更加柔韌！氧化鋁超細纖維的制備及應用

發布時間 | 2024-06-28 13:42 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 1025

碳化硅氧化硅氧化鋯氧化鋁

導讀：Al2O3超細纖維以其高溫穩定性、卓越的機械強度、優異的絕緣性能和耐腐蝕性，使得它們在各種嚴苛的應用環境中表現出色。此外，由于其納米級的纖維直徑和巨大的比表面積，氧化鋁超細纖維在催化劑...

在材料科學飛速發展的今天，先進材料的出現為人類社會帶來了諸多便利。而在材料的世界中，有一種材料正在悄然崛起，有望成為未來高性能材料，它就是——氧化鋁超細纖維。

氧化鋁超細纖維

回顧歷史，氧化鋁纖維并不是新鮮事物。早在20世紀中期，科學家們就已經開始探索這種材料的潛力。然而，隨著納米技術的飛速發展，氧化鋁纖維的尺寸被進一步縮小，達到了納米級別，從而誕生了氧化鋁超細纖維。

與傳統氧化鋁纖維相比，氧化鋁超細纖維不僅繼承了前者的高溫穩定性和耐腐蝕性，還因其更大的比表面積和獨特的物理化學性質，也開辟了全新的應用領域。接下來，將深入講一下氧化鋁超細纖維的精妙之處。

什么是氧化鋁超細纖維？

氧化鋁纖維是指Al₂O₃質量分數大于70%，以及含有少量的二氧化硅(SiO₂)、二氧化鋯(ZrO₂)和三氧化二硼(B₂O₃)等其他氧化物的多晶質無機纖維。根據Al₂O₃的晶型不同，主要分為γ-Al₂O₃纖維和α-Al₂O₃纖維。

氧化鋁纖維制品

不過相比于有機纖維，Al₂O₃纖維的柔韌性較差。為了彌補這個缺陷，Al₂O₃超細纖維就誕生了。Al₂O₃超細纖維通常指纖維直徑低于5μm的Al₂O₃纖維，通過降低纖維的直徑可以有效提高其柔韌性，并降低纖維制品的導熱系數，從而促使纖維制品朝著輕量化方向發展，擴展Al₂O₃纖維的下游應用領域。

氧化鋁超細纖維的制備方法和工藝

Al₂O₃超細纖維的制備過程是：首先以溶膠凝膠法為基礎制備成紡絲前驅體；然后加以離心力或靜電力或氣流牽引力；最后，經高溫陶瓷化后制備成Al₂O₃超細纖維。

根據紡絲方式的不同，Al₂O₃超細纖維的制備方法主要可以分為離心紡絲、靜電紡絲、溶液噴射紡絲和靜電-溶液噴射紡絲法。

①離心紡絲

離心紡絲的過程是：首先，將一定黏度的紡絲前驅體注入到紡絲盤中；然后，在高速旋轉過程中，離心力將紡絲液通過紡絲盤上的小孔甩出；最后，將甩出的凝膠纖維收集起來，經高溫煅燒后，得到陶瓷化Al₂O₃超細纖維。

在制備過程中，紡絲前驅體的組成（固含量、水解比、酸度比、黏度等）、紡絲參數（離心速度、環境溫度及相對濕度等）及煅燒參數（煅燒溫度、煅燒時間、升降溫速率等）對Al₂O₃纖維的形貌和性能有著重要影響。

②靜電紡絲

靜電紡絲是目前制備超細纖維的最有效技術之一，該技術最初被用于制備聚合物納米纖維，之后逐漸發展為制備陶瓷/金屬氧化物微納米結構纖維，并日益受到重視。相比于離心紡絲，靜電紡絲制備的Al₂O₃超細纖維直徑更細，可以達到納米級。其原理是在紡絲液上施加一個強的電場，在電場力的作用下，紡絲液被拉絲成納米級的纖維。這種工藝制備的Al₂O₃纖維具有纖維直徑小、形貌易于控制等優勢，但目前主要以實驗室研究為主。

近年來靜電紡絲法主要分兩種工藝，一是多針頭靜電紡絲；二是和無針頭靜電紡絲，相關設備如圖所示。

多針頭靜電紡絲是基于單針頭紡絲原理，即增加多個紡絲針頭提高靜電紡絲的紡絲效率，但是當紡絲針頭增加時會造成不均勻的靜電場，導致射流紊亂，不利于靜電紡絲，同時仍然存在著紡絲針頭難以清洗的問題；無針頭靜電紡絲則是通過改變紡絲液的進料方式，將紡絲輥浸泡在紡絲液中，使紡絲輥表面充滿紡絲液，在電場作用下，紡出納米纖維，從而提高靜電紡絲纖維的產量。

盡管多針頭和無針頭靜電紡絲方式可以提高靜電紡絲的產量，但是依然存在很多問題，如生產的穩定性及生產的高成本等。總而言之，靜電紡絲制備纖維具有超細化、柔韌性好及形貌可控等優勢，但目前還處于實驗室研究階段，未來的工業化還面臨諸多挑戰。

③溶液噴射紡絲

溶液噴射紡絲主要應用于有機纖維的制備，但近年來采用溶液噴射紡絲法制備無機纖維逐漸興起，包括碳化硅、ZrO₂、Al₂O₃纖維等。該工藝是將紡絲液注入到噴絲頭中，利用高速氣流對紡絲液進行拉伸，從而獲得超細纖維，纖維的形貌及性能主要受紡絲液黏度、風壓、接收距離、環境溫濕度等影響，溶液噴射紡絲裝置如圖所示。

