專利名稱：一種莫來石纖維的制備方法
技術領域：
本發明涉及高溫耐火纖維制備技術領域，特別涉及一種綠色低成本莫來石纖維的制備方法。
背景技術：
莫來石纖維是高溫技術領域的一類高技術基礎材料，因具有一系列的優異性能， 包括高熔點(1850°C )、優良的高溫抗蠕變性能、優異的高溫強度、電絕緣性和化學穩定性，低熱傳導率和熱膨脹系數(5. 3X10_6K)，以及優良的抗腐蝕性和高剪切模量，在國民經濟發展中作用十分突出，與鋼鐵、有色金屬、建材、能源及新技術產業的發展息息相關，是這類行業節能降耗的重要保障。因此，莫來石纖維自問世以來作為一種輕質耐高溫材料越來越受到重視。在發達國家，耐火材料總產值約占國民經濟中產值的O. 1%，市場前景非常廣闊。隨著科學技術水平的不斷提高，工業現代化進程的加快，高性能莫來石纖維的應用不再局限于傳統的窯爐及熱工設備上，其在國防及高技術領域將有著更廣闊的應用，而且市場容量超過傳統行業的需求量。如在航天領域的應用美國國家航天局(NASA)采用輕型纖維瓦解決了航天飛機系統中的隔熱系統問題；在汽車行業的應用由于經過莫來石纖維增強的鋁鎂合金具有優良的力學性能，已在汽車發動機活塞部件上成功應用。2010年我國汽車產量超過1800萬輛，按每套活塞連桿使用O. 2Kg增強纖維計算，僅此一項陶瓷纖維用量即可達到3600噸。目前，在莫來石纖維的生產和研究中，均采用傳統的電阻爐加熱的方式進行熱處理，熱量主要通過熱傳導、熱輻射及對流的方式由外至內傳遞，由于莫來石纖維熱導率較低，因此傳統加熱方式效率較低，升溫速率較慢，而且所需保溫溫度高達1300°C、保溫時間約3小時，整個升溫及保溫過程一般需要8-10小時，可見生產效率低，生產周期長、能耗大。 同時，由于傳統方式熱處理溫度高、保溫時間長，纖維晶粒異常長大，纖維脆性斷裂及粉化現象嚴重。此外，傳統加熱方式內外溫度梯度較大，材料一致性能較低，易出現黑心問題，成品率低。因此，降低莫來石纖維熱處理溫度，減少保溫時間，縮短生產周期，提高生產效率， 改善莫來石纖維性能，發展高性能莫來石纖維綠色低成本制備技術具有重要的研究價值和社會及經濟效益。

發明內容
本發明的技術目的是針對上述技術現狀，提供一種高效、節能、成本低廉并且易于產業化的莫來石纖維制備方法，利用該制備方法能夠較快升溫，并在較低溫度、較短保溫時間內合成莫來石纖維。本發明實現上述技術目的所采用的技術方案為一種莫來石纖維的制備方法，具體為按照莫來石纖維化學式中各元素的化學計量比稱取原料，配置膠體，然后經成纖、烘干排膠制成莫來石非晶纖維，再將纖維裝入由透波材料制成的匣缽內，然后將匣缽放入專業微波爐內，在空氣或氧氣氣氛下，通過調整微波功率控制升溫速率，加熱升溫至熱處理溫度，最后冷卻至室溫，得到莫來石纖維。上述技術方案中膠體配置時采用的原料可以是所述莫來石纖維化學式中相應元素的單質、氧化物、氟化物、氮化物、溴化物、氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽，也可以是所需原料元素的前軀體或者溶膠。所述成纖方法包括但不限于高速離心甩絲、熱氣流高壓噴絲、靜電紡絲或熔融拉絲。所述專業微波爐可以選自網帶式微波爐/窯、推板式微波爐/窯、輥道式微波爐/ 窯、梭式微波爐/窯、箱式微波爐/窯及鐘罩式微波爐/窯中的ー種，專業微波爐的微波頻率一般為 300MHz 300GHz，優選的頻率為 2. 45GHz、5. 8GHz、0. 915GHz 或 24. 15GHz。匣缽由透波性能較好的材料制成，優選由A1203、BN等材料中的一種或幾種的復合材料制成。為了改善莫來石纖維的性能，加熱升溫至熱處理溫度后優選進行保溫處理，保溫時間優選為0. I 100h，進ー步優選為0. I lh。為了降低熱處理溫度，改善莫來石纖維的性能，可在原料中加入各種助溶劑，助溶劑包括但不限于鋁粉、硅粉、SiO2, V2O5, Bi2O3, CuO, Bi (NO3)3, Cu (NO3) 2等中的ー種或者幾種的混合。為了提高升溫速率，更好地保持環境溫度場的均勻性，優選在匣缽內加輔熱材料。 輔熱材料可直接與樣品接觸或者保持一定的距離。輔熱材料包括但不限于SiC、Co2O3> CuO、WO3> MoS2, PbS、CuFeS2, WC 以及 ZrO2 等中的ー種或者幾種的混合物。為了增加保溫效果，優選將匣缽放入保溫裝置內，然后進行微波加熱。匣缽和保溫裝置內壁之間填入保溫材料。保溫裝置可以是保溫桶、保溫盒或保溫匣等。保溫裝置是由透波性能良好的材料制成，優選由Al2O3、BN等材料中的ー種或幾種的復合材料制成。同樣， 在匣缽和保溫桶內壁之間填入的保溫材料也是透波性能良好的材料，優選為A1203、BN等材料中的ー種或幾種的復合材料。冷卻過程采用隨爐冷卻至室溫，或者采用通過調整微波功率以一定的降溫速率冷
