水性溶膠-凝膠法制備AI2O3-SiO2纖維的研究.pdf

1、本論文采用水性溶膠法制備氧化鋁基纖維。首先通過(guò)氯化鋁和金屬鋁粉反應(yīng)合成水性的氧化鋁溶膠,正硅酸乙酯堿性(氨水)催化水解合成二氧化硅溶膠,然后把兩種膠體混合后制備雙相溶膠紡絲液,連續(xù)干法紡絲得到凝膠纖維,最后熱處理轉(zhuǎn)變成Al2O3-SiO2陶瓷纖維。本工作對(duì)纖維制備過(guò)程中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 系統(tǒng)地研究了鋁粉和氯化鋁比例、鋁鹽濃度、反應(yīng)時(shí)間、氧含量等因素對(duì)氧化鋁溶膠組成和結(jié)構(gòu)的影響。首次提出鋁粉和氯化鋁的反應(yīng)機(jī)理

2、,指出決定鋁溶膠性能的關(guān)鍵因素是溶液的pH值。在鋁粉溶解過(guò)程中,溶液中鋁離子不斷發(fā)生水解、締合并長(zhǎng)大成團(tuán)簇,無(wú)規(guī)團(tuán)聚和有序堆積同時(shí)存在。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件可影響反應(yīng)過(guò)程的pH,從而控制溶膠中低聚鋁離子(如[Al2(OH)2(H2O)4]4+、[Al3(OH)4(H2O)10]5+)、多聚鋁離子(如[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+)、非晶膠團(tuán)、片層結(jié)構(gòu)以及氫氧化物結(jié)晶(如水鋁石)等成分的比例,優(yōu)化溶膠的紡絲性能。
　　

3、 制備二氧化硅溶膠時(shí),提高反應(yīng)物、催化劑(氨水)濃度和水解溫度都會(huì)促進(jìn)正硅酸乙酯的水解和縮聚反應(yīng),產(chǎn)生大粒徑的硅膠粒。水解程度不足,硅溶膠陳化時(shí)易凝膠化。在適當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行水解(如氨水濃度為0.30mol.L-1,正硅酸乙酯濃度為0.77mol.L-1,乙醇和水的體積比為4/1,反應(yīng)溫度20℃),可得到穩(wěn)定的納米硅溶膠。堿性(pH～10)硅溶膠和氧化鋁溶膠混合前,需要先酸化處理(pH～2),使硅溶膠的zeta電位由負(fù)值變?yōu)檎?。在zet

4、a電位為0附近(相應(yīng)的pH值為3～8),硅溶膠的穩(wěn)定性差,容易發(fā)生凝膠化,應(yīng)盡量避免。
　　 氧化鋁溶膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變主要是靠膠粒之間的物理作用,而非化學(xué)交聯(lián),因此取決于氧化鋁濃度,并具有可逆性。堿性水解得到二氧化硅溶膠呈球狀,會(huì)降低氧化鋁溶膠可紡性,需要添加紡絲助劑PVA來(lái)保證連續(xù)干法紡絲。
　　 凝膠纖維在熱解過(guò)程中依次經(jīng)歷了脫除溶劑水(＜200℃)、結(jié)構(gòu)羥基脫水(200℃～500℃)以及[AlO5]的羥基脫水(＞

5、500℃)三個(gè)階段。高溫段集中脫水對(duì)纖維組織和性能影響最大,產(chǎn)生的氣體會(huì)破壞纖維結(jié)構(gòu),甚至造成粉化。
　　 純氧化鋁凝膠纖維熱處理過(guò)程中,由于不同氧化鋁晶相之間密度和晶體尺寸的差異,低溫過(guò)渡相氧化鋁向高溫相α-Al2O3轉(zhuǎn)變時(shí),形成“蠕蟲(chóng)狀”結(jié)構(gòu),同時(shí)晶粒迅速長(zhǎng)大,纖維呈現(xiàn)疏松多孔顯微組織,失去強(qiáng)度。加入二氧化硅,高溫下二氧化硅粘滯流動(dòng)包覆在氧化鋁粒子表面,抑制氧化鋁晶型轉(zhuǎn)變,并與氧化鋁發(fā)生反應(yīng)生成莫來(lái)石。硅溶膠添加量越大,顆粒