硅酸鋁材料制品綜述

張宗軍，趙寶軍，吳 琛，楊 晗，譚 鵬

（中建海龍科技有限公司 廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和建筑行業(yè)的發(fā)展，以及國(guó)家的倡導(dǎo)和社會(huì)各界人士的號(hào)召，人們?cè)絹碓阶⒅毓?jié)能環(huán)保、低碳生活，在建筑領(lǐng)域也逐漸顯露出傳統(tǒng)保溫材料存在的諸多缺點(diǎn)。如，傳統(tǒng)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)大、質(zhì)量重、厚度大，且具有一定的吸水性，但保溫材料吸水后對(duì)其保溫性能及強(qiáng)度均有一定影響，研究人員為此做出了多項(xiàng)研究。張標(biāo)富[1]對(duì)透水巖棉的吸水能力進(jìn)行了研究探索，研究發(fā)現(xiàn)巖棉的吸水率高達(dá)90%，且密度越小其吸水率、透水性越大，保水能力越差。姚夢(mèng)佳等[2]通過多方調(diào)研指明了保溫涂料目前存在的不足，如涂料隔熱性能的測(cè)試方法并不規(guī)范，且光熱反射和輻射的研究仍存在不足，即使選擇了性能更好的納米材料也未徹底解決分散問題等。雷敏[3]提出了針對(duì)單一聚苯乙烯泡沫（expanded polystyrene，EPS）保溫板摻入玄武巖纖維織物和膠黏劑來提升，通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了復(fù)合后的EPS保溫板的力學(xué)性能較好，且黏接強(qiáng)度也有了較好的提高。毛戰(zhàn)紅[4]對(duì)不同種類的硅鈣板進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定研究，測(cè)試了不同種類硅鈣板在不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)最小時(shí)的最佳密度，對(duì)硅鈣板進(jìn)行噴涂、復(fù)合有阻擋或反射作用的材料來降低其導(dǎo)熱系數(shù)。

1 硅酸鋁纖維材料

硅酸鋁纖維材料在工業(yè)中已有40年的使用歷史，從耐熱材料到隔熱材料的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已廣泛涉及能源、冶金及建筑新型隔熱材料中[5]。作為一種輕質(zhì)、節(jié)能、防火的陶瓷纖維，其有著比熱容小、穩(wěn)定性好、受熱膨脹小、耐酸堿、化學(xué)穩(wěn)定性好、吸聲型好、熱導(dǎo)率低[≤0.128 W/（m·K）]的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的防火材料，可在1 000 ℃以上環(huán)境下使用，在溫度達(dá)到1 300 ℃時(shí)，仍然能保持較好的性能。其導(dǎo)熱機(jī)理有熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射這3種，熱傳導(dǎo)又分為固體傳導(dǎo)和氣體傳導(dǎo)[6]。

硅酸鋁纖維材料主要化學(xué)成分有：SiO2（48%～52%）、Al2O3（43%～49%）、Fe2O3（0.9%～0.13%）、CaO（＜1%）和微量的MgO。其性能與多種參數(shù)相關(guān)，如纖維的組成和性能、膠黏劑性能、制造工藝參數(shù)（如溫度）等。當(dāng)某一參數(shù)改變時(shí)，其性能變化大；當(dāng)真空濕法制備的硅酸鋁纖維氈經(jīng)過高溫處理后，其彎曲強(qiáng)度有了很大的提高，但由于其本身就是防火材料，因此燒結(jié)溫度的大小一般不會(huì)影響材料的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，硅酸鋁纖維可制成多種制品，如硅酸鋁纖維氈、硅酸鋁纖維板和硅酸鋁纖維紙等。

