更加柔韧！氧化铝超细纤维的制备及应用

发布时间 | 2024-06-28 13:42 分类 | 粉体应用技术点击量 | 880

碳化硅氧化硅氧化锆氧化铝

导读：Al2O3超细纤维以其高温稳定性、卓越的机械强度、优异的绝缘性能和耐腐蚀性，使得它们在各种严苛的应用环境中表现出色。此外，由于其纳米级的纤维直径和巨大的比表面积，氧化铝超细纤维在催化剂...

在材料科学飞速发展的今天，先进材料的出现为人类社会带来了诸多便利。而在材料的世界中，有一种材料正在悄然崛起，有望成为未来高性能材料，它就是——氧化铝超细纤维。

氧化铝超细纤维

回顾历史，氧化铝纤维并不是新鲜事物。早在20世纪中期，科学家们就已经开始探索这种材料的潜力。然而，随着纳米技术的飞速发展，氧化铝纤维的尺寸被进一步缩小，达到了纳米级别，从而诞生了氧化铝超细纤维。

与传统氧化铝纤维相比，氧化铝超细纤维不仅继承了前者的高温稳定性和耐腐蚀性，还因其更大的比表面积和独特的物理化学性质，也开辟了全新的应用领域。接下来，将深入讲一下氧化铝超细纤维的精妙之处。

什么是氧化铝超细纤维？

氧化铝纤维是指Al₂O₃质量分数大于70%，以及含有少量的二氧化硅(SiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)和三氧化二硼(B₂O₃)等其他氧化物的多晶质无机纤维。根据Al₂O₃的晶型不同，主要分为γ-Al₂O₃纤维和α-Al₂O₃纤维。

氧化铝纤维制品

不过相比于有机纤维，Al₂O₃纤维的柔韧性较差。为了弥补这个缺陷，Al₂O₃超细纤维就诞生了。Al₂O₃超细纤维通常指纤维直径低于5μm的Al₂O₃纤维，通过降低纤维的直径可以有效提高其柔韧性，并降低纤维制品的导热系数，从而促使纤维制品朝着轻量化方向发展，扩展Al₂O₃纤维的下游应用领域。

氧化铝超细纤维的制备方法和工艺

Al₂O₃超细纤维的制备过程是：首先以溶胶凝胶法为基础制备成纺丝前驱体；然后加以离心力或静电力或气流牵引力；最后，经高温陶瓷化后制备成Al₂O₃超细纤维。

根据纺丝方式的不同，Al₂O₃超细纤维的制备方法主要可以分为离心纺丝、静电纺丝、溶液喷射纺丝和静电-溶液喷射纺丝法。

①离心纺丝

离心纺丝的过程是：首先，将一定黏度的纺丝前驱体注入到纺丝盘中；然后，在高速旋转过程中，离心力将纺丝液通过纺丝盘上的小孔甩出；最后，将甩出的凝胶纤维收集起来，经高温煅烧后，得到陶瓷化Al₂O₃超细纤维。

在制备过程中，纺丝前驱体的组成（固含量、水解比、酸度比、黏度等）、纺丝参数（离心速度、环境温度及相对湿度等）及煅烧参数（煅烧温度、煅烧时间、升降温速率等）对Al₂O₃纤维的形貌和性能有着重要影响。

②静电纺丝

静电纺丝是目前制备超细纤维的最有效技术之一，该技术最初被用于制备聚合物纳米纤维，之后逐渐发展为制备陶瓷/金属氧化物微纳米结构纤维，并日益受到重视。相比于离心纺丝，静电纺丝制备的Al₂O₃超细纤维直径更细，可以达到纳米级。其原理是在纺丝液上施加一个强的电场，在电场力的作用下，纺丝液被拉丝成纳米级的纤维。这种工艺制备的Al₂O₃纤维具有纤维直径小、形貌易于控制等优势，但目前主要以实验室研究为主。

近年来静电纺丝法主要分两种工艺，一是多针头静电纺丝；二是和无针头静电纺丝，相关设备如图所示。

多针头静电纺丝是基于单针头纺丝原理，即增加多个纺丝针头提高静电纺丝的纺丝效率，但是当纺丝针头增加时会造成不均匀的静电场，导致射流紊乱，不利于静电纺丝，同时仍然存在着纺丝针头难以清洗的问题；无针头静电纺丝则是通过改变纺丝液的进料方式，将纺丝辊浸泡在纺丝液中，使纺丝辊表面充满纺丝液，在电场作用下，纺出纳米纤维，从而提高静电纺丝纤维的产量。

尽管多针头和无针头静电纺丝方式可以提高静电纺丝的产量，但是依然存在很多问题，如生产的稳定性及生产的高成本等。总而言之，静电纺丝制备纤维具有超细化、柔韧性好及形貌可控等优势，但目前还处于实验室研究阶段，未来的工业化还面临诸多挑战。

③溶液喷射纺丝

溶液喷射纺丝主要应用于有机纤维的制备，但近年来采用溶液喷射纺丝法制备无机纤维逐渐兴起，包括碳化硅、ZrO₂、Al₂O₃纤维等。该工艺是将纺丝液注入到喷丝头中，利用高速气流对纺丝液进行拉伸，从而获得超细纤维，纤维的形貌及性能主要受纺丝液黏度、风压、接收距离、环境温湿度等影响，溶液喷射纺丝装置如图所示。

