專利名稱：一種制備陶瓷纖維的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陶瓷纖維領域，特指一種制備陶瓷纖維的方法，具體為運用凝膠注模成型方法制備各種陶瓷纖維。
背景技術：
陶瓷纖維是一種纖維狀輕質材料，具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導熱率低、比熱小及耐機械震動等優(yōu)點，因而在機械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、電子等行業(yè)都得到了廣泛的應用。目前，制備陶瓷纖維一種方法是擠制法，但是此種方法制備的纖維，外形不好控制，容易彎曲，均勻性不好；另外常用的還有溶膠凝膠法，美國專利u. S. Pat. No. 4921328和德國R. Harsch等采用溶膠凝膠法制備了 PZT纖維，直徑在5(Tl50Mffl，其不足之處在于該方法由于固相含量低，制備的陶瓷纖維內部形成明顯的核殼結構，外層致密，而內部有較多空隙，導致纖維均勻性下降，且纖維形狀不好控制；還有一種方法是懸浮磁粉紡絲法，美國Advanced Cerametrics公司采用懸浮磁粉紡絲法制備了橫斷面尺寸在8(T300Mm的壓電陶瓷纖維，但由于該方法使用了大量的有機高分子作為載體，在熱解和燒結過程中，高分子的揮發(fā)會產生微孔；另外，懸浮體的粘度較大，很難控制直徑較小的纖維。凝膠注模成型(gel-casting)技術是美國橡樹嶺國家實驗室Mark A Janney教授等于20世紀90年代初發(fā)明的一種新型膠態(tài)成型技術，它是把傳統(tǒng)陶瓷成型工藝與高分子化學反應相結合的一種嶄新的陶瓷原位成型工藝，將低粘度高固相含量的懸浮體中的有機單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)狀結構，從而使懸浮體原位固化成型；美國在20世紀90年代已有 3 家公司(Allied Signal Ceramic Components , LOTEC Inc. and Ceramic MagneticsInc.)獲得了該技術的許可使用，用于生產陶瓷渦輪轉子、發(fā)動機排氣管用隔熱陶瓷材料及高能物理研究用粒子加速器上的大直徑鐵氧體磁性陶瓷環(huán)，凝膠注模成型技術雖然已經被應用于制備各種復雜形狀的陶瓷體，但是目前為止還沒有人用此技術來制備陶瓷纖維。

發(fā)明內容
為了解決上述現(xiàn)有制備陶瓷纖維技術的不足，以及擴大凝膠注模成型技術的應用，本發(fā)明用凝膠注模法制備陶瓷纖維。本發(fā)明的技術方案是將單體和交聯(lián)劑按照摩爾比6:廣36:1的比例加入到去離子水中，單體質量占陶瓷粉體質量的1°/T4%，加入粉體質量的0. 08%"I. 5%的分散劑，調節(jié)體系的PH值為8 12，然后加入陶瓷粉末，制成高固相含量低粘度的漿料，漿料的固相含量為45VO19T60vO1%，攪拌均勻至無粉體團聚后依次加入引發(fā)劑和催化劑，繼續(xù)攪拌使得引發(fā)劑和催化劑分布均勻后迅速將此漿料注入毛細玻璃管或硬塑料管中，干燥后脫模，燒結后便可得到理想的陶瓷纖維。本發(fā)明用凝膠注模法制備陶瓷纖維具體是按下列步驟進行
(I)準備實驗的原料，將交聯(lián)劑N，N’ 一亞甲基雙丙烯酰胺配制成5wt%的溶液，將引發(fā)劑過硫酸鹽配制成10wt%的溶液，催化劑N，N，N’，N’ 一四甲基乙二胺配制成5wt%的溶液；將這些原料配制成溶液的目的是便于在混合液中充分混合，也便于量的控制；用球磨機將陶瓷粉末磨成粒度0. f 10Mm。(2)先在容器中加入去離子水，去離子水的加入量保證漿料固相含量為45vol%"60vol%,打開攪拌器，加入單體丙烯酰胺,單體質量占陶瓷粉體質量的1°/T4%,單體質量越多凝膠的時間越短，凝膠后坯體的強度也越高，但是時間過短就會難以操作，單體太多也會導致水分難以排出，通過實驗證實單體的用量占陶瓷粉體的19^4%比較適宜；加入交聯(lián)劑N，N’一亞甲基雙丙烯酰胺，使單體和交聯(lián)劑的摩爾比為6: f 36:1，得到混合溶液A ；單體和交聯(lián)劑的比例會影響坯體的強度，當兩者比例為6: f 36:1時，能達到本發(fā)明中坯體的所需強度。(3)在混合溶液A加入分散劑聚甲基丙烯酸銨得到混合溶液B，加入量為陶瓷粉末的0. 08wt°ri. 5wt%，分散劑可以很好的改善漿料的分散性，開始時隨著分散劑添加量的增多，漿料粘度迅速降低，但分散劑添加量繼續(xù)增多時，漿料粘度略有增大；加入的分散劑為陶瓷粉末的0. 08wt°ri. 5wt%，漿料的流動性最好；調節(jié)混合溶液B的pH值為8 12，漿料在此PH范圍內分散性和穩(wěn)定性較好，