溶液噴射紡絲裝置示意

1—氧化鋁凝膠；2—蠕動泵；3—壓縮空氣源；4—噴絲頭；5—紡絲倉；6—收集器；7—排風機

④靜電-溶液噴射紡絲

靜電-溶液噴射紡絲是結合靜電紡絲與溶液噴射紡絲的一種技術，即在溶液噴射時增加一個強電壓，使紡絲液同時受氣流牽引力和靜電力拉伸成絲，紡絲裝置如圖所示。

靜電-溶液噴射紡絲裝置示意

1—紡絲液儲存罐；2—壓縮空氣；3—噴絲板；4—紡絲倉；5—電場；6—纖維

相比于靜電紡絲，靜電-溶液噴射紡絲由于施加了氣流牽引力，加速了紡絲過程，從而提高了紡絲的效率。可被應用于有機和無機纖維的制備。

總結：

離心紡絲和溶液噴射紡絲生產效率高，更容易實現工業化，但是，這兩種方法生產的Al₂O₃纖維直徑較粗，且渣球含量較高，纖維質量較低;靜電紡絲是最適合生產超細纖維的方法，但是產量較低，設備復雜昂貴，且生產過程涉及高壓，存在安全隱患，目前還沒有實現工業化;靜電-溶液噴射紡絲結合了靜電紡絲制備超細纖維的優點，同時還兼具了溶液噴射法生產效率高的特征，是未來實現Al₂O₃超細纖維工業化的較佳方法。

氧化鋁超細纖維的應用現狀

Al2O3超細纖維具有比表面積高、柔韌性好、耐高溫和低導熱系數的優異特性，常被用于環境保護領域中的吸附過濾材料、高溫隔熱材料和工業催化材料等。

①吸附過濾領域

Al₂O₃超細纖維具有高比表面積和柔韌性，可以用于吸附水中重金屬離子和過濾水或氣體中的雜質。如J.KIM等采用靜電紡絲法制備出直徑為102~378 nm的Al₂O₃超細纖維，纖維在甲基橙的水溶液中展現出了優良的吸附性能。

Al₂O₃超細纖維具備優良的有機染料吸附特性

WANG Y等采用靜電紡絲法制備Al₂O₃超細纖維膜，纖維直徑大約230 nm，該膜對直徑300 nm顆粒的截留率達99.97%。由于Al₂O₃纖維耐高溫和耐化學腐蝕，未來Al₂O₃超細纖維膜可應用于高溫和苛刻環境下的過濾材料

②高溫隔熱領域

傳統隔熱材料存在導熱系數高、不耐高溫等缺陷，不能滿足軍用、航空航天、冶金和高溫工業窯爐的隔熱需求。Al₂O₃纖維具有耐高溫、導熱系數低、熱膨脹系數低等優點，作為新一代高溫隔熱材料得到研究者的廣泛關注。

氣凝膠是目前已知導熱系數最低的隔熱材料，但氣凝膠強度低，制品易碎，限制其在實際中的應用。Al₂O₃超細纖維可與氣凝膠復合，制備纖維增強的氣凝膠復合材料。由于Al₂O₃纖維的強拉伸性和較好的結構強度，可以解決氣凝膠隔熱制品結構強度低的難題。另外由于纖維直徑越低，制品的導熱系數越低。因此，Al₂O₃超細纖維制品相比于傳統的Al₂O₃粗纖維制品，具備更加優良的隔熱效果，在達到相同的隔熱效果時，Al₂O₃超細纖維的用量更少。

氣凝膠是常見的隔熱材料，但由于強度低，一般會與其他材料復合使用

由于超細纖維制品具備優良的保溫隔熱和結構完整性，未來超細陶瓷纖維的發展將會成為高溫隔熱領域的重要發展方向，將彌補氣凝膠在高溫隔熱領域結構易碎的短板。

③工業催化領域

由于Al₂O₃超細纖維良好的抗氧化、耐高溫、高比表面積和抗化學腐蝕的優良特性，Al₂O₃超細纖維常被用于催化劑載體。LIU L等將金屬鎳(Ni)負載到Al₂O₃超細纖維上，制備二氧化碳重整制甲烷反應中的催化劑，相比于傳統的Al₂O₃顆粒催化劑載體，Al₂O₃超細纖維作為載體時，Ni的分散更加均勻，從而提高反應的活性。

④其他領域

近年來，由于Al₂O₃超細纖維的優良特性，其在鋰電池隔膜和柔性無機發光材料領域的應用研究逐漸興起。

目前的鋰電池隔膜通常是在聚酰亞胺和聚丙烯底膜上涂覆Al₂O₃顆粒來增加電池隔膜的耐熱性和安全性。Al₂O₃顆粒會降低隔膜的孔隙率并且在長時間的電循環中會發生脫落，從而影響電池的使用壽命和安全性。相比于顆粒狀的Al₂O₃，Al₂O₃超細纖維可以很好地解決上述問題。此外，以Al₂O₃超細纖維為原料制備的纖維膜還被作為無機發光材料載體，展現出了優良的機械柔韌性和發光特性，因此能解決傳統無機發光材料的結構易碎的問題。