單晶和多晶氧化鋁纖維
- 最后修訂： 2016-02-29
單晶和多晶氧化鋁纖維
纖維材料在節約能源消耗方面具有重要的意義。為了提高纖維材料的使用溫度有必要制造耐高溫的多晶純氧化物纖維，可在各種腐蝕介質莫來石纖維針刺毯中使用，運用于許多工業領域，尤其是國防工業。屬于這類材料的首先是氧化鋁纖維及其制品。
美國、英國、法國和其高鋁纖維它國家的許多公司成功地研制了氧化鋁纖維的制備工藝，但是這些工藝具有本質的缺陷-多階段，且必須確保工藝過程的高精確度，能耗量大，勞動量大。這樣纖維的生產效率低，成本高。此外由于使用過程中產生結晶收縮，會破壞纖維。因此開氧化鋁纖維始研制新工藝制造含纖維結構的高孔隙率剛玉制品，以組織工業生產這種非常昂貴而又需求的材料。
氧化鋁纖維根據結構分為單晶和多晶結構，采用幾種方法制造這類纖維。
單晶纖維的制造
單晶纖維采用晶須生長法制備。晶須是針狀高強單晶體，且長度與直徑的比值高。晶須用三種方法制取：
在高溫下水解AlC13；
在1500～1600℃和1850～2000℃的碳或者氫氣中還原Al2O3；
在1400℃潮濕氫氣中氧化熔融金屬鋁。
目前在中試條件下能夠獲得長度小于25μm的直徑Φ80μm晶須。通過在耐熱金屬絲上氣相沉積相應物質連續獲得長度不限的纖維。
但是晶須生長法還不能應用于工業生產中。因為晶須生長溫度、分壓、反應氣流速度以及原始產物的組分必須保持恒定，這些參數的改變會導致生長過程停止，故成為阻礙晶須進行工業生產的主要原因之一。工藝復雜性決定纖維生產效率低（lkg晶須/周），成本高。
多晶纖維的制造
多晶纖維的生產方式多種，主要是通過氧化物基或者含氧化物構成元素的化合物構基的溶液、溶膠、凝膠和分散體的處理來獲得多晶纖維。幾乎所有的生產方式都包括三個階段：第一階段是制造用于纖維的懸浮液，或者能夠提供纖維金屬離子的有機金屬化金物的膠體溶液。再將液體經過紡絲孔（漏孔），或者注于光滑表面上，以蒸發水份，成形纖維。二種情況下水分的損失能夠提高固相濃度，促使纖維獲得穩定形狀。最后階段是將纖維熱處理密實，去掉有機物質，穩定最終的晶體結構。
成膜工藝法
通過金屬化合物的膠體溶液薄膜熱表面的迅速蒸發作用獲得多晶纖維。隨著液體的蒸發凝膠形成，它在最后干燥階段會碎成厚度幾微米的薄條，寬度為厚度的2～3倍，長度約3cm。加熱時無機聚合物形成，溶液濃度提高并變成膠體，這樣阻止結晶，促進生成固態不定形纖維產物。分離出纖維后再在爐子中于1200℃空氣介質中加熱使其熱性能與機械性能穩定，加熱焙燒時不定形纖維獲得細小晶體結構。
成膜工藝法生產率低，成本高，看來不會廣泛推廣。
擠壓工藝法
采用有機金屬鹽溶液制備的纖維具有彈性性能，溶液中的鹽處于分子彌散狀態，均勻分布于聚合物分子之間與最終的纖維中。鹽彌散程度高，這樣在燒結時能夠獲得微晶結構纖維，具有良好的機械性能。這種方法的不足之處在于必須采用復雜的過程：高溫聚合，氧化物濃度限于50%以下進行縮聚和水解。
用溶液、溶膠或者分散體、懸浮液和乳液制備氧化物纖維的較為簡單方法是向蒸發介質中干擠壓氧化物溶液。溶液含不到2%的線性高分子（無機或者有機）聚合物，能夠確保無機溶膠獲得所需擠出力。采用擠壓條件下熱穩定的水溶性高分子聚合物作為溶液的水合鹽，如聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，氧化物纖維燒結時為了避免顆粒生長，向溶液中添加顆粒生長抑止劑和其它添加劑如燒結促進劑、表面活性劑和相穩定劑。
增塑物質的擠壓工藝與陶瓷法制品的制造最相近。該物質是由高度分散的氧化物Al2O3（0.3～3μm）、各種增塑劑及粘合劑組成。向磨碎的小于1μm的干氧化物粉中加入CK-4增塑劑，效果良好。經過0.06～0.5mm孔徑的金屬紡絲孔擠出塑性物質，成形纖維。焙燒后的纖維直徑0.202mm，極限拉伸強度2200～3OOOMPa，孔隙率28～29%。
這種方法的最大缺點是必須超細粉碎原料組分，這樣要求的能耗非常高，而且磨出的鐵會帶到工業氧化鋁中，從而降低纖維的耐火性能和化學純度。
