富軍

1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620

氧化鋁纖維是一種輕質(zhì)耐火材料，它結(jié)合了纖維的可加工性及陶瓷的耐高溫等優(yōu)異性能，具有質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫(使用溫度在1 300～1 700 ℃)、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點，同時還具有原料成本較低、生產(chǎn)工藝簡單等特點，性價比和商業(yè)價值都較高。氧化鋁纖維可與樹脂、金屬或陶瓷等材料進(jìn)行復(fù)合制備高性能復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于航空航天及高科技等領(lǐng)域[1-2]。

目前，我國與國際先進(jìn)技術(shù)還存在一定差距，主要是在氧化鋁纖維的研究開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)方面，生產(chǎn)工藝單一，裝備技術(shù)相對落后，此外，在理論研究方面也與國際上有較大差距[3]。上海硅酸鹽研究所通過溶膠凝膠法制備出一種新型氧化鋁纖維。本文針對此新型氧化鋁纖維進(jìn)行了性能測試，并與市售的氧化鋁纖維棉、玻璃纖維及碳纖維進(jìn)行了性能對比，得出溶膠凝膠法制備的新型氧化鋁纖維的優(yōu)勢及不足，以期為我國氧化鋁纖維的制備提供理論基礎(chǔ)。

1 測試原料

新型氧化鋁纖維(上海硅酸鹽研究所)；氧化鋁纖維棉(德清能誠晶體纖維有限公司)；玻璃纖維(南京興興玻璃纖維制品有限公司)；碳纖維(日本東麗公司)。

2 測試指標(biāo)與方法

全部被測試樣先都在溫度為(20±1)℃、相對濕度為65%的試驗室環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h至平衡狀態(tài)，然后再進(jìn)行具體的測試。

2.1 纖維規(guī)格參數(shù)

2.1.1 纖維長度

將纖維手扯成蓬松狀態(tài)，然后將待測纖維整理成一端平齊的纖維束平放在黑絨板上，用直尺測量纖維長度。

2.1.2 纖維直徑

利用生物顯微鏡照射法測定纖維直徑。該方法結(jié)合了投影顯微鏡技術(shù)、計算機圖像處理及軟件技術(shù)，可自動計算出纖維直徑。

2.1.3 纖維線密度

采用XD-1型振動式線密度儀測定纖維線密度，張力夾負(fù)荷為0.2 cN。

2.2 纖維表面形態(tài)

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察纖維表面形態(tài)、纖維粗細(xì)及分布。加速電壓5 kV。

2.3 纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3.1 XRD測試

采用D/MAX-2550VB+/PC18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀分析纖維成分。儀器參數(shù)：電壓40 kV，電流40 mA，光源Cu/Kα射線，波長1.540 56×10-10m。

2.3.2 紅外光譜測試

利用傅里葉紅外光譜儀分析纖維成分，使用KBr壓片法，將纖維先研磨成粉末狀再進(jìn)行測試。儀器參數(shù)：光譜范圍4 000～400 cm-1，信噪比>50 000∶1，分辨率≤0.09 cm-1。

2.4 纖維力學(xué)性能

2.4.1 纖維強伸性

采用XQ-1C型高強高模纖維強伸度儀測定纖維的強伸性。儀器參數(shù)：夾持距離10 mm，拉伸速度10 mm/min，模量起點0.1%，模量終點0.7%，張力夾負(fù)荷0.2 cN。

2.4.2 纖維勾接強度

纖維的耐彎曲破壞性能常用勾接強度來表征[4]115。采用XQ-1C型高強高模纖維強伸度儀測定纖維的勾接強度，其測試原理如圖1所示。儀器參數(shù)：夾持距離20 mm，拉伸速度5 mm/min。試驗結(jié)果取10次測試的平均值。

2.4.3 纖維扭轉(zhuǎn)

利用紗線捻度儀模擬纖維加捻的過程。紗線捻度儀示意見圖2，其張力裝置和旋轉(zhuǎn)夾持器之間的距離為50 mm。10根纖維的一端固定夾持在張力裝置上，另一端由旋轉(zhuǎn)夾持器夾持；轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)夾持器，對纖維進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加捻；當(dāng)其中1根纖維斷裂時，記錄旋轉(zhuǎn)夾持器轉(zhuǎn)動次數(shù)，用于評價纖維的扭轉(zhuǎn)性(圖3)。

