酸處理和熱處理對(duì)氧化鋁/石英復(fù)合纖維性能的影響

王化平，梁小平，王家丹，劉 建，任素娥，李冬梅，左 蕊，滑 芬

（1.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市硅酸鹽研究所，天津 300111）

酸處理和熱處理對(duì)氧化鋁/石英復(fù)合纖維性能的影響

王化平1，梁小平1，王家丹1，劉 建1，任素娥1，李冬梅1，左 蕊1，滑 芬2

（1.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市硅酸鹽研究所，天津 300111）

以AlCl3·6H2O、金屬Al粉、乳酸和H2O為原料，采用溶膠-凝膠法制備勃姆石溶膠，將采用稀硫酸預(yù)處理后的石英纖維浸漬在勃姆石溶膠中，取出干燥后進(jìn)行熱處理可制備出氧化鋁/石英復(fù)合纖維，并研究酸處理和熱處理對(duì)其性能的影響，研究結(jié)果表明：在98℃的6%稀硫酸溶液中浸泡1 h的預(yù)處理效果最佳，既能有效除去石英纖維表面的有機(jī)浸潤(rùn)劑，又有較高的強(qiáng)度保留率；在250℃熱處理后得到的復(fù)合纖維性能最好，與石英纖維相比，氧化鋁/石英復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度提高1.5倍，耐堿蝕性提高3倍左右.

表面預(yù)處理；氧化鋁涂層；石英纖維；熱處理；拉伸強(qiáng)度；耐堿蝕性；復(fù)合纖維

石英纖維是一種高性能無機(jī)纖維，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域[1-4].但石英纖維的力學(xué)性能等會(huì)因?yàn)楦邷責(zé)釗p傷而下降，因此限制了它的應(yīng)用[2-4].生產(chǎn)中加入的有機(jī)浸潤(rùn)劑可保持纖維集束性，但是由于石英纖維一般是在高溫下使用，表面浸潤(rùn)劑會(huì)發(fā)生碳化，游離碳及界面析晶更會(huì)影響復(fù)合材料的高溫界面性能，無法滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求.因此，在石英纖維表面涂層成為可以解決這一問題的方法之一，該方法可以很好地改善材料之間的界面析晶現(xiàn)象.目前主要研究的涂層有氧化鋁、氧化硅和氧化鈦等[5-8].本實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠法，采用AlCl3、Al粉制備氧化鋁溶膠，用浸漬法將氧化鋁溶膠涂覆在處理后的石英纖維上，制備氧化鋁/石英復(fù)合纖維；主要研究石英纖維的預(yù)處理?xiàng)l件、熱處理溫度等因素對(duì)復(fù)合纖維性能的影響，并對(duì)其耐蝕性進(jìn)行了探索.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

原料：六水合氯化鋁，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；鋁粉，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品；乳酸，天津市化學(xué)試劑三廠產(chǎn)品；石英纖維，天津市硅酸鹽研究所產(chǎn)品；去離子水，天津市膜天膜技術(shù)有限公司產(chǎn)品.

儀器：電熱式恒溫水浴鍋，天津歐諾儀器儀表有限公司產(chǎn)品；節(jié)能箱式電爐，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司產(chǎn)品；旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，上海天平儀器廠產(chǎn)品；分析天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品.

1.2 石英纖維的表面預(yù)處理

采用酸蝕預(yù)處理工藝對(duì)纖維表面進(jìn)行處理.首先取一定量的石英纖維分別放入2%、4%、6%和8%的稀硫酸溶液中，98℃恒溫1 h，冷卻后，取出纖維，用去離子水清洗至呈中性，80℃烘干，自然冷卻至室溫，待用.

1.3 勃姆石溶膠的制備及其在石英纖維表面的涂覆

按一定摩爾比稱取一定量的結(jié)晶氧化鋁和鋁粉，將結(jié)晶氯化鋁溶于去離子水中進(jìn)行水解，然后加鋁粉調(diào)節(jié)鹽基度.100℃恒溫水浴中回流至少10 h，待形成膠體母液后，過濾并加入乳酸攪拌均勻后進(jìn)行恒溫水浴10 h后得到溶膠.

