多晶氧化鋁纖維生產(chǎn)線投產(chǎn)以來，由于產(chǎn)品質(zhì)量差，消耗高，導(dǎo)致嚴(yán)重虧損。雖然曾進行過多次專題研究，但收效甚微，沒有達到預(yù)期效果。為此，重新開展了全面深入的研究工作，解決了存在的問題，穩(wěn)定并提高了多晶氧化鋁纖維質(zhì)量。
1存在的問題
多晶氧化鋁纖維是采用所謂“膠體法”生產(chǎn)的。即是由膠狀粘性溶液通過纖維化器而制成凝膠狀的纖維坯體，經(jīng)干燥，分解、燒成等幾個階段制成多晶態(tài)陶瓷纖維。與熔融法生產(chǎn)的非晶態(tài)纖維相比，工藝條件復(fù)雜，影響質(zhì)量的因素較多。生產(chǎn)中的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能嚴(yán)重影響纖維的質(zhì)量，造成廢品。為此，對多晶纖維生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)進行了深入研究，認(rèn)為主要存在以下問題：
(1)原制膠工藝和配方導(dǎo)致膠體穩(wěn)定性差(見圖1)，成纖期短，纖維坯體質(zhì)量低劣：由圖可知，原膠體出膠粘度<2 Pa·s(膠溫度約50 ℃)時，粘度隨時間呈近似二次曲線上升趨勢，且在36h內(nèi)達不到成纖粘度。如果出膠粘度>2Pa·s(膠溫約50℃)，則粘度隨時間幾乎呈直線上升，斜率很大，并在12h后可以正常成纖，但良好成纖期很短(僅幾個個小時)。如果出膠粘度≥3 Pa·s，則粘度幾乎呈瞬時增加趨勢，不能正常成纖：
圖1 原配方膠體粘度與放置時間的關(guān)系
(2)熱處理爐和熱處理工藝不合適。爐膛高度低，裝棉量少不能形成保護性氣氛且易堵塞，清理不便造成浪費，惡化工作環(huán)境。溫區(qū)設(shè)置和控制不當(dāng)，實際爐溫與設(shè)定爐溫偏差大。
(3)成纖設(shè)備有嚴(yán)重缺陷。成纖罩高度不夠，不能滿足膠體纖維化過程對溫度和濕度的要求。多臺甩絲機串聯(lián)設(shè)置，無法單獨調(diào)節(jié)風(fēng)量，互相干擾甩絲盤孔易堵塞，不能連續(xù)生產(chǎn)，不但浪費嚴(yán)重，而且使纖維坯體質(zhì)量不穩(wěn)定。
2 實驗和討論
2.1成纖膠體的制備
多晶氧化鋁纖維的成纖膠體是以金屬鋁為原料，先制成稱為“母液”的聚合氧化鋁溶液，添加適量的硅溶膠和成纖助劑，經(jīng)濃縮而成。母液的制備需控制合適的鋁氯比：鋁氯比過大或過小均影響膠體的質(zhì)量。
影響膠體成纖性能的主要因素是可紡性(或稱可拉絲性)和粘度�？杉徯噪m與粘度有關(guān)，但并不等同。要使膠體具有良好的可紡性，必須添加合適的成纖助劑。助劑基本上有兩大類：一類可提髙膠體的可拉絲性，這類物質(zhì)是天然植物膠或高分子聚合物。另一類可改善膠體的流變性能，主要是有機酸，醇類或表面活性劑。原配方中采用乙酸，而乙酸使纖維發(fā)脆。因此，篩選出了高分子聚合物P和含有機酸L的復(fù)配添加劑，作為成纖性能改良劑，獲得了明顯的效果。此復(fù)配添加劑使膠體具有良好的流變性和優(yōu)異的拉絲性，極大地提高了膠體的穩(wěn)定性和成纖性。當(dāng)溫度保持25℃密閉保存(防止水分蒸發(fā))時，經(jīng)連續(xù)測試，膠體粘度變化率<0001(Pa·s)·d-1，并且對溫度的敏感性極強，在一定范圍內(nèi)具有可逆性。18個月的放置試驗表明，即使膠體水分蒸發(fā)干涸后，加水溶解(不必加熱)，成纖性能不變。新配方膠體由于其極好的拉絲性，適宜成纖粘度僅為原添加乙酸的膠體的1/8-1/10，且纖維柔軟。甩絲盤不易堵塞，連續(xù)工作時間長。
高分子聚合物P的存在不僅可提高膠體的拉絲性，同時還具有保護膠體的作用，將無機大分子膠粒分隔包圍，減緩了無機膠體的后聚合速度，從而增強了膠體粘度的穩(wěn)定性。
