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氧化鋁（Al2O3）因具有熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕和絕熱性好等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。Al2O3多以顆粒、片狀、線狀等形式使用，其中一維Al2O3纖維因具有更高的表面活性和較大的長(zhǎng)徑比而具有更好的使用性能。將Al2O3纖維的尺寸進(jìn)一步細(xì)化到納米級(jí)，不僅可以帶來(lái)強(qiáng)大的納米效應(yīng)（如大比表面積、小孔徑、高孔隙率、良好的通道連通性），還可以制成特殊的形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)，顯著提高其在高溫過(guò)濾、廢水  凈化、電路基板和催化劑載體中的使用性能。在過(guò)去的幾十年里，人們探索了各種技術(shù)來(lái)制備一維Al2O3纖維，包括熔融抽絲法、浸漬法、溶膠 -凝膠法、靜電紡絲法、卜內(nèi)門法等。其中：熔融抽絲法存在產(chǎn)品性能不易控制以及對(duì)制備設(shè)備要求高的問(wèn)題；卜內(nèi)門法存在難以得到連續(xù)長(zhǎng)纖維和成本較高的局限；浸漬法和溶膠-凝膠法制備的纖維強(qiáng)度較高，但纖維直徑為微米級(jí)，應(yīng)用性能難以提升；而靜電紡絲法通過(guò)高壓電場(chǎng)將不穩(wěn)定的帶電液滴分裂形成泰勒錐，同時(shí)利用高分子聚合物作為紡絲模板來(lái)制備成分可控制、結(jié)構(gòu)可調(diào)整、功能可擴(kuò)展的超細(xì)纖維，該方法被認(rèn)為是可以高效大規(guī)模生產(chǎn)纖維的一種靈活和強(qiáng)大的方法，近年來(lái)發(fā)展迅速。為了給國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員提供參考，作者對(duì)近年來(lái)靜電紡絲法制備Al2O3纖維的原理、工藝參數(shù)和鋁前驅(qū)體種類對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響、Al2O3纖維應(yīng)用領(lǐng)域等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)靜電紡絲法制備Al2O3纖維的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

 

1、制備原理

 

靜電紡絲技術(shù)最早可以追溯到1879年，STRUTT等研究的帶電液體從圓柱體變成珠粒的現(xiàn)象；1900年，COOLEY申請(qǐng)了世界上第一個(gè)靜電紡絲專利，設(shè)計(jì)的靜電紡絲設(shè)備主要由高壓供應(yīng)器、注射泵、注射器和收集器4個(gè)部件組成。在靜電紡絲制備Al2O3纖維的過(guò)程中，使用含有鋁前驅(qū)體的聚合物溶液作為紡絲液，將具有一定黏彈性的紡絲液注入注射泵中，隨著紡絲電壓的升高，紡絲液從注射器中擠出，形成一個(gè)微小帶電液滴，當(dāng)液滴的表面電荷排斥力和紡絲液的表面張力達(dá)到平衡時(shí)，帶電液滴形成一個(gè)錐體（泰勒錐）。帶電液滴的表面電荷量隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而逐漸積累，一旦電場(chǎng)的強(qiáng)度克服液滴的表面張力，帶電射流從泰勒錐中噴出，經(jīng)歷劇烈的拉扯和分裂，同時(shí)在飛行過(guò)程中通過(guò)穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，并在不穩(wěn)定區(qū)進(jìn)一步被拉伸，此過(guò)程還伴隨著溶劑的揮發(fā)和聚合物的固化，最終在接收板上沉積得到前驅(qū)體纖維。隨后，對(duì)該前驅(qū)體纖維進(jìn)行煅燒處理以去除其中的有機(jī)成分，從而制備出Al2O3纖維。

 

