Состав для получения волокон на основе оксида алюминия

Состав для получения волокон на основе оксида алюминия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОН НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛШИНИЯ по сухому методу, включающий водный раствор соли алюминия и поливиниловый спирт, отличающийся тем, что, с целью обеспечения равномерной канальной пористости и поВьяпения температуры службы волокна, в качестве соли алюминия он содержит хлорид и оксихлорид , дополнительно - кремнезрль и хлорид хрома при следукицем соотношении компонентов, мас.%: 6,00-23,50 Хлорид алюминия Оксихлорид алю6 ,00-47,00 миния Поливиниловый 0,60-7,83 спирт Кремнезоль (по SiOj) 0,30-4,40 0,06-4,40 Хлорид хрома Остальное Вода

„„SU„„1154243 А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(s» С 04 В 35/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCHCNIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0,60-7,83 спирт

Кремнезоль (по

Si0> )

Хлорид хрома

Вода

О, 30-4,40

0,06-4,40

Остальное

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3492834/29-33 (22) 22.09.82. (46) 07.05.85. Бюл. В 17 (72) P.Е.Шалин, Б.В.Перов, В.Н.Грибков, Б.В.Щетанов, А.В.Кондратенко, И.Я.Сабаев, Л,И.Сурова, B.Н.Арапова, В.Е,Ермолаев, В.А.Афонин, Н.А.Федоров, Б.P.Горобец и В.О.Павлюченков

-(53) 666.762(088.8) (56) 1. Патент США Р 3503765, кл. С 04 В 35/10, опублик. 1970.

2. Патент Великобритании

9 1425934, кл. С 1 J, опублик. 1976.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке В 3223137/29-33, кл. С 04 В 35/00, 1981 (прототип). (54) (57) СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОН

НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ по сухому методу, включающий водный раствор соли алюминия и поливиниловый спирт, отличающийся тем, что, с целью обеспечения равномерной канальной пористости и повышения температуры службы волокна, в качестве соли алюминия он содержит хлорид и оксихлорид, дополнительно — кремнезоль и хлорид хрома при следующем соотношении компонентов, мас.Ж:

Хлорид алюминия 6,00-23,50

Оксихлорид алюминия 6,00-47,00

Поливиниловый

115424

Изобретение относится к способам получения волокон на основе окиси алюминия для керамических, полимерных и металлических композиционных материалов. 5

В настоящее время известны несколько способов получения волокон на .основе окиси алюминия, предназначенных для использования в качестве теплоизоляции при высоких температурах.

Известен способ, заключающийся в использовании формовочного раствора на основе оксихлорида алюминия, коллоидной SiO c добавками фосфорной и борной кислот. Процентное соотношение !5 компонентов раствора выбирают таким, чтобы после обжига получить волокна следующего состава, мас.X: А! 0> 7579;. SiO> 15-18; B<0 +P О 4-9. Формование волокон проводят по сухому методу. После формования получают сырые волокна, которые затем подвергают термообработке на воздухе с конечной температурой 1000-1200 С.

Готовое волокно имеет диаметр 3-5 мкм, плотность 2,95-3,05 г/см и термостабильиость до 1550 С. (Термостабильность характеризуется процентом усадки волокна и составляет после обжига

1550 С в течение 2 ч 1,6X) !.! 1.

Известен способ получения волокон из формовочного раствора на основе оксихлорида алюминия и поливинилового спирта ПВС. Формование проводят по сухому методу, а затем волокна подвергают гидротермальной обработке, которая состоит в одновременном действии на волокна тепла и атмосферы с повышенным содержанием паров воды при 250-500 С. После гидротермальной обработки проводят обжиг волокон при 500-1200 С 323

Основным недостатком волокон, полученных по указанным способам, является высокая их плотность, что затрудняет или делает невозможным их использование для создания легковесных композиционных материалов.

Наиболее близким к предлагаемому является состав раствора для получения волокон оксида алюминия сухим методом, содержащий нитрат алюминия и НВС, взятые в соотношении 5-35 и

1,5-12,5 мас.X. Состав позволяет получать волокна плотностью 0,155

3,2 г/см (в зависимости от соотношения ПВС и соли), обеспечиваемой образованием в волокне локальных по3

2 лых вздутий. Их температура службы не превышает 1200 С (33.

Недостатком волокна, полученного известным способом, является неравномерное распределение плотности и соответственно прочности волокна.

Целью изобретения является обеспечение равномерной канальной порис— тости и повышение температуры службы волокна.

Поставленная цель достигается за счет того, что состав для пблучения волокон на основе оксида алюминия по сухому методу, включающий водный раствор соли алюминия и поливиниловый спирт, в качестве соли алюминия содержит хлорид и оксихлорид, и дополнительно — кремнезоль и хлорид хрома при следующем соотношении компонентов, мас.X:

Хлорид алюминия

Оксихлорид алюминия

Поливиниловьй спирт

Кремнезоль (по

SiO )

Хлорид хрома

Вода

6,00-23,50

6,00-47,00

0,60-7,83

0,30-4,40

0,06-4, 40

Остальное

Плотность волокон является величиной регулируемой и составляет 0,23,35 г/см, в зависимости от состава формовочного раствора. Столь низкая и равномерная по длине волокна плотность достигается эа счет того, что волокна имеют объемную и канальную пористость. Канальная пора та, которая располагается соосно с волокном и имеет цилиндрическую форму. Каждое волокно имеет только одну канальную пору.