有機酸L與乙酸性質(zhì)不同。乙酸可與“母液" 反應(yīng)生成乙酸鋁，減弱了其作為流變劑的作用。有機酸L則不易與鋁鹽起反應(yīng)。該復(fù)配添加劑不但稀釋作用強，而且具有一定的表面活性，其親水基與無機大分子膠粒結(jié)合，包圍在膠粒分子骨架的外界面上，而方向朝外的疏水基起滑潤作用，可顯著改變膠體的流變性。
另外，新配方膠體宜采用低溫減壓法制備，如果仍采用原常壓髙溫法制備，在制膠過程中，表面易結(jié)皮，鍋底易焦糊，這大大地降低了膠體的質(zhì)量、且出膠率低，降低原材料的利用率。
2.2 熱處理工藝
原熱處理工藝是600℃后自然冷卻約2 h，然后直接進行1250℃以上的高溫處理。這種熱處理制度被認(rèn)為可以減緩晶粒的長大，因為小晶粒纖維的強度較高。但是，實際生產(chǎn)的纖維質(zhì)量極不穩(wěn)定，粉化嚴(yán)重，且時有發(fā)黑、發(fā)黃現(xiàn)象，產(chǎn)生大量廢品。為了探明這種熱處理方式使纖維質(zhì)量不穩(wěn)定的原因，我們設(shè)計了從3℃·min-3至100℃·min-1多種升溫速度，并反復(fù)試驗，總不能獲得滿意的結(jié)果，且試驗結(jié)果無法重復(fù)。很顯然，這種熱處理工藝的纖維最終質(zhì)量是由偶然因素決定的。這些偶然因素是由600℃以前的熱處理程度冷卻時的各種環(huán)境因素影響及1250℃以上熱處理情況的各種隨機組合構(gòu)成的。所以，試驗結(jié)果無法預(yù)測，亦無法重復(fù)。
纖維坯體是由膠體細(xì)流拉伸后，揮發(fā)掉部份水分凝膠化的結(jié)果，其中仍含有大量水分。在熱處理的第一階段(千燥段)是除去其殘存的大量游離水分，此階段發(fā)生在200℃以前。凝膠纖維開始化學(xué)分解，揮發(fā)出HC1和結(jié)構(gòu)水。有機碳的氧化發(fā)生在更高的溫度段，此段宜在較低氧分壓條件下進行。因為過多的氧使有機碳氧化速度過快，而破壞纖維的外形結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)粉化。所以，該階段可采取保護性氣氛或采用爐內(nèi)為正壓的自保護性氣氛。自保護性方式以箱式爐為好，隧道窯則應(yīng)使窯內(nèi)有足夠多的纖維，才能形成自保護性氣氛。對于含95%Al2O3的纖維最好采用通保護氣體的方式生產(chǎn)。
至550 ~600℃纖維熱分解基本完成，但其中仍殘留少量未完全氧化的碳和部分未完全分解逸出的HCl。如果此時將纖維冷卻后直接進行1250℃以上的高溫處理，殘留的少量碳和HC1就可能來不及氧化或逸出，而使纖維呈黑色或其他色彩，或由于殘留碳的急劇氧化和HC1的迅違逸出而破壞纖維結(jié)構(gòu)，造成纖維進一步粉化。
純粹的無定形Al2O3在550℃形成γ-Al2O3, 由于纖維中其他成分的存在，使得這一相變溫度大大后移。如果熱處理眺過這一溫度段，進行1250℃以上熱處理，則相當(dāng)于玻璃態(tài)纖維直接在1250℃以上轉(zhuǎn)化成多晶態(tài)纖維。所以，這種熱處理方式的結(jié)果是：當(dāng)處理時間短時，以玻璃相為主，成品纖維的加熱收縮大，不能使用;當(dāng)處理時間長時，雖然出現(xiàn)結(jié)晶相，但纖維從非晶態(tài)直接轉(zhuǎn)化為高溫結(jié)晶態(tài)，由于相變速度過快，產(chǎn)生的應(yīng)力變化足以破壞纖維的結(jié)構(gòu)，因此生產(chǎn)的纖維也是低質(zhì)量的。所以，纖維坯體在經(jīng)過干燥、分解后。必須經(jīng)過轉(zhuǎn)化為γ-Al2O3相的熱處理過程。而后在較高溫度下，使多孔的低溫晶相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷鼐?&/θ-Al2O3。