(4)在混合溶液B中加入陶瓷粉末，粒度0. IMflTlOMm,加入后漿料的固相含量為45vol°/T60vol%,固相含量太低,干燥后還體容易開裂或變形，固相含量過高就不能保證衆(zhòng)料的流動性，使?jié){料很難注入模具中，因此本發(fā)明所配漿料固相含量為45VO19T60vO1% ;本發(fā)明中衡量漿料流動性的標準是粘度，由NDJ5S粘度計進行測量，本方法中漿料粘度為100 400mPa. S。(5)在配置好的漿料中加入陶瓷粉末質量0. 1%的消泡劑，通過改變漿料的表面張力使氣泡破裂，加入陶瓷粉末質量0. 1%的高分子聚乙二醇抗氧阻聚。(6)先后加入引發(fā)劑過硫酸鹽和催化劑N，N，N’，N’ 一四甲基乙二胺，兩者的加入量都為漿料的0. 8V019T3v01%，若兩者的加入量過少起不到引發(fā)和催化的作用，漿料固化時間長，生產效率低，若加入量過大，會導致迅速凝膠固化，難以操作下一步的實驗，因此加入量控制為漿料的0. 8vol% 3vol%。(7)繼續(xù)攪拌2 10分鐘，至引發(fā)劑和催化劑均勻后迅速將漿料注入到毛細管中，毛細管的內徑lOOMnTlOOOMm，待凝膠固化后放入100°C的烘箱干燥24 48小時，坯體干燥收縮與毛細管壁分離后脫模，即可得到陶瓷纖維坯體，常壓燒結得到陶瓷纖維。所述引發(fā)劑過硫酸鹽為過硫酸銨。所述調節(jié)混合溶液B的pH值為8 12指采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值。與現(xiàn)有的制備陶瓷纖維的方法相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點是纖維坯體的強度高，不易變形，本方法中使用的有機物含量少，因此避免了纖維在干燥和排膠過程中導致纖維的變形，提高了纖維的致密度，降低了纖維的收縮率，燒成后純度高，此方法所制纖維內部結構均勻，其次，本發(fā)明中的可以選擇不同內徑毛細模具，因此可以控制所制纖維的直徑，所用陶瓷粉末粒度較小，所制陶瓷纖維的表面較光滑。
具體實施例方式在本發(fā)明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義。下面結合具體實施例，并參照數(shù)據(jù)進一步詳細地描述本發(fā)明，應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規(guī)方法。所用試劑的來源、商品名以及有必要列出其組成成分者，均在首次出現(xiàn)時標明，其后所用相同試劑如無特殊說明，均以首次標 明的內容相同。實施例I :
量取20. Oml的水加入攪拌容器中，打開攪拌器，稱取5g丙烯酰胺加入，量取15ml所配制的N，N’ 一亞甲基雙丙烯酰胺溶液加入攪拌均勻后得到混合溶液A，加入2. Oml的聚甲基丙烯酸銨攪拌均勻后得到混合溶液B，采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值為10 ;稱取186. 7g平均粒度的氧化鋁粉慢慢加入攪拌容器，攪拌均勻，逐漸將攪拌速度調慢，得到固相含量56vol%的漿料，再滴入0. 15ml正丁醇進行消泡和加入0. 3g聚乙二醇6000，攪拌均勻；先加入配制的過硫酸銨溶液I. 5ml，后加入配制的N，N，N’，N’一四甲基乙二胺溶液I. 5ml，攪拌5分鐘后迅速將所得漿料注入100根內徑900Mm的玻璃管中，待膠凝固化后，置于100°C的烘箱中干燥48小時，脫模，1650°C燒成，得到外形筆直，表面光滑的氧化鋁陶瓷纖維，直徑732Mm，體密度為3. 74g/cm3，徑向收縮率為18. 6%。實施例2