傳統(tǒng)靜電紡絲法制備Al2O3纖維存在產(chǎn)量和效率低的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，為此研究者們相繼開發(fā)了多針頭靜電紡絲和無(wú)針頭靜電紡絲方法。多針頭靜電紡絲以單針頭靜電紡絲為基礎(chǔ)，通過(guò)增加紡絲噴嘴的數(shù)量來(lái)增加纖維的產(chǎn)量。雖然多針頭靜電紡絲可以在一定程度上提高紡絲效率，但針頭與針頭之間的相互影響和針頭的清洗問(wèn)題仍然很難解決。近年來(lái)，無(wú)針頭噴嘴應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)針頭靜電紡絲通過(guò)改變靜電紡絲過(guò)程中的供液方式， 將紡絲液充滿紡絲輥，在高壓電場(chǎng)的作用下從紡絲棍中噴射出纖維，從而提高纖維的產(chǎn)量。目前，上述2種方法都已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，可以生產(chǎn)包括Al2O3纖維在內(nèi)的各種纖維材料，但由于影響紡絲過(guò)程的因素很多，開發(fā)出能夠穩(wěn)定生產(chǎn)不同需求的纖維的紡絲設(shè)備仍然存在很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)工業(yè)化的靜電紡絲設(shè)備成本普遍較高。

 

2、工藝參數(shù)對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響

 

2.1    聚合物參數(shù)

 

纖維的結(jié)構(gòu)和性能主要取決于靜電紡絲的工藝參數(shù)，其中聚合物參數(shù)是指聚合物的種類、相對(duì)分子質(zhì)量和溶解性等。靜電紡絲使用的聚合物一般應(yīng)具有相對(duì)較高的相對(duì)分子質(zhì)量，以達(dá)到紡絲大分子鏈的臨界纏結(jié)。相對(duì)分子質(zhì)量低的聚合物纏結(jié)度不足，鏈長(zhǎng)短，分子摩擦力小，難以抵抗不穩(wěn)定的攪打，會(huì)導(dǎo)致射流中斷，無(wú)法形成纖維；但過(guò)大的相對(duì)分子質(zhì)量又會(huì)產(chǎn)生帶狀纖維。溶解性較差的聚合物由于溶解不充分，會(huì)導(dǎo)致噴絲不連續(xù)；而溶解度較高的聚合物有助于形成更均勻的晶粒結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)。SONG 等分別以聚乙烯醇（PVA）、聚 乙烯醇縮丁醛（PVB）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為聚合物模板，采用靜電紡絲技術(shù)制備Al2O3纖維：使用PVA制備的纖維具有均勻的直徑、致密的結(jié)構(gòu)和最高的抗拉強(qiáng)度；使用PVB制備的纖維表面粗糙，結(jié)構(gòu)多孔，晶粒尺寸最小，力學(xué)性能最差；使用PVP制備的纖維直徑分布不均勻，晶粒尺寸最大，彈性模量最高。不同的聚合物導(dǎo)致紡絲液的均勻性和分解行為各不相同，從而造成纖維形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的不同，并最終影響其力學(xué)性能。因此，要合成具有特定形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能的Al2O3纖維，需要選擇合適的聚合物。

 

2.2    溶劑參數(shù)

 

溶劑參數(shù)包括溶劑的沸點(diǎn)、揮發(fā)性等。溶劑是影響紡絲液導(dǎo)電性和表面張力的關(guān)鍵因素，主要起到溶解聚合物以及形成“水橋”將聚合物送到接收裝置的作用。通常具有較低沸點(diǎn)的溶劑可以在紡絲過(guò)程中更快地?fù)]發(fā)，從而形成均勻、細(xì)長(zhǎng)的纖維；而具有較高沸點(diǎn)的溶劑在紡絲過(guò)程中揮發(fā)較慢，可能造成纖維直徑不均勻或形成結(jié)構(gòu)缺陷。若溶劑的揮發(fā)性過(guò)好，聚合物在噴射過(guò)程中不能拉伸到位，導(dǎo)致Al2O3纖維直徑較大，也易造成聚合物在噴絲口積聚，堵塞噴絲頭，從而無(wú)法獲得連續(xù)的Al2O3纖維；若溶劑的揮發(fā)性過(guò)差，在纖維到達(dá)接收板后，仍會(huì)有較多的溶劑殘留，可能會(huì)使Al2O3纖維坍陷為扁平狀或其上布滿紡錘體或串珠。TANRIVERDI等利用靜電紡絲技術(shù)制備硼硅酸Al2O3纖維，發(fā)現(xiàn)隨著乙醇溶劑含量的提高，烷氧基化合物的分散度增大， 從而減少了珠狀及樹枝狀形貌Al2O3的產(chǎn)生，獲得的 纖維更加均勻連續(xù)。