溶液喷射纺丝装置示意

1—氧化铝凝胶；2—蠕动泵；3—压缩空气源；4—喷丝头；5—纺丝仓；6—收集器；7—排风机

④静电-溶液喷射纺丝

静电-溶液喷射纺丝是结合静电纺丝与溶液喷射纺丝的一种技术，即在溶液喷射时增加一个强电压，使纺丝液同时受气流牵引力和静电力拉伸成丝，纺丝装置如图所示。

静电-溶液喷射纺丝装置示意

1—纺丝液储存罐；2—压缩空气；3—喷丝板；4—纺丝仓；5—电场；6—纤维

相比于静电纺丝，静电-溶液喷射纺丝由于施加了气流牵引力，加速了纺丝过程，从而提高了纺丝的效率。可被应用于有机和无机纤维的制备。

总结：

离心纺丝和溶液喷射纺丝生产效率高，更容易实现工业化，但是，这两种方法生产的Al₂O₃纤维直径较粗，且渣球含量较高，纤维质量较低;静电纺丝是最适合生产超细纤维的方法，但是产量较低，设备复杂昂贵，且生产过程涉及高压，存在安全隐患，目前还没有实现工业化;静电-溶液喷射纺丝结合了静电纺丝制备超细纤维的优点，同时还兼具了溶液喷射法生产效率高的特征，是未来实现Al₂O₃超细纤维工业化的较佳方法。

氧化铝超细纤维的应用现状

Al2O3超细纤维具有比表面积高、柔韧性好、耐高温和低导热系数的优异特性，常被用于环境保护领域中的吸附过滤材料、高温隔热材料和工业催化材料等。

①吸附过滤领域

Al₂O₃超细纤维具有高比表面积和柔韧性，可以用于吸附水中重金属离子和过滤水或气体中的杂质。如J.KIM等采用静电纺丝法制备出直径为102~378 nm的Al₂O₃超细纤维，纤维在甲基橙的水溶液中展现出了优良的吸附性能。

Al₂O₃超细纤维具备优良的有机染料吸附特性

WANG Y等采用静电纺丝法制备Al₂O₃超细纤维膜，纤维直径大约230 nm，该膜对直径300 nm颗粒的截留率达99.97%。由于Al₂O₃纤维耐高温和耐化学腐蚀，未来Al₂O₃超细纤维膜可应用于高温和苛刻环境下的过滤材料

②高温隔热领域

传统隔热材料存在导热系数高、不耐高温等缺陷，不能满足军用、航空航天、冶金和高温工业窑炉的隔热需求。Al₂O₃纤维具有耐高温、导热系数低、热膨胀系数低等优点，作为新一代高温隔热材料得到研究者的广泛关注。

气凝胶是目前已知导热系数最低的隔热材料，但气凝胶强度低，制品易碎，限制其在实际中的应用。Al₂O₃超细纤维可与气凝胶复合，制备纤维增强的气凝胶复合材料。由于Al₂O₃纤维的强拉伸性和较好的结构强度，可以解决气凝胶隔热制品结构强度低的难题。另外由于纤维直径越低，制品的导热系数越低。因此，Al₂O₃超细纤维制品相比于传统的Al₂O₃粗纤维制品，具备更加优良的隔热效果，在达到相同的隔热效果时，Al₂O₃超细纤维的用量更少。

气凝胶是常见的隔热材料，但由于强度低，一般会与其他材料复合使用

由于超细纤维制品具备优良的保温隔热和结构完整性，未来超细陶瓷纤维的发展将会成为高温隔热领域的重要发展方向，将弥补气凝胶在高温隔热领域结构易碎的短板。

③工业催化领域

由于Al₂O₃超细纤维良好的抗氧化、耐高温、高比表面积和抗化学腐蚀的优良特性，Al₂O₃超细纤维常被用于催化剂载体。LIU L等将金属镍(Ni)负载到Al₂O₃超细纤维上，制备二氧化碳重整制甲烷反应中的催化剂，相比于传统的Al₂O₃颗粒催化剂载体，Al₂O₃超细纤维作为载体时，Ni的分散更加均匀，从而提高反应的活性。

④其他领域

近年来，由于Al₂O₃超细纤维的优良特性，其在锂电池隔膜和柔性无机发光材料领域的应用研究逐渐兴起。

目前的锂电池隔膜通常是在聚酰亚胺和聚丙烯底膜上涂覆Al₂O₃颗粒来增加电池隔膜的耐热性和安全性。Al₂O₃颗粒会降低隔膜的孔隙率并且在长时间的电循环中会发生脱落，从而影响电池的使用寿命和安全性。相比于颗粒状的Al₂O₃，Al₂O₃超细纤维可以很好地解决上述问题。此外，以Al₂O₃超细纤维为原料制备的纤维膜还被作为无机发光材料载体，展现出了优良的机械柔韧性和发光特性，因此能解决传统无机发光材料的结构易碎的问题。