新型氧化铝纤维性能测试分析

富军

1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620

氧化铝纤维是一种轻质耐火材料，它结合了纤维的可加工性及陶瓷的耐高温等优异性能，具有质量轻、耐化学腐蚀、耐高温(使用温度在1 300～1 700 ℃)、热稳定性好、热导率低等优点，同时还具有原料成本较低、生产工艺简单等特点，性价比和商业价值都较高。氧化铝纤维可与树脂、金属或陶瓷等材料进行复合制备高性能复合材料，广泛应用于航空航天及高科技等领域[1-2]。

目前，我国与国际先进技术还存在一定差距，主要是在氧化铝纤维的研究开发和生产技术方面，生产工艺单一，装备技术相对落后，此外，在理论研究方面也与国际上有较大差距[3]。上海硅酸盐研究所通过溶胶凝胶法制备出一种新型氧化铝纤维。本文针对此新型氧化铝纤维进行了性能测试，并与市售的氧化铝纤维棉、玻璃纤维及碳纤维进行了性能对比，得出溶胶凝胶法制备的新型氧化铝纤维的优势及不足，以期为我国氧化铝纤维的制备提供理论基础。

1 测试原料

新型氧化铝纤维(上海硅酸盐研究所)；氧化铝纤维棉(德清能诚晶体纤维有限公司)；玻璃纤维(南京兴兴玻璃纤维制品有限公司)；碳纤维(日本东丽公司)。

2 测试指标与方法

全部被测试样先都在温度为(20±1)℃、相对湿度为65%的试验室环境下调节24 h至平衡状态，然后再进行具体的测试。

2.1 纤维规格参数

2.1.1 纤维长度

将纤维手扯成蓬松状态，然后将待测纤维整理成一端平齐的纤维束平放在黑绒板上，用直尺测量纤维长度。

2.1.2 纤维直径

利用生物显微镜照射法测定纤维直径。该方法结合了投影显微镜技术、计算机图像处理及软件技术，可自动计算出纤维直径。

2.1.3 纤维线密度

采用XD-1型振动式线密度仪测定纤维线密度，张力夹负荷为0.2 cN。

2.2 纤维表面形态

采用场发射扫描电子显微镜观察纤维表面形态、纤维粗细及分布。加速电压5 kV。

2.3 纤维内部结构

2.3.1 XRD测试

采用D/MAX-2550VB+/PC18KW转靶X射线衍射仪分析纤维成分。仪器参数：电压40 kV，电流40 mA，光源Cu/Kα射线，波长1.540 56×10-10m。

2.3.2 红外光谱测试

利用傅里叶红外光谱仪分析纤维成分，使用KBr压片法，将纤维先研磨成粉末状再进行测试。仪器参数：光谱范围4 000～400 cm-1，信噪比>50 000∶1，分辨率≤0.09 cm-1。

2.4 纤维力学性能

2.4.1 纤维强伸性

采用XQ-1C型高强高模纤维强伸度仪测定纤维的强伸性。仪器参数：夹持距离10 mm，拉伸速度10 mm/min，模量起点0.1%，模量终点0.7%，张力夹负荷0.2 cN。

2.4.2 纤维勾接强度

纤维的耐弯曲破坏性能常用勾接强度来表征[4]115。采用XQ-1C型高强高模纤维强伸度仪测定纤维的勾接强度，其测试原理如图1所示。仪器参数：夹持距离20 mm，拉伸速度5 mm/min。试验结果取10次测试的平均值。

2.4.3 纤维扭转

利用纱线捻度仪模拟纤维加捻的过程。纱线捻度仪示意见图2，其张力装置和旋转夹持器之间的距离为50 mm。10根纤维的一端固定夹持在张力装置上，另一端由旋转夹持器夹持；转动旋转夹持器，对纤维进行旋转加捻；当其中1根纤维断裂时，记录旋转夹持器转动次数，用于评价纤维的扭转性(图3)。

图2 纱线捻度仪示意

图3 纤维旋转示意

2.5 纤维摩擦性能

采用XCF-1A型纤维摩擦因数测试仪，利用纤维与金属辊之间的转动得到纤维与金属辊之间的摩擦因数。仪器参数：摩擦辊转速30 r/min，张力夹负荷0.2 cN。

2.6 纤维比电阻

采用XR-1A型纤维比电阻仪测试纤维的比电阻。每次称重15 g，测试3次，结果取平均值。

2.7 纤维回潮率

参照GB/T 6503—2008《化学纤维 回潮率试验方法》标准测试纤维的回潮率。使用DHG-9055A干燥箱进行纤维烘燥，烘燥温度110 ℃。

2.8 纤维耐化学腐蚀性

参照JC/T 2138—2012《精细陶瓷耐酸碱腐蚀性能试验方法》测试纤维的耐化学腐蚀性。选择浓度为3.0 mol/L的H2SO4溶液和浓度为6.0 mol/L的NaOH溶液作为化学试剂。具体为在容量1.0 L的烧瓶中加入0.5 L化学试剂，加热至微沸状态后，缓慢放入试样并予以浸没，保持24 h，然后取出并清洗试样，于105 ℃下干燥至恒重。通过试样的失重率、表面形态、强伸性及红外光谱表征纤维耐化学腐蚀性。