2 硅酸鋁纖維制品

2.1 硅酸鋁纖維紙

硅酸鋁耐火纖維紙是以硅酸鋁耐火纖維作為原料，按造紙工藝制成的隔熱耐火纖維制品，一般應(yīng)用于建筑、冶金、化工、航空的保溫隔熱材料中，其性能優(yōu)良，發(fā)展前景十分廣闊[7]。硅酸鋁纖維材料的發(fā)展趨勢(shì)是薄，但在制備硅酸鋁纖維紙的過程中，由于硅酸鋁纖維中的電荷使得在打散時(shí)很難均勻分散，因此趙傳山等[8]針對(duì)纖維紙?jiān)谥苽鋾r(shí)強(qiáng)度低、難打散的問題進(jìn)行了探討，提出了在制備過程中加入了分散劑和增強(qiáng)劑等，將紙漿疏解后進(jìn)行抄片、干燥等工藝。探究了纖維打漿度和分散劑對(duì)分散性的影響和提高硅酸鋁纖維強(qiáng)度的方法，關(guān)于分散性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)纖維濃度為0.6%、纖維疏解時(shí)間為2 min、分散劑添加量為2%時(shí)，分散性較好。趙傳山等[9]對(duì)不同環(huán)境下的耐溫硅酸鋁纖維紙的紙業(yè)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明添加聚乙烯醇（PVA）可以穩(wěn)定紙張緊度，添加陶瓷基復(fù)合材料（ceramic matrix composite，CMC）可以提高強(qiáng)度，對(duì)于無機(jī)膠凝劑來說，常溫下改性酚醛樹脂黏結(jié)效果最好，劑量添加相同情況下，水玻璃更好。

硅酸鋁纖維紙適用于高溫環(huán)境下的隔熱、保溫、密封、電絕緣、吸音、過濾等，如用于各種工業(yè)爐及鋼水包、鑄桶、浸入式水口的高溫隔熱材料、工業(yè)電爐的電絕緣及隔熱材料，爐門及爐體膨脹縫密封材料、鑄鋁模型內(nèi)襯、微晶玻璃與熱熔玻璃的脫膜、高溫密封墊片、儀器設(shè)備加熱裝置的隔熱及電絕緣材料、汽車的消聲、排氣管等，為工業(yè)工程的發(fā)展提供了便利。

2.2 硅酸鋁纖維板

硅酸鋁纖維板制作工藝為濕法真空成型工藝，其特點(diǎn)是輕質(zhì)、耐高溫、韌性好、尺寸精確、表面平整、易安裝、切割、性能比較穩(wěn)定，適合大面積生產(chǎn)和應(yīng)用。硅酸鋁纖維板有著安全無毒、導(dǎo)熱系數(shù)較低、抗侵蝕性能好、使用壽命長(zhǎng)及力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是取代石棉的新型保溫材料，常用于窯爐等。龍吉華以無水氯化鋁和正硅酸乙酯為原料制備出硅酸鋁纖維氈后，浸漬在二氧化硅溶膠中，用膠凝化處理后得到復(fù)合隔熱材料。復(fù)合氣凝膠后，減少了空隙，降低了孔洞間空氣分子的碰撞頻率，以及氣體的對(duì)流，即減少了對(duì)流傳導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合后的纖維氈隔熱性能更好，制備出的復(fù)合材料兼具柔性好和抗拉強(qiáng)度好的特點(diǎn)，且導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.057 5 W/（m·K）。張娜等[10]用水將硅酸鋁纖維除渣，將隔熱添加劑和結(jié)合劑混合均勻后通過固化成型、真空吸濾、干燥的工藝制備成復(fù)合硅酸鋁纖維板。實(shí)驗(yàn)中的六鈦酸鉀晶須的隔熱性能和紅外線反射性能較好，添加適量的六鈦酸鉀晶須后熱導(dǎo)率降低，這是因?yàn)榧尤氲奶砑觿┳柚沽死w維內(nèi)的氣孔互通，減小了對(duì)流傳導(dǎo)，也減少了輻射傳熱；當(dāng)熱導(dǎo)率低到一定值時(shí)，繼續(xù)添加六鈦酸鉀晶須后的熱導(dǎo)率不降反增，這是因?yàn)楣滔嗪窟^多也會(huì)使材料的固相傳熱增加，熱導(dǎo)率提高。因此制備出合適體積密度的材料是保溫隔熱材料性能的必要條件之一，當(dāng)體積密度為200 g/cm3時(shí)，熱導(dǎo)率達(dá)到最小，再添加60%的六鈦酸鉀晶須時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最小。

