2012-07-10 09:47:46 來源：網上輕紡城
纖維材料大致上可分為天然纖維和人造纖維兩大類。天然纖維可分為有機纖維（如植物纖維）和無機纖維（如石棉）。人造纖維也可分為有機纖維（如高分子有機纖維）和無機纖維（如玻璃纖維）。天然有機纖維和人造高分子有機纖維耐溫性能差，而天然無機纖維如石棉具有耐高溫性能，但可惜它具有高致癌性，許多國家通過立法禁止、限制其生產和使用。
SiO2含量決定纖維耐高溫性能
石英纖維、高矽氧玻璃纖維和無鹼玻璃纖維之所以耐高溫性能差距這麼大，原因是其纖維中的SiO2含量不同。雖然這3種纖維均以SiO2為其主要組分，但含量相差較大：石英纖維是一種高純度人造無機纖維，SiO2含量>99.9%（可當做組分之一）,可耐1200℃高溫，其軟化點高達1730℃；高矽氧玻璃纖維的SiO2含量>96%，可耐900℃~1000℃高溫；而無鹼玻璃纖維的SiO2含量只有54%左右，其長期工作溫度一般<300℃。
拿高矽氧玻璃纖維來講，其原始玻璃纖維中SiO2含量為60%~70%，其耐溫性能並不高，但它經酸瀝濾後，其纖維中SiO2含量等於96%，才達到較高耐溫性能成為高矽氧玻璃纖維。當然對其再進行酸瀝濾，可進一步提高SiO2含量（如達到98%以上），則可再次提高其耐溫性能。但是，由於經酸瀝濾，去除纖維中非SiO2組分，強度下降，非SiO2組分去除越乾淨，SiO2含量越高，其強度越低，這有可能影響到應用，當然從生產成本上考慮也不合算，所以高矽氧玻璃纖維SiO2含量≤96%，其耐溫性能只能達到900℃~1000℃左右。
酸瀝濾參數選擇至關重要
高矽氧玻璃纖維原始玻璃成分可分兩大類，即二元系和三元系。二元係為SiO2-Na2O，三元係為Na2O-CaO-SiO2和Na2O-B2O3-SiO2（我國為三元系），不管二元系還是三元系的原始玻璃成分，熔化拉制而成的原始玻璃纖維中均存在分相，即產生SiO2富集相和Na2O∶B2O3富集相，而後者易溶於酸。高矽氧玻璃纖維就是根據此原理，把原始玻璃纖維用熱酸液處理，去除非SiO2組分，使纖維形成微孔矽氧管架結構，SiO2含量達≥96%。再經熱燒結使微孔閉合，骨架結構趨於緊密，強度有所提高而成為高矽氧玻璃纖維。當然有的還須經表面化學處理，以滿足用戶後續製作加工以及應用性能要求。
無鹼玻纖維是矽酸鹽玻璃中一種鹼金屬氧化物含量<1%的玻璃態纖維，其典型成分為：SiO2-53.56%，B2O3-10.75%，Al2O3-15.2%，CaO-14.5%，MgO-4.16%，Na2O-1.75%。無鹼玻璃纖維中也存在分相，所以可以採用高矽氧玻璃纖維酸瀝濾方法，去除纖維中部分非SiO2組分，從而提高纖維中的SiO2含量，提高其耐高溫性能。
國內高矽氧玻璃纖維酸瀝濾主要採用連續式和間歇式兩種方法，紗線類主要採用間歇式酸瀝濾。對於無鹼玻璃纖維，無論紗線類或是織物，建議採用間歇式，這樣既可減少投資，又利於提高生產率，減少酸氣洩露。當然其酸瀝濾工藝參數也應與高矽氧玻璃纖維酸瀝濾工藝參數有差別。
根據無鹼玻璃纖維性能特點，筆者提出了幾點不成熟的建議。
一是選擇合適浸潤劑生產無鹼玻璃纖維。