Наличие и рази. р канальной лоры в волокне зависит только от соотношения компонентов ПВС:А1С1 и А!С!

:А1 (ОН) С1. Для получения указанной плотности волокон в растворе должны соблюдаться следующие соотношения

1: 10 ПВС:А1С1 (1: 3 и 1: 2А!С!

:А1 (ОН) С! < 1: 1.

Процесс получения волокон состоит иэ трех стадий: приготовление раствора, формование волокон и их термообработка. Приготовление водного раствора заключается в смешении водных растворов компонентов. Порядок составления смеси несущественен. Состав готового раствора должен удовлет1154243 ворять указанному соотношению компонентов, а вязкость раствора — выбранному методу формования.

Диапазон концентраций компонентов определяется двумя факторами . соотношением компонентов и необходимой для условия формования вязкостью раствора. Вязкость подбирается в зависимости от применяемого метода формования и может изменяться от 30 до

100 П. В случае использования метода центробежноro распыления вязкость раствора лежит в пределах 30 сП-5 П, а для метода аэродинамического распыления составляет 1 †1 П. Изменение вязкости раствора достигается путем удаления определенной части воды из раствора, при этом увеличение вязкости связано с долей удаленного растворителя (воды). 20

Формование волокон по методу центробежного распыления заключается в следующем. Формовочный раствор поступает в каналы распылительного диска, вращающегося со скоростью до

16000 об/мин. Из каналов диска раствор в виде жидких струй попадает в камеру с воздушной атмосферой с повышенной температурой 90-180 С, где происходит удаление растворителя и ЗО фиксация волокон.

При аэродинамическом распылении создается ряд жидких струй, которые утоняются высокоскоростными потоками воздуха до нужного диаметра и затем направляются в сушильную камеру, где производится удаление растворителя и фиксация волокон.

Заключительной стадией процесса получения волокон является их термо- 40 обработка на воздухе при 1000-1200 С в течение 0 5-2 ч.

Пределы соотношения компонентов в растворе объясняются тем, что в волокнах, полученных из раствора систе-45 мы ПВС-А1С1 -Н20, плотность зависит только от соотношения ПВС:А!С! и при уменьшении этого соотношения плотность волокон уменьшается за счет увеличе-. ния диаметра канала в волокне.Каналь- 50 ная пористость в волокнах появляется при соотношении ПВС:А1С1З=1:3 и ниже.

При дальнейшем уменьшении этого соотношения уменьшается толщина стенки волокна, и при диаметре 2-3 мкм тол- 55 щина стенки становится равной 120А.

Волокна со стенкой менее 100-120 А слишком хрупкие, поэтому предельно малое соотношение ПВС:A1C1 составля5 ет 1: 10.

Плотность волокон, полученных при соотношении ПВС:Л1С1З=1:3, составля— ет 3,0 г/см, а при ПВС:А1С! =1: 10

О, 1 г/см . Между этими крайними з начениями плотность волокон монотонно уменьшается с уменьшением соотношения

ПВС:А1С1З . Недостатком волокон, полученных из системы ПВС-А1С1„ -Н О, является невысокая термостабильность, ограниченная 1200 С. Эти волокна после обжига при температуре выше 1200 С имеют усадку более 37.

Причина появления канальной пористости предположительно заключается в следующем. В хлористом алюминии, содержащемся в "сыром волокне, нет кислорода для создания окисной структуры, поэтому при термообработке "сырых" волокон алюминий устремляется к поверхности волокна, что и приводит к образованию внутренних пустот в виде каналов. Однако, если в растворе есть значительное количество ПВС, то весь алюминий (при соотношении ПВС

А1С1 1:3) может получить достаточное количество кислорода от ПВС, который имеет мономерную группу вида -СН1-СН, ОН где кислород есть в составе гидроксильной группы. При снижении соотношения ПВС:А1С1 с1:3, т.е. при снижении доли ПВС и соответственно уменьшении доли кислорода алюминий испытывает все больший дефицит по кислороду, что приводит ко все более сильному снабжению внутренних областей волокна.

При использовании для получения волокон раствора системы ПВС

At<(OH) >Cf-Н О канЫтьные поры в волокнах не возникают ни при каких соотношениях ПВС-А1 q (ОН) С 1 и волокна имеют .высокую плотноать. Причина отсутствия каналов в этом случае связана с тем, что в А1 (ОН) С! в отличие от- А1С1,, имеется достаточное количество кислорода для создания окисной структуры А! О» независимо от доли присутствующего в "сыром" волокне ПВС.

При введении в систему ПВС-А1С1 Н 0 оксихлорида А1 (ОН) С! происходят два процесса — увеличивается плотность за счет уменьшения канальной поры и увеличивается термостабильность.волокон.

