硅酸铝材料制品综述

张宗军，赵宝军，吴 琛，杨 晗，谭 鹏

（中建海龙科技有限公司 广东 深圳 518000）

0 引言

随着科技的进步和建筑行业的发展，以及国家的倡导和社会各界人士的号召，人们越来越注重节能环保、低碳生活，在建筑领域也逐渐显露出传统保温材料存在的诸多缺点。如，传统保温材料导热系数大、质量重、厚度大，且具有一定的吸水性，但保温材料吸水后对其保温性能及强度均有一定影响，研究人员为此做出了多项研究。张标富[1]对透水岩棉的吸水能力进行了研究探索，研究发现岩棉的吸水率高达90%，且密度越小其吸水率、透水性越大，保水能力越差。姚梦佳等[2]通过多方调研指明了保温涂料目前存在的不足，如涂料隔热性能的测试方法并不规范，且光热反射和辐射的研究仍存在不足，即使选择了性能更好的纳米材料也未彻底解决分散问题等。雷敏[3]提出了针对单一聚苯乙烯泡沫（expanded polystyrene，EPS）保温板掺入玄武岩纤维织物和胶黏剂来提升，通过有限元分析和实验结果证明了复合后的EPS保温板的力学性能较好，且黏接强度也有了较好的提高。毛战红[4]对不同种类的硅钙板进行了导热系数的测定研究，测试了不同种类硅钙板在不同温度下导热系数最小时的最佳密度，对硅钙板进行喷涂、复合有阻挡或反射作用的材料来降低其导热系数。

1 硅酸铝纤维材料

硅酸铝纤维材料在工业中已有40年的使用历史，从耐热材料到隔热材料的发展，其应用领域已广泛涉及能源、冶金及建筑新型隔热材料中[5]。作为一种轻质、节能、防火的陶瓷纤维，其有着比热容小、稳定性好、受热膨胀小、耐酸碱、化学稳定性好、吸声型好、热导率低[≤0.128 W/（m·K）]的优点，是一种新型的防火材料，可在1 000 ℃以上环境下使用，在温度达到1 300 ℃时，仍然能保持较好的性能。其导热机理有热传导、对流、辐射这3种，热传导又分为固体传导和气体传导[6]。

硅酸铝纤维材料主要化学成分有：SiO2（48%～52%）、Al2O3（43%～49%）、Fe2O3（0.9%～0.13%）、CaO（＜1%）和微量的MgO。其性能与多种参数相关，如纤维的组成和性能、胶黏剂性能、制造工艺参数（如温度）等。当某一参数改变时，其性能变化大；当真空湿法制备的硅酸铝纤维毡经过高温处理后，其弯曲强度有了很大的提高，但由于其本身就是防火材料，因此烧结温度的大小一般不会影响材料的性能。在实际应用中，硅酸铝纤维可制成多种制品，如硅酸铝纤维毡、硅酸铝纤维板和硅酸铝纤维纸等。

2 硅酸铝纤维制品

2.1 硅酸铝纤维纸

硅酸铝耐火纤维纸是以硅酸铝耐火纤维作为原料，按造纸工艺制成的隔热耐火纤维制品，一般应用于建筑、冶金、化工、航空的保温隔热材料中，其性能优良，发展前景十分广阔[7]。硅酸铝纤维材料的发展趋势是薄，但在制备硅酸铝纤维纸的过程中，由于硅酸铝纤维中的电荷使得在打散时很难均匀分散，因此赵传山等[8]针对纤维纸在制备时强度低、难打散的问题进行了探讨，提出了在制备过程中加入了分散剂和增强剂等，将纸浆疏解后进行抄片、干燥等工艺。探究了纤维打浆度和分散剂对分散性的影响和提高硅酸铝纤维强度的方法，关于分散性的实验结果表明，当纤维浓度为0.6%、纤维疏解时间为2 min、分散剂添加量为2%时，分散性较好。赵传山等[9]对不同环境下的耐温硅酸铝纤维纸的纸业结构及强度进行分析，结果表明添加聚乙烯醇（PVA）可以稳定纸张紧度，添加陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，CMC）可以提高强度，对于无机胶凝剂来说，常温下改性酚醛树脂黏结效果最好，剂量添加相同情况下，水玻璃更好。