由於這種纖維要進行酸瀝濾，在酸瀝濾時，纖維表面這層浸潤劑首先應除去，以便於進行離子交換，加快酸瀝濾進程。因而這種浸潤劑只要保證具有較好的拉絲工藝性和紡織工藝性即可，而且這層浸潤劑在酸液中易去除，其產生的產物不會影響酸瀝濾進程。也就是說這種浸潤劑與通常無鹼玻璃纖維生產用的浸潤劑應有所不同，有必要進行專題研究。當前建議選用石蠟型浸潤劑，因為該浸潤劑具有良好的拉絲工藝性和紡織工藝性，技術很成熟，價格又便宜。當然，應對這種浸潤劑配方做一些調整，以使其在酸處理時更易去除。也有必要對纖維含油率做一些試驗，使其達到最佳含油率。
二是先進行脫蠟再進行酸處理。
採用石蠟型浸潤劑生產的無鹼玻璃纖維進行酸瀝濾以製備耐高溫玻璃纖維是國內當今較合適的選擇。由於石蠟型浸潤劑中油質潤滑組分含量高，所以其在玻纖表面形成的連續膜不利於離子交換，而且這些油類物質與酸液發生反應可能產生一些影響酸瀝濾速度的反應物，所以先經熱處理（脫蠟），把纖維表面這層浸潤劑薄膜去除，使其成為裸纖維，有利於纖維和酸液進行離子交換。當然，這可能會增加生產成本。
國內對玻纖進行脫蠟按其熱處理溫度通常分為高、中、低三檔。由於本產品要進行酸瀝濾，所以不必像作為增強材料那樣對脫蠟要求那麼高，其次由於纖維經酸瀝濾強度大幅下降，所以要求經脫蠟纖維強度保留率越高越好，因而應採用低溫脫蠟為宜。
三是選用合適的酸瀝濾工藝參數。
酸液濃度。
它對酸瀝濾速度有一定影響，濃度大一些，其酸瀝濾速度可能快些，但濃度對纖維腐蝕性大，所以選用低一點的濃度是有利的。
酸液溫度。
溫度高，離子動能大，離子交換速度快，但溫度高，對纖維腐蝕厲害，所以也宜採用中低溫度（如80℃~90℃）。
酸瀝濾時間。
開始一段時間反應速度較快，經一定時間後反應趨於平穩，根據本產品要求（SiO2含量<85%）時間不宜太長，而且視不同耐高溫等級選用不同的酸瀝濾時間。
總之，這3個酸瀝濾工藝參數的選擇，既要保證無鹼玻璃纖維經酸處理後SiO2含量達到其耐溫等級的要求，又要保證一些關鍵組分不致消失量太大而影響性能。又如Ai2O3，若其損失太多，纖維強度則會下降得很厲害。
無鹼玻纖耐高溫性能亟須提高
無鹼玻璃纖維較之高分子有機纖維和天然有機纖維具有較好的耐溫性能，所以在國民經濟一些較高溫度領域獲得了廣泛應用。
例如，我國水泥、鋼鐵等均為世界第一大生產國，汽車也是世界第一生產大國，同時又是世界上汽車零配件生產大國，因而我國炭黑工業發展勢頭也十分迅猛。而水泥、炭黑、冶金生產均離不開高溫過濾材料。這是適應我國工業高速發展之需要，也是滿足保護環境的要求，而且水泥和炭黑煙氣過濾不僅能除塵，還是可回收的高檔產品，所以它不但具有社會效應，也具有良好的經濟效益。
隨著我國城市化進程加快，我國城市垃圾資源化處理已列入各市政府重要工作日程，垃圾資源化處理在世界上通常是焚燒發電，但由此產生的煙塵必須進行除塵處理，由於其可能產生對人體危害極大的二噁英，所以又不能進行電除塵而只能進行袋式除塵。但是，由於生活垃圾成分十分複雜多樣，所以焚燒煙氣具有高溫、高含水、高含油、高腐蝕性，因此要求玻璃纖維過濾材料具有高性能。
