硅酸铝：常见固体酸催化剂、新型功能型硅酸盐产品及纤维状耐火材料

硅酸铝：常见固体酸催化剂、新型功能型硅酸盐产品及纤维状耐火材料

概述【1】【2】【6】【7】

硅酸铝可分为非晶态SiO2-Al2O3和结晶态SiO4-AlO4，是一种常见的固体酸催化剂，也是常用的载体。超细硅酸铝（Ultra-e）是一种合成的硅铝化合物，是由硅酸和铝化合物形成的铝硅酸盐，也属于硅酸盐系列产品，是一种新型的功能性硅酸盐产品。超细硅酸铝悬浮性好，粒径小，白度高，广泛应用于印染、油墨、皮革、涂料、橡胶、造纸等行业。硅酸铝纤维是一种轻质纤维状耐火材料，具有质轻、导热系数低、比热容小、耐高温、热稳定性好、抗机械振动等优点，作为高温纤维状保温材料发展迅速。目前，在特殊工业领域，硅酸铝纤维主要作为高温保温材料应用广泛。

类型与特性 [5] [7] [8] 1. 超细硅酸铝

概述：超细硅酸铝（Ultra-e）是一种人工合成的硅酸铝化合物，是由硅酸与铝化合物形成的硅酸铝盐，也是一种硅酸盐系列产品，是一种新型功能性硅酸盐产品珠光颜料。

物理化学性质：超细硅酸铝为无定形松散白色粉末，一次粒径为35nm，二次粒径在0.1～1.0μm之间。比表面积110m2/g，折射率1.46，在波长460nm处白色强度98%，相对白度95%，相对密度2.1。超细硅酸铝化学性质惰性，在酸性和碱性介质中均稳定；具有pH缓冲性能，pH范围为9.5～10.5，表面具有多羟基性质，在水介质中易润湿分散。

用途：超细硅酸铝是一种新型功能性硅酸盐产品，具有白度高、颗粒小、悬浮性好等特点，广泛应用于涂料、油墨、印染、橡胶、塑料、造纸、皮革等领域。在室内外建筑涂料中，用超细硅酸铝代替钛白粉，不仅具有增强钛白粉协同作用、降低涂料成本的效果，而且可以明显提高产品的性能。在农用地膜中添加超细硅酸铝，可以提高其透光率，增加农作物的光合作用强度，从而使农作物增产8-20%。超细硅酸铝在造纸行业中的应用，可以明显提高纸张的白度，增加产品的使用寿命，改善其外观。

2、硅酸铝纤维

概述：一般的陶瓷纤维为硅酸铝纤维，是一种轻质纤维状耐火材料，具有质轻、导热系数低、比热容小、耐高温、热稳定性好、耐机械振动等优点。其组成为SiO2：Al2O3=1~1.2，Al2O3含量越高，耐热性越好。其性能与玻璃短纤维相似，可耐1000~1500℃高温。硅酸铝纤维还具有抗高温氧化、高温强度高、抗高温蠕变等优点，作为高温纤维状绝热材料得到迅速发展。目前，在特殊工业领域，硅酸铝纤维作为高温绝热材料应用十分广泛。

分类与组成：根据纤维内部化学组成和矿相组成不同，硅酸铝纤维可分为四类，如表1所示。表1中，第1类：标准硅酸铝纤维；第2类：高纯硅酸铝纤维；第3类：含铝的高纯硅酸铝纤维；第4类：含锆的高纯硅酸铝纤维；第5类：莫来石纤维；第6类：氧化铝纤维。其中，第3类纤维的使用温度比第1、2类高。第4类纤维中含有一定量的氧化锆，虽然SiO2含量也较高，但是氧化锆的加入阻止了晶体的生长，因此，使用温度与第3类纤维接近。前四类硅酸铝纤维均为非晶态纤维，一般在1000℃下长期使用，就会发生结晶，生成莫来石、石英等晶体。随着纤维弹性的下降和密度的增加，纤维逐渐变脆，最终断裂，影响其使用寿命。表中后两种硅酸铝纤维为结晶性纤维，只有在很高的温度下才会出现上述结晶现象。因此，这两类纤维的使用温度较高。在1500℃以下，多晶莫来石纤维比较稳定，但当温度超过1500℃时，其晶粒就会长大，从而丧失耐高温性能。