硅酸铝纤维纸适用于高温环境下的隔热、保温、密封、电绝缘、吸音、过滤等，如用于各种工业炉及钢水包、铸桶、浸入式水口的高温隔热材料、工业电炉的电绝缘及隔热材料，炉门及炉体膨胀缝密封材料、铸铝模型内衬、微晶玻璃与热熔玻璃的脱膜、高温密封垫片、仪器设备加热装置的隔热及电绝缘材料、汽车的消声、排气管等，为工业工程的发展提供了便利。

2.2 硅酸铝纤维板

硅酸铝纤维板制作工艺为湿法真空成型工艺，其特点是轻质、耐高温、韧性好、尺寸精确、表面平整、易安装、切割、性能比较稳定，适合大面积生产和应用。硅酸铝纤维板有着安全无毒、导热系数较低、抗侵蚀性能好、使用寿命长及力学性能好等优点，是取代石棉的新型保温材料，常用于窑炉等。龙吉华以无水氯化铝和正硅酸乙酯为原料制备出硅酸铝纤维毡后，浸渍在二氧化硅溶胶中，用胶凝化处理后得到复合隔热材料。复合气凝胶后，减少了空隙，降低了孔洞间空气分子的碰撞频率，以及气体的对流，即减少了对流传导。研究发现，复合后的纤维毡隔热性能更好，制备出的复合材料兼具柔性好和抗拉强度好的特点，且导热系数仅为0.057 5 W/（m·K）。张娜等[10]用水将硅酸铝纤维除渣，将隔热添加剂和结合剂混合均匀后通过固化成型、真空吸滤、干燥的工艺制备成复合硅酸铝纤维板。实验中的六钛酸钾晶须的隔热性能和红外线反射性能较好，添加适量的六钛酸钾晶须后热导率降低，这是因为加入的添加剂阻止了纤维内的气孔互通，减小了对流传导，也减少了辐射传热；当热导率低到一定值时，继续添加六钛酸钾晶须后的热导率不降反增，这是因为固相含量过多也会使材料的固相传热增加，热导率提高。因此制备出合适体积密度的材料是保温隔热材料性能的必要条件之一，当体积密度为200 g/cm3时，热导率达到最小，再添加60%的六钛酸钾晶须时导热系数最小。

祝诗洋等[11]用溶胶凝胶法制备不同C/Si比的SiOC气凝胶，使用大气喷涂法在硅酸铝纤维毡上制备出复合硅酸铝纤维毡保温隔热材料，随着C/Si比的增大其密度和热导率先降低后提高，C/Si比为0.67的材料热导率最低。单一的硅酸铝纤维毡强度低，单独使用易被破坏，加入气凝胶后，拓宽了材料的使用范围。SiOC气凝胶能够将硅酸铝纤维毡浸渍均匀，填充纤维毡的孔隙。这种材料有着质轻、隔热、耐高温和抗氧化的优点，与硅酸铝纤维毡复合后还具有良好的疏水性能、柔性和低热导率。

传统保温材料硅钙板有着低温下保温隔热效果好的特点，但相同高温环境下的焚烧实验中，硅钙板烧失量高、强度损失率大，因此当火灾来临时，硅钙板将同时失去强度和隔热性能，热量传导过载，风险大，同时硅钙板还有质量重的缺点。与硅钙板相比，硅酸铝纤维板防火性能好，导热系数低，质量轻，因此无论在安全角度、环保角度还是施工角度均优于硅钙板。