量取20. Oml的水加入攪拌容器中，打開攪拌器，稱取5g丙烯酰胺加入，量取15ml所配制的N，N’ 一亞甲基雙丙烯酰胺溶液加入攪拌均勻后得到混合溶液A，加入2. Oml的聚甲基丙烯酸銨攪拌均勻后得到混合溶液B，采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值為10 ;稱取125. 2g平均粒度0. 2^0. 3M 的氧化鋁粉慢慢加入攪拌容器，攪拌均勻，逐漸將攪拌速度調慢，得到固相含量46vol%的漿料，再滴入0. 15ml正丁醇進行消泡和加入0. 3g聚乙二醇6000，攪拌均勻；先加入配制的過硫酸銨溶液I. 5ml，后加入配制的N，N，N’，N’ 一四甲基乙二胺溶液I. 5ml，攪拌5分鐘后迅速將所得漿料注入將所得漿料注入100根內徑500Mm的玻璃管中，在100°C的烘箱中干燥48小時，脫模，1650°C燒成，得到外形筆直，表面光滑的氧化鋁陶瓷纖維，直徑410Mm，體密度為3. 76g/cm3，徑向收縮率為18. 0%。
實施例3
量取2ml的水加入攪拌容器中，打開攪拌器，稱取5g丙烯酰胺加入，量取15ml所配制的N，N’一亞甲基雙丙烯酰胺溶液加入攪拌均勻后得到混合溶液A，加入0. 15ml的聚甲基丙烯酸銨攪拌均勻后得到混合溶液B，采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值為12 ;稱取162. 2g平均粒度0. 5^0. 7M 的鋯鈦酸鉛陶瓷粉慢慢加入攪拌容器，攪拌均勻，逐漸將攪拌速度調慢，得到固相含量49vol%的漿料，再滴入0. 15ml正丁醇進行消泡和加入0. 3g聚乙二醇6000，攪拌均勻；先加入配制的過硫酸銨溶液I. 5ml，后加入配制的N，N，N’，N’ 一四甲基乙二胺溶液I. 5ml，攪拌5分鐘后迅速將所得漿料注入將所得漿料注入100根內徑400Mffl的玻璃管中，在100°C的烘箱中干燥48小時，脫模，1250°C燒成，得到外形筆直，表面光滑的鋯鈦酸鉛陶瓷纖維，直徑336Mm，體密度為7. 55g/cm3，徑向收縮率為16. 0%。實施例4:
量取2ml的水加入攪拌容器中，打開攪拌器，稱取5g丙烯酰胺加入，量取15ml所配制的N，N’ 一亞甲基雙丙烯酰胺溶液加入攪拌均勻后得到混合溶液A，加入0. 15ml的聚甲基丙烯酸銨攪拌均勻后得到混合溶液B，采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值為12 ;稱取182. 5g平均粒度IlMffl的鋯鈦酸鉛陶瓷粉慢慢加入攪拌容器，攪拌均勻，逐漸將攪拌速度調慢，得到固相含量52vol%的漿料，再滴入0. 15ml正丁醇進行消泡和加入0. 3g聚乙二醇6000，攪拌均勻；先加入配制的過硫酸銨溶液I. 5ml，后加入配制的N，N，N’，N’ 一四甲基乙二胺溶液I. 5ml，攪拌5分鐘后迅速將所得漿料注入將所得漿料注入100根內徑700Mm的玻璃管中，在100°C的烘箱中干燥48小時，脫模，1250°C燒成，得到外形筆直，表面光滑的鋯鈦酸鉛陶瓷纖維，直徑592Mm，體密度為7. 58g/cm3，徑向收縮率為15. 5%。實施例5
量取7ml的水加入攪拌容器中，打開攪拌器 ，稱取5g丙烯酰胺加入，量取15ml所配制的N，N’ 一亞甲基雙丙烯酰胺溶液加入攪拌均勻后得到混合溶液A，加入0. 2ml的聚甲基丙烯酸銨攪拌均勻后得到混合溶液B，采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值為11 ;稱取147. 9g平均粒度的鈦酸鉍鈉一鈦酸鋇陶瓷粉慢慢加入攪拌容器，攪拌均勻，逐漸將攪拌速度調慢，得到固相含量50vol%的漿料，再滴入0. 15ml正丁醇進行消泡和加入0. 3g聚乙二醇6000，攪拌均勻；先加入配制的過硫酸銨溶液I. 5ml，后加入配制的N，N，N’，N’ 一四甲基乙二胺溶液I. 5ml，攪拌5分鐘后迅速將所得漿料注入將所得漿料注入100根內徑200Mm的玻璃管中，在100°C的烘箱中干燥48小時，脫模，1150°C燒成，得到外形筆直，表面光滑的鈦酸鉍鈉一鈦酸鋇陶瓷纖維，直徑167Mm，體密度為5. 83g/cm3，徑向收縮率為15. 7%。實施例6
