单晶和多晶氧化铝纤维
- 最后修订： 2016-02-29
单晶和多晶氧化铝纤维
纤维材料在节约能源消耗方面具有重要的意义。为了提高纤维材料的使用温度有必要制造耐高温的多晶纯氧化物纤维，可在各种腐蚀介质莫来石纤维针刺毯中使用，运用于许多工业领域，尤其是国防工业。属于这类材料的首先是氧化铝纤维及其制品。
美国、英国、法国和其高铝纤维它国家的许多公司成功地研制了氧化铝纤维的制备工艺，但是这些工艺具有本质的缺陷-多阶段，且必须确保工艺过程的高精确度，能耗量大，劳动量大。这样纤维的生产效率低，成本高。此外由于使用过程中产生结晶收缩，会破坏纤维。因此开氧化铝纤维始研制新工艺制造含纤维结构的高孔隙率刚玉制品，以组织工业生产这种非常昂贵而又需求的材料。
氧化铝纤维根据结构分为单晶和多晶结构，采用几种方法制造这类纤维。
单晶纤维的制造
单晶纤维采用晶须生长法制备。晶须是针状高强单晶体，且长度与直径的比值高。晶须用三种方法制取：
在高温下水解AlC13；
在1500～1600℃和1850～2000℃的碳或者氢气中还原Al2O3；
在1400℃潮湿氢气中氧化熔融金属铝。
目前在中试条件下能够获得长度小于25μm的直径Φ80μm晶须。通过在耐热金属丝上气相沉积相应物质连续获得长度不限的纤维。
但是晶须生长法还不能应用于工业生产中。因为晶须生长温度、分压、反应气流速度以及原始产物的组分必须保持恒定，这些参数的改变会导致生长过程停止，故成为阻碍晶须进行工业生产的主要原因之一。工艺复杂性决定纤维生产效率低（lkg晶须/周），成本高。
多晶纤维的制造
多晶纤维的生产方式多种，主要是通过氧化物基或者含氧化物构成元素的化合物构基的溶液、溶胶、凝胶和分散体的处理来获得多晶纤维。几乎所有的生产方式都包括三个阶段：第一阶段是制造用于纤维的悬浮液，或者能够提供纤维金属离子的有机金属化金物的胶体溶液。再将液体经过纺丝孔（漏孔），或者注于光滑表面上，以蒸发水份，成形纤维。二种情况下水分的损失能够提高固相浓度，促使纤维获得稳定形状。最后阶段是将纤维热处理密实，去掉有机物质，稳定最终的晶体结构。
成膜工艺法
通过金属化合物的胶体溶液薄膜热表面的迅速蒸发作用获得多晶纤维。随着液体的蒸发凝胶形成，它在最后干燥阶段会碎成厚度几微米的薄条，宽度为厚度的2～3倍，长度约3cm。加热时无机聚合物形成，溶液浓度提高并变成胶体，这样阻止结晶，促进生成固态不定形纤维产物。分离出纤维后再在炉子中于1200℃空气介质中加热使其热性能与机械性能稳定，加热焙烧时不定形纤维获得细小晶体结构。
成膜工艺法生产率低，成本高，看来不会广泛推广。
挤压工艺法
采用有机金属盐溶液制备的纤维具有弹性性能，溶液中的盐处于分子弥散状态，均匀分布于聚合物分子之间与最终的纤维中。盐弥散程度高，这样在烧结时能够获得微晶结构纤维，具有良好的机械性能。这种方法的不足之处在于必须采用复杂的过程：高温聚合，氧化物浓度限于50%以下进行缩聚和水解。
用溶液、溶胶或者分散体、悬浮液和乳液制备氧化物纤维的较为简单方法是向蒸发介质中干挤压氧化物溶液。溶液含不到2%的线性高分子（无机或者有机）聚合物，能够确保无机溶胶获得所需挤出力。采用挤压条件下热稳定的水溶性高分子聚合物作为溶液的水合盐，如聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，氧化物纤维烧结时为了避免颗粒生长，向溶液中添加颗粒生长抑止剂和其它添加剂如烧结促进剂、表面活性剂和相稳定剂。
增塑物质的挤压工艺与陶瓷法制品的制造最相近。该物质是由高度分散的氧化物Al2O3（0.3～3μm）、各种增塑剂及粘合剂组成。向磨碎的小于1μm的干氧化物粉中加入CK-4增塑剂，效果良好。经过0.06～0.5mm孔径的金属纺丝孔挤出塑性物质，成形纤维。焙烧后的纤维直径0.202mm，极限拉伸强度2200～3OOOMPa，孔隙率28～29%。
这种方法的最大缺点是必须超细粉碎原料组分，这样要求的能耗非常高，而且磨出的铁会带到工业氧化铝中，从而降低纤维的耐火性能和化学纯度。