祝詩(shī)洋等[11]用溶膠凝膠法制備不同C/Si比的SiOC氣凝膠，使用大氣噴涂法在硅酸鋁纖維氈上制備出復(fù)合硅酸鋁纖維氈保溫隔熱材料，隨著C/Si比的增大其密度和熱導(dǎo)率先降低后提高，C/Si比為0.67的材料熱導(dǎo)率最低。單一的硅酸鋁纖維氈強(qiáng)度低，單獨(dú)使用易被破壞，加入氣凝膠后，拓寬了材料的使用范圍。SiOC氣凝膠能夠?qū)⒐杷徜X纖維氈浸漬均勻，填充纖維氈的孔隙。這種材料有著質(zhì)輕、隔熱、耐高溫和抗氧化的優(yōu)點(diǎn)，與硅酸鋁纖維氈復(fù)合后還具有良好的疏水性能、柔性和低熱導(dǎo)率。

傳統(tǒng)保溫材料硅鈣板有著低溫下保溫隔熱效果好的特點(diǎn)，但相同高溫環(huán)境下的焚燒實(shí)驗(yàn)中，硅鈣板燒失量高、強(qiáng)度損失率大，因此當(dāng)火災(zāi)來臨時(shí)，硅鈣板將同時(shí)失去強(qiáng)度和隔熱性能，熱量傳導(dǎo)過載，風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)硅鈣板還有質(zhì)量重的缺點(diǎn)。與硅鈣板相比，硅酸鋁纖維板防火性能好，導(dǎo)熱系數(shù)低，質(zhì)量輕，因此無論在安全角度、環(huán)保角度還是施工角度均優(yōu)于硅鈣板。

2.3 硅酸鋁纖維氈制品

硅酸鋁纖維制作工藝是以焦寶石為主要原料，經(jīng)2 100 ℃高溫熔化后，用高速離心法或噴吹法等工藝加工制成的棉絲狀無機(jī)纖維。與硅酸鋁纖維板相比重量輕穩(wěn)定性好，具有柔、輕、富有彈性等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在曲折度較高的建筑物上。對(duì)于硅酸鋁纖維氈來說，纖維內(nèi)部有很多空隙，因此氣體傳導(dǎo)是纖維氈材料熱傳導(dǎo)的主要因素。制備硅酸鋁復(fù)合纖維板的防火機(jī)理是：外加劑與纖維氈復(fù)合后，漿料包裹在纖維上，遇到高溫時(shí)，起到纖維氈內(nèi)纖維的連接作用。理論上，纖維氈的密度越大，其固相傳熱越大，熱導(dǎo)率越高，因此控制原材料的品質(zhì)也是制備硅酸鋁保溫板材料的重要部分。

將硅酸鋁材料與無機(jī)材料復(fù)合后得到硅酸鋁復(fù)合無機(jī)材料，對(duì)其進(jìn)行火燒實(shí)驗(yàn)。使用火槍在距離硅酸鋁復(fù)合無機(jī)材料約5 cm處進(jìn)行火燒實(shí)驗(yàn)，火燒時(shí)間為1 min，溫度約為1 000 ℃?；馃龑?shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，繼續(xù)延長(zhǎng)火燒時(shí)間，發(fā)現(xiàn)材料表面仍未有變黑和冒黑煙的情況出現(xiàn)?？梢钥闯?，其在短時(shí)間的火燒試驗(yàn)后，表面無任何變黑情況，且無黑煙和其他有毒氣體和異味冒出，這說明火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能達(dá)到短時(shí)間內(nèi)燒不穿，若利用此種材料作為防火材料，那么在逃生過程的危險(xiǎn)系數(shù)將大大降低。

