连续莫来石纤维前驱溶胶的性质及对凝胶纤维干法纺丝成型影响的研究

论文摘要

20世纪以来,空间技术的发展及新型发动机等高新技术产业的兴起,使得研制符合更高性能要求的材料迫在眉睫,开发应用于高温氧化环境下的结构材料成了材料研究领域的一个重要方向。连续莫来石纤维是一种新型的超轻质耐高温绝热材料,在晶体结构上主要是以莫来石（3Al2O3·2SiO2）微晶相的形式存在,属于氧化铝基纤维,具有高强、高模、耐高温、抗蠕变、抗热震等优异性能,特别是高温氧化环境下具有比其他无机纤维更加优异的机械性能,在绝热和复合材料方面有广泛的应用前景,从而引起了众多科研工作者对这一课题的极大兴趣。本课题以水为溶胶体系的分散介质,以正硅酸乙酯（TEOS）作为硅源,异丙醇铝（AIP）及硝酸铝（AN）作为铝源,加入适量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为纺丝助剂,经过水解和缩聚反应,得到了均匀、稳定的莫来石前驱溶胶,分析了不同的原料配比对溶胶可纺性的影响。采用傅立叶转换红外光谱（FT-IR）仪、激光光散射粒度仪分析了连续莫来石纤维前驱溶胶的微观结构;观察了水解缩聚反应过程中体系PH值的变化情况,研究表明在酸性水分散介质中能够合成均匀、稳定具有良好可纺性的莫来石前驱体溶胶,并且溶胶是由10nm-20nm的胶粒所组成,而且分布较均匀;纺丝助剂PVP的加入对胶粒产生桥联作用,使溶胶粒子尺寸变大,粒径分布变宽,溶胶粘度增大。通过静态流变性能的研究,发现相对陈化时间t/tgel<0.9时,前驱溶胶是牛顿流体,t/tgel=0.9时,溶胶发生切力变稀现象,研究表明温度及PVP均影响前驱溶胶的流变性能。根据Chambon-Winter（CW）法则,通过对连续莫来石纤维前驱溶胶动态流变性能的研究,确定了特定体系的凝胶点,研究了PVP、陈化温度对体系凝胶化时间的影响以及溶胶-凝胶化转变过程中体系粘度的变化情况;采用激光光散射粒度仪、TEM、粘度计等测试手段,探究了莫来石纤维前驱体溶胶-凝胶化转变的过程;由DSC测试初步研究了前驱体溶胶-凝胶热转变温度,发现溶胶-凝胶热转变温度有一个范围:40℃～45℃。采用实验室自行设计组装的干法纺丝设备纺制了连续莫来石初生凝胶纤维,分析了溶胶在抽真空陈化釜内陈化条件及时间对干法纺丝成型的影响,固含量在55%左右时可实现机械纺丝。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 含铝氧化物陶瓷纤维发展概况
• 1.2.1 含铝氧化物陶瓷纤维的发展趋势
• 1.2.2 氧化铝-氧化硅纤维
• 1.3 莫来石纤维发展概况
• 1.3.1 莫来石简介
• 1.3.2 莫来石纤维介绍
• 1.3.3 连续莫来石纤维的特性
• 1.3.4 连续莫来石纤维研究概况
• 1.4 氧化铝基纤维的应用
• 1.4.1 增强复合材料
• 1.4.2 工业高温炉领域
• 1.4.3 航天领域
• 1.4.4 环保和再循环领域
• 1.4.5 功能性应用
• 1.5 连续氧化铝基纤维的制备方法
• 1.5.1 预聚合法（住友法）
• 1.5.2 卜内门法
• 1.5.3 淤浆纺丝法（即Dupont法）
• 1.5.4 基体纤维浸渍法
• 1.5.5 混合液纺丝法
• 1.5.6 溶胶-凝胶法
• 1.6 连续莫来石纤维的干纺纺丝成型
• 1.6.1 干法纺丝方法简介
• 1.6.2 连续莫来石纤维的纺丝成型
• 1.6.3 连续莫来石纤维纺丝原液的制备
• 1.7 本论文主要研究目的和内容
• 第二章 连续莫来石纤维前驱溶胶的制备及特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 连续莫来石纤维前驱溶胶的合成
• 2.2.3 测试及表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 原料配比对溶胶可纺性的影响
• 2.3.2 莫来石纤维前驱体溶胶形成原理分析
• 2.3.3 前驱溶胶水解缩聚反应过程中体系PH值的变化情况
• 2.3.4 水解缩聚过程中溶胶粒径尺寸及分布变化
• 2.3.5 催化剂对莫来石纤维前驱溶胶粒径尺寸及分布的影响
• 2.3.6 PVP对莫来石纤维前驱溶胶平均粒径及其分布的影响
• 2.3.7 前驱溶胶的流变性能研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 莫来石纤维前驱体溶胶-凝胶化转变过程的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料以及溶胶的制备
• 3.2.2 样品制备
• 3.2.3 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 连续莫来石纤维前驱溶胶凝胶化时间的确定
• 3.3.2 PVP对体系凝胶化时间的影响
• 3.3.3 陈化温度对体系凝胶化时间的影响
• 3.3.4 溶胶-凝胶化转变过程中体系粘度的变化
• 3.3.5 溶胶-凝胶化转变过程前驱体微观结构的研究
• 3.3.6 温度对溶胶-凝胶转变的影响
• 3.3.7 莫来石前驱体凝胶-溶胶热可逆过程DSC热分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 连续莫来石纤维纺丝工艺及初生凝胶纤维微观结构的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 连续莫来石初生凝胶纤维的制备
• 4.3 测试与表征
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 干法纺丝设备的结构组成示意图
• 4.4.2 陈化过程中,陈化条件对莫来石纤维前驱体溶胶粘度变化的影响
• 4.4.3 固含量对莫来石纤维前驱体溶胶可纺性的影响
• 4.4.4 前驱体溶胶固含量对纤维表面结构形态的研究
• 4.4.5 真空脱泡温度的设定
• 4.4.6 初生凝胶纤维的元素分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 研究生期间发表论文
• 致谢