另一种挤压法是在离心力作用下经过1～50μm 孔挤出粘性陶瓷物质。纤维用粘度5～15Pa.S且80～90%固体颗粒弥散于水或乙醇中的浆料来成形。将纤维挤压至蒸发介质中并烧结。所得纤维的直径15～1OOμm，长度大于15Omm。
分析不同挤压法可见，它们具有一系列本质缺点，即多阶段，制备原料时保障高精度的过程复杂，原料物质多组分，必须精确检测纤维热处理温度。工艺复杂性与高能耗决定纤维生产能力低，成本高。
纺丝工艺法
纺丝以不同方式进行，包括挤出、喷吹、拉伸和离心。粘性纺丝成分的制备是无机高分子聚合物化学过程。评价无机聚合物形成纤维的主要标准是指纺丝液能否处于粘滞胶状态，能否拉成纤维，去掉溶剂后纤维应该能固化，并且纤维在处理时不会损坏。采用氯化铵和醋酸铝作为粘性溶液的原始试剂。制备纺丝溶液的方法是用成纤聚合物增稠铝盐溶液。
离心喷吹法被认为是最适合的方式，能够确保溶液；加工成无渣球纤维，纤维均匀微细，直径10～20μm，长度小于1m。纺丝液在离心力作用下经过细漏孔成为流股，再在热空气流补充作用下牵伸为纤维。氧化物纤维在8OO～1OOO℃下分步热处理5～8h，进行复杂的物理化学过程。为了调整微结构，向纤维中加入延缓晶体生长的添加剂。纺丝工艺能够获得强度最好且最细的多晶纤维。
该工艺的不足之处在于运用无机高分子聚合物化学过程，确定溶液可纺性、纤维固化与热处理制度的所有参数必须精确保证。这样生产率低，成本高。
浸渍法
用金属盐溶液浸渍有机纤维，吸附盐后热处理纤维，以去除有机纤维和其它挥发组分，剩余金属氧化物构架烧结固实。有机纤维中纤维素纤维与粘胶纤维最合适。用浓缩盐AlCl3和Al(NO3)3进行浸渍。
对目前氧化铝纤维生产工艺的分析可知，工艺效率低是造成最终产品成本高的原因。因此，迫切需要低能耗与易于施行的工艺来工业生产这种材料。
而且现在制备氧化铝纤维基耐火制品时湿法引入粘结剂，纤维与溶液在浆叶式混合器中形成浆料。最后干燥去除水分，消耗大量热量。这样纤维在作业温度下收缩，失去较多弹性。
美国、英国、法国和其高铝纤维它国家的许多公司成功地研制了氧化铝纤维的制备工艺，但是这些工艺具有本质的缺陷-多阶段，且必须确保工艺过程的高精确度，能耗量大，劳动量大。这样纤维的生产效率低，成本高。此外由于使用过程中产生结晶收缩，会破坏纤维。因此开氧化铝纤维始研制新工艺制造含纤维结构的高孔隙率刚玉制品，以组织工业生产这种非常昂贵而又需求的材料。
氧化铝纤维根据结构分为单晶和多晶结构，采用几种方法制造这类纤维。
单晶纤维的制造
单晶纤维采用晶须生长法制备。晶须是针状高强单晶体，且长度与直径的比值高。晶须用三种方法制取：
在高温下水解AlC13；
在1500～1600℃和1850～2000℃的碳或者氢气中还原Al2O3；
在1400℃潮湿氢气中氧化熔融金属铝。
目前在中试条件下能够获得长度小于25μm的直径Φ80μm晶须。通过在耐热金属丝上气相沉积相应物质连续获得长度不限的纤维。
但是晶须生长法还不能应用于工业生产中。因为晶须生长温度、分压、反应气流速度以及原始产物的组分必须保持恒定，这些参数的改变会导致生长过程停止，故成为阻碍晶须进行工业生产的主要原因之一。工艺复杂性决定纤维生产效率低（lkg晶须/周），成本高。
多晶纤维的制造
多晶纤维的生产方式多种，主要是通过氧化物基或者含氧化物构成元素的化合物构基的溶液、溶胶、凝胶和分散体的处理来获得多晶纤维。几乎所有的生产方式都包括三个阶段：第一阶段是制造用于纤维的悬浮液，或者能够提供纤维金属离子的有机金属化金物的胶体溶液。再将液体经过纺丝孔（漏孔），或者注于光滑表面上，以蒸发水份，成形纤维。二种情况下水分的损失能够提高固相浓度，促使纤维获得稳定形状。最后阶段是将纤维热处理密实，去掉有机物质，稳定最终的晶体结构。
成膜工艺法
通过金属化合物的胶体溶液薄膜热表面的迅速蒸发作用获得多晶纤维。随着液体的蒸发凝胶形成，它在最后干燥阶段会碎成厚度几微米的薄条，宽度为厚度的2～3倍，长度约3cm。加热时无机聚合物形成，溶液浓度提高并变成胶体，这样阻止结晶，促进生成固态不定形纤维产物。分离出纤维后再在炉子中于1200℃空气介质中加热使其热性能与机械性能稳定，加热焙烧时不定形纤维获得细小晶体结构。
