專(zhuān)利名稱(chēng)：一種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種氧化鋯晶體纖維的制備方法，特別涉及ー種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法，屬于保溫、耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
耐火陶瓷纖維由于其具有優(yōu)異的保溫隔熱性能而成為開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，碳纖維是ー種性能優(yōu)異的隔熱材料，在非氧化氣氛下，使用溫度可達(dá)1400°C，但是在氧化氣氛下容易燒蝕；氧化鋁纖維也是ー種常用的性能非常優(yōu)越的隔熱材料，可以在氧化氣氛中使用，但是其最高使用溫度為1800°C，制約了其在更高溫度環(huán)境下的使用；氧化鋯陶瓷纖維與其它種類(lèi)的無(wú)機(jī)材料纖維材料相比，具有高熔點(diǎn)(2710 士 15 V )、熱阻系數(shù)大，良好的抗燒性(在大氣中2500°C仍能保持良好的纖維形態(tài))、耐化學(xué)腐蝕、高溫下蒸汽壓低以及理論強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是ー種可以在氧化氣氛下使用的優(yōu)質(zhì)高溫隔熱、保溫材料，此外，氧化鋯纖維還可用 于激光、燃料電池隔膜、衛(wèi)星和航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及高溫或化學(xué)腐蝕氣體的過(guò)濾或催化劑載體等方面。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量精力研制開(kāi)發(fā)多晶氧化鋯纖維。以美國(guó)zircar為例，該公司已有40多年生產(chǎn)多晶氧化鋯纖維的歷史，生產(chǎn)的多晶纖維使用溫度可達(dá)2200 °C。目前氧化鋯纖維的制備技術(shù)主要有四種
(I)鋯鹽溶液浸潰法。將黏膠纖維通過(guò)一定的溶劑溶脹后，用鋯鹽和穩(wěn)定劑溶液交換纖維中的溶剤，采用離心或吸濾方法除去纖維表面多余的鋯鹽溶液。經(jīng)烘干、鍛燒后得到氧化鋯纖維。(2)有機(jī)鋯聚合法。將鋯的有機(jī)鹽通過(guò)一定的方法聚合，使聚合物具有適當(dāng)?shù)恼扯?，將此聚合物紡絲，然后鍛燒制得氧化鋯纖維。(3)膠體法。將鋯鹽轉(zhuǎn)化成鋯的溶膠，然后進(jìn)行紡絲，將所得前驅(qū)體經(jīng)鍛燒得到氧化鋯纖維。(4)混合法。將鋯鹽溶液或納米氧化鋯微粉通過(guò)添加有機(jī)聚合物(作為紡絲助劑)混合，制成可用于紡絲的漿料，進(jìn)行紡絲，然后緞燒所獲前驅(qū)體纖維生成氧化鋯纖維。采用浸潰法、鋯聚合物法和膠體法以及以往的混合法制備的氧化鋯纖維前驅(qū)體，含有大量的有機(jī)成分或水分，氧化鋯的含量不高，鍛燒過(guò)程中，大量揮發(fā)物質(zhì)排除，使得制備的氧化鋯纖維不易致密，纖維強(qiáng)度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種エ藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、制得的氧化鋯晶體纖維純度高、強(qiáng)度好、直徑細(xì)、產(chǎn)品均一、熱導(dǎo)率低、長(zhǎng)時(shí)間耐高溫性能好的全穩(wěn)定四方
相氧化鋯晶體纖維的制備方法。本發(fā)明ー種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法，采用下述步驟予以實(shí)現(xiàn)第一歩，可紡性前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠的制備a.分別稱(chēng)取氫氧化鋯與純水重量之比為1:3的氫氧化鋯與純水，將氫氧化鋯粉末倒入上述純水中攪拌形成懸濁液；
b.分別稱(chēng)取硝酸釔和50%濃度硝酸溶液，其中所稱(chēng)取的硝酸釔和50%濃度硝酸溶液的量分別為硝酸釔與上述氫氧化鋯的重量之比為O. 19 O. 26 :1，50%濃度硝酸溶液與上述氫氧化鋯的重量之比為1.6 3.2 :1，將所稱(chēng)得的硝酸釔和50%濃度硝酸溶液混合，并充分?jǐn)嚢杈鶆?；c.于20 30°C的溫度范圍內(nèi)，將上述步驟b制得的硝酸釔和硝酸混合溶液緩慢加入到步驟a所制得的氫氧化鋯水溶液中并不斷攪拌，持續(xù)攪拌2 3;后于75 80°C的溫度范圍內(nèi)將上述經(jīng)攪拌的混合溶液濃縮至粘度達(dá)到20 25 Pa. s,制得前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠；d.