水乙醇混合，制得溶液浓度20 g/L浸渍液；

[0033] （2）将7.5 g芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍1 h，取出、挤干，并于70 ℃条件下烘干12 h，制得前驱体纤维；

[0034] （3）将上述前驱体纤维以升温速率5 ℃/min从室温升温至1000 ℃后保温3 h，随后随炉冷却即制得该中空莫来石陶瓷纤维。

[0035] 将该实施例制备的莫来石陶瓷纤维进行结构表征，所获得的结果如图1和图2所示。通过该图可知，所制备的纤维呈现良好的中空状。并进一步对其成分进行检测，所获得的结果如图3所示，通过该图可知，该纤维中存在二氧化硅和氧化铝的峰值，莫来石已经生成，由此可知，本发明的制备工艺在特定的比例条件下，能够充分地激发所采用的芦苇纤维中的硅元素，进而与附着于芦苇纤维上的铝元素相结合，实现于芦苇纤维上原位生成莫来石陶瓷纤维。

[0036] 实施例2

[0037] 该实施例2制备基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维的方法包括如下步骤：

[0038] （1）将5 g的氯化铝与250 ml的无水乙醇混合，制得溶液浓度20 g/L浸渍液；

[0039] （2）将37.5 g芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍1 h，取出、挤干，并在70 ℃条件下烘干12 h制得前驱体纤维；

[0040] （3）将上述前驱体纤维以升温速率5 ℃/min从室温升温至1000 ℃后保温3 h，随后随炉冷却即制得该中空莫来石陶瓷纤维。

[0041] 将该实施例制备的莫来石陶瓷纤维进行结构表征，所获得的结果如图4和图5所示。通过该图可知，所制备的限位呈现良好的中空状，并且形成了莫来石陶瓷纤维。且基于该质量比和浓度之下，能够生成莫来石陶瓷纤维。

[0042] 对比例1

[0043] 基本步骤与实施例1相同，不同之处在于浸渍液的浓度以及芦苇纤维与铝盐的质量比，具体如下：

[0044] （1）将1 g的九水硝酸铝与40 ml的无水乙醇混合，制得溶液浓度25 g/L浸渍液；

[0045] （2）将6 g芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍1 h，取出、挤干，并在70 ℃条件下烘干12 h制得前驱体纤维；

[0046] （3）将上述前驱体纤维以升温速率5 ℃/min从室温升温至1000 ℃后保温3 h，随后随炉冷却制得纤维。

[0047] 对比例2

[0048] 基本步骤与实施例1相同，不同之处在于浸渍液的浓度以及芦苇纤维与铝盐的质量比，具体如下：

[0049] （1）将1 g的九水硝酸铝与60 ml的无水乙醇混合，制得溶液浓度16.67 g/L浸渍液；

[0050] （2）将9 g芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍1 h，取出、挤干，并在70 ℃条件下烘干12 h制得前驱体纤维；

[0051] （3）将上述前驱体纤维以升温速率5 ℃/min从室温升温至1000 ℃后保温3 h，随后随炉冷却制得纤维。

[0052] 将对比例1和对比例2所制备的纤维进行X射线衍射图谱，所获得的结果如下图6和图7所示。通过图6和图7所示，该对比例1和对比例2所制备的纤维的X射线衍射图谱均无法和莫来石标准峰匹配，即该对比例1基于25 g/L的浸渍液、质量比6:1的芦苇纤维与铝盐的条件下，不能有效激发芦苇纤维中的硅元素，进而不能与铝反应生成莫来石。同理，对比例2基于16.67 g/L的浸渍液、质量比9:1的芦苇纤维与铝盐的条件下，同样不能有效激发芦苇纤维中的硅元素，进而不能与铝反应生成莫来石。由此可知，本发明芦苇纤维与铝盐的质量比和浸渍液的浓度，两者均需同时满足才可实现激发芦苇纤维中的硅元素，进而与铝反应生成莫来石。

[0053] 对比例3

[0054] 基本步骤与实施例1相同，不同之处在于所配制的浸渍液的浓度，分别为10 g/L、15 g/L、25 g/L、30 g/L、35 g/L，具体如下表1所示。

[0055] 表1 不同浸渍液的平行试验

[0056]组号 浸渍液浓度g/L
1 10
2 15
3 25
4 30
5 35

[0057] 将第1组、第2组、第3组、第4组和第5组所制备的纤维进行X射线衍射分析可知，采用浸渍液为10 g/L、35 g/L，即使在质量比7.5:1的芦苇纤维与铝盐的条件下，获得的结果如下图8和图9所示，通过该图可知，采用浸渍液为10 g/L、35 g/L均依然不能有效激发芦苇纤维中的硅元素，进而不能与铝反应生成莫来石。

[0058] 由此，本发明只有在同时满足浸渍液浓度为15‑30 g/L、芦苇纤维与铝盐质量比为7.5:1的条件下，才能够将芦苇纤维中的硅元素所激发，实现与芦苇纤维上的铝进行结合反应以原位实现莫来石的生成，即本发明研发了一种新型的莫来石陶瓷纤维的制备方法，通过不额外添加硅原料的基础上，激发纤维模板上元素，实现原位生成莫来石陶瓷纤维。

[0059] 实施例3

[0060] 该实施例3制备基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维的方法包括如下步骤：

[0061] （1）将1 g的异丙醇铝与50 ml的无水乙醇混合，制得溶液浓度20 g/L浸渍液；

[0062] （2）将7.5 g芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍2 h，取出、挤干，并在60 ℃条件下烘干18 h制得前驱体纤维；

[0063] （3）将上述前驱体纤维以升温速率4 ℃/min从室温升温至900 ℃后保温4 h，随后随炉冷却即制得该中空莫来石陶瓷纤维。

[0064] 实施例4

[0065] 该实施例4制备基于芦苇纤维原位生成的中空莫来石陶瓷纤维的方法包括如下步骤：

[0066] （1）将1 g的九水硝酸铝与50 ml的无水乙醇混合，制得溶液浓度20 g/L浸渍液；

[0067] （2）将7.5 g芦苇纤维加入到上述浸渍液中，浸渍3 h，取出、挤干，并在90 ℃条件下烘干24 h制得前驱体纤维；

[0068] （3）将上述前驱体纤维以升温速率10 ℃/min从室温升温至1400 ℃后保温2 h，随后随炉冷却即制得该中空莫来石陶瓷纤维。