[go: up one dir, main page]

RU2836802C1 - Method of producing continuous fibre based on aluminium oxide - Google Patents

Method of producing continuous fibre based on aluminium oxide Download PDF

Info

Publication number
RU2836802C1
RU2836802C1 RU2024108454A RU2024108454A RU2836802C1 RU 2836802 C1 RU2836802 C1 RU 2836802C1 RU 2024108454 A RU2024108454 A RU 2024108454A RU 2024108454 A RU2024108454 A RU 2024108454A RU 2836802 C1 RU2836802 C1 RU 2836802C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
solution
fibre
fiber
mbar
Prior art date
Application number
RU2024108454A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Георгиевич Бабашов
Юлия Александровна Балинова
Юрий Александрович Ивахненко
Елена Васильевна Степанова
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2836802C1 publication Critical patent/RU2836802C1/en

Links

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to production of continuous fibre Al2O3-SiO2 from high-viscosity fibre-forming solution. Method of producing continuous fibre involves preparation of a fibre-forming solution consisting of a water-soluble organic polymer – polyvinyl alcohol, aluminium oxychloride, silica sol and water, evaporation thereof, forming a multifilament thread from the precursor fibre and thermal treatment thereof. Ratio of aluminium oxychloride and silica sol is calculated based on the required ratio of aluminium and silicon oxides in the finished fibre. Evaporation of the fibre-forming solution is carried out in two steps. At the first stage, the fibre-forming solution is evaporated at pressure of 900 mbar with a gradual decrease to 12 mbar at temperature of 40 to 50 °C until removal of water is 30-40%, after which an aqueous solution of a mixture of polyvinyl alcohol, aluminium oxychloride, silica sol and water is added to the said solution to the initial volume. Further, a second evaporation step is carried out at pressure of 900 mbar with gradual reduction to 12 mbar until 30-60% of water is removed until viscosity of 750 or 800 P.
EFFECT: obtaining multifilament threads from continuous fibre with low irregularity in linear density and defect-free surface, as well as providing high output of solution and fibre from it.
2 cl, 2 dwg, 1 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к получению волокна на основе оксида алюминия, в частности к способу получения непрерывного волокна Al2O3-SiO2 из высоковязкого волокнообразующего раствора.The invention relates to the production of fibre based on aluminium oxide, in particular to a method for producing continuous Al 2 O 3 -SiO 2 fibre from a highly viscous fibre-forming solution.

Керамические волокна на основе оксида алюминия находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности, для изготовления теплоизолирующих материалов в горячих цехах и для армирования композиционных материалов. Наиболее распространенный способ их получения - золь-гель метод, суть которого заключается в использовании прекурсоров, равномерно смешиваемых в жидкой фазе для проведения химической реакции гидролиза и конденсации с образованием волокнообразующего раствора, формования сырого волокна из него и термообработки, приводящей к образованию кристаллических фаз и превращению аморфного сырого волокна в керамическое оксидное волокно.Ceramic fibers based on aluminum oxide are increasingly used in various industries, in particular for the production of heat-insulating materials in hot shops and for reinforcing composite materials. The most common method for their production is the sol-gel method, the essence of which is the use of precursors uniformly mixed in the liquid phase to carry out a chemical reaction of hydrolysis and condensation with the formation of a fiber-forming solution, the formation of raw fiber from it and heat treatment, leading to the formation of crystalline phases and the transformation of amorphous raw fiber into ceramic oxide fiber.

Известен способ получения волокнообразующего раствора и волокна из него, включающий приготовление вязкого концентрата прекурсоров оксидов, формование аморфных волокон из него и термообработку, обеспечивающую удаление летучих органических компонентов и превращение аморфных сырых волокон в тугоплавкие оксидные. При этом волокнообразующий раствор представляет собой вязкую водную дисперсию водорастворимых соединений алюминия и бора, а также коллоидного силиказоля, которые при обжиге должны стать соответствующими оксидами: Al2O3, В2О3, SiO2. Водорастворимые соединения алюминия могут представлять собой соли алюминия, такие как формоацетат, нитрат, изопропилат, основный ацетат алюминия и их смесь. Чтобы повысить жизнеспособность раствора и улучшить его волокнообразующие свойства, в исходный материал могут быть введены совместимые термоудаляемые органические агенты в качестве вспомогательного средства, такие как поливинилпирролидон, поливиниловый спирт (ПВС), молочная кислота, глюкоза или их смесь, эти добавки окисляются и удаляются при последующей термообработке сформованных сырых волокон. Получение волокнообразующего раствора осуществляют путем смешения исходных компонентов и последующего концентрирования приготовленного водного раствора или дисперсии методами, которые обычно включают упаривание для удаления излишков воды и летучих газов. Упаривание предпочтительно проводить или хотя бы завершать его в вакууме, например, создаваемом водяным аспиратором, в колбе, полностью или частично погруженной в водяную баню с температурой от 30 до 50°С. Приготовленный волокнообразующий раствор в виде вязкого концентрата экструдируют через фильеру, а сформованные таким образом сырые волокна подвергают термообработке, в процессе которой происходит разложение органических соединений, выделение летучих компонентов и образование кристаллических оксидных фаз (Патент США №3795524 А, опубл. 01.03.1971).A method for producing a fiber-forming solution and fiber from it is known, which includes preparing a viscous concentrate of oxide precursors, forming amorphous fibers from it and heat treatment, ensuring the removal of volatile organic components and the transformation of amorphous raw fibers into refractory oxide ones. In this case, the fiber-forming solution is a viscous aqueous dispersion of water-soluble compounds of aluminum and boron, as well as colloidal silica sol, which upon firing should become the corresponding oxides: Al 2 O 3 , B 2 O 3 , SiO 2 . Water-soluble aluminum compounds can be aluminum salts, such as formoacetate, nitrate, isopropylate, basic aluminum acetate and a mixture thereof. In order to increase the viability of the solution and improve its fiberizing properties, compatible heat-removable organic agents can be introduced into the starting material as an auxiliary, such as polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol (PVA), lactic acid, glucose or a mixture thereof, these additives are oxidized and removed during subsequent heat treatment of the formed raw fibers. The fiberizing solution is obtained by mixing the starting components and then concentrating the prepared aqueous solution or dispersion by methods that usually include evaporation to remove excess water and volatile gases. Evaporation is preferably carried out or at least completed in a vacuum, for example, created by a water aspirator, in a flask completely or partially immersed in a water bath with a temperature of from 30 to 50 ° C. The prepared fiber-forming solution in the form of a viscous concentrate is extruded through a spinneret, and the raw fibers formed in this way are subjected to heat treatment, during which the decomposition of organic compounds occurs, the release of volatile components and the formation of crystalline oxide phases (US Patent No. 3,795,524 A, published 01.03.1971).