圖2 紗線捻度儀示意

圖3 纖維旋轉(zhuǎn)示意

2.5 纖維摩擦性能

采用XCF-1A型纖維摩擦因數(shù)測試儀，利用纖維與金屬輥之間的轉(zhuǎn)動得到纖維與金屬輥之間的摩擦因數(shù)。儀器參數(shù)：摩擦輥轉(zhuǎn)速30 r/min，張力夾負(fù)荷0.2 cN。

2.6 纖維比電阻

采用XR-1A型纖維比電阻儀測試?yán)w維的比電阻。每次稱重15 g，測試3次，結(jié)果取平均值。

2.7 纖維回潮率

參照GB/T 6503—2008《化學(xué)纖維 回潮率試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)測試?yán)w維的回潮率。使用DHG-9055A干燥箱進(jìn)行纖維烘燥，烘燥溫度110 ℃。

2.8 纖維耐化學(xué)腐蝕性

參照J(rèn)C/T 2138—2012《精細(xì)陶瓷耐酸堿腐蝕性能試驗方法》測試?yán)w維的耐化學(xué)腐蝕性。選擇濃度為3.0 mol/L的H2SO4溶液和濃度為6.0 mol/L的NaOH溶液作為化學(xué)試劑。具體為在容量1.0 L的燒瓶中加入0.5 L化學(xué)試劑，加熱至微沸狀態(tài)后，緩慢放入試樣并予以浸沒，保持24 h，然后取出并清洗試樣，于105 ℃下干燥至恒重。通過試樣的失重率、表面形態(tài)、強伸性及紅外光譜表征纖維耐化學(xué)腐蝕性。

3 結(jié)果與討論

3.1 規(guī)格參數(shù)

測得的4種纖維的規(guī)格參數(shù)歸納于表1中。

表1 4種纖維的規(guī)格參數(shù)

由表1可知：(1)新型氧化鋁纖維的長度在100～200 mm，可加工成棉型或毛型長度的纖維[4]15。(2)新型氧化鋁纖維的直徑和線密度都小于玻璃纖維和碳纖維，這有利于紡紗過程中纖維的相互接觸及抱合，且所紡紗線截面中纖維根數(shù)多，紗線均勻性好[4]73，[5]。

3.2 纖維表面形態(tài)

掃描電鏡觀察的新型氧化鋁纖維、氧化鋁纖維棉及玻璃纖維的縱向表面形態(tài)見圖4。因碳纖維和玻璃纖維同屬制備工藝較成熟的無機纖維，兩者表面形態(tài)相似，纖維表面平整光滑，故此處選擇玻璃纖維作為代表和新型氧化鋁纖維、氧化鋁纖維棉進(jìn)行比較。

(a) 新型氧化鋁纖維

(b) 氧化鋁纖維棉

由圖4可以看出：(1)3種纖維表面均無卷曲，這不利于紡紗過程中纖維的抱合集束。(2)新型氧化鋁纖維和玻璃纖維表面平整光滑，纖維直徑分布均勻；而氧化鋁纖維棉粗細(xì)不勻，纖維表面有明顯的缺陷且表面形態(tài)差異很大。這與它們的制備工藝相關(guān)。新型氧化鋁纖維和玻璃纖維在制備過程中，纖維直徑控制精確，纖維之間無明顯差異；氧化鋁纖維棉通過熔融甩絲成纖再經(jīng)機器短切而成，故成纖過程對纖維的直徑無法精確控制，纖維直徑相差較大。

3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

利用對纖維結(jié)晶度及成分的分析，從微觀上更深層次地了解新型氧化鋁纖維與氧化鋁纖維棉。

新型氧化鋁纖維主要由Al2O3和SiO2組成，其中Al2O3含量為72.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、SiO2含量為28.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，且不含其他雜質(zhì)。氧化鋁纖維棉中Al2O3和SiO2占99.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，還有含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%的Fe2O3。圖5和圖6分別是新型氧化鋁纖維與氧化鋁纖維棉的XRD測試結(jié)果和紅外光譜測試結(jié)果。

圖6 新型氧化鋁纖維和氧化鋁纖維棉的紅外光譜圖

由圖5分析可知：

(1) 新型氧化鋁纖維中Al2O3的晶型對應(yīng)r-Al2O3(JCPDS No. 10-0425)，衍射峰分別對應(yīng)r-Al2O3的(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(511)和(440)等晶相的衍射峰，且衍射峰峰寬較寬、峰強度較低，故可知新型氧化鋁纖維的結(jié)晶度較小。經(jīng)計算，新型氧化鋁纖維的結(jié)晶度為59.20%[6]3。