3 结果与讨论

3.1 规格参数

测得的4种纤维的规格参数归纳于表1中。

表1 4种纤维的规格参数

由表1可知：(1)新型氧化铝纤维的长度在100～200 mm，可加工成棉型或毛型长度的纤维[4]15。(2)新型氧化铝纤维的直径和线密度都小于玻璃纤维和碳纤维，这有利于纺纱过程中纤维的相互接触及抱合，且所纺纱线截面中纤维根数多，纱线均匀性好[4]73，[5]。

3.2 纤维表面形态

扫描电镜观察的新型氧化铝纤维、氧化铝纤维棉及玻璃纤维的纵向表面形态见图4。因碳纤维和玻璃纤维同属制备工艺较成熟的无机纤维，两者表面形态相似，纤维表面平整光滑，故此处选择玻璃纤维作为代表和新型氧化铝纤维、氧化铝纤维棉进行比较。

(a) 新型氧化铝纤维

(b) 氧化铝纤维棉

由图4可以看出：(1)3种纤维表面均无卷曲，这不利于纺纱过程中纤维的抱合集束。(2)新型氧化铝纤维和玻璃纤维表面平整光滑，纤维直径分布均匀；而氧化铝纤维棉粗细不匀，纤维表面有明显的缺陷且表面形态差异很大。这与它们的制备工艺相关。新型氧化铝纤维和玻璃纤维在制备过程中，纤维直径控制精确，纤维之间无明显差异；氧化铝纤维棉通过熔融甩丝成纤再经机器短切而成，故成纤过程对纤维的直径无法精确控制，纤维直径相差较大。

3.3 内部结构

利用对纤维结晶度及成分的分析，从微观上更深层次地了解新型氧化铝纤维与氧化铝纤维棉。

新型氧化铝纤维主要由Al2O3和SiO2组成，其中Al2O3含量为72.0%(质量分数)、SiO2含量为28.0%(质量分数)，且不含其他杂质。氧化铝纤维棉中Al2O3和SiO2占99.0%(质量分数)，还有含有质量分数小于0.1%的Fe2O3。图5和图6分别是新型氧化铝纤维与氧化铝纤维棉的XRD测试结果和红外光谱测试结果。

图6 新型氧化铝纤维和氧化铝纤维棉的红外光谱图

由图5分析可知：

(1) 新型氧化铝纤维中Al2O3的晶型对应r-Al2O3(JCPDS No. 10-0425)，衍射峰分别对应r-Al2O3的(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(511)和(440)等晶相的衍射峰，且衍射峰峰宽较宽、峰强度较低，故可知新型氧化铝纤维的结晶度较小。经计算，新型氧化铝纤维的结晶度为59.20%[6]3。

(2) 氧化铝纤维棉所得到的晶型对应Al6Si2O13(JCPDS No. 15-0776)，衍射峰分别对应Al6Si2O13的(110)、(210)、(001)、(220)、(111)、(130)、(201)、(121)、(230)、(400)等晶相的衍射峰，且衍射峰非常明显，峰宽较窄、峰强度较高，这表明氧化铝纤维棉的结晶度较高。经计算，氧化铝纤维棉的结晶度为96.45%[7]55。

而这一结果与它们制备过程中的烧结温度相关。烧结温度越高，则得到的晶型越稳定，在一定的烧结温度范围内晶粒尺寸越大，纤维的结晶度越大，但超过一定范围则会导致晶粒尺寸过大，晶粒与晶粒之间咬合不紧密，晶区比例低，最后影响纤维的力学性能[8-9]。与氧化铝纤维棉相比，新型氧化铝纤维在制备过程中的烧结温度较低，故其结晶度较低，纤维也因此可获得较长的长度，而氧化铝纤维棉的高结晶度限制了其长度[10-12]。