Авторы предлагают данный способ для получения керамических изделий, таких как волокна, пленки, чешуйки и микросферы. Однако в случае получения данным способом непрерывного волокна на основе оксида алюминия состав упомянутого раствора и способ его получения не исключают образования супрамолекулярных связей и структур, приводящих к накоплению энергии и проявлению упругих свойств раствора, что провоцирует нарушение стабильности процесса формования волокон и образование напряжений, разрушающих их структуру.The authors propose this method for obtaining ceramic products such as fibers, films, flakes and microspheres. However, in the case of obtaining continuous aluminum oxide-based fiber by this method, the composition of the said solution and the method for obtaining it do not exclude the formation of supramolecular bonds and structures that lead to the accumulation of energy and the manifestation of elastic properties of the solution, which provokes a violation of the stability of the fiber formation process and the formation of stresses that destroy their structure.

Известен способ получения волокна α-Al2O3, включающий приготовление прядомого раствора, формования из него сырого волокна-прекурсора и его термообработку с получением керамического волокна с содержанием оксида алюминия не менее 95 масс. %. Приготовление волокнообразующего прядомого раствора включает приготовление суспензии путем диспергирования в водном растворе основной соли алюминия; порошка оксида алюминия, имеющего средний диаметр частиц не более 0,1 мкм и используемого в количестве от 10 до 40% по массе в расчете на общее количество оксидов, присутствующих в окончательно полученном волокне из альфа-оксида алюминия, а также вспомогательного средства для прядения и опционально спекающей добавки, и концентрирование полученной дисперсии для придания ей вязкости от 1000 до 10000 пуаз при 25°С. Примеры основной соли алюминия, используемой для этой цели, включают основный хлорид алюминия (предпочтительный вариант), основный нитрат алюминия, основный хлорацетат алюминия и т.п. В качестве вспомогательного средства для улучшения прядильной способности волокнообразующего раствора используют водорастворимый органический полимер, такой как поливиниловый спирт, полиэтиленоксид, полипропиленоксид и т.п. со средней молекулярной массой от 100000 до 4000000. к ним в количестве от 4 до 15 мас.% в расчете на общее количество оксидов, присутствующих в окончательно полученном волокне из α-оксида алюминия. Спекающие добавки используют в виде солей неорганических кислот, таких как хлориды, нитраты и сульфаты, которые при термообработке образуют оксиды из группы CuO, MgO, PuO, Cr2O3, Fe2O3, MoO3, TiO2. Исходные компоненты соединяют вместе и тщательно перемешивают. Полученную смесь концентрируют при пониженном давлении (упаривают) для достижения оптимальной для прядения вязкости. Затем проводят стадии формования сырого волокна-прекурсора, его сушку, предварительную и окончательную термообработку (Патент США №4812271 А, опубл. 14.03.1989).A method for producing α-Al 2 O 3 fiber is known, which includes preparing a spinning solution, forming a raw precursor fiber from it and heat treating it to obtain a ceramic fiber with an aluminum oxide content of at least 95 mass %. The preparation of the fiber-forming spinning solution includes preparing a suspension by dispersing in an aqueous solution a basic aluminum salt; aluminum oxide powder having an average particle diameter of no more than 0.1 μm and used in an amount of 10 to 40% by weight based on the total amount of oxides present in the finally obtained fiber from alpha-aluminum oxide, as well as an auxiliary agent for spinning and optionally a sintering additive, and concentrating the resulting dispersion to impart a viscosity of 1000 to 10,000 poise at 25°C. Examples of the basic aluminum salt used for this purpose include basic aluminum chloride (preferred embodiment), basic aluminum nitrate, basic aluminum chloroacetate, etc. As an auxiliary agent for improving the spinning ability of the fiberizing solution, a water-soluble organic polymer such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polypropylene oxide, etc. with an average molecular weight of from 100,000 to 4,000,000 is used thereto in an amount of from 4 to 15 wt.% based on the total amount of oxides present in the finally obtained α-aluminum oxide fiber . Sintering additives are used in the form of salts of inorganic acids such as chlorides, nitrates and sulfates, which upon heat treatment form oxides from the group of CuO, MgO, PuO, Cr2O3 , Fe2O3 , MoO3 , TiO2 . The initial components are combined and thoroughly mixed. The resulting mixture is concentrated under reduced pressure (evaporated) to achieve the optimum viscosity for spinning. Then the stages of forming the raw precursor fiber, its drying, preliminary and final heat treatment are carried out (US Patent No. 4812271 A, published 03/14/1989).