(2) 氧化鋁纖維棉所得到的晶型對應(yīng)Al6Si2O13(JCPDS No. 15-0776)，衍射峰分別對應(yīng)Al6Si2O13的(110)、(210)、(001)、(220)、(111)、(130)、(201)、(121)、(230)、(400)等晶相的衍射峰，且衍射峰非常明顯，峰寬較窄、峰強度較高，這表明氧化鋁纖維棉的結(jié)晶度較高。經(jīng)計算，氧化鋁纖維棉的結(jié)晶度為96.45%[7]55。

而這一結(jié)果與它們制備過程中的燒結(jié)溫度相關(guān)。燒結(jié)溫度越高，則得到的晶型越穩(wěn)定，在一定的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)晶粒尺寸越大，纖維的結(jié)晶度越大，但超過一定范圍則會導(dǎo)致晶粒尺寸過大，晶粒與晶粒之間咬合不緊密，晶區(qū)比例低，最后影響纖維的力學(xué)性能[8-9]。與氧化鋁纖維棉相比，新型氧化鋁纖維在制備過程中的燒結(jié)溫度較低，故其結(jié)晶度較低，纖維也因此可獲得較長的長度，而氧化鋁纖維棉的高結(jié)晶度限制了其長度[10-12]。

圖6中：

(1) 新型氧化鋁纖維在3 435 cm-1附近的吸收峰為纖維中—OH的伸縮振動峰(其中包括自由水、水合氧化物上的羥基及氫鍵結(jié)合水等)，1 630 cm-1附近的吸收峰為—OH的彎曲振動峰[13]278，[14]。1 400 cm-1附近的吸收峰為—CH2、—CH3的彎曲振動峰，說明纖維中含有少量的有機物[15-16]。1 100 cm-1附近為Si—O四面體的振動峰，而新型氧化鋁纖維中Si—O的振動峰偏移到了1 092 cm-1左右，故從這點可以發(fā)現(xiàn)，新型氧化鋁纖維中存在Si—O—Al—O鍵[17]，[18]297。741 cm-1處為Si—O—Si的對稱伸縮振動峰，473 cm-1處為Si—O—Si的彎曲振動峰[19]。

(2) 在氧化鋁纖維棉的紅外光譜圖中，氧化鋁纖維棉和新型氧化鋁纖維在基團特征吸收區(qū)(4 000～1 333 cm-1)所含基團類別相似，都含有—OH。2 923 cm-1附近為—CH2、—CH3的伸縮振動峰，1 400 cm-1附近是—CH2、—CH3微弱的彎曲振動峰[20]。

(3) 氧化鋁纖維棉和新型氧化鋁纖維的主要的區(qū)別在1 333～650 cm-1這一指紋區(qū)。970 cm-1附近的吸收峰代表著Al—O—Al的伸縮振動峰[13]278，[21]。820、710、550、470 cm-1附近都有吸收峰出現(xiàn)，這是由Al—O四面體和Al—O六面體的伸縮振動和彎曲振動引起的[18]297，[22]。同時，在820和550 cm-1附近出現(xiàn)的雙峰表明已形成Al6Si2O13[23-24]。

故根據(jù)紅外光譜分析可知，本文使用的新型氧化鋁纖維與市售的氧化鋁纖維棉在主要官能區(qū)的基團種類相似，兩者的主體結(jié)構(gòu)相似，部分性能相同。

