基于静电纺丝技术的二硅酸锂...玻璃纤维制备及其可纺性研究_赵婷.pdf

第4 1卷 第3期 陕西科技大学学报 V o l.4 1N o.3 2 0 2 3年6月 J o u r n a l o fS h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y J u n.2 0 2 3*文章编号:2 0 9 6-3 9 8 X(2 0 2 3)0 3-0 1 1 7-0 6基于静电纺丝技术的二硅酸锂微晶玻璃纤维制备及其可纺性研究赵 婷1,周 桐1,连媚媚1,衣德强2,秦 毅1(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院 陕西省无机材料绿色制备与功能化重点实验室,陕西 西安 7 1 0 0 2 1;2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 7 1 0 0 1 8)摘 要:采用溶胶-凝胶法结合静电纺丝技术构建锂硅凝胶纤维,对其进行后续晶化,得到二硅酸锂(L i2S i2O5)微晶玻璃纤维.研究纺丝助剂聚乙烯醇(P VA)含量及陈化时间对前驱体溶液黏度、可纺性及纤维形貌的影响规律,探讨了凝胶纤维的形成机理.结果表明,P VA含量越多、陈化时间越长,黏度越大,纤维可纺性增加,但P VA含量过高和陈化时间过长,都会使得电场力无法克服表面张力从而无法形成均匀的无珠状纤维.当P VA含量1 0w t%、陈化时间4 8h,能够得到均匀且几乎无珠状的凝胶纤维;正硅酸乙酯在酸催化作用下的脱水脱醇,生成的单体硅酸又在溶液中相互缩合形成聚合度高的硅酸,与聚乙烯醇碳链发生缩合形成复合凝胶纤维;在8 8 0经2h晶化处理后得到平均直径为0.8 0m的L i2S i2O5微晶玻璃纤维,为后续制备纤维增韧L i2S i2O5微晶玻璃复合材料奠定了基础.关键词:二硅酸锂;静电纺丝;纤维;黏度;可纺性中图分类号:T B 3 3 2 文献标志码:AS t u d yo np r e p a r a t i o na n ds p i n n a b i l i t yo f l i t h i u md i s i l i c a t eg l a s s-c e r a m i c f i b e r sb ye l e c t r o s t a t i c s p i n n i n g t e c h n o l o g yZ HAOT i n g1,Z HOUT o n g1,L I AN M e i-m e i1,Y ID e-q i a n g2,Q I NY i1(1.S c h o o l o fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,S h a a n x iK e yL a b o r a t o r yo fG r e e nP r e p a r a t i o na n dF u n c t i o n a l-i z a t i o nf o r I n o r g a n i cM a t e r i a l s,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 2 1,C h i n a;2.N a t i o n-a lE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r yo fL o wP e r m e a b i l i t yO i l a n dG a sF i e l dE x p l o r a t i o na n dD e v e l o p m e n t,O i lG a sT e c h-n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t eo fP e t r o C h i n aC h a n g q i n gO i l f i e l dC o m p a n y,X i a n7 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:L i-S i g e l f i b e r sw e r ec o n s t r u c t e db ys o l-g e lm e t h o dc o m b i n e dw i t he l e c t r o s p i n n i n gt e c h n o l o g y,a n dt h e nc r y s t a l l i z e dt oo b t a i nl i t h i u md i s i l i c a t e(L i2S i2O5)g l a s s-c e r a m i c f i b e r s.T h e e f f e c t s o f t h e s p i n n i n ga i dp o l y v i n y l a l c o h o l(P VA)c o n t e n t a n da g i n g t i m eo n t h ev i s c o s-i t y,s p i n n a b i l i t ya n df i b e rm o r p h o l o g yo ft h ep r e c u r s o rs o l u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d,a n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h eg e lf i b e rw a sd i s c u s s e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e rt h e*收稿日期:2 0 2 2-1 2-3 0基金项目:国家自然科学基金项目(5 