Недостатком указанного способа является использование значительного количества порошка оксида алюминия при приготовлении волокнообразующего раствора, что затрудняет получение однородного, устойчивого к седиментации формовочного состава и приводит к повышению трения при его экструзии через капилляры фильеры, что может приводить к неоднородности состава и диаметра волокна, вызывая неровноту по линейной плотности многофиламентной нити.The disadvantage of this method is the use of a significant amount of aluminum oxide powder in the preparation of the fiber-forming solution, which makes it difficult to obtain a homogeneous, sedimentation-resistant molding composition and leads to increased friction during its extrusion through the capillaries of the spinneret, which can lead to non-uniformity of the composition and diameter of the fiber, causing unevenness in the linear density of the multifilament thread.

Известен также способ получения высокотемпературного волокна на основе оксида алюминия, включающий приготовление волокнообразующего раствора, формование сырого волокна из него и последующую ступенчатую термообработку с изотермическими выдержками с получением оксидного волокна. Волокнообразующий раствор готовят путем смешивания водного раствора поливинилового спирта с водным раствором оксихлорида алюминия и коллоидного оксида кремния и последующего упаривания полученного раствора в ротационном испарителе до получения вязкого прядомого концентрата, способного к формованию волокна (Патент РФ №2212388 опубл. 20.09.2003).A method for producing high-temperature fiber based on aluminum oxide is also known, which includes preparing a fiber-forming solution, forming raw fiber from it, and subsequent stepwise heat treatment with isothermal holdings to obtain oxide fiber. The fiber-forming solution is prepared by mixing an aqueous solution of polyvinyl alcohol with an aqueous solution of aluminum oxychloride and colloidal silicon oxide and then evaporating the resulting solution in a rotary evaporator until a viscous spinnable concentrate capable of forming fiber is obtained (Patent of the Russian Federation No. 2212388 published on September 20, 2003).

Описанный способ получения формовочного раствора пригоден для изготовления только дискретных волокон оксида алюминия. Для непрерывных волокон требуется более длительное концентрирование до больших значений вязкостей, а получение непрерывного волокна данным методом не приводит к получению бездефектных равноплотных нитей на основе оксида алюминия.The described method for obtaining the molding solution is suitable for the production of discrete aluminum oxide fibers only. Continuous fibers require longer concentration to higher viscosity values, and obtaining continuous fiber by this method does not result in obtaining defect-free, equal-density threads based on aluminum oxide.

За прототип принят способ получения непрерывного оксидного волокна, который включает приготовление волокнообразующего раствора, состоящего из водорастворимого органического полимера, водорастворимой неорганической соли, способной образовывать тугоплавкий неорганический оксид, силиказоля и воды, доведение его путем упаривания до вязкости, обеспечивающей формование волокна, сухое прядение многофиламентной нити из сырого волокна-прекурсора, и термическую обработку полученной нити с получением непрерывного волокна на основе оксида алюминия. Предпочтительным вариантом водорастворимого органического полимера является поливиниловый спирт, а водорастворимой неорганической соли - оксихлорид алюминия. Волокнообразующий раствор готовят путем смешивания водорастворимого органического полимера, водорастворимой неорганической соли, добавок и воды и концентрирования полученного смешанного раствора в вакууме до достижения вязкости от 200 до 2000 пуаз при 20°С (Патент США №4724109 А опубл. 09.02.1988).The prototype is a method for producing continuous oxide fiber, which includes preparing a fiber-forming solution consisting of a water-soluble organic polymer, a water-soluble inorganic salt capable of forming a refractory inorganic oxide, silica sol and water, bringing it by evaporation to a viscosity that ensures the formation of fiber, dry spinning a multifilament thread from a raw precursor fiber, and heat treatment of the resulting thread to obtain a continuous fiber based on aluminum oxide. The preferred version of the water-soluble organic polymer is polyvinyl alcohol, and the water-soluble inorganic salt is aluminum oxychloride. The fiber-forming solution is prepared by mixing a water-soluble organic polymer, a water-soluble inorganic salt, additives and water and concentrating the resulting mixed solution in a vacuum until a viscosity of 200 to 2000 poise is achieved at 20°C (US Patent No. 4,724,109 A published 02/09/1988).

Недостатком данного способа является то, что волокнообразующий раствор, приготовленный этим способом, склонен к преждевременному гелированию, в результате чего имеет ограниченный срок годности и выход раствора и волокна из него, процесс формования нестабилен из-за забивания капилляров фильеры, а волокна имеют повышенное количество дефектов, как внешних, так и внутренних, что приводит к получению многофиламентной нити с повышенной неровнотой по линейной плотности.The disadvantage of this method is that the fiber-forming solution prepared by this method is prone to premature gelation, as a result of which it has a limited shelf life and the yield of the solution and fiber from it, the molding process is unstable due to clogging of the spinneret capillaries, and the fibers have an increased number of defects, both external and internal, which leads to the production of a multifilament thread with increased unevenness in linear density.