采用浸漬涂覆法，將經(jīng)過表面處理的石英纖維浸入到所制得的勃姆石溶膠中，靜置一定時(shí)間，使溶膠與纖維充分接觸，然后取出石英纖維放入80℃烘箱干燥.在250~450℃考察熱處理溫度對(duì)復(fù)合纖維拉伸強(qiáng)度的影響.

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 測(cè)試

采用萊州市電子儀器有限公司Model LLY-06型電子纖維強(qiáng)力儀對(duì)石英纖維及復(fù)合纖維進(jìn)行拉伸測(cè)試，分析實(shí)驗(yàn)過程中纖維強(qiáng)度的變化.

將原纖維及氧化鋁/石英復(fù)合纖維分別用1 mol/ L、2 mol/L的NaOH溶液進(jìn)行堿腐蝕試驗(yàn).將其置于堿溶液中，靜置4 h后取出干燥，測(cè)試其耐蝕性.

1.4.2 表征

采用日本日立公司Hitachi S-4800型掃描電鏡對(duì)涂覆氧化鋁涂層前后石英纖維的表面微觀形貌進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 酸蝕預(yù)處理對(duì)石英纖維性能的影響

圖1為不同酸蝕預(yù)處理?xiàng)l件下石英纖維直徑、失重和拉伸強(qiáng)度的變化曲線圖.

圖1 酸蝕預(yù)處理?xiàng)l件下硫酸濃度對(duì)纖維直徑、失重和拉伸強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of acid pretreatment on diameter，weightlessness and tensile strength of quartz fiber

由圖1可見，隨硫酸濃度的升高，石英纖維單絲直徑呈降低趨勢(shì)，在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～6%范圍內(nèi)，直徑保留率變化較大；硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高至8%，直徑保留率幾乎不再發(fā)生變化.硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～6%范圍內(nèi)，失重百分率由2.55%增大到3.95%，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高至8%，失重百分率幾乎不再發(fā)生變化.這都表明硫酸濃度為6%時(shí)，石英纖維表面的浸潤(rùn)劑已被完全去除.

由圖1還可以看出，石英纖維的拉伸強(qiáng)度隨著硫酸濃度的增加有所下降.硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為在2%～8%范圍內(nèi)，纖維強(qiáng)度保留率由78.16%降低到40.28%；硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，強(qiáng)度保留率為53.63%.這是因?yàn)榻?jīng)過表面處理，石英纖維表面的有機(jī)層被除去，纖維表面的缺陷如微裂紋等暴露出來，這些缺陷易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，從而降低了石英纖維的拉伸強(qiáng)度.由此可知，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，既能有效除去石英纖維表面的有機(jī)浸潤(rùn)劑，又有較高的強(qiáng)度保留率.

2.2 熱處理溫度對(duì)復(fù)合纖維性能的影響

圖2所示為石英纖維及不同熱處理溫度下的氧化鋁/石英復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度.

由圖2可知，涂覆氧化鋁涂層后，纖維的強(qiáng)度均有所提高；250℃熱處理下，復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度最高，是石英纖維的1.5倍.

圖2 熱處理溫度對(duì)復(fù)合纖維強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of heat treatment temperature on strength of composite fiber

圖3所示為不同熱處理溫度下氧化鋁/石英復(fù)合纖維的SEM照片.

圖3 不同熱處理溫度下的氧化鋁/石英復(fù)合纖維的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrograph of composite fibers on different heat-treatment temperatures

由圖3可看出，450℃熱處理后，氧化鋁涂層脫落最嚴(yán)重，幾乎全部脫落.350℃熱處理后，氧化鋁涂層脫落也較嚴(yán)重，涂層裂紋較多.而250℃熱處理后，氧化鋁涂層均勻致密，沒有發(fā)生脫落和裂紋現(xiàn)象.

2.3 復(fù)合纖維耐堿蝕性能的研究

圖4所示為堿濃度對(duì)石英纖維及復(fù)合纖維拉伸強(qiáng)度的影響.

