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李泉

摘要：讨论了制备氧化铝基连续陶瓷纤维用胶体的特点和现状，对实验室制备过程进行了研究，获得了有良好粘性特征的水溶性胶体，对胶体的浓度一粘度、温度一粘度参数进行了测定，结果表明该水溶性无机高分子溶胶属于切力变稀的假塑性流体，并初步制备出直径为（10～20）μm，单丝抗拉强度达到2300 MPa的纤维。

关键词：溶胶凝胶；铝溶胶；溶胶特性

    溶胶—凝胶方法是制备高性能陶瓷材料的有效方法之一。通过溶解、缩合制备的水溶性金属铝溶胶可呈现无机高分子的特征，具有较好的可拉丝性能。采用溶胶—凝胶方法制备的高性能氧化物陶瓷纤维已广泛应用于航空航天、机械、动力工程等具有前沿技术特征的领域。

    国外制造连续氧化铝基陶瓷纤维的方法3M公司已有所报道。采用溶胶凝胶法，将制备的可拉丝胶体经连续喷拉干燥后，形成素丝纤维（前驱体），通过连续热处理，转变成氧化物纤维；再经过校直、去静电，收集成纱锭。目前，国际市场最主要的氧化物连续陶瓷纤维产品是美国3M公司生产的Nextel系列产品，成分种类包括A1₂O₃、A1₂O₃—SiO₂、ZrO₂等。

    为了获得良好性能的氧化铝陶瓷纤维，对铝盐制备水溶性胶体的制备过程和胶体特性进行了研究。本文介绍了试验的方法和试验结果。

1．实验过程

    制备高性能陶瓷纤维的前期条件是制备可成纤性好的胶体，本试验进行了水溶性铝基溶胶的制备，主要采用搅拌、蒸发进行胶体配方制备过程验证和确定，按设计成分进行化学互溶、过滤、加热缩合，获得有较好粘性特征的胶体。流体力学特性是关系到溶胶体是否具有可拉丝性及能否稳定拉丝的关键因素之一，采用粘度仪等仪器进行胶体粘度测定和切力一切变特征测定，并进行胶体的牛顿流体特征研究，采用实验室喷丝装置进行胶体的拉丝适用性研究。

1.1．制胶主要工艺过程

制胶工艺过程如下：

1.2．胶体物理参数的测定

    进行了胶体的浓度一粘度、温度一粘度参数测定；凝胶IR红外光谱测定；凝胶TG-DTA曲线测定。

2．水溶性胶体的特性

    水溶性胶体的原料采用结晶氯化铝、醋酸、去离子水等，经过反应、过滤后形成主体为碱式氯化铝，浓缩后形成粘性水溶胶，溶胶特征为阳离子型无机高分子电解质，分子式为：Al₂（OH）nC16-n，p<H7，呈弱酸生。所制成的水性溶胶体透明均匀，粘度随浓度的变化见图1，当“凝胶浓度”超过约56wt％后，溶胶粘度值急速增大。粘度的增大表明分子之间交联的增多，而曲线出现拐点现象，表明了水分子在一定含量上参与胶体聚合过程，无机高分子聚合物的结构具有半定量化学组成的可能。从图1的曲线变化可认为，浓度（水含量）是影响溶胶体粘度的主要因素。

    溶胶粘度随温度的变化见图2，起始时温度升高，粘度下降，表明无机交联分子的“断联”现象。在约48℃时降到最底点，后随着温度升高粘度增加，表明白约48℃起，水分等溶剂开始快速挥发。作为一个开放环境系统，图2中曲线的变化实际上是无机交联分子随温度升高而“断联”与水溶剂随温度升高而挥发两种过程的加和。采用无机高分子溶胶制备纤维，一般选择在较低温度下进行，使胶体有良好的粘度性能及其工艺范围。

    对胶体的应力应变特性进行了测定，可见本研究所涉及的水溶性胶体特征为切力变稀的假塑性流体。根据拉丝试验获得的结果，适宜拉丝的胶体粘度范围在（40～50）Pa·s。初始粘度的不同，粘度与应变关系的变化也不同。低粘度（图3）的曲线变化主要体现了水分子在应力环境下的作用，而高粘度胶体（图4、图5）的曲线变化体现出无机高分子应变的特点。图8的曲线体现出当应力速度达到一定值后，无机高分子在高的应力下大量的“解聚”，说明了水溶性无机高分子结构是分子问范德华力作用的特征。

    同一胶体不同温度下的应力应变特性见图7、图8，可见温度升高后，胶体特征仍为切力变稀。试验结果表明，在35℃下无机高分子的“解聚”作用已使胶体的流变特性发生了较大的变化，内聚力大大减弱，基本失去溶胶体初始的粘性流变特征。通过对该胶体成纤试验，在25℃时胶体拉丝性好于提高温度的拉丝性。

    几种不同配方凝胶体的IR红外特征见图9，图9中曲线，1—原始铝凝胶；2—铝+助剂；3—铝+硼助剂；4—铝+硅+助剂。可见，不同配方导致的IR谱基本相同，表明所加入的成分未对胶体结构造成影响。在实际的喷丝试验中，未发现上述三个不同陶瓷成分胶体的成丝性差别，可见溶胶法制备纤维的过程取决于主成分及其聚合物的特性。

    铝凝胶的失重差热分析见图10。图10中可见，350℃时吸热峰对应结构水的放出，此时对应累积失重约为40％，约在600℃失重过程基本结束，最终失重率约为55％，此时凝胶全部转化为氧化物。馒头状差热曲线可能由所含的大分子有机助剂氧化、挥发，这个氧化、挥发过程较水份的挥发为慢。

3．结论

    通过对温度一粘度关系、应力应变关系的测定，结果表明了水溶性胶体结构很大程度上体现了无机高分子的行为特点。在以水为主要溶剂的情况下，这类无机高分子的聚合主要与“浓度”有关。无机高分子的“解聚”现象，除与温度有关外，还与受到的应力数值范围相关。由于无机高分子的结构形成很可能主要靠范德华力的作用，使得胶体的聚合与解聚易受外部环境参数的影响。

    本试验对制备陶瓷纤维用水溶性胶体进行了研究分析，在拟定的工艺流程下制备出了具有良好粘度特性的胶体，在E述讨论获得的参数范围内，进行纤维的制备试验，获得了较好的结果。初步制备出直径为（10～20）μm，单丝抗拉强度达到2 300 MPa的纤维。