量取7ml的水加入攪拌容器中，打開攪拌器，稱取5g丙烯酰胺加入，量取15ml所配制的N，N’ 一亞甲基雙丙烯酰胺溶液加入攪拌均勻后得到混合溶液A，加入0. 2ml的聚甲基丙烯酸銨攪拌均勻后得到混合溶液B，采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值為11 ;稱取188. 2g平均粒度4飛Mm的鈦酸鉍鈉一鈦酸鋇陶瓷粉慢慢加入攪拌容器，攪拌均勻，逐漸將攪拌速度調慢，得到固相含量54vol%的漿料，再滴入0. 15ml正丁醇進行消泡和加入0. 3g聚乙二醇6000，攪拌均勻；先加入配制的過硫酸銨溶液I. 5ml，后加入配制的N，N，N’，N’ 一四甲基乙二胺溶液I. 5ml，攪拌5分鐘后迅速將所得漿料注入將所得漿料注入100根內徑500Mm的玻璃管中，在100°C的烘箱中干燥48小時，脫模，1150°C燒成，得到外形筆直，表面光滑的鈦酸鉍鈉一鈦酸鋇陶瓷纖維，直徑425Mm，體密度為5. 88g/cm3，徑向收縮率為15. 0%。
權利要求
1.一種制備陶瓷纖維的方法，其特征在于將單體和交聯(lián)劑按照摩爾比6: f 36:1的比例加入到去離子水中，單體質量占陶瓷粉體質量的1°/Γ4%,加入粉體質量的O. 08%"I. 5%的分散劑，調節(jié)體系的PH值為8 12，然后加入陶瓷粉末，制成高固相含量低粘度的漿料，漿料的固相含量為45VO19T60VOl%，攪拌均勻至無粉體團聚后依次加入引發(fā)劑和催化劑，繼續(xù)攪拌使得引發(fā)劑和催化劑分布均勻后迅速將此漿料注入毛細玻璃管或硬塑料管中，干燥后脫模，燒結后得到陶瓷纖維。
2.如權利要求I所述的一種制備陶瓷纖維的方法，其特征在于包括如下步驟 先在容器中加入去尚子水，去尚子水的加入量保證衆(zhòng)料固相含量為45νο19 Γ60νο1%,打開攪拌器，加入單體丙烯酰胺，單體質量占陶瓷粉體質量的1°/Γ4% ;加入交聯(lián)劑N, N’一亞甲基雙丙烯酰胺，使單體和交聯(lián)劑的摩爾比為6:廣36:1，得到混合溶液A ; 在混合溶液A加入分散劑聚甲基丙烯酸銨得到混合溶液B，加入量為陶瓷粉末的O.08wt% l· 5wt%,調節(jié)混合溶液B的pH值為8 12 ； 在混合溶液B中加入陶瓷粉末，粒度O. IMflTlOMm,加入后漿料的固相含量為45VO19T60VOl%，在配置好的漿料中加入陶瓷粉末質量O. 1%的消泡劑，加入陶瓷粉末質量O.1%的高分子聚乙二醇抗氧阻聚； 先后在漿料中加入引發(fā)劑過硫酸鹽和催化劑N，N, N’，N’ 一四甲基乙二胺，兩者的加入量都為漿料的O. 8vol% 3vol% ； 繼續(xù)攪拌2 10分鐘，至引發(fā)劑和催化劑均勻后迅速將漿料注入到毛細管中，毛細管的內徑lOOMnTlOOOMm，待凝膠固化后放入100°C的烘箱干燥24 48小時，坯體干燥收縮與毛細管壁分離后脫模，即可得到陶瓷纖維坯體，常壓燒結得到陶瓷纖維。
3.如權利要求2所述的一種制備陶瓷纖維的方法，其特征在于將交聯(lián)劑N，N’一亞甲基雙丙烯酰胺配制成5wt%的溶液，將引發(fā)劑過硫酸鹽配制成10wt%的溶液，催化劑N，N, N’，N’ 一四甲基乙二胺配制成5wt%的溶液。
4.如權利要求2所述的一種制備陶瓷纖維的方法，其特征在于所述漿料的粘度為100 400mPa. S。
5.如權利要求2所述的一種制備陶瓷纖維的方法，其特征在于所述過硫酸鹽為過硫酸銨。
6.如權利要求2所述的一種制備陶瓷纖維的方法，其特征在于所述調節(jié)混合溶液B的PH值為8 12指采用氨水調節(jié)混合溶液B的pH值。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷纖維領域，特指一種制備陶瓷纖維的方法，具體為運用凝膠注模成型方法制備各種陶瓷纖維。具體是將單體和交聯(lián)劑制成一定pH值的預混液，加入陶瓷粉末得到低粘度高固相含量的漿料，然后注入毛細模具，干燥、脫模、燒結后便可制得陶瓷纖維。此方法可制備的陶瓷纖維直徑100μm~1000μm，直徑大小可以控制，長度為4cm以上，纖維外形筆直，致密度高，內部結構均勻，纖維表面光滑。
文檔編號C04B35/491GK102627448SQ20121009501
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權日2012年3月31日
發(fā)明者劉軍, 畢越, 王月民, 王超, 陳彩鳳 申請人:江蘇大學