另一種擠壓法是在離心力作用下經過1～50μm 孔擠出粘性陶瓷物質。纖維用粘度5～15Pa.S且80～90%固體顆粒彌散于水或乙醇中的漿料來成形。將纖維擠壓至蒸發介質中并燒結。所得纖維的直徑15～1OOμm，長度大于15Omm。
分析不同擠壓法可見，它們具有一系列本質缺點，即多階段，制備原料時保障高精度的過程復雜，原料物質多組分，必須精確檢測纖維熱處理溫度。工藝復雜性與高能耗決定纖維生產能力低，成本高。
紡絲工藝法
紡絲以不同方式進行，包括擠出、噴吹、拉伸和離心。粘性紡絲成分的制備是無機高分子聚合物化學過程。評價無機聚合物形成纖維的主要標準是指紡絲液能否處于粘滯膠狀態，能否拉成纖維，去掉溶劑后纖維應該能固化，并且纖維在處理時不會損壞。采用氯化銨和醋酸鋁作為粘性溶液的原始試劑。制備紡絲溶液的方法是用成纖聚合物增稠鋁鹽溶液。
離心噴吹法被認為是最適合的方式，能夠確保溶液；加工成無渣球纖維，纖維均勻微細，直徑10～20μm，長度小于1m。紡絲液在離心力作用下經過細漏孔成為流股，再在熱空氣流補充作用下牽伸為纖維。氧化物纖維在8OO～1OOO℃下分步熱處理5～8h，進行復雜的物理化學過程。為了調整微結構，向纖維中加入延緩晶體生長的添加劑。紡絲工藝能夠獲得強度最好且最細的多晶纖維。
該工藝的不足之處在于運用無機高分子聚合物化學過程，確定溶液可紡性、纖維固化與熱處理制度的所有參數必須精確保證。這樣生產率低，成本高。
浸漬法
用金屬鹽溶液浸漬有機纖維，吸附鹽后熱處理纖維，以去除有機纖維和其它揮發組分，剩余金屬氧化物構架燒結固實。有機纖維中纖維素纖維與粘膠纖維最合適。用濃縮鹽AlCl3和Al(NO3)3進行浸漬。
對目前氧化鋁纖維生產工藝的分析可知，工藝效率低是造成最終產品成本高的原因。因此，迫切需要低能耗與易于施行的工藝來工業生產這種材料。
而且現在制備氧化鋁纖維基耐火制品時濕法引入粘結劑，纖維與溶液在漿葉式混合器中形成漿料。最后干燥去除水分，消耗大量熱量。這樣纖維在作業溫度下收縮，失去較多彈性。
美國、英國、法國和其高鋁纖維它國家的許多公司成功地研制了氧化鋁纖維的制備工藝，但是這些工藝具有本質的缺陷-多階段，且必須確保工藝過程的高精確度，能耗量大，勞動量大。這樣纖維的生產效率低，成本高。此外由于使用過程中產生結晶收縮，會破壞纖維。因此開氧化鋁纖維始研制新工藝制造含纖維結構的高孔隙率剛玉制品，以組織工業生產這種非常昂貴而又需求的材料。
氧化鋁纖維根據結構分為單晶和多晶結構，采用幾種方法制造這類纖維。
單晶纖維的制造
單晶纖維采用晶須生長法制備。晶須是針狀高強單晶體，且長度與直徑的比值高。晶須用三種方法制取：
在高溫下水解AlC13；
在1500～1600℃和1850～2000℃的碳或者氫氣中還原Al2O3；
在1400℃潮濕氫氣中氧化熔融金屬鋁。
目前在中試條件下能夠獲得長度小于25μm的直徑Φ80μm晶須。通過在耐熱金屬絲上氣相沉積相應物質連續獲得長度不限的纖維。
但是晶須生長法還不能應用于工業生產中。因為晶須生長溫度、分壓、反應氣流速度以及原始產物的組分必須保持恒定，這些參數的改變會導致生長過程停止，故成為阻礙晶須進行工業生產的主要原因之一。工藝復雜性決定纖維生產效率低（lkg晶須/周），成本高。
多晶纖維的制造
多晶纖維的生產方式多種，主要是通過氧化物基或者含氧化物構成元素的化合物構基的溶液、溶膠、凝膠和分散體的處理來獲得多晶纖維。幾乎所有的生產方式都包括三個階段：第一階段是制造用于纖維的懸浮液，或者能夠提供纖維金屬離子的有機金屬化金物的膠體溶液。再將液體經過紡絲孔（漏孔），或者注于光滑表面上，以蒸發水份，成形纖維。二種情況下水分的損失能夠提高固相濃度，促使纖維獲得穩定形狀。最后階段是將纖維熱處理密實，去掉有機物質，穩定最終的晶體結構。
成膜工藝法
通過金屬化合物的膠體溶液薄膜熱表面的迅速蒸發作用獲得多晶纖維。隨著液體的蒸發凝膠形成，它在最后干燥階段會碎成厚度幾微米的薄條，寬度為厚度的2～3倍，長度約3cm。加熱時無機聚合物形成，溶液濃度提高并變成膠體，這樣阻止結晶，促進生成固態不定形纖維產物。分離出纖維后再在爐子中于1200℃空氣介質中加熱使其熱性能與機械性能穩定，加熱焙燒時不定形纖維獲得細小晶體結構。