图6中：

(1) 新型氧化铝纤维在3 435 cm-1附近的吸收峰为纤维中—OH的伸缩振动峰(其中包括自由水、水合氧化物上的羟基及氢键结合水等)，1 630 cm-1附近的吸收峰为—OH的弯曲振动峰[13]278，[14]。1 400 cm-1附近的吸收峰为—CH2、—CH3的弯曲振动峰，说明纤维中含有少量的有机物[15-16]。1 100 cm-1附近为Si—O四面体的振动峰，而新型氧化铝纤维中Si—O的振动峰偏移到了1 092 cm-1左右，故从这点可以发现，新型氧化铝纤维中存在Si—O—Al—O键[17]，[18]297。741 cm-1处为Si—O—Si的对称伸缩振动峰，473 cm-1处为Si—O—Si的弯曲振动峰[19]。

(2) 在氧化铝纤维棉的红外光谱图中，氧化铝纤维棉和新型氧化铝纤维在基团特征吸收区(4 000～1 333 cm-1)所含基团类别相似，都含有—OH。2 923 cm-1附近为—CH2、—CH3的伸缩振动峰，1 400 cm-1附近是—CH2、—CH3微弱的弯曲振动峰[20]。

(3) 氧化铝纤维棉和新型氧化铝纤维的主要的区别在1 333～650 cm-1这一指纹区。970 cm-1附近的吸收峰代表着Al—O—Al的伸缩振动峰[13]278，[21]。820、710、550、470 cm-1附近都有吸收峰出现，这是由Al—O四面体和Al—O六面体的伸缩振动和弯曲振动引起的[18]297，[22]。同时，在820和550 cm-1附近出现的双峰表明已形成Al6Si2O13[23-24]。

故根据红外光谱分析可知，本文使用的新型氧化铝纤维与市售的氧化铝纤维棉在主要官能区的基团种类相似，两者的主体结构相似，部分性能相同。

3.4 力学性能

纤维力学性能对纤维的可纺性、纺织品的耐久性和服用性能等影响极大。新型氧化铝纤维、玻璃纤维及碳纤维的力学性能如表2所示。

表2 几种纤维的力学性能比较

由表2可知：(1)与玻璃纤维和碳纤维相比，新型氧化铝纤维的断裂强度较小，但仍远大于棉纤维(棉纤维断裂强度为2.6～3.2 cN/dtex)，说明新型氧化铝纤维在强力方面符合纺纱要求[4]100。(2)纤维的初始模量大，则纤维制品手感较为挺括，初始模量小，则纤维制品手感较为柔软。新型氧化铝纤维同玻璃纤维和碳纤维一样，初始模量都较大，形成的纺织品都较为挺括平整[4]100。(3)新型氧化铝纤维的断裂伸长率比玻璃纤维和碳纤维大，表明新型氧化铝纤维具有较好的形变能力。(4)勾接强度方面，新型氧化铝纤维因易弯曲断裂，故制作试样成功率低，且少量制作成功的新型氧化铝纤维试样在进行测试时勾接强度很小，测试仪器无法测量到，故表2中无此项测试结果。(5)新型氧化铝纤维的断裂扭转数为23.5 r/(50 mm)，低于玻璃纤维和碳纤维，说明新型氧化铝纤维在扭转过程中易发生脆断现象，这不利于新型氧化铝纤维的纺纱成形。

3.5 摩擦性、导电性及吸湿性

纤维的摩擦性、导电性及吸湿性对纤维的可纺性及可织性有重要的影响。表3对新型氧化铝纤维、玻璃纤维及碳纤维的摩擦因数、比电阻及回潮率进行了归纳。而氧化铝纤维棉因无法进行纺纱，故此处没有进行相关测试。

表3 几种纤维的摩擦因数、比电阻及回潮率

由表3可知：(1)新型氧化铝纤维回潮率很小，吸湿性能较差，同时其质量比电阻达到1010数量级以上，说明新型氧化铝纤维为低回潮率、高比电阻纤维，在纺纱和织造过程中易产生静电，进而影响纺纱和织造的顺利进行。(2)纤维的摩擦性能与纺纱生产过程中纤维的梳理、牵伸等有很大的关系。新型氧化铝纤维的动、静摩擦因数都较小，且动、静摩擦因数差值较小，这会导致纤维的抱合性较差，最终影响成纱质量，不利于纺纱的正常进行[6]3。

3.6 耐化学腐蚀性

3.6.1 失重率

纤维经化学试剂处理后，失重率如图7所示。碳纤维因主要成分为碳，耐化学腐蚀性极好，故此处不列入比较。

图7 失重率

由图7可知：(1)新型氧化铝纤维和氧化铝纤维棉都出现了质量损失，且无论酸碱，新型氧化铝纤维的失重率都大于氧化铝纤维棉的失重率，原因与新型氧化铝纤维的结晶度低，纤维中无序区所占的比例大有关，故H2SO4和NaOH对其损伤较大。(2)新型氧化铝纤维和玻璃纤维相比，后者失重率偏大，原因为玻璃纤维中含有B2O3、CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等多种成分[6]8，它们会和H2SO4、NaOH发生反应，造成质量损失。(3)新型氧化铝纤维经H2SO4处理后的失重率只是略大于经NaOH处理后的失重率，表明新型氧化铝纤维耐酸性和耐碱性较均衡。

