氧化鈦/氧化鋁復(fù)合纖維的制備工藝＊

馬小玲 譚宏斌

（陜西理工學(xué)院材料學(xué)院 陜西 漢中 723003）

氧化鈦/氧化鋁復(fù)合纖維的制備工藝＊

馬小玲 譚宏斌

（陜西理工學(xué)院材料學(xué)院 陜西 漢中 723003）

以硝酸鋁、氯化鈦和酒石酸為原料，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為紡絲助劑，用溶膠－凝膠法制備了氧化鈦/氧化鋁復(fù)合纖維。結(jié)果表明，凝膠纖維在1 200℃燒結(jié)后，纖維的物相為α－Al2O3和（TiO0.86）3.38，纖維的直徑為22μm，纖維表面光滑，粗細(xì)均勻。

氧化鈦/氧化鋁 復(fù)合纖維 制備 形貌

前言

氧化鋁陶瓷纖維一般為多晶纖維，以Al2O3為主要成分，并含有少量的SiO2、B2O3、ZrO2或 MgO等成分［1］。氧化鋁纖維具有高的彈性模量和高溫強(qiáng)度，且抗蠕變性和抗熱沖擊性能好，可應(yīng)用于1 400℃的高溫場(chǎng)合；其化學(xué)穩(wěn)定性好，能在1 000℃以上抵抗熔融金屬和非氧化物的浸蝕，在高溫氧化條件下具有良好的穩(wěn)定性和力學(xué)性能；還具有較低的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的電絕緣性［2］。因此，氧化鋁基纖維特別適用于制備金屬、陶瓷和樹脂基復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工及高科技民用等多個(gè)領(lǐng)域［3～5］。

制備氧化鋁纖維常采用溶膠－凝膠法，制備的纖維具有純度和均勻性較高、制備過程溫和、容易控制、纖維煅燒溫度較低（比熔融法低400～600℃）等特點(diǎn)［6］。溶膠－凝膠法制備氧化鋁纖維常用鋁的醇鹽為原料，但醇鹽價(jià)格較高，采用無機(jī)鹽為原料，可降低纖維的成本。為提高氧化鋁陶瓷的物理化學(xué)性能，常將其與其它氧化物復(fù)合；氧化鈦能促進(jìn)氧化鋁燒結(jié)，可作為氧化鋁纖維的復(fù)合相［7～8］。本實(shí)驗(yàn)用硝酸鋁、氯化鈦和酒石酸為原料，PVP為紡絲助劑，制備氧化鈦/氧化鋁復(fù)合纖維。

1 試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用溶膠－凝膠法，制備氧化鈦/氧化鋁復(fù)合纖維。在燒杯中加入硝酸鋁（分析純，Al（NO3）3·9H2O，西安化學(xué)試劑廠）、氯化鈦（化學(xué)純，TiCl3，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、酒石酸（分析純，C4H6O6，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）和蒸餾水（硝酸鋁、氯化鈦、酒石酸和蒸餾水的摩爾質(zhì)量比為1∶0.02∶1.5∶30），在磁力攪拌器上攪拌得到透明的溶液。將得到的透明溶液在80℃的水浴鍋中濃縮，得到干凝膠。在干凝膠中加入適量的蒸餾水，凝膠溶解后，加入聚乙烯吡咯烷酮（加入量為硝酸鋁的15%；分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），混合均勻后，在60℃的水浴鍋中濃縮，得到可紡的溶膠。將玻璃棒浸入溶膠中，緩慢向上提起，拉制出凝膠纖維，將凝膠纖維在60℃烘箱中干燥24h后，在箱式爐中進(jìn)行煅燒，在1 200℃保溫2h（升溫速度均為1℃/min）得到復(fù)合纖維。用DX－2500型X射線衍射儀（丹東方圓）檢測(cè)煅燒纖維的物相，用JSM－6390LV型掃描電鏡（日本電子）觀察其微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

在80℃的水熱條件下，硝酸鋁與酒石酸反應(yīng)生成酒石酸鋁，酒石酸鋁在水溶液中發(fā)生水解、縮合反應(yīng)得到了鋁溶膠。酒石酸鋁的合成和水解反應(yīng)簡(jiǎn)化為下面的反應(yīng)方程式：

