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

隨著科技的進步和建筑行業的發展，以及國家的倡導和社會各界人士的號召，人們越來越注重節能環保、低碳生活，在建筑領域也逐漸顯露出傳統保溫材料存在的諸多缺點。如，傳統保溫材料導熱系數大、質量重、厚度大，且具有一定的吸水性，但保溫材料吸水后對其保溫性能及強度均有一定影響，研究人員為此做出了多項研究。張標富[1]對透水巖棉的吸水能力進行了研究探索，研究發現巖棉的吸水率高達90%，且密度越小其吸水率、透水性越大，保水能力越差。姚夢佳等[2]通過多方調研指明了保溫涂料目前存在的不足，如涂料隔熱性能的測試方法并不規范，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驗結果證明了復合后的EPS保溫板的力學性能較好，且黏接強度也有了較好的提高。毛戰紅[4]對不同種類的硅鈣板進行了導熱系數的測定研究，測試了不同種類硅鈣板在不同溫度下導熱系數最小時的最佳密度，對硅鈣板進行噴涂、復合有阻擋或反射作用的材料來降低其導熱系數。

1 硅酸鋁纖維材料

硅酸鋁纖維材料在工業中已有40年的使用歷史，從耐熱材料到隔熱材料的發展，其應用領域已廣泛涉及能源、冶金及建筑新型隔熱材料中[5]。作為一種輕質、節能、防火的陶瓷纖維，其有著比熱容小、穩定性好、受熱膨脹小、耐酸堿、化學穩定性好、吸聲型好、熱導率低[≤0.128 W/（m·K）]的優點，是一種新型的防火材料，可在1 000 ℃以上環境下使用，在溫度達到1 300 ℃時，仍然能保持較好的性能。其導熱機理有熱傳導、對流、輻射這3種，熱傳導又分為固體傳導和氣體傳導[6]。

硅酸鋁纖維材料主要化學成分有：SiO2（48%～52%）、Al2O3（43%～49%）、Fe2O3（0.9%～0.13%）、CaO（＜1%）和微量的MgO。其性能與多種參數相關，如纖維的組成和性能、膠黏劑性能、制造工藝參數（如溫度）等。當某一參數改變時，其性能變化大；當真空濕法制備的硅酸鋁纖維氈經過高溫處理后，其彎曲強度有了很大的提高，但由于其本身就是防火材料，因此燒結溫度的大小一般不會影響材料的性能。在實際應用中，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，一般應用于建筑、冶金、化工、航空的保溫隔熱材料中，其性能優良，發展前景十分廣闊[7]。硅酸鋁纖維材料的發展趨勢是薄，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很難均勻分散，因此趙傳山等[8]針對纖維紙在制備時強度低、難打散的問題進行了探討，提出了在制備過程中加入了分散劑和增強劑等，將紙漿疏解后進行抄片、干燥等工藝。探究了纖維打漿度和分散劑對分散性的影響和提高硅酸鋁纖維強度的方法，關于分散性的實驗結果表明，當纖維濃度為0.6%、纖維疏解時間為2 min、分散劑添加量為2%時，分散性較好。趙傳山等[9]對不同環境下的耐溫硅酸鋁纖維紙的紙業結構及強度進行分析，結果表明添加聚乙烯醇（PVA）可以穩定紙張緊度，添加陶瓷基復合材料（ceramic matrix composite，CMC）可以提高強度，對于無機膠凝劑來說，常溫下改性酚醛樹脂黏結效果最好，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境下的隔熱、保溫、密封、電絕緣、吸音、過濾等，如用于各種工業爐及鋼水包、鑄桶、浸入式水口的高溫隔熱材料、工業電爐的電絕緣及隔熱材料，爐門及爐體膨脹縫密封材料、鑄鋁模型內襯、微晶玻璃與熱熔玻璃的脫膜、高溫密封墊片、儀器設備加熱裝置的隔熱及電絕緣材料、汽車的消聲、排氣管等，為工業工程的發展提供了便利。