圖1 硅酸鋁復(fù)合無機(jī)材料火燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了繼續(xù)深入研究，將硅酸鋁復(fù)合有機(jī)結(jié)合劑的板進(jìn)行同樣火燒實(shí)驗(yàn)，溫度約為1 000 ℃，火槍在距離硅酸鋁復(fù)合有機(jī)材料約5 cm處進(jìn)行灼燒，當(dāng)火苗在接觸板面的瞬間，板面迅速變黑，且有大量黑煙冒出，火燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 硅酸鋁復(fù)合有機(jī)材料火燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明若將硅酸鋁與無機(jī)材料復(fù)合并將其應(yīng)用到建筑物中，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)墻體的防火層不易被燒穿，且不會(huì)讓人們?cè)谔由^程中吸入大量黑煙導(dǎo)致身體危害。此外，硅酸鋁纖維氈也能用來撲滅小范圍內(nèi)的火苗，達(dá)到有效的防火控火滅火。

2.4 其他硅酸鋁纖維制品

在新型材料研發(fā)領(lǐng)域，單一的某種材料一般很難達(dá)到多種要求，為了得到高強(qiáng)度和低熱導(dǎo)率的隔熱材料，常常將硅酸鋁纖維和其他組分進(jìn)行物理或化學(xué)復(fù)合，復(fù)合后的硅酸鋁材料在強(qiáng)度、防火性等多個(gè)方面均有不同程度的提高。姚紅艷等[12]制備了硅酸鋁纖維/石英復(fù)合隔熱材料，為浸漿、真空壓制、膠凝化處理這3個(gè)步驟，研究表明采用真空浸漬技術(shù)并進(jìn)行800 ℃熱處理后的材料有著很好的性能，最高耐受溫度可達(dá)到1 200 ℃。

硅酸鋁纖維還能用于包裝材料的制備，張帆等[13]先用水將硅酸鋁纖維分散后再進(jìn)行水洗除渣，混合膠黏劑和隔熱添加劑形成混合醬料，再進(jìn)行真空抽濾、成型、干燥這3個(gè)步驟，制備出了一種氣凝膠/硅酸鋁纖維包裝材料，測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)為0.016 4 W/（m·K），其趨勢(shì)是隨著體積密度的增加先降低后升高，在51.29～55.09 mg/cm3有最低導(dǎo)熱系數(shù)，為0.013 W/（m·K），且氣凝膠的增加也能使得導(dǎo)熱系數(shù)變小，研究發(fā)現(xiàn)硅溶膠對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)影響較小。

研究硅酸鋁材料的性能，不僅要研究原材料的特性，也可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)。李連洲[14]利用可燃物與硅酸鋁混合成型后，進(jìn)行煅燒處理，可燃物在硅酸鋁內(nèi)被燒點(diǎn)形成孔狀結(jié)構(gòu)形成多孔保溫材料。原料采用天然高嶺土和高熔點(diǎn)黏土，在配料中加入像泥煤、腐泥、木質(zhì)素等可燃物作造孔劑，試驗(yàn)表明當(dāng)腐泥摻入量為40%、熱處理溫度在1 100 ℃時(shí)，材料的理化性能最佳，此時(shí)熱導(dǎo)系數(shù)為0.52 W/（m·K），耐壓為3.5 MPa，最高使用溫度可達(dá)1 400 ℃。

對(duì)建筑保溫材料有強(qiáng)度要求的可以制備硅酸鋁纖維板，但為了簡(jiǎn)單方便，有時(shí)會(huì)選擇保溫涂料來進(jìn)行施工。有一種與硅酸鋁纖維復(fù)合的保溫涂料[15]，用硅酸鋁纖維取代海泡石和石棉，使涂料既有良好的涂抹性和黏結(jié)性又有較小的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。其制作工藝是將硅酸鋁纖維作為主要原材料，加入填充材料及一些助劑，經(jīng)過打漿、發(fā)泡、攪拌等工藝制成膏狀保溫涂料。保溫涂料的優(yōu)點(diǎn)是施工方便、節(jié)約用料且隔熱性能好，與海泡石類的保溫涂料相比，更有著輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)低、黏結(jié)力好等優(yōu)點(diǎn)，在相同的環(huán)境下，復(fù)合硅酸鋁纖維保溫涂料有著明顯的節(jié)能效果和降溫效果，這對(duì)保溫涂料的應(yīng)用和發(fā)展有著重要的意義。