Технической задачей данного изобретения является способ получения непрерывного волокна на основе оксида алюминия, в виде многофиламентных нитей.The technical task of this invention is a method for producing continuous fiber based on aluminum oxide in the form of multifilament threads.

Техническим результатом данного изобретения является получение непрерывного волокна на основе оксида алюминия с низкой неровнотой по линейной плотности и бездефектной поверхностью, а также повышение выхода раствора и волокна из него до 45-55%.The technical result of this invention is the production of continuous fiber based on aluminum oxide with low unevenness in linear density and a defect-free surface, as well as an increase in the yield of solution and fiber from it to 45-55%.

Для достижения поставленного технического результата предложен способ получения непрерывного волокна на основе оксида алюминия, который включает приготовление волокнообразующего раствора, состоящего из водорастворимого органического полимера, водорастворимой неорганической соли, способной образовывать оксид алюминия, силиказоля и воды, его упаривание, формование многофиламентной нити из волокна-прекурсора и ее термическую обработку, причем упаривание волокнообразующего раствора проводят в две стадии, на первой стадии волокнообразующий раствор упаривают при давлении от 900 с последующим снижением до 12 мбар при температуре от 40 до 50°С до достижения 30-40% удаления воды, после чего в упомянутый раствор дополнительно повторно вводят водорастворимый органический полимер, водорастворимую неорганическую соль, способную образовывать оксид алюминия, силиказоль и воду, и далее проводят вторую стадию упаривания при давлении от 900 с последующим снижением до 12 мбар до удаления 30-60% воды и достижения вязкости 1000-2000 П.In order to achieve the set technical result, a method for producing a continuous fiber based on aluminum oxide is proposed, which includes preparing a fiber-forming solution consisting of a water-soluble organic polymer, a water-soluble inorganic salt capable of forming aluminum oxide, silica sol and water, evaporating it, forming a multifilament thread from a precursor fiber and heat treating it, wherein the evaporation of the fiber-forming solution is carried out in two stages, in the first stage the fiber-forming solution is evaporated at a pressure of 900 with a subsequent decrease to 12 mbar at a temperature of 40 to 50 °C until 30-40% of water is removed, after which a water-soluble organic polymer, a water-soluble inorganic salt capable of forming aluminum oxide, silica sol and water are additionally reintroduced into the said solution, and then a second evaporation stage is carried out at a pressure of 900 with a subsequent decrease to 12 mbar until 30-60% of water is removed and achieving a viscosity of 1000-2000 P.

Предпочтительно, в качестве водорастворимого органического полимера используют поливиниловый спирт.Preferably, polyvinyl alcohol is used as the water-soluble organic polymer.

Предпочтительно, в качестве водорастворимой неорганической соли, способной образовывать оксид алюминия, используют оксихлорид алюминия.Preferably, aluminum oxychloride is used as a water-soluble inorganic salt capable of forming aluminum oxide.

Предпочтительно, вводимая после первой стадии упаривания смесь водорастворимого органического полимера, водорастворимой неорганической соли, способной образовывать оксид алюминия, силиказоля и воды имеет концентрацию от 0,4 до 18%.Preferably, the mixture of a water-soluble organic polymer, a water-soluble inorganic salt capable of forming aluminum oxide, silica sol and water introduced after the first evaporation stage has a concentration of 0.4 to 18%.

Настоящее изобретение поясняется чертежами.The present invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана структура волокон, изготовленных по примеру 1.Fig. 1 shows the structure of fibers produced according to Example 1.

На фиг. 2 - показана структура волокон, изготовленных по прототипу. На фиг. 2 видно, что структура волокна неравномерна по диаметру, имеет поверхностные дефекты и дефекты формы.Fig. 2 shows the structure of fibers manufactured according to the prototype. Fig. 2 shows that the fiber structure is uneven in diameter, has surface defects and shape defects.

Волокнообразующий раствор данного изобретения получают путем смешивания водорастворимого органического полимера (поливинилового спирта) с водным или коллоидным раствором диоксида кремния (силиказолем) и водным раствором неорганической соли алюминия (оксихлоридом алюминия) и концентрированием полученной смеси при пониженном давлении и температуре от 40 до 50°С до степени придания полученной прядильной смеси повышенной вязкости и требуемой способности к формованию. Соотношение оксихлорида алюминия и силиказоля рассчитывают исходя из требуемого соотношения оксидов алюминия и кремния в готовом волокне. Прядомость, придаваемая волокнообразующему раствору, должна стабильно сохраняться в течение, по меньшей мере, 24 часов, но предпочтительно несколько дней. Особенностью предлагаемого способа является двухстадийное упаривание волокнообразующего раствора. На первой стадии происходит частичное упаривание волокнообразующего раствора, содержащего водные растворы оксихлорида алюминия, силиказоля и поливинилового спирта, при постепенном снижении давления от 900 до 12 мбар и температуре от 40 до 50°С. Если давление будет выше указанного предела 900 мбар, то процесс упаривания при температуре от 40 до 50°С будет невозможен или слишком длителен. При резком понижении давления до 12 мбар возможно «вскипание» поливинилового спирта, а период концентрирования будет слишком длительным. Постепенное снижение давления позволяет обеспечить плавный ход вакуумного концентрирования.The fiber-forming solution of the present invention is obtained by mixing a water-soluble organic polymer (polyvinyl alcohol) with an aqueous or colloidal solution of silicon dioxide (silica sol) and an aqueous solution of an inorganic aluminum salt (aluminum oxychloride) and concentrating the resulting mixture under reduced pressure and a temperature of 40 to 50°C to the extent that the resulting spinning mixture is given increased viscosity and the required spinning ability. The ratio of aluminum oxychloride and silica sol is calculated based on the required ratio of aluminum and silicon oxides in the finished fiber. The spinnability imparted to the fiber-forming solution must be stably maintained for at least 24 hours, but preferably several days. A special feature of the proposed method is the two-stage evaporation of the fiber-forming solution. The first stage involves partial evaporation of the fiber-forming solution containing aqueous solutions of aluminum oxychloride, silica sol, and polyvinyl alcohol, with a gradual pressure reduction from 900 to 12 mbar and a temperature of 40 to 50°C. If the pressure is higher than the specified limit of 900 mbar, the evaporation process at a temperature of 40 to 50°C will be impossible or too long. With a sharp pressure reduction to 12 mbar, polyvinyl alcohol may "boil", and the concentration period will be too long. A gradual pressure reduction ensures a smooth course of vacuum concentration.