3.4 力學(xué)性能

纖維力學(xué)性能對纖維的可紡性、紡織品的耐久性和服用性能等影響極大。新型氧化鋁纖維、玻璃纖維及碳纖維的力學(xué)性能如表2所示。

表2 幾種纖維的力學(xué)性能比較

由表2可知：(1)與玻璃纖維和碳纖維相比，新型氧化鋁纖維的斷裂強度較小，但仍遠(yuǎn)大于棉纖維(棉纖維斷裂強度為2.6～3.2 cN/dtex)，說明新型氧化鋁纖維在強力方面符合紡紗要求[4]100。(2)纖維的初始模量大，則纖維制品手感較為挺括，初始模量小，則纖維制品手感較為柔軟。新型氧化鋁纖維同玻璃纖維和碳纖維一樣，初始模量都較大，形成的紡織品都較為挺括平整[4]100。(3)新型氧化鋁纖維的斷裂伸長率比玻璃纖維和碳纖維大，表明新型氧化鋁纖維具有較好的形變能力。(4)勾接強度方面，新型氧化鋁纖維因易彎曲斷裂，故制作試樣成功率低，且少量制作成功的新型氧化鋁纖維試樣在進(jìn)行測試時勾接強度很小，測試儀器無法測量到，故表2中無此項測試結(jié)果。(5)新型氧化鋁纖維的斷裂扭轉(zhuǎn)數(shù)為23.5 r/(50 mm)，低于玻璃纖維和碳纖維，說明新型氧化鋁纖維在扭轉(zhuǎn)過程中易發(fā)生脆斷現(xiàn)象，這不利于新型氧化鋁纖維的紡紗成形。

3.5 摩擦性、導(dǎo)電性及吸濕性

纖維的摩擦性、導(dǎo)電性及吸濕性對纖維的可紡性及可織性有重要的影響。表3對新型氧化鋁纖維、玻璃纖維及碳纖維的摩擦因數(shù)、比電阻及回潮率進(jìn)行了歸納。而氧化鋁纖維棉因無法進(jìn)行紡紗，故此處沒有進(jìn)行相關(guān)測試。

表3 幾種纖維的摩擦因數(shù)、比電阻及回潮率

由表3可知：(1)新型氧化鋁纖維回潮率很小，吸濕性能較差，同時其質(zhì)量比電阻達(dá)到1010數(shù)量級以上，說明新型氧化鋁纖維為低回潮率、高比電阻纖維，在紡紗和織造過程中易產(chǎn)生靜電，進(jìn)而影響紡紗和織造的順利進(jìn)行。(2)纖維的摩擦性能與紡紗生產(chǎn)過程中纖維的梳理、牽伸等有很大的關(guān)系。新型氧化鋁纖維的動、靜摩擦因數(shù)都較小，且動、靜摩擦因數(shù)差值較小，這會導(dǎo)致纖維的抱合性較差，最終影響成紗質(zhì)量，不利于紡紗的正常進(jìn)行[6]3。

3.6 耐化學(xué)腐蝕性

3.6.1 失重率

纖維經(jīng)化學(xué)試劑處理后，失重率如圖7所示。碳纖維因主要成分為碳，耐化學(xué)腐蝕性極好，故此處不列入比較。

圖7 失重率

由圖7可知：(1)新型氧化鋁纖維和氧化鋁纖維棉都出現(xiàn)了質(zhì)量損失，且無論酸堿，新型氧化鋁纖維的失重率都大于氧化鋁纖維棉的失重率，原因與新型氧化鋁纖維的結(jié)晶度低，纖維中無序區(qū)所占的比例大有關(guān)，故H2SO4和NaOH對其損傷較大。(2)新型氧化鋁纖維和玻璃纖維相比，后者失重率偏大，原因為玻璃纖維中含有B2O3、CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等多種成分[6]8，它們會和H2SO4、NaOH發(fā)生反應(yīng)，造成質(zhì)量損失。(3)新型氧化鋁纖維經(jīng)H2SO4處理后的失重率只是略大于經(jīng)NaOH處理后的失重率，表明新型氧化鋁纖維耐酸性和耐堿性較均衡。

3.6.2 表面形態(tài)

新型氧化鋁纖維與玻璃纖維經(jīng)化學(xué)試劑處理后，通過掃描電鏡觀察到的纖維表面形態(tài)的變化如圖8和圖9所示。而氧化鋁纖維棉的表面形態(tài)本身就差，故化學(xué)處理后無法準(zhǔn)確分辨氧化鋁纖維棉表面形態(tài)是原來的狀態(tài)還是化學(xué)試劑處理后的狀態(tài)，故此處未做測試。

由圖8和圖9可知：(1)新型氧化鋁纖維經(jīng)NaOH處理后，纖維表面較為平整且無明顯缺陷；經(jīng)H2SO4處理后，纖維表面出現(xiàn)極少量的突起和不規(guī)則白點(白點可能是清洗不徹底的H2SO4殘留物)?？傮w來講，新型氧化鋁纖維經(jīng)酸堿處理后，纖維表面平整光滑且形態(tài)變化都不明顯。(2)玻璃纖維經(jīng)NaOH處理后，纖維表面與未處理前相似，無缺陷出現(xiàn)；經(jīng)H2SO4處理后，纖維表面出現(xiàn)較大深色區(qū)域，并出現(xiàn)少量溝槽，纖維表面遭破壞。