合成反應(yīng)：

水解反應(yīng)：

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，不加紡絲助劑，溶膠具有一定的可紡性，這是因?yàn)?，單個(gè)分子只能在稀的溶液中存在，當(dāng)溶液濃度增加時(shí)，單個(gè)分子間通過氫鍵和橋氧形成MOH－M和M－O－M鏈［1］。另外，酒石酸分子上有羥基（－OH）和羧基（－COOH），將與鋁膠粒的活性基團(tuán)（－OH）反應(yīng)，得到線性分子，使溶膠的可紡性能增加（反應(yīng)方程示于式（4））。

為提高溶膠的紡絲性能，常用聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯二醇（PEG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為紡絲助劑。本實(shí)驗(yàn)以PVP為紡絲助劑，凝膠纖維的最大長(zhǎng)度為25 cm。PVP提高溶膠的可紡性能的原因?yàn)椋篜VP為線形聚合物，整個(gè)分子有很大的柔順性，酰胺強(qiáng)極性基團(tuán)中的N和O原子能與溶膠中的Ti3＋和Al3＋粒子或鈦和鋁的膠粒配位，使溶膠的紡絲性能增加（以Al3＋為例，其與PVP配位的反應(yīng)方程如下式所示）［9］。

凝膠纖維在1 200℃煅燒2h后的XRD圖譜如圖1所示。從圖1可以看出，試樣的物相為α－Al2O3和（TiO0.86）3.38。

圖1 凝膠纖維在1 200℃煅燒2h的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the gel fibers heated at 1 200℃for 2h

復(fù)合凝膠纖維，在1 200℃煅燒2h后的SEM照片如圖2所示。由圖2可以看出，纖維直徑約為22μm，纖維表面光滑，直徑均勻。

3 結(jié)論

將硝酸鋁、氯化鈦、酒石酸和蒸餾水（摩爾質(zhì)量比為1∶0.02∶1.5∶30）混合均勻，在80℃的水浴鍋中水熱，得到干的凝膠。在干凝膠中加入蒸餾水和15%的PVP，制備了可紡的前軀體溶膠。溶膠經(jīng)紡絲得到的凝膠纖維，在1 200℃燒結(jié)后，纖維的物相為α－Al2O3和（TiO0.86）3.38，纖維的直徑為4μm，纖維表面光滑，粗細(xì)均勻。

圖2 凝膠纖維在1 200℃煅燒后的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM microstructures of gel fibers heated at 1 200℃

1 譚宏斌，郭從盛.蘋果酸溶膠－凝膠法制備氧化鋁長(zhǎng)纖維（英文）.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21（8）：1 563～1 567

2 譚宏斌，馬小玲.用高嶺土制備片狀氧化鋁粉體.耐火材料，2009，43（6）：453～455

3 Tan H.Preparation of long alumina fibers by sol－gel method using tartaric acid.International Journal of Minerals.Metallurgy and Materials，2011，18（6）：691～694

4 Tan H.Mullite fibers prepared by sol－gel method using malic acid.Advances in Applied Ceramics，2011，110（2）：70～73

5 Tan H，Ding Y，Yang J.Mullite fibers prepared from an inorganic sol－gel precursor.Journal of Sol－gel Science and Technology，2010，53 （2）：378～383

6 Chandradass J，Balasubramanian M.Sol－gel processing of alumina fibres.Journal of Materials Processing Technology，2006，173（5）：275～280

7 Medvedovski E.Alumina－mullite ceramics for structural applications.Ceramics International，2006，32（4）：369～375

8 張錫平，陳樹江，李國(guó)華，等.納米TiO2添加劑對(duì)Al2O3陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與燒結(jié)性能的影響.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36（4）：494～497

9 Wang H S，Qiao X L，Chen J G，et al.Mechanisms of PVP in the preparation of silver nanoparticles.Materials Chemistry and Physics，2005，94（2～3）：449～453

Preparation of Titania/Alumina Composite Fibers

Ma Xiaoling，Tan Hongbin（School of Materials Science and Engineering，Shaanxi University of Technology，Shaanxi，Hanzhong，723003）

Titania/alumina composite fibers were prepared by sol－gel method using aluminium nitrate，titanium dichloride，tartaric acid as raw materials，polyvinylpyrrolidone（PVP）as spinning additive.The result indicated the composite fibers were obtained by firing at 1 200℃，withα－Al2O3and（TiO0.86）3.38in phase，smooth surface and uniform diameter，and 22μmin diameter.

Titania/alumina；Composite fibers；Preparation；Morphology

TQ174.75＋8.11

A

1002－2872（2012）10－0018－02

馬小玲（1980－），碩士，助教；主要從事結(jié)構(gòu)陶瓷研究。