Указанный двухстадийный способ упаривания, с экспериментально подобранными режимами, позволяет проводить процесс равномерно, удаление растворенного воздуха и воды происходит постепенно. При этом достигается максимальная дегазация раствора, а вода, являясь интермицеллярной жидкостью, выполняющая роль также пластификатора, максимально равномерно распределяется между компонентами раствора, что приводит к улучшению прядомости последнего.The specified two-stage evaporation method, with experimentally selected modes, allows the process to be carried out uniformly, the removal of dissolved air and water occurs gradually. In this case, maximum degassing of the solution is achieved, and water, being an intermicellar liquid, also acting as a plasticizer, is distributed as evenly as possible between the components of the solution, which leads to an improvement in the spinnability of the latter.

Температура упаривания ниже 40°С замедляет испарение избыточной влаги, температура упаривания выше 50°С может привести к потере агрегативной устойчивости раствора или образованию пространственных связей, гелеобразованию с последующей потерей прядомости раствором. Первую стадию упаривания проводят до удаления 30-40% воды из волокнообразующего раствора. Затем в частично упаренный раствор добавляют повторно водорастворимый органический полимер, водорастворимую неорганическую соль, способную образовывать оксид алюминия, силиказоль и воду и проводят вторую стадию упаривания при тех же условиях, что и первую, до удаления (30-60)% воды и достижения вязкости (1000-2000) П.An evaporation temperature below 40°C slows down the evaporation of excess moisture, an evaporation temperature above 50°C can lead to a loss of aggregate stability of the solution or the formation of spatial bonds, gelation with subsequent loss of spinnability of the solution. The first stage of evaporation is carried out until 30-40% of water is removed from the fiber-forming solution. Then, a water-soluble organic polymer, a water-soluble inorganic salt capable of forming aluminum oxide, silica sol and water are added to the partially evaporated solution again, and the second stage of evaporation is carried out under the same conditions as the first, until (30-60)% of water is removed and a viscosity of (1000-2000) P is achieved.

Таким образом, авторами установлено, что данный режим двухстадийного упаривания волокнообразующего раствора приводит к снижению неровноты по линейной плотности, и обеспечению бездефектной поверхности волокна, повышению прядомости раствора, его выхода (до 45-55%) и образования бездефектных волокон равномерного диаметра за счет меньшей склонности к образованию пространственных супрамолекулярных структур, предпочтительному образованию линейных структур полимерной составляющей раствора. Регулировать вязкоупругие свойства раствора можно путем изменения концентрации вводимого при разбавлении свежего раствора.Thus, the authors have established that this mode of two-stage evaporation of the fiber-forming solution leads to a decrease in the unevenness of the linear density and to the provision of a defect-free fiber surface, an increase in the spinnability of the solution, its yield (up to 45-55%) and the formation of defect-free fibers of uniform diameter due to a lower tendency to form spatial supramolecular structures, the preferential formation of linear structures of the polymer component of the solution. The viscoelastic properties of the solution can be regulated by changing the concentration of the fresh solution introduced during dilution.