于10°C的溫度下將上述步驟c制得的前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠老化至80 IOOPa. S，制得可紡性前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠。第二步，凝膠纖維的成型將上述制得的可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩絲機(jī)即得含鋯凝膠纖維；第三步，氧化鋯晶體纖維的熱處理首先將上述制得的含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，以I. 5 2°C /min的速度升溫至500°C，恒溫I ;其次以5 10°C /min的速度升溫至1100°C，再恒溫I ;然后將其快速冷卻至室溫，即得直徑為3 6 的全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維。
上述技術(shù)方案中，所述凝膠纖維的成型步驟中用到的高速離心甩絲機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)恒溫在20 30°C ;所述高速離心甩絲機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在10000 15000r/min之間。采用上述技術(shù)方案，維持高速離心甩絲機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)恒溫，并控制高速離心甩絲機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在10000 15000r/min之間，使得制出的凝膠纖維直徑細(xì)、產(chǎn)品均一?，F(xiàn)有技術(shù)中由于采用有機(jī)原材料來(lái)制備全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維，故必須對(duì)含鋯有機(jī)聚合物纖維采取特殊氣氛的熱處理和超高溫處理而獲得全穩(wěn)定立方相氧化鋯晶體纖維，其中特殊氣氛一般是含鋯有機(jī)聚合物溶液加熱產(chǎn)生的蒸汽、氮?dú)?、水蒸氣或他們的混合氣氛。作為本技術(shù)方案的進(jìn)ー步改進(jìn)，由于采用的是無(wú)機(jī)原材料來(lái)制備，所述氧化鋯晶體纖維的熱處理步驟中所使用的梭式高溫窯爐是通過(guò)原料天然氣來(lái)燃燒加熱，所述含鋯凝膠纖維無(wú)需特殊氣氛的熱處理。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是通過(guò)無(wú)機(jī)原料氫氧化鋯、純水、硝酸釔、50%濃度硝酸，經(jīng)過(guò)可紡性前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠的制備、凝膠纖維的成型、氧化鋯晶體纖維的熱處理三個(gè)步驟，即可制得全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維。采用此種方法エ藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品的生產(chǎn)周期短。由于采用無(wú)機(jī)原料較采用有機(jī)材料制備全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維，避免了對(duì)含鋯有機(jī)聚合物纖維采取特殊氣氛的熱處理工序；同時(shí)避免了因采用有機(jī)原料使凝膠纖維中含有大量的有機(jī)成分，使得氧化鋯的含量不高，鍛燒過(guò)程中，大量揮發(fā)物質(zhì)排除，使得制備的氧化鋯纖維不易致密，纖維強(qiáng)度不高的問(wèn)題。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說(shuō)明
實(shí)施例一
將30g氫氧化鋯粉末倒入90g水中攪拌形成懸濁液。然后將5. 7g硝酸釔和48g50%濃度硝酸溶液混合，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?5V的攪拌條件下將此混合液緩慢加入到氫氧化鋯水溶液中，待加完后持續(xù)攪拌2. 5h，于78°C條件下濃縮至粘度達(dá)到20 Pa. S，最后在10°C條件下將其老化至80Pa. s，得到可紡性前驅(qū)體溶膠。將可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，按I. 5°C /min的速度升溫至500°C，恒溫I小時(shí)，然后5°C /min的速度升溫至1100°C，再恒溫I小吋，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相和單斜相結(jié)構(gòu)，其中四方相占產(chǎn)品質(zhì)量的75%，單斜相占產(chǎn)品質(zhì)量的25%，纖維直徑約5 μ m。實(shí)施例ニ