表1为硅酸铝纤维的分类及化学成分（质量分数/%）

特性：硅酸铝纤维为非晶态，在980℃以上开始结晶，生成石英、莫来石、刚玉三种晶体。不同晶体构成的纤维，其使用特性也不同。随着结晶的进行，纤维密度增加（纤维收缩），弹性下降。一般莫来石含量在1300℃左右呈线性上升，在1600℃时保持不变。方石英在1250℃～1300℃之间出现，并继续增加，直至1450℃；当温度再次升高时，又熔化并减少。由于方石英在形成时会产生很大的应力，足以使纤维结构断裂、粉化，因此纤维变脆。莫来石和刚玉相可以适当减缓方石英的有害作用。另外，随着结晶的增加，晶体长大，纤维会变脆甚至损坏，从而限制纤维的使用温度和寿命。可以看出，3类纤维的使用温度比1类和2类纤维要高。虽然第四类纤维的SiO2含量较高，但4%的Cr2O3阻止了纤维间接触部位的晶体生长和烧结，因此使用温度与第三类纤维接近。另外，当纤维中含有TiO2时，也会出现这种影响。在高温下长期使用时，Cr2O3因氧化蒸发而含量减少，其耐高温性能将接近于第二类纤维。

制备方法[1] [2] [3] [4] 1.非晶态硅酸铝的制备：

共沉淀法以水玻璃和酸化硫酸铝为原料，进行中和反应，主要反应式为：

图1为共沉淀法反应方程式

反应完成后，在45℃下继续搅拌2小时，然后用去离子水洗涤，直至洗液电导率达到要求，放入烘箱中烘干6～8小时，再放入箱式电阻炉中在设计温度（400～600℃）下焙烧2小时，称重、装瓶。

2. 硅酸铝载体的制备

逐步沉淀法是将稀硫酸加入一定浓度的水玻璃溶液中，生成SiO2水凝胶，陈化后加入pH为9.0的硫酸铝溶液，再加入氨水作为沉淀剂，生成硅胶后搅拌陈化2小时，用去离子水洗涤至电导率符合要求后，将样品放入烘箱烘干，在400-600℃的煅烧温度下煅烧2小时，活化后制成硅酸铝载体，称重装瓶。

3. 超细硅酸铝的制备

（1）制备原理

在搅拌条件下，将含铝废液缓慢加入到确定浓度的溶液中，控制适当的温度和pH值进行反应聚合，使硅酸铝胶体生成并从溶液中析出。为了防止颗粒团聚，对硅酸铝初级颗粒表面进行改性，降低其比表面能，抑制颗粒长大。

(2) 制备过程

取26.4%溶液60ml，置于60℃恒温水浴中，待温度恒定后，将残液缓慢加入其中，并不断搅拌，使生成的颗粒均匀一致。当pH值为4.5时停止加入（一般残液用量约为240ml），继续搅拌，加入0.-80（约为目标样品总量的1%）。体系在搅拌条件下陈化2h，过滤，在此期间加入少量铝片，防止Fe2+被氧化而不易除去。然后用蒸馏水搅拌滤饼，洗涤，除去杂质离子。将洗净的滤饼加水搅拌成乳液，用10%溶液调节pH值至10.0。过滤，将滤饼置于200℃烘箱中烘干，即得样品。

4. 纳米硅酸铝的制备

（1）化学沉淀法

将铝酸钠（铝土矿的碱性溶液）与酸性硅溶胶（硅酸钠的酸性脱钠产物）经中和、沉淀、干燥得到结晶性硅酸铝，再加入矿化剂，经1200℃高温煅烧得到无水硅酸铝，最后加入助磨剂，经超细磨、分级即得本产品。

（2）微波干燥法

1)溶液制备（0.1 mol/L铝酸钠和0.1 mol/L硅酸溶液）：分别称取6.6H2O和固体，混合反应，于250mL容量瓶中用蒸馏水定容：称取7.?9H2O固体，缓慢滴加HCl溶液，直至生成弱酸性硅酸溶液（接近形成硅酸溶胶），于250mL容量瓶中用蒸馏水定容。

2)重复配制硅酸溶液，并测定其pH值，分别得到不同pH值的硅酸溶液（pH=6.5、pH=6.0、pH=5.5、pH=5.0、pH=4.5、pH=4.0）。

3）先在小烧杯中加入30mL蒸馏水和一定量的PVP，再用移液器将5mL铝酸钠转移至小烧杯中，慢慢加入5mL不同pH值的硅酸溶液（加入过程中加入表面活性剂），控制速度使生成的颗粒尽可能的小（同时测量pH值，观察现象）。

4)将样品放入微波炉以90℃老化；离心后，将样品放置在空气中干燥，得到硅酸铝粉末。

主要参考文献

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[2] 李红华, 李辽莎. 利用含铝废水制备超细硅酸铝[J]. 化工学报, 2007(02):514-517.

[3]徐建生,常悦,李大振,邵建人.纳米硅酸铝的制备方法及其在涂料中的应用[J].化工新型材料,2001(07):13-14+12.

[4] 张英华, 赵启红, 李来发, 张廷熙. 微波干燥制备纳米硅酸铝[J]. 化工时报, 2007(06):1-3.

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[6] 褚亮. 高炉渣制备超细硅酸铝及镁铝尖晶石的研究[D]. 安徽工业大学, 2014.

[7]王莎.硅酸铝纤维及其纸张的结构与性能研究[D].齐鲁工业大学,2013.

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