1154243

Однако при введении значительного количества А12(ОН)5С1 существенно растет плотность волокон, поэтому максимальное количество. вводимого

А12(ОН) С1 должно в наилучшей степени удовлетворять компромиссу между увеличением термостабильности и ростом плотности волокон. Как показали эксперименты, при соотношении 1:2 с А1С1 A12(OH)5-Ci <1: 1 ?????????????????????? ???????????????????????? ???????????? ???? ????????????????????????- ??????????, ?? ?????????????????? ?????????????? ?????????????????????????? ???? ?????????????? ????????????. ?????? ?????????????????????? a1c1>. À1 (ОН) С1 > 1:1 эффект увеличения термостабильности от введения А1(ОН) С1 становится незначительным, а при соотношении А1С1 .

:А12 (ОН)5С1 1: 2 KBOTHoCTb BOJIOKOH увеличивается в 1"5-2,5 раза, что нежелательно.

Оптимальное количество вводимого

SiC составляет 5-10 мас.Ж по отно1

А1С1з

А1 ГОЯТс

Термостаби-:

Состав раствора, мас.7

ПВС

Раст«1 5о мкм г 5 вор

$з.02 А12 (ОН) 5С1

СгС1 Н20 льноА1С1

А1С1

ПВС сть

1-2 О, 2 1600

1 2 0 5 1600

2-4 3, 35 1600

1-3 0,015 1500

2-3 3,4 1600

0,06 86,5 1:10 1:1

1 500 19

1:1,5

4,4 12,87 1:3 1:2

0,05 89,25 1:10 i:1

5 100 13 12

0,2 5

0,5 5

8 24 5 48

Та блица 2

Термостабильность, оС

Прочностные характеристики

Тип применяемого волокна

Пример рост — — - М

7Г

1 кгс

Сф jcM2 карает кгс см !

Рвол г/смз

Умат ° г/смэ

0,9

1600

167

2,0

0,12

1. 0,2

2. 0,5

100

1600

256

2,3

0,09

06 6 03 6

2 18 2 27

7,83 23,5 4,4 47,0 шенин к сумме окислов. При уменьшении доли SiO< менее 5 мас.Ж снижается температура фазового перехода y oL =

=А120, что приводит к росту зерна

3-А120з и усадке волокон. При содержании Б О более 10 мас .7 усадка волокон растет, по-видимому, вследствие снижения температуры плавления системы А1 Оз-8102 и блока раннего размягчения волокон.

Для введения Si02 используют кремнезоль с концентрацией по SiO 102

20 мас.X.

Волокна, полученные предлагаемым способом, позволяют изготавливать на их основе высокоэффективные теплоизо- ляционные материалы с очень низкой плотностью для работы при I600 С.

Примеры формовочных растворов для получения предлагаемого состава и свойства волокон приведены в табл.1. 1 а б л и ц а 1.

Продолжение табл. 2

1154243

Тин применяемого волокна

Термостабильность, С

Прочностные характеристики

Пример кгс 4» ся эсм1

Э м

У реет pace,м кгс см

Тмет t г/см

Oa °

/смз

140

3 35

60 1600

0,9

0,0t5 О, 15

3,4 0,15

3,05 О, 15

1250

26,?

0,4

1,0

0,75

127

53. 1550

0i8

140

6. г

Составитель Н.Соболева

Редактор НсЕгорова Техред С,Мигунова Корректор ОсЛуговая

Заказ.2620/20 Тираж 605 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5 с

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Формовочные растворы во всех примерах готовят путем смешения водных растворов насиженного хлористого алюминия,, оксихлорида алкваюния

А1 (ОН)зС1 концентрацией 50 мас.Х, И

CrCl концентрацией 20 мас. Х, ПБС концентрацией 10 мас.3 и кремиезоля . концентрацией t0 мас. X по МО . Обь .емиые соотношения растворов соответствуют указанной в табл. 1 коицентра- Зп цнис

Формование волокон по прииераи 1 и 2 проводят методом центробежного распыпения при скорости вращения распылительного диска 12000 об/мин, тем- пературе в «амере 150 С. По примерам 3-5 формование волокон выполняют методом аэродинамического распыления .при скорости воздушного потока

250 и/с.

4О

Териостабильность определяют путем измерения усадки волокон после обжига продолжительностью 3 ч. Волокна при данной температуре обжига считают

l термостабильными, если усадка не превъивает 37.

После фориования обжиг всех волокон проводят по одинаковому режиму с максимальной температурой 1000 С с выдерзкой при этой температуре 2 ч.

Оптимальными являются волокна, полученные из раствора примера 2. Эти волокна ииеют низкую плотность, высокую термостабильность, на их основе могут бысть изготовлены теплоиэоляционные материалы с наилучшими свойствами.

В табл.2 приведены свойства материалов, изготовленных на основе волокон, описанных в примерах 1-S.

Содержание связки в материалах и технология изготовления идентичны.

Иэ табл.2 видно, что наиболее прочный материал получают на основе волокон по предлагаемому способу плотностью 0,5 г/си . Материал, изготовленный íà основе этих волокон, имеет более высокую териостабильность.