溶胶-凝胶法制备的纤维材料

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1、第六章溶胶-凝胶法制备的纤维材料黄剑锋6.1溶胶-凝胶法制备的纤维材料种类及基本工艺原理与传统的纤维材料制备方法相比，溶胶-凝胶法制备纤维材料具有以下优点：(1)纤维制品均匀度高；(2)原料各组分在溶液中可以达到分子水平的混合，容易控制早期结晶以及材料的显微结构；(3)溶胶-凝胶工艺过程温度低，可以在室温下纺丝成形，烧成温度也比传统温度低400~500℃；(4)当溶胶达到合适粘度后，可以在室温下干纺成形；(5)产品的纯度很高。6.1.1溶胶-凝胶法制备的纤维材料种类到目前为止，溶胶-凝胶法可以制备大多数无机陶瓷纤维，例如氧化硅、氧化锆、氧化铝、氧化钛等氧化物纤

2、维，SiC、TiC等碳化物纤维，同时还能制备莫来石、石榴石等多晶陶瓷纤维。归纳起来，目前采用溶胶-凝胶法制备的典型无机纤维如表6-1所示。纤维组成起始原料制备方法是否有市售SiO金属醇盐连续有2TiO金属醇盐不连续－2ZrO金属醇盐，无机化合物不连续－2AlO金属醇盐，无机化合物不连续有23ZrO:CaO金属醇盐，无机化合物不连续－2ZrO:YO金属醇盐，无机化合物不连续－223SiC金属醇盐，无机化合物连续，不连续有TiC金属醇盐，无机化合物不连续－SiO-ZrO金属醇盐，无机化合物不连续－22SiO-TiO金属醇盐，无机化合物不连续－22SiO-AlO金属

3、醇盐，无机化合物不连续－223SiO-ZrO-NaO金属醇盐，无机化合物不连续－222SiO-AlO-YO金属醇盐，无机化合物不连续－22323SiO-AlO-BO金属醇盐，无机化合物连续有22323BaTiO金属醇盐，无机化合物不连续－3PbTiO金属醇盐，无机化合物不连续－3LiNbO金属醇盐，无机化合物不连续－3SiNO金属醇盐，无机化合物不连续－34TiN金属醇盐，无机化合物不连续－Bi-Pb-Sr-Ca-Cn-O金属醇盐，无机化合物不连续－YBaCuO金属醇盐，无机化合物不连续－6.1.2溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理(1)前驱物的反应z(

4、Z1)溶剂化M(H2O)nM(H2O)n1(OH)H水解反应M(OR)xHOM(OH)(OR)xROHn2xnx缩聚反应：失水反应MOHOHMMOMHO2失醇反应MORHOMMOMROH(2)工艺流程以醇盐为例，工艺流程如图6-1加入水、溶剂和催化剂（酸）控制温度，水解金属醇盐搅拌溶胶聚合拉丝粘稠纺丝液凝胶纤维热处理无机纤维图6-1采用溶胶-凝胶法制备无机纤维工艺流程(3)影响溶胶可纺性的因素1)原料及其配比SAKKA的研究认为以醇为溶剂，同时控制加水量和适当的催化剂是得到可纺性溶胶的关键；NISHIO

5、等人用无机盐、金属醇盐为原料，采用水溶性体系溶胶-凝胶法合成了氧化铝基可纺溶胶，并成功制备了莫来石纤维。这个体系中，pH值成为达到可纺性的关键因素。2)催化剂种类在醇盐水解-缩聚产物结构控制中，催化剂种类往往起决定性的作用，这是由于酸、碱催化机理不同造成的。6.2溶胶-凝胶法制备SiO2玻璃纤维6.2.1SiO2玻璃纤维的现状SiO2玻璃纤维有多种，以高硅氧玻璃纤维性能最好，其英文名为High-Silicaglassfiber，属于特种玻璃纤维。该纤维强度不高，但是它的耐高温性能非常好，可在900℃下长期使用，短时间可耐1200℃的高温，是一种优良的耐烧蚀材料

6、和隔热材料，已在国防、宇航、黑色及有色金属熔体净化过滤方面获得应用，它是高科技纤维之一。连续玻璃纤维工业奠基于上个世纪的30年代末，经过65年的发展，已形成一门独立的工业体系，目前连续玻璃纤维产品有数千个品种与规格，在国民经济各部门获得5万多种用途，成为现代工业材料家族中重要的一员。目前，世界上三大玻纤公司是美国的OC公司，法国圣戈班集团的维托泰斯公司及美国的PPG公司。按照玻纤生产能力，美国OC公司达到65万吨/年的规模，玻纤年销售额为10亿美元，它在全球各地共有20家玻纤工厂(包括合资企业)。需要指出的是，近年来在国际玻璃纤维工业中，我国的玻纤工业异军突起

7、，2002年底我国玻纤总产量已达36万吨，其中池窑拉丝的产量达15万吨之多。就国家而言，我国玻纤年产量(包括无碱、中碱玻璃纤维)已超过日本而居于世界第二位。6.2.2溶胶-凝胶法制备高纯玻璃纤维6.2.2.1典型的制备工艺(1)工艺流程以分析纯硅酸乙酯为原料，无水乙醇为溶剂，盐酸为催化剂，用去离子水进行水解。制备工艺如图6-4所示。一定体积乙醇中加入适量的水和催化剂搅拌均匀缓慢滴加恒温、水得溶胶一定体积乙醇溶解正硅酸乙酯解、陈化挑丝焙烧得到SiO2玻璃纤维图6-4典型的制备高纯SiO2玻璃纤维的溶胶-凝胶工艺流程(2)影响因素1)水和盐酸加入量对水解时间和可拉

8、丝时间的影响表6-2水和盐酸对水解时间