无碱玻纤如何耐“高烤”

纤维材料大致上可分为天然纤维和人造纤维两大类。天然纤维可分为有机纤维（如植物纤维）和无机纤维（如石棉）。人造纤维也可分为有机纤维（如高分子有机纤维）和无机纤维（如玻璃纤维）。天然有机纤维和人造高分子有机纤维耐温性能差，而天然无机纤维如石棉具有耐高温性能，但可惜它具有高致癌性，许多国家通过立法禁止、限制其生产和使用。 SiO2含量决定纤维耐高温性能石英纤维、高硅氧玻璃纤维和无碱玻璃纤维之所以耐高温性能差距这么大，原因是其纤维中的SiO2含量不同。虽然这3种纤维均以SiO2为其主要组分，但含量相差较大：石英纤维是一种高纯度人造无机纤维，SiO2含量>99.9%（可当做组分之一）,可耐1200℃高温，其软化点高达1730℃；高硅氧玻璃纤维的SiO2含量>96%，可耐900℃~1000℃高温；而无碱玻璃纤维的SiO2含量只有54%左右，其长期工作温度一般<300℃。拿高硅氧玻璃纤维来讲，其原始玻璃纤维中SiO2含量为60%~70%，其耐温性能并不高，但它经酸沥滤后，其纤维中SiO2含量等于96%，才达到较高耐温性能成为高硅氧玻璃纤维。当然对其再进行酸沥滤，可进一步提高SiO2含量（如达到98%以上），则可再次提高其耐温性能。但是，由于经酸沥滤，去除纤维中非SiO2组分，强度下降，非SiO2组分去除越干净，SiO2含量越高，其强度越低，这有可能影响到应用，当然从生产成本上考虑也不合算，所以高硅氧玻璃纤维SiO2含量≤96%，其耐温性能只能达到900℃~1000℃左右。酸沥滤参数选择至关重要高硅氧玻璃纤维原始玻璃成分可分两大类，即二元系和三元系。二元系为SiO2-Na2O，三元系为Na2O-CaO-SiO2和Na2O-B2O3-SiO2（我国为三元系），不管二元系还是三元系的原始玻璃成分，熔化拉制而成的原始玻璃纤维中均存在分相，即产生SiO2富集相和Na2O∶B2O3富集相，而后者易溶于酸。高硅氧玻璃纤维就是根据此原理，把原始玻璃纤维用热酸液处理，去除非SiO2组分，使纤维形成微孔硅氧管架结构，SiO2含量达≥96%。再经热烧结使微孔闭合，骨架结构趋于紧密，强度有所提高而成为高硅氧玻璃纤维。当然有的还须经表面化学处理，以满足用户后续制作加工以及应用性能要求。 无碱玻纤维是硅酸盐玻璃中一种碱金属氧化物含量<1%的玻璃态纤维，其典型成分为：SiO2-53.56%，B2O3-10.75%，Al2O3-15.2%，CaO-14.5%，MgO-4.16%，Na2O-1.75%。无碱玻璃纤维中也存在分相，所以可以采用高硅氧玻璃纤维酸沥滤方法，去除纤维中部分非SiO2组分，从而提高纤维中的SiO2含量，提高其耐高温性能。 国内高硅氧玻璃纤维酸沥滤主要采用连续式和间歇式两种方法，纱线类主要采用间歇式酸沥滤。对于无碱玻璃纤维，无论纱线类或是织物，建议采用间歇式，这样既可减少投资，又利于提高生产率，减少酸气泄露。当然其酸沥滤工艺参数也应与高硅氧玻璃纤维酸沥滤工艺参数有差别。 根据无碱玻璃纤维性能特点，笔者提出了几点不成熟的建议。 一是选择合适浸润剂生产无碱玻璃纤维。 由于这种纤维要进行酸沥滤，在酸沥滤时，纤维表面这层浸润剂首先应除去，以便于进行离子交换，加快酸沥滤进程。因而这种浸润剂只要保证具有较好的拉丝工艺性和纺织工艺性即可，而且这层浸润剂在酸液中易去除，其产生的产物不会影响酸沥滤进程。也就是说这种浸润剂与通常无碱玻璃纤维生产用的浸润剂应有所不同，有必要进行专题研究。