2.3 硅酸铝纤维毡制品

硅酸铝纤维制作工艺是以焦宝石为主要原料，经2 100 ℃高温熔化后，用高速离心法或喷吹法等工艺加工制成的棉丝状无机纤维。与硅酸铝纤维板相比重量轻稳定性好，具有柔、轻、富有弹性等特点，可以应用在曲折度较高的建筑物上。对于硅酸铝纤维毡来说，纤维内部有很多空隙，因此气体传导是纤维毡材料热传导的主要因素。制备硅酸铝复合纤维板的防火机理是：外加剂与纤维毡复合后，浆料包裹在纤维上，遇到高温时，起到纤维毡内纤维的连接作用。理论上，纤维毡的密度越大，其固相传热越大，热导率越高，因此控制原材料的品质也是制备硅酸铝保温板材料的重要部分。

将硅酸铝材料与无机材料复合后得到硅酸铝复合无机材料，对其进行火烧实验。使用火枪在距离硅酸铝复合无机材料约5 cm处进行火烧实验，火烧时间为1 min，温度约为1 000 ℃。火烧实验结果如图1所示，继续延长火烧时间，发现材料表面仍未有变黑和冒黑烟的情况出现。可以看出，其在短时间的火烧试验后，表面无任何变黑情况，且无黑烟和其他有毒气体和异味冒出，这说明火灾发生时，能达到短时间内烧不穿，若利用此种材料作为防火材料，那么在逃生过程的危险系数将大大降低。

图1 硅酸铝复合无机材料火烧实验结果

为了继续深入研究，将硅酸铝复合有机结合剂的板进行同样火烧实验，温度约为1 000 ℃，火枪在距离硅酸铝复合有机材料约5 cm处进行灼烧，当火苗在接触板面的瞬间，板面迅速变黑，且有大量黑烟冒出，火烧实验结果如图2所示。

图2 硅酸铝复合有机材料火烧实验结果

以上实验能说明若将硅酸铝与无机材料复合并将其应用到建筑物中，在火灾发生时墙体的防火层不易被烧穿，且不会让人们在逃生过程中吸入大量黑烟导致身体危害。此外，硅酸铝纤维毡也能用来扑灭小范围内的火苗，达到有效的防火控火灭火。

2.4 其他硅酸铝纤维制品

在新型材料研发领域，单一的某种材料一般很难达到多种要求，为了得到高强度和低热导率的隔热材料，常常将硅酸铝纤维和其他组分进行物理或化学复合，复合后的硅酸铝材料在强度、防火性等多个方面均有不同程度的提高。姚红艳等[12]制备了硅酸铝纤维/石英复合隔热材料，为浸浆、真空压制、胶凝化处理这3个步骤，研究表明采用真空浸渍技术并进行800 ℃热处理后的材料有着很好的性能，最高耐受温度可达到1 200 ℃。

硅酸铝纤维还能用于包装材料的制备，张帆等[13]先用水将硅酸铝纤维分散后再进行水洗除渣，混合胶黏剂和隔热添加剂形成混合酱料，再进行真空抽滤、成型、干燥这3个步骤，制备出了一种气凝胶/硅酸铝纤维包装材料，测试导热系数为0.016 4 W/（m·K），其趋势是随着体积密度的增加先降低后升高，在51.29～55.09 mg/cm3有最低导热系数，为0.013 W/（m·K），且气凝胶的增加也能使得导热系数变小，研究发现硅溶胶对材料导热系数影响较小。

研究硅酸铝材料的性能，不仅要研究原材料的特性，也可以从结构设计角度出发。李连洲[14]利用可燃物与硅酸铝混合成型后，进行煅烧处理，可燃物在硅酸铝内被烧点形成孔状结构形成多孔保温材料。原料采用天然高岭土和高熔点黏土，在配料中加入像泥煤、腐泥、木质素等可燃物作造孔剂，试验表明当腐泥掺入量为40%、热处理温度在1 100 ℃时，材料的理化性能最佳，此时热导系数为0.52 W/（m·K），耐压为3.5 MPa，最高使用温度可达1 400 ℃。