將30g氫氧化鋯粉末倒入90g水中攪拌形成懸濁液。然后將7. Sg硝酸釔和48g50%濃度硝酸溶液混合，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?6°C和攪拌條件下將此混合液慢加入到氫氧化鋯水溶液中，慢加完后連續(xù)攪拌2. 2h，在75°C條件下濃縮至粘度達(dá)到21Pa. s，最后在10°C條件下老化至85Pa. s，得到可紡性前驅(qū)體溶膠。將可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩 絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，按I. 6°C /min的速度升溫至500°C，恒溫lh，然后6°C /分的速度升溫至1100°C，再恒溫lh，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相結(jié)構(gòu)，纖維直徑約5 μ m。實(shí)施例三
將30g氫氧化鋯粉末倒入90g水中攪拌形成懸濁液。將5. 7g硝酸釔和96g50%濃度硝酸溶液混合，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?7°C和攪拌條件下將此混合液慢加入到氫氧化鋯水溶液中，慢加完后連續(xù)攪拌2. 4h，在76°C條件下濃縮至粘度達(dá)到22 Pa. S，最后在10°C條件下老化至90Pa. s，得到可紡性前驅(qū)體溶膠。將可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，按I. 7V /min的速度升溫至500°C，恒溫I小時(shí)，然后7V Mn的速度升溫至1100°C，再恒溫I小時(shí)，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相和單斜相結(jié)構(gòu)，其中，所得的產(chǎn)品中四方相占產(chǎn)品質(zhì)量的75%,單斜相占產(chǎn)品質(zhì)量的25%,纖維直徑約6μηι。實(shí)施例四
將30g氫氧化鋯粉末倒入90g水中攪拌形成懸濁液。然后，將5. 7g硝酸釔和48g50%濃度硝酸溶液混合，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?8°C和攪拌條件下將此混合液慢加入到氫氧化鋯水溶液中，慢加完后連續(xù)攪拌2. 5小時(shí)，在77°C條件下濃縮至粘度達(dá)到23 Pa. s,最后在10°C條件下老化至95Pa. s，得到可紡性前驅(qū)體溶膠。將可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，按I. 8°C /min的速度升溫至500°C，恒溫I小時(shí)，然后8°C /min的速度升溫至1100°C，再恒溫I小吋，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相和單斜相結(jié)構(gòu)，其中所得的產(chǎn)品中四方相產(chǎn)品質(zhì)量的75%，單斜相占產(chǎn)品質(zhì)量的25%，纖維直徑約3 μ m。實(shí)施例五
將30g氫氧化鋯粉末倒入90g水中攪拌形成懸濁液。然后將5. 7g硝酸釔和48g50%濃度硝酸溶液混合，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?0°C和攪拌條件下將此混合液慢加入到氫氧化鋯水溶液中，慢加完后連續(xù)攪拌3小時(shí)，在79°C條件下濃縮至粘度達(dá)到24Pa. s，最后在10°C條件下老化至IOOPa. S，得到可紡性前驅(qū)體溶膠。將可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，按2°C /min的速度升溫至500°C，恒溫lh，然后10°C /min的速度升溫至1100°C，再恒溫lh，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相和單斜相結(jié)構(gòu)，其中四方相占產(chǎn)品質(zhì)量的75%，單斜相占產(chǎn)品質(zhì)量的25%，纖維直徑約纖維直徑約3 μ m。實(shí)施例六將30g氫氧化鋯粉末倒入90g水中攪拌形成懸濁液。然后將7. Sg硝酸釔和48g50%濃度硝酸溶液混合，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后?0°C和攪拌條件下將此混合液慢加入到氫氧化鋯水溶液中，慢加完后連續(xù)攪拌3h，在80°C條件下濃縮至粘度達(dá)到25Pa. s，最后在10°C條件下老化至IOOPa. S，得到可紡性前驅(qū)體溶膠。將可紡性前驅(qū)體溶 膠經(jīng)高速離心甩絲設(shè)備獲得含鋯凝膠纖維.將含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，按2°C /min的速度升溫至500°C，恒溫lh，然后10°C /分的速度升溫至1100°C，再恒溫lh，快速冷卻至室溫，得到氧化鋯晶體纖維。纖維的晶型是四方相結(jié)構(gòu)，纖維直徑約3 μ m。
