稳定多晶氧化铝纤维质量研究

多晶氧化铝纤维生产线投产以来，由于产品质量差，消耗高，导致严重亏损。

虽然曾进行过多次专题研究，但收效甚微，没有达到预期效果。

为此，重新开展了全面深入的研究工作，解决了存在的问题，稳定并提高了纤维质量。

1存在的问题多晶氧化铝纤维是采用所谓“胶体法”生产的。

即是由胶状粘性溶液通过纤维化器而制成凝胶状的纤维坯体，经干燥，分解、烧成等几个阶段制成多晶态陶瓷纤维。

与熔融法生产的非晶态纤维相比，工艺条件复杂，影响质量的因素较多。

生产中的任何一个环节出现问题，都可能严重影响纤维的质量，造成废品。

为此，对多晶纤维生产的各环节进行了深入研究，认为主要存在以下问题：（1）原制胶工艺和配方导致胶体稳定性差（见图1），成纤期短，纤维坯体质量低劣：由图可知，原胶体出胶粘度<2 Pa·s（胶温度约50 ℃）时，粘度随时间呈近似二次曲线上升趋势，且在36h内达不到成纤粘度。

如果出胶粘度>2Pa·s（胶温约50℃），则粘度随时间几乎呈直线上升，斜率很大，并在12h后可以正常成纤，但良好成纤期很短（仅几个个小时）。

如果出胶粘度≥3 Pa·s，则粘度几乎呈瞬时增加趋势，不能正常成纤：图1 原配方胶体粘度与放置时间的关系（2）热处理炉和热处理工艺不合适。

炉膛高度低，装棉量少不能形成保护性气氛且易堵塞，清理不便造成浪费，恶化工作环境。

温区设置和控制不当，实际炉温与设定炉温偏差大。

（3）成纤设备有严重缺陷。

成纤罩高度不够，不能满足胶体纤维化过程对温度和湿度的要求。

多台甩丝机串联设置，无法单独调节风量，互相干扰甩丝盘孔易堵塞，不能连续生产，不但浪费严重，而且使纤维坯体质量不稳定。

2 实验和讨论2.1成纤胶体的制备多晶氧化铝纤维的成纤胶体是以金属铝为原料，先制成称为“母液”的聚合氧化铝溶液，添加适量的硅溶胶和成纤助剂，经浓缩而成。

母液的制备需控制合适的铝氯比：铝氯比过大或过小均影响胶体的质量。

影响胶体成纤性能的主要因素是可纺性（或称可拉丝性）和粘度。

可纺性虽与粘度有关，但并不等同。

要使胶体具有良好的可纺性，必须添加合适的成纤助剂。

助剂基本上有两大类：一类可提髙胶体的可拉丝性，这类物质是天然植物胶或高分子聚合物。

另一类可改善胶体的流变性能，主要是有机酸，醇类或表面活性剂。

原配方中采用乙酸，而乙酸使纤维发脆。

因此，筛选出了高分子聚合物P和含有机酸L的复配添加剂，作为成纤性能改良剂，获得了明显的效果。

此复配添加剂使胶体具有良好的流变性和优异的拉丝性，极大地提高了胶体的稳定性和成纤性。

当温度保持25℃密闭保存（防止水分蒸发）时，经连续测试，胶体粘度变化率<0001（Pa·s）·d-1，并且对温度的敏感性极强，在一定范围内具有可逆性。

18个月的放置试验表明，即使胶体水分蒸发干涸后，加水溶解（不必加热），成纤性能不变。

新配方胶体由于其极好的拉丝性，适宜成纤粘度仅为原添加乙酸的胶体的1/8-1/10，且纤维柔软。

甩丝盘不易堵塞，连续工作时间长。

高分子聚合物P的存在不仅可提高胶体的拉丝性，同时还具有保护胶体的作用，将无机大分子胶粒分隔包围，减缓了无机胶体的后聚合速度，从而增强了胶体粘度的稳定性。

有机酸L与乙酸性质不同。

乙酸可与“母液" 反应生成乙酸铝，减弱了其作为流变剂的作用。

有机酸L 则不易与铝盐起反应。

该复配添加剂不但稀释作用强，而且具有一定的表面活性，其亲水基与无机大分子胶粒结合，包围在胶粒分子骨架的外界面上，而方向朝外的疏水基起滑润作用，可显著改变胶体的流变性。

另外，新配方胶体宜采用低温减压法制备，如果仍采用原常压髙温法制备，在制胶过程中，表面易结皮，锅底易焦糊，这大大地降低了胶体的质量、且出胶率低，降低原材料的利用率。

2.2 热处理工艺原热处理工艺是600℃后自然冷却约2 h，然后直接进行1250℃以上的高温处理。

这种热处理制度被认为可以减缓晶粒的长大，因为小晶粒纤维的强度较高。

但是，实际生产的纤维质量极不稳定，粉化严重，且时有发黑、发黄现象，产生大量废品。

为了探明这种热处理方式使纤维质量不稳定的原因，我们设计了从3℃·min-3至100℃·min-1多种升温速度，并反复试验，总不能获得满意的结果，且试验结果无法重复。