 

2.3    紡絲液參數(shù)

 

紡絲液參數(shù)是指紡絲液的黏度、濃度、表面張力、導(dǎo)電性等。紡絲液的高表面張力會(huì)增加纖維噴射的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致形成細(xì)長(zhǎng)纖維所需的電場(chǎng)強(qiáng)度更高。當(dāng)紡絲液的黏度較大時(shí)，紡絲液很難在噴絲口處形成連續(xù)的射流；而當(dāng)紡絲液的黏度較小時(shí)，無(wú)法得到連續(xù)的纖維。研究表明，黏度為0.1~2Pa·s−1、表面張力為0.035~0.055N · m−1的紡絲液適合靜電紡絲。有研究者提出可利用振動(dòng)技術(shù)來(lái) 解決紡絲液黏度過(guò)高的問(wèn)題，如超聲波振動(dòng)可以降低聚合物鏈之間的范德華力，達(dá)到暫時(shí)降低黏度的目的。紡絲液的導(dǎo)電性決定了纖維在靜電場(chǎng)中的 拉伸長(zhǎng)度，當(dāng)紡絲液的電導(dǎo)率太低時(shí)，在靜電紡絲時(shí)會(huì)出現(xiàn)珠粒，難以形成均勻的纖維，而高電導(dǎo)率則可能導(dǎo)致形成的纖維彎曲、直徑不均勻或者形成帶狀纖維。在同等靜電場(chǎng)條件下，紡絲液的導(dǎo)電性越好，得到的Al2O3纖維越細(xì)。ABDILLAH等以平均相對(duì)分子質(zhì)量為1300000的PVP作為聚合物前驅(qū)體，研究了不同聚合物含量對(duì)Al2O3纖維形貌的影響，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，產(chǎn)物中形成球狀珠粒，隨著聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，球狀珠粒減少，纖維增多，當(dāng)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到12%時(shí)，產(chǎn)物主要為扁平狀的堆積纖維；聚合物的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?？芍?，較低濃度的紡絲液不利于連續(xù)纖維的形成，但濃度過(guò)大可能導(dǎo)致制備的纖維粗大。

 

2.4    過(guò)程控制參數(shù)

 

過(guò)程控制參數(shù)主要包括紡絲電壓、紡絲液推注速度和紡絲距離（噴絲頭與接收板之間的距離）。紡絲電壓決定著紡絲液所受靜電力的大小，紡絲電壓越大，射流噴射出的纖維越細(xì)，但過(guò)大的紡絲電壓也會(huì)使射流量增多，纖維變粗，導(dǎo)致串珠現(xiàn)象的出現(xiàn)。紡絲距離決定了紡絲運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，紡絲距離過(guò)短會(huì)導(dǎo)致溶劑揮發(fā)不完全，出現(xiàn)珠狀物，而紡絲距離過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致噴射不穩(wěn)定。若紡絲液推注速度過(guò)快，針頭處容易滴液，溶劑在到達(dá)接收板之前無(wú)法完全揮發(fā)，導(dǎo)致形成珠狀或帶狀纖維；若紡絲液推注速度過(guò)慢，紡絲過(guò)程不連續(xù)，最終會(huì)導(dǎo)致Al2O3纖維直徑不均勻。當(dāng)紡絲液推注速度適中時(shí)，形成的泰勒錐穩(wěn)定，更易生成光滑均勻的纖維。ABDILLAH等研究發(fā)現(xiàn)，靜電紡絲制備的纖維直徑受紡絲液推注速度的影響，隨著紡絲液推注速度的增加，纖維直徑變大。

 

2.5    環(huán)境參數(shù)

 