2.3 不同Al/Si比纖維生產(chǎn)工藝的異同
在燒成試驗中，我們發(fā)現(xiàn)Al/Si比高的纖維熱分解階段更易粉化。進一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著Al/Si比的增大，同粘度下，膠體的比重下降，固體分含量較坻。這可能是由于SiO2含量增大時，膠體膠団中的SiO2的量也增大，SiO2微粒取代了膠團中的部分結(jié)構(gòu)水。所以，在纖維坯體的熱分解階段，Al/Si比高的纖維分解出的結(jié)構(gòu)水也多。同時，由于聚合氯化鋁含量高，分解為Al2O3的量也多。因此，在單位時間內(nèi)Al/Si比高的纖維逸出水的量和氯化鋁分解轉(zhuǎn)化為Al203的量均比Al/Si比低的纖維多。故同樣條件下，含鋁高的纖維坯體更易受到損傷。試驗證明，除含95% Al203纖維外，含72%和80% Al2O3的纖維熱處理條件基本一致，而含72% Al2O3的纖維熱處理要求更寬容些。
生產(chǎn)線改造后，我們分別制備了含72%、80%和95% Al2O3的膠體，經(jīng)試產(chǎn)進一步證實了試驗室所選擇的工藝條件是合適的。本生產(chǎn)線可以同時生產(chǎn)含72%和80% Al2O3的多晶纖維，而不能生產(chǎn)含95% A1203的纖維。
2.4 產(chǎn)品檢驗結(jié)果
根據(jù)以上研究結(jié)果，對原生產(chǎn)線進行了改造。使產(chǎn)量比改造前提高5倍，原料利用率提高到85%以上。
在生產(chǎn)過程中每間隔4 h取樣品一次，共取樣18個。然后對18個樣品隨機抽取5個送檢，結(jié)果如表1。
表1纖維的性能指標(biāo)
2.5 降低纖維直徑的研究
甩絲成纖法是膠體在甩絲盤的離心力作用下，經(jīng)小孔或狹縫拉伸成細(xì)絲。耐火短纖維的直徑一股應(yīng)在5um以下，平均3um為好，這種纖維柔性好，強度高，適宜于各種使用條件，5um以上的短纖維脆性大，強度低。原來的甩絲盤設(shè)計線速度為30-36m·s-1，而實際最大線速度不足30 m·s-1，絲孔直徑已由原來的0.5mm降至0.3mm以下(絲孔過小易堵塞)，纖維平均直徑約10um，有時更粗。過去曾采取過不少措施均不奏效。從理論上講，增加甩絲盤線速度可以降低纖維直徑。 雖然增大甩絲盤直徑可以提高線速度，但由于成纖罩結(jié)構(gòu)無法改變，不能做此試驗。
根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為借用離心噴霧干燥機(其霧化器最大線違度可達113m·s-1，干燥塔筒體直徑和高度均大于成纖罩)可做此試驗。結(jié)果見表2。
表2 離心盤線速度與纖維直徑的關(guān)系
實驗結(jié)果說明，只要甩絲盤具有足夠大的合適線速度，即使寬縫式出膠口亦能使纖維直徑變細(xì)。同時，提高線速度還可以提高產(chǎn)量。
3結(jié)論
(1)新配方新工藝膠體粘度穩(wěn)定，成纖性好。
(2)纖維的熱處理必須經(jīng)歷先完全形成低溫晶相，再逐步轉(zhuǎn)化為高溫晶相的過程。不能采用中途冷卻法來控制晶粒大小。
(3)適當(dāng)提高甩絲盤的線速度，不但可以降低纖維直徑，還可以采用狹縫式甩絲盤，避免堵塞，從而真正達到連續(xù)化生產(chǎn)。
(4)新配方、新工藝可以穩(wěn)定和提高纖維質(zhì)量，增加產(chǎn)量，降低成本。
(5)在一條生產(chǎn)線上采用相同的熱處理工藝，可以生產(chǎn)含氧化鋁72%和80%的兩種多晶纖維，而不能在這條生產(chǎn)線上生產(chǎn)含氧化鋁95%的多晶氧化鋁纖維。