1 7 0 2 1 9 3);陕西省自然科学基础研究计划项目面上项目(2 0 2 2 J M-2 0 2);陕西省教育厅专项科研计划项目(2 0 J K 0 5 2 5);国家级大学生创新创业训练计划项目(2 0 2 1 1 0 7 0 8 0 1 8);陕西科技大学博士科研启动基金项目(B J 1 6-2 0,B J 1 6-2 1)作者简介:赵 婷(1 9 8 5),女,陕西宝鸡人,副教授,博士,研究方向:玻璃、陶瓷等无机非金属材料DOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2023.03.025陕西科技大学学报第4 1卷P VAc o n t e n t a n dt h e l o n g e r t h ea g i n gt i m e,t h eh i g h e r t h ev i s c o s i t ya n dt h e i n c r e a s eo f f i b e rs p i n n a b i l i t y.H o w e v e r,t o oh i g hP VAc o n t e n t a n dt o o l o n ga g i n gt i m eb o t hm a k et h ee l e c t r i cf i e l df o r c eu n a b l e t oo v e r c o m e t h es u r f a c e t e n s i o na n dt h u su n a b l e t o f o r mu n i f o r mb e a d-f r e ef i b e r s.Wh e nt h eP VAc o n t e n ti s1 0w t%a n dt h ea g i n gt i m ei s4 8h,u n i f o r ma n da l m o s tb e a d-f r e eg e l f i b e r s c a nb eo b t a i n e d.T h ea c i d-c a t a l y z e dd e h y d r a t i o no f e t h y l o r t h o s i l i c a t ea n dt h er e s u l t i n gm o n o m e r i c s i l i c i c a c i dc o n d e n s e dw i t he a c ho t h e r i ns o l u t i o n t o f o r mh i g h l yp o l-y m e r i z e ds i l i c i ca c i d,w h i c hc o n d e n s e dw i t hp o l y v i n y l a l c o h o l c a r b o nc h a i n s t o f o r mc o m p o s i t eg e l f i b e r s.L i2S i2O5g l a s s-c e r a m i c f i b e r sw i t ha na v e r a g ed i a m e t e ro f0.8 0m w e r eo b t a i n e da f t e r2hc r y s t a l l i z a t i o na t 8 8 0,w h i c h l a i d t h e f o u n d a t i o n f o r t h e s u b s e q u e n t p r e p a r a t i o no ff i b e r-t o u g h e n e dL i2S i2O5g l a s s-c e r a m i cc o m p o s i t e s.K e yw o r d s:l i t h i u md i s i l i c a t e;e l e c t r o s p i n n i n g;f i b e r;v i s c o s i t y;s p i n n a b i l i t y0 引言二硅酸锂(L i2S i2O5)微晶玻璃作为现代牙科修复的重要材料之一,良好的力学性能、与自然牙十分接近的美观性及半透性使之备受关注1-3.但相比于如氧化锆等传统陶瓷修复材料,L i2S i2O5微晶玻璃的断裂韧性较差,还无法用于受力较大的后牙区和三单元连接桥的修复4.纤维增韧是玻璃/陶瓷基复合材料常用的增韧方法,但添加C、S i C等高模量异质晶须或纤维来进行微晶玻璃增韧,在大幅度增加材料断裂时的表面以及裂纹扩展的路径的同时,会造成玻璃基体与纤维折射率不匹配导致透光率严重下降等问题,难以保证其优异的光学性能5-7.因此,制备出同质纤维增韧L i2S i2O5微晶玻璃复合材料,在兼顾高半透性的同时大幅提高力学性 能是目前最 为有效的途 径,而如何 构筑L i2S i2O5同质纤维增强体成为关键所在.玻璃纤维的制备主要采用熔融拉丝法,该方法需在高温下进行,工艺复杂、能耗高、过程不可控且制备出来的纤维直径较大8.溶胶-凝胶法也是合成玻璃粉体的一种常见方式,此外,与熔融法相比,溶胶-凝胶法制备温度低,所制得的玻璃粉体通常纯度高、就均匀且符合化学计量比,工艺简单、节能环保9.近年来,研究者们主要通过溶胶-凝胶法制备可纺前驱体,再结合静电纺丝技术已成功制备出多 种 纳 米 纤 维,如A l2O3、S i O2、Z r O2、T i O2等1 0-1 2.该方法制备纳米纤维具有设备简单、操作方便、制备周期短、可控微观结构和尺寸等优点,备受关注.目前关于L i2S i2O5微晶玻璃纤维这方面的研究尚未见报导.静电纺丝技术制备的纤维形貌影响因素众多,包括环 境 条 件、纺 丝 溶 液 性 质、静 电 纺 丝 参 数等1 1.其中,纺丝溶液性质对纤维可纺性的影响最为关键.因此,本文通过溶胶-凝胶法,以正硅酸乙酯为硅源、硝酸锂为锂源,无水乙醇为共溶剂制备锂硅前驱体溶胶,添加一