環(huán)境參數(shù)主要指工作環(huán)境的濕度和溫度。環(huán)境溫度的升高會(huì)加速分子的運(yùn)動(dòng)，提高紡絲液的導(dǎo)電性，加速溶劑的揮發(fā)，所形成的纖維直徑變小且更均勻；環(huán)境溫度過(guò)高會(huì)使溶劑揮發(fā)過(guò)快，紡絲液易堵塞針頭，使紡絲過(guò)程不能順利進(jìn)行。環(huán)境濕度對(duì)靜電紡絲的影響較復(fù)雜，當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)，溶劑揮發(fā)較快，會(huì)使纖維的直徑變大；但由于溶劑的親水性不同，一些有機(jī)溶劑如乙醇會(huì)吸收空氣中的水分，使溶劑更難揮發(fā)，靜電力降低，導(dǎo)致纖維更薄。當(dāng)環(huán)境濕度過(guò)高時(shí)，射流表面的溫度會(huì)低于環(huán)境溫度，小水滴會(huì)沉積在射流表面，待纖維硬化后，在纖維上留下孔洞。目前有關(guān)環(huán)境參數(shù)對(duì)靜電紡絲纖維形貌和結(jié)構(gòu)的研究尚不成熟，需要進(jìn)一步深入研究。

 

2.6    熱處理參數(shù)

 

煅燒溫度會(huì)對(duì)Al2O3纖維的形貌和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。一般煅燒溫度越高，Al2O3纖維直徑越小，表面越粗糙。COTA-LEAL等在500，650，800 ℃下對(duì)PVP/Al（NO3）3前驅(qū)體纖維進(jìn)行煅燒，發(fā)現(xiàn)隨著煅燒溫度的升高，纖維從無(wú)定形結(jié)構(gòu)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)， 纖維的平均直徑也從254nm減小到160nm，表面形態(tài)從光滑變?yōu)榇植凇?/span>

 

3、鋁前驅(qū)體種類對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響

 

3.1    無(wú)機(jī)鋁源

 

無(wú)機(jī)鋁源通常指氯化鋁（AlCl3）、硝酸鋁［Al（NO3）3］等離子化合物，使用無(wú)機(jī)鋁源制備的Al2O3纖維呈細(xì)絲狀，直徑通常在幾百到幾微米之間。COTA-LEAL等通過(guò)靜電紡絲法制備了PVP/Al（NO3）3前驅(qū)體纖維膜，并經(jīng)高溫煅燒制備Al2O3纖維，研究發(fā)現(xiàn)：隨著煅燒溫度從500℃升高到800℃，纖維的平均直徑由254nm減小到160nm，孔體積從0.008cm3·g−1增加到0.040 cm3·g−1比表 面積從10.22g·m−2增加到37.46g·m−2；800℃煅燒溫度下制備的Al2O3纖維在反應(yīng)溫度350℃下催化甲醇制二甲醚的轉(zhuǎn)化率最高，為71%，選擇率為100%。XU等以AlCl3· 6H2O為單一鋁前驅(qū)體， 采用靜電紡絲法合成了平均直徑為0.83~0.91μm的硅酸鋁纖維，隨著AlCl3·6H2O含量的增加，纖維表面顆粒增多，表面更加粗糙，再經(jīng)高溫?zé)崽幚砗罄w維具有更高的抗拉強(qiáng)度。然而，無(wú)機(jī)鋁源制備得到的前驅(qū)體纖維具有較高的吸濕性，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)。

 

3.2    有機(jī)鋁源

 

有機(jī)鋁源主要包括異丙醇鋁（AIP）、醋酸鋁［Al（CH3COO）3］和乙酰丙酮鋁等，都含有碳、氫、氧等官能團(tuán)，在煅燒過(guò)程中這些官能團(tuán)可以被完全去除。有機(jī)鋁源制備的Al2O3纖維通常具有較小的晶體尺寸、致密的結(jié)構(gòu)以及光滑的表面。WANG等以AIP為鋁源，乙酰丙酮（Hacac）為配體，通過(guò)靜電紡絲工藝制備了具有優(yōu)異柔韌性的Al2O3纖維，該纖維的平均直徑在300~400nm，纖維結(jié)構(gòu)致密，不存在裂紋、孔洞等表面缺陷。MAHAPATRA等以Al（CH3COO）3為鋁源、PVP為聚合物、C2H6O為溶劑，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備出的Al2O3纖維直徑在100~500nm，表面光滑，無(wú)孔洞等缺陷。