对建筑保温材料有强度要求的可以制备硅酸铝纤维板，但为了简单方便，有时会选择保温涂料来进行施工。有一种与硅酸铝纤维复合的保温涂料[15]，用硅酸铝纤维取代海泡石和石棉，使涂料既有良好的涂抹性和黏结性又有较小的密度和导热系数。其制作工艺是将硅酸铝纤维作为主要原材料，加入填充材料及一些助剂，经过打浆、发泡、搅拌等工艺制成膏状保温涂料。保温涂料的优点是施工方便、节约用料且隔热性能好，与海泡石类的保温涂料相比，更有着轻质、导热系数低、黏结力好等优点，在相同的环境下，复合硅酸铝纤维保温涂料有着明显的节能效果和降温效果，这对保温涂料的应用和发展有着重要的意义。

为了提高硅橡胶的防火性能，赖亮庆等[16]将硅酸铝纤维和硅橡胶进行复合，将硅酸铝纤维加入硅橡胶中，用量越多，力学性能越差，防火性能越好，实验中制备的厚度为6 mm的样片，在1 100 ℃的火焰灼烧15 min不被烧穿。当火焰将硅橡胶燃烧时，会产生二氧化硅等硅质无机物，这些无机物可以留在表层形成阻碍防止进一步燃烧，且二氧化硅和硅酸铝纤维的熔融状态也能链接复合材料的整体，燃烧产物Al2O3-SiO2更坚硬、致密、耐烧，有稳固作用。硅酸铝纤维是热导率较低的材料，加入硅橡胶后，复合材料整体的热导率大大降低，减少了传热速率，为硅橡胶的分解争取了时间。

3 结语与展望

现如今，越来越多国家的研究机构均开展了硅酸铝纤维的研发制备工作，美国、俄罗斯、英国、日本等国家在该领域的研究成果较多，技术也较为先进，在航空航天领域应用最广，其各项研究成果已应用于飞行器发动机件的隔热层、机翼前缘、端帽烧蚀防护层、排气通道热防护层、仪器设备的防火层、发射器的隔热板等。

而在我国，硅酸铝保温材料的广泛应用是一种必然发展趋势，传统的隔热保温材料中大部分为可燃材料，在使用过程中，只能起到保温作用，火灾来临时损失惨重。使用硅酸铝材料制备保温层的特点是使外墙保温板可以兼顾防火和隔热保温。由于硅酸铝材料的防火保温性能优异，因此未来有望于替换传统保温隔热材料，也可应用于建筑外墙内、外保温和屋顶保温等。硅酸铝耐火性能好，但力学性能较差，为了让硅酸铝材料的实用性更高，可以选择与强度高的其他材料和外加剂复合，复合后成为集防火、保温、隔热功能于一体的新型建筑材料，还能减轻传统单一保温隔热板质量重的缺点，成品可应用于建筑高层。利用硅酸铝材料的防火特性来延长火灾发生时建筑物的烧毁时间，利用复合后硅酸铝材料的强度支撑建筑物防止坍塌，当复合材料全部为无机材料时，遭遇火灾的保温板不会释放有毒气体与黑烟，从而给人们争取更多逃生时间。除了发生火灾时不会释放有毒气体与黑烟，硅酸铝纤维制品对于日常的保温隔热也表现出优异的性能。

环境恶劣导致的全球变暖问题越来越严重，生活在空调房里的人越来越多，密闭的空间里，同样的空气被反复制冷或制热，空气无法流动，细菌病菌无法出去，长时间下来人们易得“空调病”。将硅酸铝材料应用于墙体保温隔热中，理论上可以降低使用空调的时间和次数，既能保护环境又能保护人们身体健康。在建筑物中使用硅酸铝材料可以达到节能、发展绿色建筑的目的，为新型绿色建筑材料的发展和应用拓宽了市场。