Пример 1Example 1

Для приготовления волокнообразующего раствора к 220 г водорастворимого органического полимера, например, частично омыленного поливинилового спирта, например, с концентрацией 10%, примешивали 72 г коллоидного раствора силиказоля с концентрацией оксида кремния 30%. Затем к 475 г водорастворимой неорганической соли, предпочтительно, оксихлорида алюминия с концентрацией твердого оксида алюминия 20,0% по массе примешивали полученную смесь поливинилового спирта с силиказолем. Полученную смесь концентрировали при пониженном давлении 900 мбар с постепенным его снижением до 12 мбар при температуре 40°С до удаления 30-40% воды. Полученный концентрированный раствор разбавляли водным раствором ПВС, оксихлорида алюминия, и силиказоля до первоначального объема раствора, а затем проводили вторую стадию упаривания при пониженном давлении от 900 мбар с постепенным его снижением до 12 мбар до удаления 50% воды. Полученный раствор имел вязкость 80 Па⋅с (800 П). Выход раствора составил примерно 50%. Формование раствора стабильное, без обрывов и утолщений в течение всего процесса.To prepare the fiber-forming solution, 72 g of a colloidal solution of silica sol with a silicon oxide concentration of 30% were mixed with 220 g of a water-soluble organic polymer, for example, partially saponified polyvinyl alcohol, for example, with a concentration of 10%. Then, the resulting mixture of polyvinyl alcohol with silica sol was mixed with 475 g of a water-soluble inorganic salt, preferably aluminum oxychloride with a solid aluminum oxide concentration of 20.0% by weight. The resulting mixture was concentrated under reduced pressure of 900 mbar with a gradual decrease to 12 mbar at a temperature of 40°C until 30-40% of the water was removed. The resulting concentrated solution was diluted with an aqueous solution of PVA, aluminum oxychloride, and silica sol to the initial volume of the solution, and then the second stage of evaporation was carried out under reduced pressure from 900 mbar with a gradual decrease to 12 mbar until 50% of the water was removed. The resulting solution had a viscosity of 80 Pa⋅s (800 P). The yield of the solution was approximately 50%. The solution formation was stable, without breaks and thickenings during the entire process.

Из полученного волокнообразующего раствора методом экструзии через многоканальную фильеру были получены волокна-прекурсоры, которые были термообработаны до стабильной оксидной фазы. Линейная плотность нити составила 12 текс. Исследование волокон методом оптической и электронной микроскопии показало, что диаметр волокон равномерный по длине, неровнота линейной плотности не превышает 5%. На фиг. 1 представлено полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа фото волокон, изготовленных по примеру 1. Видно, что волокна имеют бездефектную поверхность и равномерный диаметр.From the obtained fiber-forming solution, precursor fibers were obtained by extrusion through a multi-channel spinneret, which were heat-treated to a stable oxide phase. The linear density of the thread was 12 tex. The study of the fibers by optical and electron microscopy showed that the diameter of the fibers is uniform along the length, the unevenness of the linear density does not exceed 5%. Fig. 1 shows a photo of the fibers made according to Example 1 obtained using a scanning electron microscope. It is evident that the fibers have a defect-free surface and a uniform diameter.

Пример 2Example 2

Для приготовления волокнообразующего раствора к 220 г водорастворимого органического полимера, например, частично омыленного поливинилового спирта с концентрацией 15%, примешивали 72 г коллоидного раствора силиказоля с концентрацией оксида кремния 30%. Затем к 475 г водорастворимой неорганической соли, предпочтительно, оксихлорида алюминия с концентрацией твердого оксида алюминия 20,0% по массе примешивали полученную смесь поливинилового спирта с силиказолем. Полученную водную смесь исходных компонентов подвергали двухстадийному упариванию по примеру 1, только температура упаривания составила 50°С. Упаривание проводили до удаления 30% воды. Полученный раствор имел вязкость 75 Па⋅с (750 П), Выход раствора составил 55%. Формование раствора стабильное, без обрывов и утолщений в течение всего процесса.To prepare the fiber-forming solution, 72 g of a colloidal solution of silica sol with a silicon oxide concentration of 30% were mixed with 220 g of a water-soluble organic polymer, for example, partially saponified polyvinyl alcohol with a concentration of 15%. Then, the resulting mixture of polyvinyl alcohol with silica sol was mixed with 475 g of a water-soluble inorganic salt, preferably aluminum oxychloride with a solid aluminum oxide concentration of 20.0% by weight. The resulting aqueous mixture of the initial components was subjected to two-stage evaporation according to Example 1, only the evaporation temperature was 50 °C. Evaporation was carried out until 30% of the water was removed. The resulting solution had a viscosity of 75 Pa⋅s (750 P), the yield of the solution was 55%. The formation of the solution was stable, without breaks and thickenings during the entire process.

Из полученного волокнообразующего раствора методом экструзии через многоканальную фильеру формовали волокна, которые затем были термообработаны до стабильной оксидной фазы. Линейная плотность нити составила 10 текс. Исследование волокон методом оптической и электронной микроскопии показало, что диаметр волокон равномерный по длине, неровнота линейной плотности не превышает 5%.The obtained fiber-forming solution was extruded through a multi-channel spinneret to form fibers, which were then heat-treated to a stable oxide phase. The linear density of the thread was 10 tex. Optical and electron microscopy of the fibers showed that the diameter of the fibers was uniform along the length, and the unevenness of the linear density did not exceed 5%.