 

3.3    混合鋁源

 

無(wú)機(jī)鋁源中含有難以完全去除的陰離子，而有機(jī)鋁源可能會(huì)出現(xiàn)溶解度較低的情況，需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱和攪拌或者額外加入酸性催化劑。若同時(shí)使用無(wú)機(jī)鋁源和有機(jī)鋁源來(lái)制備Al2O3纖維可解決上述問(wèn)題。CAI等以Al（NO3）3· 9H2O和AIP為鋁源、PVA為聚合物、膠體SiO2為硅源，采用靜電紡絲法制備Al2O3纖維，發(fā)現(xiàn)該纖維具有連 續(xù)的圓柱形結(jié)構(gòu)，同時(shí)纖維結(jié)構(gòu)中各元素分布均勻。LI 等以AlCl3·6H2O和AIP為鋁源，采用靜電紡絲技術(shù)制備了多層Al2O3/ZrO2/Y2O3纖維膜，獲得了表面光滑、結(jié)構(gòu)均勻的復(fù)合纖維，并且該纖維具有優(yōu)異的耐火性能、柔韌性和抗壓性能。

 

3.4    其他鋁源

 

除無(wú)機(jī)鋁源和有機(jī)鋁源外，還可以利用鋁粉、 擬薄水鋁石和勃姆石（AlOOH）等其他原料制備出性能優(yōu)異的Al2O3纖維。這些原材料通常不存在雜質(zhì)，但一般需要使用酸性或堿性溶劑進(jìn)行溶解處理。WANG等以鋁粉為單一的鋁前驅(qū)體，甲酸、 乙酸、水為溶劑，聚氧化乙烯（PEO）為助紡劑，通過(guò)靜電紡絲法制備了Co/Al2O3纖維，該纖維的直徑在  300~400nm，表面光滑且無(wú)裂紋，具有良好的柔韌性和拉伸性能，在水體修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。ZHAO等以擬薄水鋁石顆粒為鋁源、PVP為聚合物、C2H6O為溶劑，通過(guò)靜電紡絲法制備了連續(xù)光滑的Al2O3納米纖維，該纖維具有優(yōu)異的柔韌性，在過(guò)濾和催化劑載體方面具有良好的應(yīng)用前景。NAKANE等將勃姆石顆粒分散在PVA溶液中，通過(guò)靜電紡絲法制備了Al2O3纖維。

 

綜上，不同鋁源在制備Al2O3纖維時(shí)具有各自的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)和形貌方面：有機(jī)鋁源制備的Al2O3纖維通常具有較小的晶體尺寸、致密的結(jié)構(gòu)以及光滑的表面；無(wú)機(jī)鋁源制備出的纖維常具有粗糙的表面以及較大的比表面積；鋁粉、擬薄水鋁石和勃姆石（AlOOH）等其他原材料制備出的纖維表面光滑、無(wú)裂紋。在規(guī)?；a(chǎn)方面：有機(jī)鋁源可以實(shí)現(xiàn)Al2O3纖維的規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)條件溫和，不容易引入新的雜質(zhì)，所獲產(chǎn)品純度高；無(wú)機(jī)鋁源雖然價(jià)格低廉、溶解性好，但前驅(qū)體纖維膜具有較高的吸濕性，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)；鋁粉、擬薄水鋁石和勃姆石等其他原材料需要經(jīng)過(guò)前處理，費(fèi)用較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。在制備工藝上：無(wú)機(jī)鋁源和有機(jī)鋁源制備Al2O3纖維時(shí)操作簡(jiǎn)單，而使用鋁粉、擬薄水鋁石和勃姆石為原材料時(shí)需要使用酸性或堿性溶劑進(jìn)行前處理，步驟繁瑣。在纖維性能方面：有機(jī)鋁源制備的纖維具有一定的柔韌性，而無(wú)機(jī)鋁源可能會(huì)制備出硬而脆的Al2O3纖維。在環(huán)保方面：無(wú)機(jī)鋁源制得的Al2O3經(jīng)過(guò)煅燒后產(chǎn)生的氣體污染性強(qiáng)，有機(jī)鋁源反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)溶劑也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。