為了提高硅橡膠的防火性能，賴亮慶等[16]將硅酸鋁纖維和硅橡膠進(jìn)行復(fù)合，將硅酸鋁纖維加入硅橡膠中，用量越多，力學(xué)性能越差，防火性能越好，實(shí)驗(yàn)中制備的厚度為6 mm的樣片，在1 100 ℃的火焰灼燒15 min不被燒穿。當(dāng)火焰將硅橡膠燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二氧化硅等硅質(zhì)無機(jī)物，這些無機(jī)物可以留在表層形成阻礙防止進(jìn)一步燃燒，且二氧化硅和硅酸鋁纖維的熔融狀態(tài)也能鏈接復(fù)合材料的整體，燃燒產(chǎn)物Al2O3-SiO2更堅(jiān)硬、致密、耐燒，有穩(wěn)固作用。硅酸鋁纖維是熱導(dǎo)率較低的材料，加入硅橡膠后，復(fù)合材料整體的熱導(dǎo)率大大降低，減少了傳熱速率，為硅橡膠的分解爭(zhēng)取了時(shí)間。

3 結(jié)語與展望

現(xiàn)如今，越來越多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)均開展了硅酸鋁纖維的研發(fā)制備工作，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、日本等國(guó)家在該領(lǐng)域的研究成果較多，技術(shù)也較為先進(jìn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣，其各項(xiàng)研究成果已應(yīng)用于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)件的隔熱層、機(jī)翼前緣、端帽燒蝕防護(hù)層、排氣通道熱防護(hù)層、儀器設(shè)備的防火層、發(fā)射器的隔熱板等。

而在我國(guó)，硅酸鋁保溫材料的廣泛應(yīng)用是一種必然發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的隔熱保溫材料中大部分為可燃材料，在使用過程中，只能起到保溫作用，火災(zāi)來臨時(shí)損失慘重。使用硅酸鋁材料制備保溫層的特點(diǎn)是使外墻保溫板可以兼顧防火和隔熱保溫。由于硅酸鋁材料的防火保溫性能優(yōu)異，因此未來有望于替換傳統(tǒng)保溫隔熱材料，也可應(yīng)用于建筑外墻內(nèi)、外保溫和屋頂保溫等。硅酸鋁耐火性能好，但力學(xué)性能較差，為了讓硅酸鋁材料的實(shí)用性更高，可以選擇與強(qiáng)度高的其他材料和外加劑復(fù)合，復(fù)合后成為集防火、保溫、隔熱功能于一體的新型建筑材料，還能減輕傳統(tǒng)單一保溫隔熱板質(zhì)量重的缺點(diǎn)，成品可應(yīng)用于建筑高層。利用硅酸鋁材料的防火特性來延長(zhǎng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)建筑物的燒毀時(shí)間，利用復(fù)合后硅酸鋁材料的強(qiáng)度支撐建筑物防止坍塌，當(dāng)復(fù)合材料全部為無機(jī)材料時(shí)，遭遇火災(zāi)的保溫板不會(huì)釋放有毒氣體與黑煙，從而給人們爭(zhēng)取更多逃生時(shí)間。除了發(fā)生火災(zāi)時(shí)不會(huì)釋放有毒氣體與黑煙，硅酸鋁纖維制品對(duì)于日常的保溫隔熱也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

環(huán)境惡劣導(dǎo)致的全球變暖問題越來越嚴(yán)重，生活在空調(diào)房里的人越來越多，密閉的空間里，同樣的空氣被反復(fù)制冷或制熱，空氣無法流動(dòng)，細(xì)菌病菌無法出去，長(zhǎng)時(shí)間下來人們易得“空調(diào)病”。將硅酸鋁材料應(yīng)用于墻體保溫隔熱中，理論上可以降低使用空調(diào)的時(shí)間和次數(shù)，既能保護(hù)環(huán)境又能保護(hù)人們身體健康。在建筑物中使用硅酸鋁材料可以達(dá)到節(jié)能、發(fā)展綠色建筑的目的，為新型綠色建筑材料的發(fā)展和應(yīng)用拓寬了市場(chǎng)。