Пример 3Example 3

Для приготовления волокнообразующего раствора к 220 г водорастворимого органического полимера, например, водного раствора частично омыленного поливинилового спирта с концентрацией 10%, примешивали 89 г коллоидного раствора силиказоля с концентрацией оксида кремния 30%. Затем к 446 г водорастворимой неорганической соли, предпочтительно водного раствора оксихлорида алюминия с концентрацией твердого оксида алюминия 20,0% по массе, примешивали полученную смесь поливинилового спирта с силиказолем. Полученную водную смесь исходных компонентов подвергали двухстадийному упариванию по примеру 1, только температура упаривания составила 40°С, а концентрация компонентов в дополнительно вводимой волокнообразующей смеси после первой стадии упаривания составила 18%. Упаривание проводили до удаления 30-40% воды. Полученный раствор имел вязкость 75 Па⋅с (750 П), Выход раствора составил 52%. Формование раствора стабильное, без обрывов и утолщений в течение всего процесса.To prepare the fiber-forming solution, 89 g of a colloidal solution of silica sol with a silicon oxide concentration of 30% were mixed with 220 g of a water-soluble organic polymer, for example, an aqueous solution of partially saponified polyvinyl alcohol with a concentration of 10%. Then, the resulting mixture of polyvinyl alcohol with silica sol was mixed with 446 g of a water-soluble inorganic salt, preferably an aqueous solution of aluminum oxychloride with a solid aluminum oxide concentration of 20.0% by weight. The resulting aqueous mixture of the initial components was subjected to two-stage evaporation according to Example 1, only the evaporation temperature was 40 °C, and the concentration of the components in the additionally introduced fiber-forming mixture after the first evaporation stage was 18%. Evaporation was carried out until 30-40% of the water was removed. The resulting solution had a viscosity of 75 Pa⋅s (750 P). The yield of the solution was 52%. The solution formation is stable, without breaks and thickenings during the entire process.

Из полученного прядильного раствора методом экструзии через многоканальную фильеру формовали волокна, которые затем были термообработаны до стабильной оксидной фазы. Линейная плотность нити составила 11 текс. Исследование волокон методом оптической и электронной микроскопии показало, что диаметр волокон равномерный по длине, неровнота линейной плотности не превышает 5%.The obtained spinning solution was used to form fibers by extrusion through a multi-channel spinneret, which were then heat-treated to a stable oxide phase. The linear density of the thread was 11 tex. Optical and electron microscopy of the fibers showed that the diameter of the fibers was uniform along the length, and the unevenness of the linear density did not exceed 5%.

Пример 4 (по прототипу)Example 4 (based on prototype)

Для получения волокнообразующего раствора к 220 г водорастворимого органического полимера, например, частично омыленного поливинилового спирта с концентрацией 10% примешивали 72 г коллоидного раствора силиказоля с концентрацией оксида кремния 30%. К 476 г водного раствора оксихлорида алюминия с концентрацией твердого оксида алюминия 20,0% по массе примешивали полученную смесь поливинилового спирта с силиказолем. Полученную смесь упаривали при пониженном давлении, постепенно снижая давление от 900 до 15 мбар до удаления 50-60% воды. Полученный раствор имел вязкость 64 Па⋅с (640 П). Выход раствора составил 41%.To obtain a fiber-forming solution, 72 g of a colloidal solution of silica sol with a silicon oxide concentration of 30% were mixed with 220 g of a water-soluble organic polymer, for example, partially saponified polyvinyl alcohol with a concentration of 10%. The resulting mixture of polyvinyl alcohol with silica sol was mixed with 476 g of an aqueous solution of aluminum oxychloride with a solid aluminum oxide concentration of 20.0% by weight. The resulting mixture was evaporated under reduced pressure, gradually reducing the pressure from 900 to 15 mbar until 50-60% of the water was removed. The resulting solution had a viscosity of 64 Pa⋅s (640 P). The yield of the solution was 41%.

Из полученного волокнообразующего раствора методом экструзии были получены волокна-прекурсоры в виде многофиламентной нити. Формование раствора шло нестабильно, с обрывами и утолщениями в течение всего процесса. Полученные волокна-прекурсоры были термообработаны до стабильной оксидной фазы. Линейная плотность нити составила 8 текс. Исследование волокон методом оптической и электронной микроскопии показало, что диаметр волокон неравномерный по длине, видны дефекты волокон, вызванные наплывами, что приводит к неровноте по линейной плотности многофиламентной нити. На фиг. 2 представлены полученные на сканирующем электронном микроскопе фото волокон, изготовленных по прототипу. На фото видно, что отдельные волокна имели неравномерность по диаметру (а), поверхностные дефекты (б) и дефекты формы (в).The obtained fiber-forming solution was used to obtain precursor fibers in the form of a multifilament thread by extrusion. The solution was formed unstably, with breaks and thickenings throughout the process. The obtained precursor fibers were heat-treated to a stable oxide phase. The linear density of the thread was 8 tex. The study of the fibers by optical and electron microscopy showed that the diameter of the fibers was uneven along the length, fiber defects caused by build-ups were visible, which led to unevenness in the linear density of the multifilament thread. Fig. 2 shows the scanning electron microscope photos of the fibers manufactured according to the prototype. The photo shows that individual fibers had unevenness in diameter (a), surface defects (b) and shape defects (c).

Свойства полученных волокон и выход годного волокна представлены в таблице 1The properties of the obtained fibers and the yield of usable fiber are presented in Table 1.

Как видно из таблицы, предложенный способ приготовления волокнообразующего раствора, основанный на его двухстадийном упаривании при определенных параметрах, позволяет повысить производительность и стабильность процесса получения непрерывного волокна на основе оксида алюминия, обеспечить равномерность диаметра и линейной плотности получаемых волокон.As can be seen from the table, the proposed method for preparing a fiber-forming solution, based on its two-stage evaporation under certain parameters, allows for increasing the productivity and stability of the process of obtaining continuous fiber based on aluminum oxide, and ensuring uniformity of the diameter and linear density of the fibers obtained.