 

4、應(yīng)用領(lǐng)域

 

4.1    吸附過(guò)濾領(lǐng)域

 

不同結(jié)構(gòu)的Al2O3基纖維已被成功應(yīng)用于水體污染物如四環(huán)素和染料的吸附。在吸附領(lǐng)域，多孔結(jié)構(gòu)的Al2O3纖維表面積相對(duì)較大，可以提高纖維與吸附物質(zhì)之間的接觸面積，從而提高吸附效率。SHEN等以樹枝狀聚合物PAMAM-G1為造孔劑，采用靜電紡絲工藝制備出含介孔結(jié)構(gòu)的Al2O3纖維，對(duì)甲基橙（MO）染料表現(xiàn)出卓越的吸附性能。LI等以聚四氟乙烯（PTFE）乳液為造孔劑，通過(guò)靜電紡絲工藝成功制備了具有不同孔徑的多孔超細(xì)Al2O3纖維，其中800℃下煅燒的Al2O3纖維對(duì)亞甲基藍(lán)（MB）染料的最大吸附效率為97.65%，經(jīng)過(guò)5次循環(huán)后，染料吸附效率仍為90.34%，可見(jiàn)該Al2O3纖維具有良好的吸附循環(huán)性能。在靜電紡絲工藝制備Al2O3纖維過(guò)程，引入SiO2等無(wú)機(jī)添加劑可有效抑制高溫煅燒過(guò)程中的相變，使其仍保持大表面積，從而有利于染料的吸附。BIN MUKHLISH等利用靜電紡絲法成功制備了由超細(xì)Al2O3-SiO2纖維組成的柔性自支撐膜，并將其用作吸附劑對(duì)水體系中的活性紅-120（RR-120）染料進(jìn)行吸附脫色，吸附脫色后該柔性自支撐膜可從液體中分離并重復(fù)使用。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，顆粒物污染對(duì)人體健康構(gòu)成了極大威脅，去除顆粒物已成為各個(gè)領(lǐng)域的迫切需求。Al2O3纖維以其高熱穩(wěn)定性、出色的力學(xué)性能和耐高溫等特點(diǎn)，在高溫氣體過(guò)濾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。WANG等通過(guò)靜電紡絲法制備了面密度為11.36g·m−2的γ-Al2O3柔性纖維膜，對(duì)粒徑300nm膠體顆粒的過(guò)濾效率達(dá)到99.97%。

 

4.2    催化領(lǐng)域

 

Al2O3既可以以穩(wěn)定的α相存在，也可以以幾種過(guò)渡相中的任何一種存在。其中，γ -Al2O3因具有大缺陷晶體結(jié)構(gòu)而廣泛用作工業(yè)催化劑或催化載體。然而，傳統(tǒng)的Al2O3催化劑通常呈顆粒狀，不易回收利用。靜電紡絲工藝制備的Al2O3 纖維不僅可回收利用，還保留了其催化性能。用于催化領(lǐng)域的Al2O3纖維多為多孔結(jié)構(gòu)材料，這是因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)可以提供更大的比表面積和孔隙容積，增加材料與周圍環(huán)境的接觸面積，從而提供更多的活性位點(diǎn)。

 

具有催化活性的Al2O3纖維的制備方法一般包括以下2種。一種是在紡絲液中直接加入催化劑， 然后進(jìn)行紡絲和煅燒。WANG等通過(guò)靜電紡絲法制備了具有催化活性的柔性Cu/Al2O3纖維膜，發(fā)現(xiàn)在中性環(huán)境中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Cu/Al2O3 纖維膜在180min內(nèi)對(duì)雙酚A 的降解率為87%。LIU等使用靜電紡絲工藝合成了負(fù)載鎳的Al2O3 纖維催化劑，該Ni/Al2O3纖維催化劑具有良好的金屬分散性，在常壓、700℃下CO2甲烷重整反應(yīng)測(cè)試時(shí)表現(xiàn)出很高的重整活性。另一種方法是先制備Al2O3紡絲液，然后紡絲、煅燒制成Al2O3纖維，再將催化劑負(fù)載到纖維上。SOUSA等通過(guò)在Al2O3纖維表面沉積氧化鋅（ZnO）顆粒制備得到ZnO/Al2O3纖維催化劑，發(fā)現(xiàn)該催化劑對(duì)質(zhì)量濃度為5mg·L−1MB的降解率幾乎達(dá)到100%。CHENG等通過(guò)靜電紡絲工藝獲得ZnO/γ-Al2O3纖維，然后在其表面引入銀納米顆粒獲得了具有高光催化活性的Ag/ZnO/γ-Al2O3纖維催化劑。CHOI 等利用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合900℃高溫煅燒制備了Al2O3纖維，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%鉑和4.5%錫浸漬后，對(duì)丙烷脫氫具有高的催化活性。