成膜工藝法生產率低，成本高，看來不會廣泛推廣。
擠壓工藝法
采用有機金屬鹽溶液制備的纖維具有彈性性能，溶液中的鹽處于分子彌散狀態，均勻分布于聚合物分子之間與最終的纖維中。鹽彌散程度高，這樣在燒結時能夠獲得微晶結構纖維，具有良好的機械性能。這種方法的不足之處在于必須采用復雜的過程：高溫聚合，氧化物濃度限于50%以下進行縮聚和水解。
用溶液、溶膠或者分散體、懸浮液和乳液制備氧化物纖維的較為簡單方法是向蒸發介質中干擠壓氧化物溶液。溶液含不到2%的線性高分子（無機或者有機）聚合物，能夠確保無機溶膠獲得所需擠出力。采用擠壓條件下熱穩定的水溶性高分子聚合物作為溶液的水合鹽，如聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，氧化物纖維燒結時為了避免顆粒生長，向溶液中添加顆粒生長抑止劑和其它添加劑如燒結促進劑、表面活性劑和相穩定劑。
增塑物質的擠壓工藝與陶瓷法制品的制造最相近。該物質是由高度分散的氧化物Al2O3（0.3～3μm）、各種增塑劑及粘合劑組成。向磨碎的小于1μm的干氧化物粉中加入CK-4增塑劑，效果良好。經過0.06～0.5mm孔徑的金屬紡絲孔擠出塑性物質，成形纖維。焙燒后的纖維直徑0.202mm，極限拉伸強度2200～3OOOMPa，孔隙率28～29%。
這種方法的最大缺點是必須超細粉碎原料組分，這樣要求的能耗非常高，而且磨出的鐵會帶到工業氧化鋁中，從而降低纖維的耐火性能和化學純度。
另一種擠壓法是在離心力作用下經過1～50μm 孔擠出粘性陶瓷物質。纖維用粘度5～15Pa.S且80～90%固體顆粒彌散于水或乙醇中的漿料來成形。將纖維擠壓至蒸發介質中并燒結。所得纖維的直徑15～1OOμm，長度大于15Omm。
分析不同擠壓法可見，它們具有一系列本質缺點，即多階段，制備原料時保障高精度的過程復雜，原料物質多組分，必須精確檢測纖維熱處理溫度。工藝復雜性與高能耗決定纖維生產能力低，成本高。
紡絲工藝法
紡絲以不同方式進行，包括擠出、噴吹、拉伸和離心。粘性紡絲成分的制備是無機高分子聚合物化學過程。評價無機聚合物形成纖維的主要標準是指紡絲液能否處于粘滯膠狀態，能否拉成纖維，去掉溶劑后纖維應該能固化，并且纖維在處理時不會損壞。采用氯化銨和醋酸鋁作為粘性溶液的原始試劑。制備紡絲溶液的方法是用成纖聚合物增稠鋁鹽溶液。
離心噴吹法被認為是最適合的方式，能夠確保溶液；加工成無渣球纖維，纖維均勻微細，直徑10～20μm，長度小于1m。紡絲液在離心力作用下經過細漏孔成為流股，再在熱空氣流補充作用下牽伸為纖維。氧化物纖維在8OO～1OOO℃下分步熱處理5～8h，進行復雜的物理化學過程。為了調整微結構，向纖維中加入延緩晶體生長的添加劑。紡絲工藝能夠獲得強度最好且最細的多晶纖維。
該工藝的不足之處在于運用無機高分子聚合物化學過程，確定溶液可紡性、纖維固化與熱處理制度的所有參數必須精確保證。這樣生產率低，成本高。
浸漬法
用金屬鹽溶液浸漬有機纖維，吸附鹽后熱處理纖維，以去除有機纖維和其它揮發組分，剩余金屬氧化物構架燒結固實。有機纖維中纖維素纖維與粘膠纖維最合適。用濃縮鹽AlCl3和Al(NO3)3進行浸漬。
對目前氧化鋁纖維生產工藝的分析可知，工藝效率低是造成最終產品成本高的原因。因此，迫切需要低能耗與易于施行的工藝來工業生產這種材料。
而且現在制備氧化鋁纖維基耐火制品時濕法引入粘結劑，纖維與溶液在漿葉式混合器中形成漿料。最后干燥去除水分，消耗大量熱量。這樣纖維在作業溫度下收縮，失去較多彈性。
作者：浙江晶爐耐火材料有限公司
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關鍵詞：莫來石纖維針刺毯，高鋁纖維，氧化鋁纖維
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