成膜工艺法生产率低，成本高，看来不会广泛推广。
挤压工艺法
采用有机金属盐溶液制备的纤维具有弹性性能，溶液中的盐处于分子弥散状态，均匀分布于聚合物分子之间与最终的纤维中。盐弥散程度高，这样在烧结时能够获得微晶结构纤维，具有良好的机械性能。这种方法的不足之处在于必须采用复杂的过程：高温聚合，氧化物浓度限于50%以下进行缩聚和水解。
用溶液、溶胶或者分散体、悬浮液和乳液制备氧化物纤维的较为简单方法是向蒸发介质中干挤压氧化物溶液。溶液含不到2%的线性高分子（无机或者有机）聚合物，能够确保无机溶胶获得所需挤出力。采用挤压条件下热稳定的水溶性高分子聚合物作为溶液的水合盐，如聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，氧化物纤维烧结时为了避免颗粒生长，向溶液中添加颗粒生长抑止剂和其它添加剂如烧结促进剂、表面活性剂和相稳定剂。
增塑物质的挤压工艺与陶瓷法制品的制造最相近。该物质是由高度分散的氧化物Al2O3（0.3～3μm）、各种增塑剂及粘合剂组成。向磨碎的小于1μm的干氧化物粉中加入CK-4增塑剂，效果良好。经过0.06～0.5mm孔径的金属纺丝孔挤出塑性物质，成形纤维。焙烧后的纤维直径0.202mm，极限拉伸强度2200～3OOOMPa，孔隙率28～29%。
这种方法的最大缺点是必须超细粉碎原料组分，这样要求的能耗非常高，而且磨出的铁会带到工业氧化铝中，从而降低纤维的耐火性能和化学纯度。
另一种挤压法是在离心力作用下经过1～50μm 孔挤出粘性陶瓷物质。纤维用粘度5～15Pa.S且80～90%固体颗粒弥散于水或乙醇中的浆料来成形。将纤维挤压至蒸发介质中并烧结。所得纤维的直径15～1OOμm，长度大于15Omm。
分析不同挤压法可见，它们具有一系列本质缺点，即多阶段，制备原料时保障高精度的过程复杂，原料物质多组分，必须精确检测纤维热处理温度。工艺复杂性与高能耗决定纤维生产能力低，成本高。
纺丝工艺法
纺丝以不同方式进行，包括挤出、喷吹、拉伸和离心。粘性纺丝成分的制备是无机高分子聚合物化学过程。评价无机聚合物形成纤维的主要标准是指纺丝液能否处于粘滞胶状态，能否拉成纤维，去掉溶剂后纤维应该能固化，并且纤维在处理时不会损坏。采用氯化铵和醋酸铝作为粘性溶液的原始试剂。制备纺丝溶液的方法是用成纤聚合物增稠铝盐溶液。
离心喷吹法被认为是最适合的方式，能够确保溶液；加工成无渣球纤维，纤维均匀微细，直径10～20μm，长度小于1m。纺丝液在离心力作用下经过细漏孔成为流股，再在热空气流补充作用下牵伸为纤维。氧化物纤维在8OO～1OOO℃下分步热处理5～8h，进行复杂的物理化学过程。为了调整微结构，向纤维中加入延缓晶体生长的添加剂。纺丝工艺能够获得强度最好且最细的多晶纤维。
该工艺的不足之处在于运用无机高分子聚合物化学过程，确定溶液可纺性、纤维固化与热处理制度的所有参数必须精确保证。这样生产率低，成本高。
浸渍法
用金属盐溶液浸渍有机纤维，吸附盐后热处理纤维，以去除有机纤维和其它挥发组分，剩余金属氧化物构架烧结固实。有机纤维中纤维素纤维与粘胶纤维最合适。用浓缩盐AlCl3和Al(NO3)3进行浸渍。
对目前氧化铝纤维生产工艺的分析可知，工艺效率低是造成最终产品成本高的原因。因此，迫切需要低能耗与易于施行的工艺来工业生产这种材料。
而且现在制备氧化铝纤维基耐火制品时湿法引入粘结剂，纤维与溶液在浆叶式混合器中形成浆料。最后干燥去除水分，消耗大量热量。这样纤维在作业温度下收缩，失去较多弹性。
作者：浙江晶炉耐火材料有限公司
网址：http://www.zjjinglu.cn/
关键词：莫来石纤维针刺毯，高铝纤维，氧化铝纤维
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关键词：莫来石纤维针刺毯，高铝纤维，氧化铝纤维