当前建议选用石蜡型浸润剂，因为该浸润剂具有良好的拉丝工艺性和纺织工艺性，技术很成熟，价格又便宜。当然，应对这种浸润剂配方做一些调整，以使其在酸处理时更易去除。也有必要对纤维含油率做一些试验，使其达到最佳含油率。 二是先进行脱蜡再进行酸处理。 采用石蜡型浸润剂生产的无碱玻璃纤维进行酸沥滤以制备耐高温玻璃纤维是国内当今较合适的选择。由于石蜡型浸润剂中油质润滑组分含量高，所以其在玻纤表面形成的连续膜不利于离子交换，而且这些油类物质与酸液发生反应可能产生一些影响酸沥滤速度的反应物，所以先经热处理（脱蜡），把纤维表面这层浸润剂薄膜去除，使其成为裸纤维，有利于纤维和酸液进行离子交换。当然，这可能会增加生产成本。 国内对玻纤进行脱蜡按其热处理温度通常分为高、中、低三档。由于本产品要进行酸沥滤，所以不必像作为增强材料那样对脱蜡要求那么高，其次由于纤维经酸沥滤强度大幅下降，所以要求经脱蜡纤维强度保留率越高越好，因而应采用低温脱蜡为宜。 三是选用合适的酸沥滤工艺参数。 酸液浓度。 它对酸沥滤速度有一定影响，浓度大一些，其酸沥滤速度可能快些，但浓度对纤维腐蚀性大，所以选用低一点的浓度是有利的。 酸液温度。 温度高，离子动能大，离子交换速度快，但温度高，对纤维腐蚀厉害，所以也宜采用中低温度（如80℃~90℃）。 酸沥滤时间。 开始一段时间反应速度较快，经一定时间后反应趋于平稳，根据本产品要求（SiO2含量<85%）时间不宜太长，而且视不同耐高温等级选用不同的酸沥滤时间。 总之，这3个酸沥滤工艺参数的选择，既要保证无碱玻璃纤维经酸处理后SiO2含量达到其耐温等级的要求，又要保证一些关键组分不致消失量太大而影响性能。又如Ai2O3，若其损失太多，纤维强度则会下降得很厉害。 无碱玻纤耐高温性能亟须提高无碱玻璃纤维较之高分子有机纤维和天然有机纤维具有较好的耐温性能，所以在国民经济一些较高温度领域获得了广泛应用。 例如，我国水泥、钢铁等均为世界第一大生产国，汽车也是世界第一生产大国，同时又是世界上汽车零配件生产大国，因而我国炭黑工业发展势头也十分迅猛。而水泥、炭黑、冶金生产均离不开高温过滤材料。这是适应我国工业高速发展之需要，也是满足保护环境的要求，而且水泥和炭黑烟气过滤不仅能除尘，还是可回收的高档产品，所以它不但具有社会效应，也具有良好的经济效益。 随着我国城市化进程加快，我国城市垃圾资源化处理已列入各市政府重要工作日程，垃圾资源化处理在世界上通常是焚烧发电，但由此产生的烟尘必须进行除尘处理，由于其可能产生对人体危害极大的二噁英，所以又不能进行电除尘而只能进行袋式除尘。但是，由于生活垃圾成分十分复杂多样，所以焚烧烟气具有高温、高含水、高含油、高腐蚀性，因此要求玻璃纤维过滤材料具有高性能。 上述几种高温烟气除尘只能用耐高温纤维过滤材料，玻璃纤维尤其是无碱玻璃纤维就是世界应用最普遍、量最多的过滤材料。当然，就耐高温性能来讲，无碱玻璃纤维还是不高，它只能在260℃的温度工况下长期工作，瞬间短期也只能耐300℃。因此对一些温度超过300℃的烟气，往往只能采取先冷却降温后再经玻璃纤维过滤材料除尘。如干法水泥窑尾烟气温度为350℃~400℃，必须进行降温处理，使其烟气温度达到260℃左右才能使用玻璃纤维滤袋除尘。再如炼铁厂高炉煤气除尘，其烟气温度为300℃~350℃，必须采用抽入冷空气降温或采用水冷却降温。但用抽入冷空气降温会增加烟气量，加大滤袋器负荷；而采用水冷却，要浪费大量水资源，而且会降低热效率，又会产生二次污染。