由圖4可以看出，隨著堿濃度的增大，石英纖維的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，說明堿的濃度越大，對(duì)纖維的腐蝕作用越強(qiáng)，導(dǎo)致纖維的力學(xué)強(qiáng)度降低越多；涂覆后的復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度隨堿濃度的增大，其強(qiáng)度下降幅度較小，說明氧化鋁涂層對(duì)石英纖維起到了保護(hù)作用，降低了堿對(duì)其的腐蝕作用，耐堿蝕性提高3倍左右.

圖5為石英纖維和復(fù)合纖維堿蝕前后的SEM圖.

圖4 堿濃度對(duì)石英纖維及復(fù)合纖維拉伸強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of alkali concentration on tensile strength of fibers

圖5 石英纖維和復(fù)合纖維堿蝕前后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM micrograph of fibers before and after alkali treatment

由圖5可知，石英原纖維表面致密光滑，而堿蝕后，纖維表面出現(xiàn)許多大的凹洞.這是因?yàn)槭⒗w維表面均勻地涂敷有一層硅烷類有機(jī)涂層浸潤(rùn)劑，堿蝕后，有機(jī)浸潤(rùn)劑被堿蝕掉，導(dǎo)致纖維表面被堿繼續(xù)腐蝕而形成許多凹洞.由圖5（b）還可看出纖維直徑變化很大.從圖5（c）中可以看出，復(fù)合纖維表面均勻地涂覆上了一層氧化鋁涂層，堿蝕后，纖維表面也出現(xiàn)了一些均勻的凹坑，纖維直徑變化不大.這是由于氧化鋁涂層具有很強(qiáng)的耐堿腐蝕性，堿蝕只是在涂層表面形成了一些凹洞，對(duì)纖維本身并未造成損傷，故纖維直徑變化不大.

3 結(jié)論

（1）采用酸蝕（2%～8%硫酸）對(duì)石英纖維進(jìn)行了預(yù)處理，在98℃溫度條件下6%稀硫酸浸泡1 h的石英纖維的預(yù)處理效果最好.

（2）將6%硫酸酸蝕處理的石英纖維浸漬在勃姆石溶膠中，取出干燥熱處理可制備出氧化鋁/石英復(fù)合纖維.研究發(fā)現(xiàn)250℃熱處理后得到的復(fù)合纖維性能最好，拉伸強(qiáng)度提高約1.5倍.

（3）在不同濃度的NaOH溶液中進(jìn)行耐蝕實(shí)驗(yàn)，氧化鋁/石英復(fù)合纖維的耐堿蝕性優(yōu)于石英纖維，即氧化鋁涂層可提高石英纖維的耐堿腐蝕性.

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Effect of pretreatment and heat-treatment on properties of alumina-silica composite fibers

WANG Hua-ping1，LIANG Xiao-ping1，WANG Jia-dan1，LIU Jian1，REN Su-e1，LI Dong-mei1，ZUO Rui1，HUA Fen2
（1.School of Materials Science and Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Institute of Silicate，Tianjin 300111，China）

Boehmite sol was prepared by sol-gel method with AlCl3·6H2O,Al powder and H2O as raw materials.The Boehmite sol was coated on the quartz fiber pretreated with dilute sulfuric acid by impregnation method,then dried and heated,finally alumina-silica composite fibers were obtained,and the effect of pretreatment and heattreatment on its properties was studied.The results show that the best pretreatment conditions is to immerse the quartz fiber in 6%dilute sulfuric acid for 1 h at 98°C,which can effectively remove the organic wetting agent on the silica fiber surface and keep higher strength.At 250°C heat treatment temperature,the properties of alumina-silica composite fiber are the best.Compared with the quartz fiber,the tensile strength of the composite fiber is increased by about 1.5 times,and alkali corrosion resistance is increased by about 3 times.

surface pretreatment；alumina coating；quartz fiber；heat-treatment；tensile strength；alkali corrosion resistance；composite fibers

TQ343.3

：A

：1671-024X（2013）01-0010-04

2012-09-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21076156）

王化平（1986—），女，碩士研究生.

梁小平（1970—），女，教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail:tjpulxp@tjpu.edu.cn