 

4.3    儲(chǔ)能領(lǐng)域

 

Al2O3纖維表現(xiàn)出的耐高溫特性使其在鋰離子電池的電極、隔膜以及質(zhì)子交換膜等儲(chǔ)能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Al2O3纖維的高比表面積可提供大的電極表面積和較多的反應(yīng)位置，減少離子或電子的傳輸路徑，從而提高儲(chǔ)能裝置的充放電速率。

 

LIU等采用靜電紡絲技術(shù)和濕法成膜工藝，制備了由Al2O3纖維（具有快速的離子傳輸性能和優(yōu)異的耐火性）和聚酰壓胺（PI）纖維（具有耐熱性和纏繞力）組成的Al2O3/PI復(fù)合隔膜，發(fā)現(xiàn)與商用聚丙烯（PP）/Al2O3膜和商用PP/聚乙烯（PE）/PP膜相比，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%Al2O3纖維制備的新型復(fù)合隔膜表現(xiàn)出更好的離子導(dǎo)電性、更寬的電化學(xué)穩(wěn)定性、更高的孔隙率和電解液吸收能力，有望成為高安全性鋰離子電池隔膜的潛在材料。由于Al2O3纖維可與電極的活性成分相互作用，研究人員嘗試將Al2O3纖維添加到電池電極中，以提高其質(zhì)子導(dǎo)電性和尺寸穩(wěn)定性。LI 等以PTFE 為催化劑，結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和熱處理工藝制備了新型仿生物毛蟲狀A(yù)l2O3纖維，該纖維具有連續(xù)Al2O3骨架和針狀晶須脊柱特征，這種結(jié)構(gòu)有助于構(gòu)建具有新型質(zhì)子傳導(dǎo)通道。LIU 等采用靜電紡絲法制備C/Al2O3纖維，并將其作為高性能鋰-硫電池的中間層，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)200次充放電循環(huán)后，電池的放電容量仍然保持在初始容量的73%，這得益于Al2O3與聚硫化物形成的化學(xué)鍵阻止了聚硫化物擴(kuò)散到電解質(zhì)中，提高了活性材料的利用率。PAN等采用靜電紡絲法制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇（BaTiO3）/Al2O3復(fù)合纖維，其中Al2O3作為絕緣的殼層，不僅使得復(fù)合纖維具有適中的介電常數(shù)，還能有效抑制電荷載流子的轉(zhuǎn)移，從而縮短電荷極化和界面極化的空間以減少能量損失。BaTiO3/Al2O3復(fù)合纖維具有高能量存儲(chǔ)密度和擊穿閾值，有望用作介質(zhì)電容器。

 

4.4    高溫隔熱領(lǐng)域

 

為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前能源短缺和節(jié)能減排的需求，節(jié)能降耗受到越來(lái)越多的關(guān)注。Al2O3纖維具有低熱容量、低導(dǎo)熱系數(shù)、低蠕變速率、高抗熱震性等優(yōu)異性能，適用于工業(yè)爐窯、航空航天等需要輕質(zhì)保溫材料的領(lǐng)域。WANG 等采用AIP為鋁源、Hacac為配體，通過(guò)靜電紡絲和高溫煅燒制備了具有優(yōu)異柔韌性的Al2O3纖維，所制備的Al2O3纖維直徑均勻，無(wú)孔洞結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)1000℃熱處理后纖維仍然保持完整的形態(tài)，熱導(dǎo)率僅為0.318W·m−1·K−1。中空 結(jié)構(gòu)Al2O3纖維內(nèi)部空腔內(nèi)滯留的空氣保持靜態(tài)，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射能力差，因此具有良好的隔熱性。XI等以潘帕斯草為模板制備具有中空結(jié)構(gòu)和管狀結(jié)構(gòu)的Al2O3/ZrO2纖維，該纖維的熱導(dǎo)率低至0.1327 W·m−1· K−1。