很显然，这种热处理工艺的纤维最终质量是由偶然因素决定的。

这些偶然因素是由600℃以前的热处理程度冷却时的各种环境因素影响及1250℃以上热处理情况的各种随机组合构成的。

所以，试验结果无法预测，亦无法重复。

纤维坯体是由胶体细流拉伸后，挥发掉部份水分凝胶化的结果，其中仍含有大量水分。

在热处理的第一阶段（千燥段）是除去其残存的大量游离水分，此阶段发生在200℃以前。

凝胶纤维开始化学分解，挥发出HC1和结构水。

有机碳的氧化发生在更高的温度段，此段宜在较低氧分压条件下进行。

因为过多的氧使有机碳氧化速度过快，而破坏纤维的外形结构，出现粉化。

所以，该阶段可采取保护性气氛或采用炉内为正压的自保护性气氛。

自保护性方式以箱式炉为好，隧道窑则应使窑内有足够多的纤维，才能形成自保护性气氛。

对于含95%Al2O3的纤维最好采用通保护气体的方式生产。

至550 ~600℃纤维热分解基本完成，但其中仍残留少量未完全氧化的碳和部分未完全分解逸出的HCl。

如果此时将纤维冷却后直接进行1250℃以上的高温处理，残留的少量碳和HC1就可能来不及氧化或逸出，而使纤维呈黑色或其他色彩，或由于残留碳的急剧氧化和HC1的迅违逸出而破坏纤维结构，造成纤维进一步粉化。

纯粹的无定形Al2O3在550℃形成γ-Al2O3, 由于纤维中其他成分的存在，使得这一相变温度大大后移。

如果热处理眺过这一温度段，进行1250℃以上热处理，则相当于玻璃态纤维直接在1250℃以上转化成多晶态纤维。

所以，这种热处理方式的结果是：当处理时间短时，以玻璃相为主，成品纤维的加热收缩大，不能使用；当处理时间长时，虽然出现结晶相，但纤维从非晶态直接转化为高温结晶态，由于相变速度过快，产生的应力变化足以破坏纤维的结构，因此生产的纤维也是低质量的。

所以，纤维坯体在经过干燥、分解后。

必须经过转化为γ-Al2O3相的热处理过程。

而后在较高温度下，使多孔的低温晶相转变为高温晶相&/θ-Al2O3。

2.3 不同Al/Si比纤维生产工艺的异同在烧成试验中，我们发现Al/Si比髙的纤维热分解阶段更易粉化。

进一步研究发现，随着Al/Si比的增大，同粘度下，胶体的比重下降，固体分含量较坻。

这可能是由于SiO2含量增大时，胶体胶団中的SiO2的量也增大，SiO2微粒取代了胶团中的部分结构水。

所以，在纤维坯体的热分解阶段，Al/Si比高的纤维分解出的结构水也多。

同时，由于聚合氯化铝含量高，分解为Al2O3的量也多。

因此，在单位时间内Al/Si比高的纤维逸出水的量和氯化铝分解转化为Al203的量均比Al/Si比低的纤维多。

故同样条件下，含铝高的纤维坯体更易受到损伤。

试验证明，除含95% Al203纤维外，含72%和80% Al2O3的纤维热处理条件基本一致，而含72% Al2O3的纤维热处理要求更宽容些。

生产线改造后，我们分别制备了含72%、80%和95% Al2O3的胶体，经试产进一步证实了试验室所选择的工艺条件是合适的。

本生产线可以同时生产含72%和80% Al2O3的多晶纤维，而不能生产含95% A1203的纤维。

2.4 产品检验结果根据以上研究结果，对原生产线进行了改造。

使产量比改造前提高5倍，原料利用率提高到85%以上。

在生产过程中每间隔4 h取样品一次，共取样18个。

然后对18个样品随机抽取5个送检，结果如表1。

表1纤维的性能指标2.5 降低纤维直径的研究甩丝成纤法是胶体在甩丝盘的离心力作用下，经小孔或狭缝拉伸成细丝。

耐火短纤维的直径一股应在5 um以下，平均3um为好，这种纤维柔性好，强度高，适宜于各种使用条件，5um以上的短纤维脆性大，强度低。

原来的甩丝盘设计线速度为30-36m·s-1，而实际最大线速度不足30 m·s-1，丝孔直径已由原来的0.5 mm降至0.3 mm以下（丝孔过小易堵塞），纤维平均直径约10um，有时更粗。

过去曾采取过不少措施均不奏效。

从理论上讲，增加甩丝盘线速度可以降低纤维直径。

虽然增大甩丝盘直径可以提高线速度，但由于成纤罩结构无法改变，不能做此试验。

根据理论分析，我们认为借用离心喷雾干燥机（其雾化器最大线违度可达113m·s-1，干燥塔筒体直径和高度均大于成纤罩）可做此试验。

结果见表2。

表2 离心盘线速度与纤维直径的关系实验结果说明，只要甩丝盘具有足够大的合适线速度，即使宽缝式出胶口亦能使纤维直径变细。

同时，提高线速度还可以提高产量。

3结论（1）新配方新工艺胶体粘度稳定，成纤性好。

（2）纤维的热处理必须经历先完全形成低温晶相，再逐步转化为高温晶相的过程。

不能采用中途冷却法来控制晶粒大小。

（3）适当提高甩丝盘的线速度，不但可以降低纤维直径，还可以采用狭缝式甩丝盘，避免堵塞，从而真正达到连续化生产。

（4）新配方、新工艺可以稳定和提高纤维质量，增加产量，降低成本。

（5）在一条生产线上采用相同的热处理工艺，可以生产含氧化铝72%和80%的两种多晶纤维，而不能在这条生产线上生产含氧化铝95%的多晶纤维。