卻至室溫。本發明制備方法中的升溫速率優選為5°C /min 200°C /min，進ー步優選為 IO0C /min 80°C /min。熱處理溫度一般為600°C 1700°C，進ー步優選為750°C 1300°C。利用本發明方法，可根據實際應用需要，將莫來石纖維成型或加工成所需形狀和尺寸的器件。本發明利用微波與莫來石非晶纖維直接耦合，升溫速度快，燒結時間短，有利于獲得晶粒細小、致密度高的莫來石纖維，而且材料內外均勻受熱，可減少莫來石纖維內部熱應力，降低纖維脆性斷裂及粉化比例；此外微波的非熱效應可促進活化燒結，提高分子擴散速率，降低活化能，可降低纖維熱處理溫度。因此，本發明利用微波法熱處理莫來石纖維，其有益效果體現在
(I)提升了莫來石纖維熱處理過程中的升溫速率，降低了熱處理溫度，縮短了保溫時間，大幅提升了生廣效率；(2)提高了能源利用率，大幅降低了生產成本，易于實現大規模產業化；(3)由于微波整體加熱的特性，提升了莫來石纖維產品性能的一致性，降低了纖維脆性斷裂及粉化現象，提高了成品率；(4)由于升溫速度快，保溫時間短，可獲得晶粒細小、致密度高的莫來石纖維，纖維后續加工性得到改善。綜上所述，本發明提供的綠色低成本莫來石纖維制備方法是一種快速、高效、節能環保，成本低廉且易于實現大規模生產的制備方法。


圖I是本發明實施例I得到的莫來石纖維的XRD圖譜；圖2是本發明實施例I得到的莫來石纖維的斷口 SEM照片。
具體實施例方式以下結合附圖與實施例對本發明的具體實施方式
作進一步說明，需要指出的是， 以下所述實施例旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。實施例I :本實施例中，莫來石纖維的化學表示式為3A1203 · 2Si02,具體制備方法如下(I)稱取241. 5g六水氯化鋁(AlCl3 · 6H20)，135g鋁粉，加入400ml去離子水中， 以800rpm的轉速攪拌20min制得混合溶液A，然后加入480ml硅溶膠(SiO2含量為O. 25g/ ml)，以及I %的聚乙烯醇，加熱至80°C，并充分攪拌,攪拌過程中滴加lmol/L的HCl調節pH 為5±1。攪拌12h后制得溶膠。(2)溶膠經甩絲成纖得到膠體纖維；(3)膠體纖維以2V /min的升溫速率加熱至500°C，熱處理2h，得非晶纖維；(4)將⑶中得到的非晶纖維經放入專業微波爐內熱處理，燒結氣氛為空氣，常壓下以10°C /min的升溫速率升溫至1000°C，然后保溫30min，之后隨爐冷卻，即得到多晶莫來
石纖維。對上述制備得到的多晶莫來石纖維樣品進行測量分析，用X射線衍射儀分析樣品的物相如圖I所示，由圖I可知，在微波處理溫度為1000°C時纖維已完全呈莫來石相，用掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷口形貌、晶粒尺寸、及結構特征，得到圖2。由圖2可知樣品晶粒尺寸約30nm,纖維直徑約6 10 μ m,纖維斷面致密。實施例2 實施例2 8中，莫來石纖維的化學表示式與實施例相同，具體制備方法也與實施例I基本相同，所不同的是升溫速率、燒結溫度，以及保溫時間具體如下表I所示。表I實施例2 8中莫來石纖維的化學表不式及工藝條件實施例化學表示式升溫速率 (°C/min)燒結溫度(°c)保溫時間 (h)23Al203.2Si0210800I33Al203.2Si02209000.543Al203.2Si022011000.553Al203.2Si021012000.563Al203.2Si021012500.573Al203*2Si025013000.183Al203.2Si025013500.05對上述制備得到的多晶莫來石纖維樣品進行測量分析，用X射線衍射儀分析樣品的物相類似圖I所示，表明在表I所示的微波處理溫度下纖維呈莫來石相；用掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷ロ形貌、晶粒尺寸、及結構特征，得到類似圖2所示的圖像，晶粒尺寸 30-60nm,纖維直徑6 10 y m,纖維斷面致密。