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，其特點是輕質、耐高溫、韌性好、尺寸精確、表面平整、易安裝、切割、性能比較穩定，適合大面積生產和應用。硅酸鋁纖維板有著安全無毒、導熱系數較低、抗侵蝕性能好、使用壽命長及力學性能好等優點，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合隔熱材料。復合氣凝膠后，減少了空隙，降低了孔洞間空氣分子的碰撞頻率，以及氣體的對流，即減少了對流傳導。研究發現，復合后的纖維氈隔熱性能更好，制備出的復合材料兼具柔性好和抗拉強度好的特點，且導熱系數僅為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合硅酸鋁纖維板。實驗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率降低，這是因為加入的添加劑阻止了纖維內的氣孔互通，減小了對流傳導，也減少了輻射傳熱；當熱導率低到一定值時，繼續添加六鈦酸鉀晶須后的熱導率不降反增，這是因為固相含量過多也會使材料的固相傳熱增加，熱導率提高。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，當體積密度為200 g/cm3時，熱導率達到最小，再添加60%的六鈦酸鉀晶須時導熱系數最小。

祝詩洋等[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率先降低后提高，C/Si比為0.67的材料熱導率最低。單一的硅酸鋁纖維氈強度低，單獨使用易被破壞，加入氣凝膠后，拓寬了材料的使用范圍。SiOC氣凝膠能夠將硅酸鋁纖維氈浸漬均勻，填充纖維氈的孔隙。這種材料有著質輕、隔熱、耐高溫和抗氧化的優點，與硅酸鋁纖維氈復合后還具有良好的疏水性能、柔性和低熱導率。

傳統保溫材料硅鈣板有著低溫下保溫隔熱效果好的特點，但相同高溫環境下的焚燒實驗中，硅鈣板燒失量高、強度損失率大，因此當火災來臨時，硅鈣板將同時失去強度和隔熱性能，熱量傳導過載，風險大，同時硅鈣板還有質量重的缺點。與硅鈣板相比，硅酸鋁纖維板防火性能好，導熱系數低，質量輕，因此無論在安全角度、環保角度還是施工角度均優于硅鈣板。

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纖維。與硅酸鋁纖維板相比重量輕穩定性好，具有柔、輕、富有彈性等特點，可以應用在曲折度較高的建筑物上。對于硅酸鋁纖維氈來說，纖維內部有很多空隙，因此氣體傳導是纖維氈材料熱傳導的主要因素。制備硅酸鋁復合纖維板的防火機理是：外加劑與纖維氈復合后，漿料包裹在纖維上，遇到高溫時，起到纖維氈內纖維的連接作用。理論上，纖維氈的密度越大，其固相傳熱越大，熱導率越高，因此控制原材料的品質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材料復合后得到硅酸鋁復合無機材料，對其進行火燒實驗。使用火槍在距離硅酸鋁復合無機材料約5 cm處進行火燒實驗，火燒時間為1 min，溫度約為1 000 ℃。火燒實驗結果如圖1所示，繼續延長火燒時間，發現材料表面仍未有變黑和冒黑煙的情況出現。可以看出，其在短時間的火燒試驗后，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，這說明火災發生時，能達到短時間內燒不穿，若利用此種材料作為防火材料，那么在逃生過程的危險系數將大大降低。

圖1 硅酸鋁復合無機材料火燒實驗結果

為了繼續深入研究，將硅酸鋁復合有機結合劑的板進行同樣火燒實驗，溫度約為1 000 ℃，火槍在距離硅酸鋁復合有機材料約5 cm處進行灼燒，當火苗在接觸板面的瞬間，板面迅速變黑，且有大量黑煙冒出，火燒實驗結果如圖2所示。

圖2 硅酸鋁復合有機材料火燒實驗結果

以上實驗能說明若將硅酸鋁與無機材料復合并將其應用到建筑物中，在火災發生時墻體的防火層不易被燒穿，且不會讓人們在逃生過程中吸入大量黑煙導致身體危害。此外，硅酸鋁纖維氈也能用來撲滅小范圍內的火苗，達到有效的防火控火滅火。

2.4 其他硅酸鋁纖維制品

在新型材料研發領域，單一的某種材料一般很難達到多種要求，為了得到高強度和低熱導率的隔熱材料，常常將硅酸鋁纖維和其他組分進行物理或化學復合，復合后的硅酸鋁材料在強度、防火性等多個方面均有不同程度的提高。姚紅艷等[12]制備了硅酸鋁纖維/石英復合隔熱材料，為浸漿、真空壓制、膠凝化處理這3個步驟，研究表明采用真空浸漬技術并進行800 ℃熱處理后的材料有著很好的性能，最高耐受溫度可達到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行水洗除渣，混合膠黏劑和隔熱添加劑形成混合醬料，再進行真空抽濾、成型、干燥這3個步驟，制備出了一種氣凝膠/硅酸鋁纖維包裝材料，測試導熱系數為0.016 4 W/（m·K），其趨勢是隨著體積密度的增加先降低后升高，在51.29～55.09 mg/cm3有最低導熱系數，為0.013 W/（m·K），且氣凝膠的增加也能使得導熱系數變小，研究發現硅溶膠對材料導熱系數影響較小。

