溶胶凝胶原理及技术05 纤维材料课件.ppt

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1、第五章溶胶-凝胶法制备的纤维材料一、溶胶-凝胶法制备的纤维材料种类及基本工艺原理优点：(一)溶胶-凝胶法制备的纤维材料种类表采用溶胶-凝胶法制备的典型无机纤维材料纤维组成起始原料制备方法是否有市售SiO2金属醇盐连续有TiO2金属醇盐不连续－ZrO2金属醇盐，无机化合物不连续－Al2O3金属醇盐，无机化合物不连续有ZrO2:CaO金属醇盐，无机化合物不连续－ZrO2:Y2O3金属醇盐，无机化合物不连续－SiC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－SiO2-ZrO2金属醇盐，无机化合物不连续－SiO2-TiO2金属醇盐，无机化合物不连续－SiO

2、2-Al2O3金属醇盐，无机化合物不连续－SiO2-ZrO2-Na2O金属醇盐，无机化合物不连续－SiO2-Al2O3-Y2O3金属醇盐，无机化合物不连续－SiO2-Al2O3-B2O3金属醇盐，无机化合物连续有BaTiO3金属醇盐，无机化合物不连续－PbTiO3金属醇盐，无机化合物不连续－LiNbO3金属醇盐，无机化合物不连续－Si3N4O金属醇盐，无机化合物不连续－TiN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－（二）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1）溶剂化

3、：能电离的前驱物-金属盐的金属阳离子Ｍ2+将吸引水分子形成溶剂单元Ｍ(H2O)nz+，为保持它的配位数而有强烈的释放H+的趋势：2）水解反应：非电离式分子前驱物，如金属醇盐M(OR)n与水反应：3）缩聚反应：分为:失水反应：失醇反应：（2）工艺流程金属醇盐加入水、溶剂和催化剂（酸）搅拌溶胶控制温度，水解粘稠纺丝液聚合拉丝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以无机盐或金属醇盐为原料，主要反应步骤是将前驱物溶于溶剂中，形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚，得到尺寸为纳米级的线性粒子，组成溶胶。当溶胶

4、达到一定的粘度(约在1~1000Pa·S范围内)，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结，晶化得到陶瓷纤维。（3）影响溶胶可纺性的因素不是所用的溶胶都具有可纺性。前驱物通过水解—缩聚得到线性粒子是获得可纺溶胶的关键。影响前驱物水解—缩聚的因素有许多，包括前驱物的种类、组分的比例、溶剂种类、pH值等通过调节这些参数来控制生成溶胶的可纺性。1）原料及其配比以醇为溶剂，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。图6-2酸性催化系统中聚合物的生长和凝胶的生成SiO2[H2O]/[TEOS]的值小于4图6-3碱性催化系统中聚合物的生长和凝胶的生成氧化铝基可纺溶胶。

5、pH值成为达到可纺性的关键因素。[H2O]/[金属醇盐]的值达到20至200。2)催化剂种类以TEOS为例：酸催化时，醇盐水解由H3O+的亲电机理引起，水解速度快，缩聚反应是速率决定步骤。随水解进行，醇盐水解活性随分子上烷氧基数量减少而下降，因而很难完全水解；另外，位于末端的硅原子由于电子方面的原因优先发生反应，聚合产物交联度低，易生成少支链高聚物链状结构。碱催化时，水解由OH-亲核取代引起，聚合速度较酸催化快，水解速率较小，聚合速率成为决定步骤。但水解活性却随分子上羟基数量减少而增加，容易完全水解；另外，位于团族中央的硅原子优先反应，因而易于生成多支链球形凝胶颗粒。在制

6、备纤维的溶胶-凝胶过程中，必须选用酸催化剂。（一）SiO2玻璃纤维的现状二、溶胶-凝胶法制备高纯玻璃纤维高硅氧玻璃纤维（High-Silicaglassfiber）性能最好。其英文名为，属于特种玻璃纤维。SiO2质量分数为95%以上，通常是由钠硼硅酸盐玻璃纤维经热酸萃取（沥滤），除掉硅以外杂质，后经烧结而成。高硅氧玻璃纤维其化学结构为Na2O-B2O3-SiO2三元体系，其中，SiO2质量分数为60~70%，B2O3质量分数为20~25%，Na2O质量分数为5~10%。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

7、的耐烧蚀材料和隔热材料，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。已知美国、英国、俄罗斯、白俄罗斯及我国等都开发研制高硅氧玻璃纤维。这种纤维与普通玻璃纤维一样，可加工成纱、布、网、带、绳、短切纤维、磨碎纤维等各种形态产品，供用户选择。2000年全球250万吨的产量按地区分布如下：北美洲(美国、加拿大)：47%，1175万吨；欧洲：28%，70万吨；亚洲：23%，575万吨；南美等：2%，5万吨。但是2001年，按地区统计的产量为：北美洲(美国、加拿大)：41%，1025万吨；欧洲：30%，75