Claims (2)

1. Способ получения непрерывного волокна на основе оксида алюминия, который включает приготовление волокнообразующего раствора, состоящего из поливинилового спирта, оксихлорида алюминия, силиказоля и воды, его упаривание, формование многофиламентной нити из волокна-прекурсора и ее термическую обработку, отличающийся тем, что упаривание волокнообразующего раствора проводят в две стадии, на первой стадии волокнообразующий раствор упаривают при давлении от 900 мбар с постепенным снижением до 12 мбар при температуре от 40 до 50°С до достижения 30-40% удаления воды, после чего в упомянутый раствор дополнительно вводят водный раствор из смеси поливинилового спирта, оксихлорида алюминия, силиказоля и воды до первоначального объема и далее проводят вторую стадию упаривания при давлении от 900 мбар с постепенным снижением до 12 мбар до удаления 30-60% воды до достижения вязкости 750 или 800 П.1. A method for producing continuous fiber based on aluminum oxide, which includes preparing a fiber-forming solution consisting of polyvinyl alcohol, aluminum oxychloride, silica sol and water, evaporating it, forming a multifilament thread from the precursor fiber and heat treating it, characterized in that the evaporation of the fiber-forming solution is carried out in two stages, in the first stage the fiber-forming solution is evaporated at a pressure of 900 mbar with a gradual decrease to 12 mbar at a temperature of 40 to 50 °C until 30-40% of water is removed, after which an aqueous solution of a mixture of polyvinyl alcohol, aluminum oxychloride, silica sol and water is additionally introduced into the said solution to the initial volume and then a second evaporation stage is carried out at a pressure of 900 mbar with a gradual decrease to 12 mbar until 30-60% of water is removed until a viscosity of 750 or 800 P. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вводимая после первой стадии упаривания смесь поливинилового спирта, оксихлорида алюминия, силиказоля и воды имеет концентрацию от 0,4 до 18%.2. The method according to paragraph 1, characterized in that the mixture of polyvinyl alcohol, aluminum oxychloride, silica sol and water introduced after the first stage of evaporation has a concentration of 0.4 to 18%.
RU2024108454A 2024-03-29 Method of producing continuous fibre based on aluminium oxide RU2836802C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2836802C1 true RU2836802C1 (en) 2025-03-24

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4724109A (en) * 1983-12-28 1988-02-09 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Process for production of continuous inorganic fibers and apparatus therefor
US4812271A (en) * 1986-09-17 1989-03-14 Mitsui Mining Company, Limited Continuous process for producing long α-alumina fibers
RU2212388C2 (en) * 2001-11-19 2003-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Method of manufacturing high-temperature alumina-based fiber
RU2395475C2 (en) * 2008-06-02 2010-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Method of making aluminium oxide based high-temperature fibre
RU2776286C1 (en) * 2021-04-23 2022-07-18 Акционерное общество "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (АО "ГНИИХТЭОС") Method for producing fibres of mixed spinel-garnet composition

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4724109A (en) * 1983-12-28 1988-02-09 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Process for production of continuous inorganic fibers and apparatus therefor
US4812271A (en) * 1986-09-17 1989-03-14 Mitsui Mining Company, Limited Continuous process for producing long α-alumina fibers
RU2212388C2 (en) * 2001-11-19 2003-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Method of manufacturing high-temperature alumina-based fiber
RU2395475C2 (en) * 2008-06-02 2010-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Method of making aluminium oxide based high-temperature fibre
RU2776286C1 (en) * 2021-04-23 2022-07-18 Акционерное общество "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (АО "ГНИИХТЭОС") Method for producing fibres of mixed spinel-garnet composition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2756258B2 (en) Refractory solid article and method for producing the same
CN106609404B (en) A kind of low density and high performance aluminium oxide base ceramic fibre and preparation method thereof
CN111074379B (en) Alumina-zirconia composite short fiber and preparation method thereof
CN104496469A (en) Method for preparing dense micro/nano ceramic fiber by virtue of coaxial electrospinning technology
CN109437862A (en) One kind containing 1 ~ 5wt%B2O3Alumina-based ceramic continuous fiber preparation method
CN101407949A (en) Method for preparing ceramic long fiber
CN111116221A (en) Preparation method of high-temperature-resistant mullite nanofiber aerogel
RU2836802C1 (en) Method of producing continuous fibre based on aluminium oxide
RU2465247C2 (en) Polycrystalline corundum fibres and method of obtaining said fibres
CN111074426B (en) Alumina-zirconia composite fiber blanket and preparation method thereof
JPH0754217A (en) Method for producing silica-alumina fiber
US5573718A (en) Process for producing α-alumina fibers
CN114773070B (en) A kind of preparation method of alumina continuous fiber using aluminum carboxylate sol as precursor
JP2023542070A (en) ZrO2 reinforced mullite fiber, process for its production and its use
RU2358954C1 (en) Method of producing fibered ceramic material
US5002906A (en) Process for making modified alumina fibers
CN115262033B (en) Preparation method of compact continuous alpha-alumina fiber material
JPS61289130A (en) Production of zirconia fiber having high strength and toughness
CN115650271B (en) A kind of spinnable alumina-silica composite sol and preparation method thereof
JPS62206021A (en) Manufacturing method of alumina long fibers
RU2395475C2 (en) Method of making aluminium oxide based high-temperature fibre
CN118326563B (en) Continuous YAG nanofiber and preparation method thereof
JPH09241918A (en) Fibrous composition containing composite metal titanate fiber and method for producing the same
JPS61186519A (en) Production of high-strength alumina-based filament yarn
JPH045770B2 (en)