以上所述的實施例對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、補充或等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種莫來石纖維的制備方法，其特征是按照莫來石纖維化學式中各元素的化學計量比稱取原料，配置膠體，然后經成纖、烘干排膠制成莫來石非晶纖維，再將纖維裝入由透波材料制成的匣缽內，接著將匣缽放入專業微波爐內，在空氣或氧氣氣氛下，通過調整微波功率，控制升溫速率，加熱升溫至熱處理溫度，最后冷卻至室溫，得到莫來石纖維。
2.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是膠體配置時采用的原料可以是所述莫來石纖維化學式中相應元素的單質、氧化物、氟化物、氮化物、溴化物、氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽，也可以是所需原料元素的前軀體或者溶膠。
3.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述成纖方法包括高速離心甩絲、熱氣流高壓噴絲、靜電紡絲或熔融拉絲。
4.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的專業微波爐選自網帶式微波爐/窯、推板式微波爐/窯、輥道式微波爐/窯、梭式微波爐/窯、箱式微波爐 /窯及鐘罩式微波爐/窯中的ー種。
5.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的專業微波爐的微波頻率為300MHz 300GHz。
6.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的專業微波爐的微波頻率為 2. 45GHz、5. 8GHz、0. 915GHz 或 24. 15GHz。
7.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的匣缽由氧化鋁、 氮化硼和莫來石材料中的ー種或幾種的復合材料制成。
8.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是加熱升溫至熱處理溫度后進行保溫處理，保溫時間為0. I 100h，進ー步優選為0. I lh。
9.根據權利要求I中所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的升溫速率為5°C /min 200 °C /min。
10.根據權利要求I至9中任ー權利要求所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的升溫速率為10°c /min 80°C /min。
11.根據權利要求I至9中任ー權利要求所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的熱處理溫度為600°C 1700°C。
12.根據權利要求I至9中任ー權利要求所述的莫來石纖維的制備方法，其特征是所述的熱處理溫度為750V 1300°C。
全文摘要
本發明公開了一種高效快捷的莫來石纖維綠色低成本制備方法，具體為按照莫來石纖維化學式中各元素的化學計量比稱取原料，配置膠體，然后經成纖、烘干排膠制成莫來石非晶纖維，再將纖維裝入由透波材料制成的匣缽內，接著將匣缽放入專業微波爐內，在空氣或氧氣氣氛下，通過調整微波功率，控制升溫速率，加熱升溫至熱處理溫度，最后冷卻至室溫，得到莫來石纖維。本發明制得的莫來石纖維相純度高，晶粒尺寸約30nm，纖維直徑6～10μm，孔隙率低。并且產品一致性能優良，大大降低了纖維脆性斷裂粉化現象，提高了成品率，另外還降低了熱處理溫度，縮短了保溫時間，大幅提升了生產效率。
文檔編號C04B35/185GK102603276SQ20121006544
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者周小兵, 胡春峰, 黃慶 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所