3.6.2 表面形态

新型氧化铝纤维与玻璃纤维经化学试剂处理后，通过扫描电镜观察到的纤维表面形态的变化如图8和图9所示。而氧化铝纤维棉的表面形态本身就差，故化学处理后无法准确分辨氧化铝纤维棉表面形态是原来的状态还是化学试剂处理后的状态，故此处未做测试。

由图8和图9可知：(1)新型氧化铝纤维经NaOH处理后，纤维表面较为平整且无明显缺陷；经H2SO4处理后，纤维表面出现极少量的突起和不规则白点(白点可能是清洗不彻底的H2SO4残留物)。总体来讲，新型氧化铝纤维经酸碱处理后，纤维表面平整光滑且形态变化都不明显。(2)玻璃纤维经NaOH处理后，纤维表面与未处理前相似，无缺陷出现；经H2SO4处理后，纤维表面出现较大深色区域，并出现少量沟槽，纤维表面遭破坏。

图8 新型氧化铝纤维化学试剂处理前后的扫描电镜照片

图9 玻璃纤维化学试剂处理前后的扫描电镜照片

可见，新型氧化铝纤维的耐化学腐蚀性较玻璃纤维好。

3.6.3 强伸性

对化学试剂处理后纤维的强伸性进行测试，以表征纤维的耐化学腐蚀性，结果如图10和图11所示。其中，氧化铝纤维棉的长度极小，强伸性无法测出，故此处未涉及其相关数据。

图10 纤维经化学试剂处理前后强度损失率对比

图11 纤维经化学试剂处理前后断裂伸长率变化率对比

由图10和图11可知：(1)经H2SO4和NaOH处理后，新型氧化铝纤维和玻璃纤维的断裂强度下降，其中玻璃纤维的强度损失率和断裂伸长率变化率更大，表明新型氧化铝纤维的耐酸碱性比玻璃纤维好。(2)新型氧化铝纤维经H2SO4处理后的强度损失率略大于经NaOH处理后的强度损失率，但两者差距不大，同时新型氧化铝纤维断裂伸长率的变化范围很小，表明新型氧化铝纤维耐酸性和耐碱性较均衡。

3.6.4 红外光谱测试

对化学处理前后的纤维进行红外光谱测试，检测纤维中基团的变化。测试结果如图12和图13所示。

图12 化学试剂处理前后新型氧化铝纤维的红外光谱图

图13 化学试剂处理前后玻璃纤维的红外光谱图

据图12可知：经过H2SO4和NaOH处理后，新型氧化铝纤维在2 923 cm-1附近的吸收峰是—CH2、—CH3的伸缩振动峰，但峰的强度很低，表明所含的量很少，可能原因是纤维经H2SO4和NaOH处理后，纤维与酸碱发生反应生成了极少量的有机物。

由图13可知：玻璃纤维在2 923和1 400 cm-1附近的吸收峰是—CH2、—CH3的对应振动峰，H2SO4处理后峰的强度明显强于NaOH处理后峰的强度，表明玻璃纤维中部分物质和酸产生了反应，生成的有机物较多[7]70。

总之，与玻璃纤维相比，新型氧化铝纤维经H2SO4和NaOH处理后，失重率较小，纤维表面无明显变化，纤维成分也无较大变化，强度损失率较小，这些都表明新型氧化铝纤维耐化学腐蚀性较好。

4 结论

通过测试发现新型氧化铝纤维：

(1) 细长柔软，可加工成棉型或毛型纤维，同时纤维表面无明显缺陷；

(2) 在主要官能区与氧化铝纤维棉的基团类似，故两者部分性能相同，但其结晶度小于氧化铝纤维棉；

(3) 力学性能方面，断裂强度小于玻璃纤维和碳纤维，但仍远大于棉纤维，说明在强力方面新型氧化铝纤维满足纺纱要求，但抗弯能力和抗扭转能力差；

(4) 回潮率低、比电阻大、易产生静电，这些都不利于其纺纱的正常进行；

(5) 耐化学腐蚀性比氧化铝纤维棉差，但好于玻璃纤维。

基于上述的测试结果，可在纤维制备过程中调整工艺参数以改善新型氧化铝纤维性能，如提高烧结温度，使纤维的晶型转化成稳定态晶型，同时提高纤维的结晶度等。在产品开发过程中将产品与纤维的不同特点相结合，可突显新型氧化铝纤维的优良特性。