 

氣凝膠是一種具有多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型固體材料，在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性。ZHANG等通過(guò)靜電紡絲工藝制備了ZrO2/Al2O3 纖維，將其與磷酸二氫鋁［Al（H2PO4）3］基質(zhì)相結(jié)合制備出具有彈性的層狀多拱形結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維氣凝膠（ZrAlNFA），該氣凝膠在室溫下的熱導(dǎo)率僅為0.0322W·m−1·K−1，在1300℃的丁烷噴燈火焰下燃燒10min后纖維結(jié)構(gòu)仍然不變。Al2O3纖維氣凝膠具有較好的力學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐高溫隔熱性能，有望成為極端條件下的隔熱材料。

 

結(jié)束語(yǔ)

 

靜電紡絲工藝制備Al2O3纖維的關(guān)鍵參數(shù)包括聚合物的種類、相對(duì)分子質(zhì)量和溶解性，溶劑的沸點(diǎn)、揮發(fā)性，紡絲液的黏度、濃度、表面張力、導(dǎo)電性， 紡絲電壓，紡絲液推注速度，紡絲距離，環(huán)境的溫/濕度等，需要調(diào)節(jié)各參數(shù)以確保纖維形貌的均勻性。制備Al2O3纖維的前驅(qū)體包括無(wú)機(jī)鋁源、有機(jī)鋁源、 混合鋁源等，不同鋁源在制備Al2O3纖維時(shí)具有各自的特點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求進(jìn)行選擇。靜電紡絲工藝制備的Al2O3纖維具有比表面積大、孔隙率高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于吸附過(guò)濾、催化、儲(chǔ)能、高溫隔熱等領(lǐng)域。雖然靜電紡絲工藝制備的Al2O3纖維已經(jīng)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注和研究，但仍然存在巨大的發(fā)展空間，具體的發(fā)展方向主要包括以下幾個(gè)方面。

 

（1）實(shí)現(xiàn)Al2O3纖維的規(guī)模化生產(chǎn)一直是該行業(yè)面臨的緊迫問(wèn)題之一，靜電紡絲的生產(chǎn)率是限制其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的關(guān)鍵。通過(guò)增加針數(shù)可以提高纖維的生產(chǎn)率，但隨之噴嘴占據(jù)的空間也會(huì)增加，成本會(huì)更高，并且噴嘴之間會(huì)存在電場(chǎng)干擾。因此，需要進(jìn)一步開發(fā)能夠以合理的成本大量生產(chǎn)Al2O3纖維的方法，從而實(shí)現(xiàn)其廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。

 

（2）制備Al2O3纖維的紡絲液中通常含有一定量的聚合物，這些聚合物需要高溫才能完全分解，后續(xù)煅燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害氣體，而且大部分有機(jī)溶劑具有生物毒性，盡管后期可以通過(guò)各種手段去除，但消費(fèi)者仍有顧慮。因此，應(yīng)尋找更環(huán)保的制備方案，如減少聚合物添加量，或是尋找快速加熱的方法以減少能源損失并提高纖維的力學(xué)性能。

 

（3）雖然Al2O3纖維已經(jīng)在隔熱、過(guò)濾、催化和儲(chǔ)能各種領(lǐng)域得到應(yīng)用，但是還需進(jìn)一步提高Al2O3纖維的性能。為此，應(yīng)進(jìn)行Al2O3纖維的組成、形態(tài)和表面性質(zhì)等研究，以獲得所需的特性，如更好的熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度和導(dǎo)電性等， 為Al2O3纖維在柔性電子、航空航天和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域開辟新的可能性。