而这一切皆因无碱玻璃纤维过滤材料耐高温性能不够高。 再如摩擦材料和高温密封材料行业，由于耐高温的石棉对人体健康有严重危害，所以当今世界大多使用玻璃纤维替代石棉做摩擦材料和高温密封材料的纤维增强材料。但是也因为玻璃纤维耐高温性能有限，而影响它在一些高端领域（摩擦材料和密封材料）上的应用，例如航空摩擦材料只能使用很高价位的碳纤维做增强材料。 仅从上面述及的三个应用领域来看，提高无碱玻璃纤维耐高温性能十分必要。 耐中高温无碱玻璃纤维前景好 石英纤维可耐1200℃高温，它主要应用于高温、高端领域，由于其价格昂贵，一般工业部门用不起。高硅氧玻璃纤维可耐900℃~1000℃高温，也主要应用于高温高端领域，价格同样十分昂贵。这两种耐高温性能优异的纤维主要用于航天航空、国防军工以及国民经济一些高温领域。而无碱玻璃纤维长期工作温度260℃，所以其主要应用于<300℃的中温领域。虽然玄武岩可耐600℃左右高温，但因其性能不足与玻璃纤维相近，所以难以占领300℃~600℃这一中高温段应用领域。 无碱玻璃纤维经酸沥滤后，其纤维中SiO2含量提高，其耐温性能也得到提高，当SiO2含量达到85%，其耐高温可能达到800℃以上。可以设想：假如其SiO2含量达到60%左右，其耐高温可能达到300℃以上。也就是说可以通过酸沥滤，改变无碱玻璃纤维的SiO2含量，从而使其达到300℃~800℃不同耐高温等级。填补当前这一高温段耐高温人造非金属纤维空缺，技术上是可行的。 能否通过酸沥滤进一步提高无碱玻璃纤维耐高温等级，如达到耐900℃的高温。从理论上讲，通过酸沥滤可以使其纤维中的SiO2含量进一步提高，如大于90%，甚至接近96%。这样当然其耐高温可提高到>800℃，甚至达到900℃。 三元系高硅氧玻璃纤维原始玻璃纤维中的SiO2含量达65%，经酸沥滤后SiO2含量达96%，纤维失重32.29%，纤维强度下降40%~50%，其耐高温范围为900℃~1000℃。笔者按此推算对无碱玻璃纤维做一大胆设想：E玻纤SiO2含量为54%，经酸沥滤使SiO2含量达85%，纤维失重36.48%，假设强度下降45%~50%，其耐高温可达800℃；当经酸沥滤使SiO2含量达80%，则纤维失重为32.5%，假设其强度下降40%~45%，其耐高温达600℃~700℃；当经酸沥滤使SiO2含量为75%时，其纤维失重约为28%，假设强度下降35%~40%，其耐高温可达500℃~600℃；当经酸沥滤使SiO2含量为70%时，纤维失重为22.85%，假设强度下降25%~30%，其耐高温可达400℃~500℃；而当酸沥滤使SiO2含量达65%时，纤维失重为16.92%，假设强度下降15%~20%，其耐温可达300℃~400℃。如这一假设成立，我们可把这种经酸沥滤而成的耐高温无碱玻璃纤维分作5个耐温等级，300℃~400℃作为一级，400℃~500℃为二级，500℃~600℃为三级，600℃~700℃为四级，700℃~800℃为五级。当然以上均为一种设想，需要进行具体试验和检测，以取得各级耐温无碱纤维中SiO2含量、强度以及耐温性能。 作者简介：曾天卷，1942年出生于福建省晋江市，1965年大学毕业分配到洛阳建筑玻璃研究所，1968年初调入南京玻璃纤维研究设计院。历任应用技术研究室副主任，第四研究所副所长、所长，院副总工程师，彤天科技实业有限公司总工程师等职。享受国务院颁发政府特殊津贴。