溶液浸漬法制備CeO2陶瓷纖維板的研究

陸麗芳 徐澤躍 李平 彭文博 沈云進

摘 要 以粘膠纖維氈為前軀體，采用溶液浸漬法制備了CeO2陶瓷纖維板。研究了主要工藝參數浸漬液的pH、溫度對單位質量的粘膠纖維氈生成CeO2陶瓷纖維板量的影響。結果表明：當浸漬液pH為4、溫度為50℃時，單位質量粘膠纖維氈燒成的CeO2陶瓷纖維板量最高；隨著燒結溫度的升高，顯微組織越致密，纖維板的燒結溫度應在1 550℃進行。

關鍵詞 氧化鈰；溶液浸漬法；燒結溫度；粘膠纖維

0 前 言

陶瓷纖維材料具有電絕緣性好、化學穩定性強、導熱性能低、熱熔小、質量輕并且具有一定的柔韌性、可操作性好，在絕熱、保溫、光催化等領域應用廣泛，如用于航空、航天和其他對溫度和力學性能要求高的組件等；用于高溫氣液體的過濾材料，是較理想的節能增效材料。本研究所制備的氧化鈰陶瓷纖維板具有高的離子電導率，除具有普通陶瓷纖維材料的用途之外，還可作為各種燃料電池的墊圈，例如熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。

粘膠纖維屬再生纖維素纖維。它是以天然纖維素為原料，經堿化、老化、磺化等工序制成可溶性纖維素磺酸酯，再溶于稀堿液制成粘膠，經濕法紡絲而制成。從它的分子式發現纖維素分子間有較多的氫鍵，在浸漬過程中，纖維氈的纖維分子鏈易溶脹，氫鍵斷裂，產生較多的羥基。羥基與水分子結合形成更多的吸附中心，從而吸附更多鈰鹽。本研究所用的是有機聚合物轉化法，其特點為操作簡單，對設備的要求低。通過溶液浸漬，燒成等一系列程序，制得結構與粘膠纖維類似的陶瓷纖維板。

1 試驗過程

1.1 試驗原料及設備

試驗原料：粘膠纖維氈，六水硝酸鈰晶體，鹽酸（1：1），去離子水等。

主要設備：水浴鍋，微波發生器，低溫電爐，KSF1 600型高溫爐，金相顯微鏡等。

1.2 纖維板試樣的制備

本實驗采用溶液浸漬法， 通過粘膠纖維氈分解，Ce（NO3）3·6H2O氧化燒結等一系列反應，制備CeO2陶瓷纖維板。其制備方法如下，首先， 將粘膠纖維氈浸漬在去離子水溶液中1～2h，溶脹處理后機械干燥， 然后置于20～65℃、pH為1.5～5的0.6mol/LCe（NO3）3·6H2O溶液中4h，之后采用機械干燥、微波干燥除去纖維氈表面及纖維間多余的鈰鹽溶液。最后，在氧氣氣氛中采用兩次燒成法制備氧化鈰陶瓷纖維板，一次燒成溫度為1 200℃，二次燒成溫度為1 560℃。

1.3 性能與表征

（1）采用電子天平對燒結前后的試樣進行質量分析。

（2）采用游標卡尺對不同溫度燒結前后試樣的收縮進行分析。

（3）采用金相顯微鏡對燒結后的試樣進行形貌分析。

2 結果與討論

2.1 pH對單位質量的粘膠纖維氈生成CeO2陶瓷纖維板量的影響

表1、圖1為不同pH浸漬液制備粘膠纖維板燒成前后質量及單位質量轉化量。實驗所用纖維氈厚度為6mm，表中單位質量轉化量為二次燒成后纖維氈與燒成前粘膠纖維氈的比。結合圖、表可以看出隨著pH的變大，單位質量粘膠纖維氈生成CeO2陶瓷纖維板量先增多后減少，在pH為4時，粘膠纖維氈轉化率最高，接近10%，1g粘膠纖維氈燒成0.099g氧化鈰纖維布。說明了pH較小的溶液會和粘膠纖維氈反應，使得纖維的直徑變細，有效吸附鈰離子的表面積變小，因此單位質量粘膠纖維氈轉化量小；當pH為5時，此時的pH為不需要加鹽酸調節的pH，此時溶液中沒有過量的H+，不易形成更多的鈰離子吸附中心，因此，單位質量粘膠纖維氈轉化量有所降低。

2.2 溶液溫度對單位質量的粘膠纖維氈生成CeO2陶瓷纖維板量的影響

表2、圖2為不同溫度浸漬液制備粘膠纖維板燒成前后質量及單位質量轉化量。實驗所用纖維氈厚度為6mm厚，表中單位質量轉化量為二次燒成后纖維氈與燒成前粘膠纖維氈的比。結合圖2、表2可以看出，當浸漬液pH為4時，浸漬液溫度從20℃增加到65℃，粘膠纖維氈單位質量轉化量都在0.1g以上。因此，可以得出pH對制備纖維氈單位質量轉化率的影響較大，溫度的影響較小。從表中數據可知，隨著溫度的升高，纖維氈單位質量轉化量先最大后減小，原因為隨著溫度的升高，加快了離子的運動速率，更多的鈰離子與粘膠纖維結合，因此增加了纖維氈單位質量轉化量，進一步升高溫度，溶液蒸發加快，溶液pH降低，纖維氈單位質量轉化量降低，與pH試驗結果相符。選擇最佳的浸漬液溫度為50℃。

2.3 不同燒結溫度對纖維板的纖維組織結構的影響

實驗將粘膠纖維氈分別在350℃、800℃、1 350℃、1 550℃燒結， 圖3是不同燒結溫度測得的收縮率，顯微組織如圖4所示。由圖4（a）、（b）、（c）、（d）放大200倍的金相顯微圖可以看出， 隨著燒結溫度的升高， 顯微組織結構越來越致密，孔隙率降低，與圖3所示的收縮率逐漸增大相吻合。從圖4（a）、（b）觀察到，350℃到800℃燒結時單根纖維出現斷裂的現象， 且孔徑較大，分布不均。而1 350℃燒結時顯微組織排列整齊， 密度增大，單根纖維斷裂情況明顯較少， 這說明隨著燒結溫度的提高， 纖維斷裂程度降低，纖維密度增加。1 550℃燒結時，顯微已晶化，此時纖維強度增大。分析原因為，在350℃時處于燒結初期， 纖維收縮率達到34.9%，纖維收縮過程中受到向內的拉應力及外部施加的張力。由于燒結溫度較低，收縮相對較大，沿著纖維方向排列的氧化鈰顆粒沒有形成顆粒相融合而斷裂。而1 350℃、1 550℃燒結時，此時氧化鈰晶粒長大， 沿著纖維軸向方向CeO2晶粒相融合從而纖維強度增加，斷裂程度逐漸減小。

3 結 論

（1） 采用溶液浸漬法可以制備出連續、平整、柔韌性較好的CeO2陶瓷纖維板。

（2）當浸漬液pH為4、溫度為50℃時，單位質量粘膠纖維氈生成的CeO2陶瓷纖維板量最高。

（3）隨著燒結溫度升高，CeO2陶瓷纖維板趨于致密，纖維斷裂程度趨于減小，1 550℃是合適的燒結溫度。

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