權(quán)利要求
1.ー種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于采用以下步驟(1)可紡性前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠的制備a.分別稱(chēng)取氫氧化鋯與純水重量之比為1:3的氫氧化鋯與純水，將氫氧化鋯粉末倒入上述純水中攪拌形成懸濁液；分別稱(chēng)取硝酸釔和50%濃度硝酸溶液，其中所稱(chēng)取的硝酸釔和50%濃度硝酸溶液的量分別為硝酸乾與上述氫氧化錯(cuò)的重量之比為O. 19 O. 26 :1，50%濃度硝酸溶液與上述氫氧化鋯的重量之比為I. 6 3. 2 :1，將所稱(chēng)得的硝酸釔和50%濃度硝酸溶液混合，并充分?jǐn)嚢杈鶆?；?0 30°C的溫度范圍內(nèi)，將上述步驟b制得的硝酸釔和硝酸混合溶液·緩慢加入到步驟a所制得的氫氧化鋯水溶液中并不斷攪拌，持續(xù)攪拌2 3h ;后于75 80°C的溫度范圍內(nèi)將上述經(jīng)攪拌的混合溶液濃縮至粘度達(dá)到20 25 Pa. s,制得前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠；之后于10°C的溫度下將上述步驟c制得的前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠老化至80 IOOPa. S，制得可紡性前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠；(2)凝膠纖維的成型將上述制得的可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩絲機(jī)即得含鋯凝膠纖維；(3)氧化鋯晶體纖維的熱處理首先將上述制得的含鋯凝膠纖維放入梭式高溫窯爐中進(jìn)行加熱，以I. 5 2V Mn的速度升溫至500°C，恒溫I h ;其次以5 10°C /min的速度升溫至1100°C，再恒溫I h ;然后將其快速冷卻至室溫，即得直徑為3 6 —的全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于所述凝膠纖維的成型步驟中用到的高速離心甩絲機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)恒溫在20 30°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的ー種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在于所述高速離心甩絲機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在10000 15000r/min之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法，其特征在干所述氧化鋯晶體纖維的熱處理步驟中所使用的梭式高溫窯爐是通過(guò)原料天然氣來(lái)燃燒加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法,旨在提供一種工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、制得的氧化鋯晶體纖維純度高、強(qiáng)度好、直徑細(xì)、產(chǎn)品均一、熱導(dǎo)率低、長(zhǎng)時(shí)間耐高溫性能好的全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維的制備方法。其制備方法包括下述步驟:第一步，采用無(wú)機(jī)原料氫氧化鋯、純水、硝酸釔、50%濃度硝酸溶液制備可紡性前驅(qū)體硝酸氧鋯溶膠；第二步，凝膠纖維的成型將上述制得的可紡性前驅(qū)體溶膠經(jīng)高速離心甩絲機(jī)即得含鋯凝膠纖維；第三步，氧化鋯晶體纖維經(jīng)熱處理，即得直徑為3～6的全穩(wěn)定四方相氧化鋯晶體纖維。
文檔編號(hào)C04B35/624GK102775143SQ20121029974
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者任克誠(chéng), 任葉強(qiáng), 周小平, 許元虎 申請(qǐng)人:安徽同和晶體新材料股份有限公司