[发明专利]一种超细氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超细氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维的制备方法。

背景技术

T. Ishikawa, H. Yamaoka, Y. Harada, T. Fujii and T. Nagasawa. A general process for in situ formation of functional surface layers on ceramics[J]. Nature, 2002, 416: 64-67.公开了采用先驱体原位转化法，以聚碳硅烷为原料，与低分子添加物锆酸四丁酯合成先驱体，再经过熔融纺丝制得连续聚碳硅烷/锆酸四丁酯纤维，将该纤维置于空气中进行不熔化处理得到不熔化纤维，将不熔化纤维置于高温炉中惰性气氛保护下进行高温烧成，制得氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维。这种纤维具有高强度、高耐温性、高抗氧化性等优点；但是这种熔融纺丝法制备的纤维直径仍较大，尤其是采用熔融纺丝制备氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维，需要制备聚碳硅烷/锆酸四丁酯先驱体，其可纺性受锆酸四丁酯含量及其分散性等因素影响制约。此外，由于聚碳硅烷（软化点为200~220℃）常温下为固体、锆酸四丁酯（沸点为310℃）常温下为液体，在制备先驱体时蒸馏过程也难于控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超细氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维的制备方法。以实现制备出梯度分布纤维性能更好、直径达到超细水平，并具有吸收远红外的特性。

 本发明的技术方案是：将聚碳硅烷和锆酸四丁酯共溶于二甲苯中，通过静电纺丝得到原纤维，然后经过熟化热处理、空气预氧化、高温烧成，最终得到超细氧化锆/碳化硅径向梯度纤维。纤维直径大小通过静电纺丝的工艺条件进行控制。

本发明包括以下步骤：

（1）配制纺丝溶液：以聚碳硅烷和锆酸四丁酯按质量比为1∶1~9∶1，以二甲苯为溶剂，配制聚碳硅烷/锆酸四丁酯溶液，并用超声分散30分钟；

（2）静电纺丝：纺丝条件是：针头内径为0.5~1.5mm，电压为12~30kV，收丝距离为15~25cm，供料速率为10~50μl/min，铝箔收丝，制得聚碳硅烷/锆酸四丁酯原纤维；

（3）熟化热处理：将上述原纤维置于烘箱中，在空气下在80~120℃保温30~120小时，得到聚碳硅烷/锆酸四丁酯熟化纤维；

（4）空气预氧化：将上述熟化纤维置于氧化炉中，在氧化性气氛中按照15~25℃/h升温，并在190~220℃保温0.5~1.5小时，冷却至室温后得到不熔化聚碳硅烷/锆酸四丁酯纤维；

（5）高温烧成：将上述不熔化纤维置于高纯氩气保护下的高温炉中，升温至1200~1450℃，并在该温度下保温1小时，得到超细氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维。

所述聚碳硅烷是软化点为200~220℃的固体。

所述锆酸四丁酯是质量分数为80~90%的锆酸四丁酯的正丁醇溶液。

所述聚碳硅烷与正丁醇和二甲苯的混合溶剂比为1∶1~1.4∶1g/ml。

本发明采用二甲苯作溶剂，由于聚碳硅烷和锆酸四丁酯在二甲苯中的溶解性比较好，纺丝液的配制比较简单，且溶液的可纺性好；用静电纺丝取代了传统的熔融纺丝工艺，它打破了传统的涂层观念，在纤维制备的前期的先驱体引入低分子添加物，然后在后期的预氧化、烧成定型。纤维以碳化硅为基体、表面层为氧化锆且沿径向含量递减，直径小、比表面积大。

附图说明

图1为实施例1制备的超细氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维的扫描电镜照片；

图2为实施例1制备的超细氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维表面的能谱测试位置图；

图3为实施例1制备的超细氧化锆/碳化硅径向梯度分布纤维截面的能谱测试位置图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

（1）配制纺丝溶液：将聚碳硅烷固体（软化点为200~220℃）和85%锆酸四丁酯的正丁醇溶液按照聚碳硅烷与锆酸四丁酯的质量比为4∶1共溶于二甲苯中，按聚碳硅烷和溶剂（二甲苯和正丁醇）比为1.1∶1g/ml配制聚碳硅烷/锆酸四丁酯溶液，并用超声分散30分钟；

（2）静电纺丝：纺丝条件是：针头内径为0.8mm，电压为15kV，收丝距离为20cm，供料速率为20μl/min，铝箔收丝，制得聚碳硅烷/锆酸四丁酯原纤维；

（3）熟化热处理：将上述原纤维置于烘箱中，在空气下80℃保温120小时，得到聚碳硅烷/锆酸四丁酯熟化纤维；