研究硅酸鋁材料的性能，不僅要研究原材料的特性，也可以從結構設計角度出發。李連洲[14]利用可燃物與硅酸鋁混合成型后，進行煅燒處理，可燃物在硅酸鋁內被燒點形成孔狀結構形成多孔保溫材料。原料采用天然高嶺土和高熔點黏土，在配料中加入像泥煤、腐泥、木質素等可燃物作造孔劑，試驗表明當腐泥摻入量為40%、熱處理溫度在1 100 ℃時，材料的理化性能最佳，此時熱導系數為0.52 W/（m·K），耐壓為3.5 MPa，最高使用溫度可達1 400 ℃。

對建筑保溫材料有強度要求的可以制備硅酸鋁纖維板，但為了簡單方便，有時會選擇保溫涂料來進行施工。有一種與硅酸鋁纖維復合的保溫涂料[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性又有較小的密度和導熱系數。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，經過打漿、發泡、攪拌等工藝制成膏狀保溫涂料。保溫涂料的優點是施工方便、節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、導熱系數低、黏結力好等優點，在相同的環境下，復合硅酸鋁纖維保溫涂料有著明顯的節能效果和降溫效果，這對保溫涂料的應用和發展有著重要的意義。

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行復合，將硅酸鋁纖維加入硅橡膠中，用量越多，力學性能越差，防火性能越好，實驗中制備的厚度為6 mm的樣片，在1 100 ℃的火焰灼燒15 min不被燒穿。當火焰將硅橡膠燃燒時，會產生二氧化硅等硅質無機物，這些無機物可以留在表層形成阻礙防止進一步燃燒，且二氧化硅和硅酸鋁纖維的熔融狀態也能鏈接復合材料的整體，燃燒產物Al2O3-SiO2更堅硬、致密、耐燒，有穩固作用。硅酸鋁纖維是熱導率較低的材料，加入硅橡膠后，復合材料整體的熱導率大大降低，減少了傳熱速率，為硅橡膠的分解爭取了時間。

3 結語與展望

現如今，越來越多國家的研究機構均開展了硅酸鋁纖維的研發制備工作，美國、俄羅斯、英國、日本等國家在該領域的研究成果較多，技術也較為先進，在航空航天領域應用最廣，其各項研究成果已應用于飛行器發動機件的隔熱層、機翼前緣、端帽燒蝕防護層、排氣通道熱防護層、儀器設備的防火層、發射器的隔熱板等。

而在我國，硅酸鋁保溫材料的廣泛應用是一種必然發展趨勢，傳統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，火災來臨時損失慘重。使用硅酸鋁材料制備保溫層的特點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異，因此未來有望于替換傳統保溫隔熱材料，也可應用于建筑外墻內、外保溫和屋頂保溫等。硅酸鋁耐火性能好，但力學性能較差，為了讓硅酸鋁材料的實用性更高，可以選擇與強度高的其他材料和外加劑復合，復合后成為集防火、保溫、隔熱功能于一體的新型建筑材料，還能減輕傳統單一保溫隔熱板質量重的缺點，成品可應用于建筑高層。利用硅酸鋁材料的防火特性來延長火災發生時建筑物的燒毀時間，利用復合后硅酸鋁材料的強度支撐建筑物防止坍塌，當復合材料全部為無機材料時，遭遇火災的保溫板不會釋放有毒氣體與黑煙，從而給人們爭取更多逃生時間。除了發生火災時不會釋放有毒氣體與黑煙，硅酸鋁纖維制品對于日常的保溫隔熱也表現出優異的性能。

環境惡劣導致的全球變暖問題越來越嚴重，生活在空調房里的人越來越多，密閉的空間里，同樣的空氣被反復制冷或制熱，空氣無法流動，細菌病菌無法出去，長時間下來人們易得“空調病”。將硅酸鋁材料應用于墻體保溫隔熱中，理論上可以降低使用空調的時間和次數，既能保護環境又能保護人們身體健康。在建筑物中使用硅酸鋁材料可以達到節能、發展綠色建筑的目的，為新型綠色建筑材料的發展和應用拓寬了市場。