圖8 新型氧化鋁纖維化學(xué)試劑處理前后的掃描電鏡照片

圖9 玻璃纖維化學(xué)試劑處理前后的掃描電鏡照片

可見，新型氧化鋁纖維的耐化學(xué)腐蝕性較玻璃纖維好。

3.6.3 強伸性

對化學(xué)試劑處理后纖維的強伸性進(jìn)行測試，以表征纖維的耐化學(xué)腐蝕性，結(jié)果如圖10和圖11所示。其中，氧化鋁纖維棉的長度極小，強伸性無法測出，故此處未涉及其相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖10 纖維經(jīng)化學(xué)試劑處理前后強度損失率對比

圖11 纖維經(jīng)化學(xué)試劑處理前后斷裂伸長率變化率對比

由圖10和圖11可知：(1)經(jīng)H2SO4和NaOH處理后，新型氧化鋁纖維和玻璃纖維的斷裂強度下降，其中玻璃纖維的強度損失率和斷裂伸長率變化率更大，表明新型氧化鋁纖維的耐酸堿性比玻璃纖維好。(2)新型氧化鋁纖維經(jīng)H2SO4處理后的強度損失率略大于經(jīng)NaOH處理后的強度損失率，但兩者差距不大，同時新型氧化鋁纖維斷裂伸長率的變化范圍很小，表明新型氧化鋁纖維耐酸性和耐堿性較均衡。

3.6.4 紅外光譜測試

對化學(xué)處理前后的纖維進(jìn)行紅外光譜測試，檢測纖維中基團的變化。測試結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 化學(xué)試劑處理前后新型氧化鋁纖維的紅外光譜圖

圖13 化學(xué)試劑處理前后玻璃纖維的紅外光譜圖

據(jù)圖12可知：經(jīng)過H2SO4和NaOH處理后，新型氧化鋁纖維在2 923 cm-1附近的吸收峰是—CH2、—CH3的伸縮振動峰，但峰的強度很低，表明所含的量很少，可能原因是纖維經(jīng)H2SO4和NaOH處理后，纖維與酸堿發(fā)生反應(yīng)生成了極少量的有機物。

由圖13可知：玻璃纖維在2 923和1 400 cm-1附近的吸收峰是—CH2、—CH3的對應(yīng)振動峰，H2SO4處理后峰的強度明顯強于NaOH處理后峰的強度，表明玻璃纖維中部分物質(zhì)和酸產(chǎn)生了反應(yīng)，生成的有機物較多[7]70。

總之，與玻璃纖維相比，新型氧化鋁纖維經(jīng)H2SO4和NaOH處理后，失重率較小，纖維表面無明顯變化，纖維成分也無較大變化，強度損失率較小，這些都表明新型氧化鋁纖維耐化學(xué)腐蝕性較好。

4 結(jié)論

通過測試發(fā)現(xiàn)新型氧化鋁纖維：

(1) 細(xì)長柔軟，可加工成棉型或毛型纖維，同時纖維表面無明顯缺陷；

(2) 在主要官能區(qū)與氧化鋁纖維棉的基團類似，故兩者部分性能相同，但其結(jié)晶度小于氧化鋁纖維棉；

(3) 力學(xué)性能方面，斷裂強度小于玻璃纖維和碳纖維，但仍遠(yuǎn)大于棉纖維，說明在強力方面新型氧化鋁纖維滿足紡紗要求，但抗彎能力和抗扭轉(zhuǎn)能力差；

(4) 回潮率低、比電阻大、易產(chǎn)生靜電，這些都不利于其紡紗的正常進(jìn)行；

(5) 耐化學(xué)腐蝕性比氧化鋁纖維棉差，但好于玻璃纖維。

基于上述的測試結(jié)果，可在纖維制備過程中調(diào)整工藝參數(shù)以改善新型氧化鋁纖維性能，如提高燒結(jié)溫度，使纖維的晶型轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定態(tài)晶型，同時提高纖維的結(jié)晶度等。在產(chǎn)品開發(fā)過程中將產(chǎn)品與纖維的不同特點相結(jié)合，可突顯新型氧化鋁纖維的優(yōu)良特性。