上述幾種高溫煙氣除塵只能用耐高溫纖維過濾材料，玻璃纖維尤其是無鹼玻璃纖維就是世界應用最普遍、量最多的過濾材料。當然，就耐高溫性能來講，無鹼玻璃纖維還是不高，它只能在260℃的溫度工況下長期工作，瞬間短期也只能耐300℃。因此對一些溫度超過300℃的煙氣，往往只能採取先冷卻降溫後再經玻璃纖維過濾材料除塵。如幹法水泥窯尾煙氣溫度為350℃~400℃，必須進行降溫處理，使其煙氣溫度達到260℃左右才能使用玻璃纖維濾袋除塵。再如煉鐵廠高爐煤氣除塵，其煙氣溫度為300℃~350℃，必須採用抽入冷空氣降溫或採用水冷卻降溫。但用抽入冷空氣降溫會增加煙氣量，加大濾袋器負荷；而採用水冷卻，要浪費大量水資源，而且會降低熱效率，又會產生二次汙染。而這一切皆因無鹼玻璃纖維過濾材料耐高溫性能不夠高。
再如摩擦材料和高溫密封材料行業，由於耐高溫的石棉對人體健康有嚴重危害，所以當今世界大多使用玻璃纖維替代石棉做摩擦材料和高溫密封材料的纖維增強材料。但是也因為玻璃纖維耐高溫性能有限，而影響它在一些高端領域（摩擦材料和密封材料）上的應用，例如航空摩擦材料只能使用很高價位的碳纖維做增強材料。
僅從上面述及的三個應用領域來看，提高無鹼玻璃纖維耐高溫性能十分必要。
耐中高溫無鹼玻璃纖維前景好
石英纖維可耐1200℃高溫，它主要應用於高溫、高端領域，由於其價格昂貴，一般工業部門用不起。高矽氧玻璃纖維可耐900℃~1000℃高溫，也主要應用於高溫高端領域，價格同樣十分昂貴。這兩種耐高溫性能優異的纖維主要用於航天航空、國防軍工以及國民經濟一些高溫領域。而無鹼玻璃纖維長期工作溫度260℃，所以其主要應用於<300℃的中溫領域。雖然玄武巖可耐600℃左右高溫，但因其性能不足與玻璃纖維相近，所以難以佔領300℃~600℃這一中高溫段應用領域。
無鹼玻璃纖維經酸瀝濾後，其纖維中SiO2含量提高，其耐溫性能也得到提高，當SiO2含量達到85%，其耐高溫可能達到800℃以上。可以設想：假如其SiO2含量達到60%左右，其耐高溫可能達到300℃以上。也就是說可以通過酸瀝濾，改變無鹼玻璃纖維的SiO2含量，從而使其達到300℃~800℃不同耐高溫等級。填補當前這一高溫段耐高溫人造非金屬纖維空缺，技術上是可行的。
能否通過酸瀝濾進一步提高無鹼玻璃纖維耐高溫等級，如達到耐900℃的高溫。從理論上講，通過酸瀝濾可以使其纖維中的SiO2含量進一步提高，如大於90%，甚至接近96%。這樣當然其耐高溫可提高到>800℃，甚至達到900℃。
三元系高矽氧玻璃纖維原始玻璃纖維中的SiO2含量達65%，經酸瀝濾後SiO2含量達96%，纖維失重32.29%，纖維強度下降40%~50%，其耐高溫範圍為900℃~1000℃。筆者按此推算對無鹼玻璃纖維做一大膽設想：E玻纖SiO2含量為54%，經酸瀝濾使SiO2含量達85%，纖維失重36.48%，假設強度下降45%~50%，其耐高溫可達800℃；當經酸瀝濾使SiO2含量達80%，則纖維失重為32.5%，假設其強度下降40%~45%，其耐高溫達600℃~700℃；當經酸瀝濾使SiO2含量為75%時，其纖維失重約為28%，假設強度下降35%~40%，其耐高溫可達500℃~600℃；當經酸瀝濾使SiO2含量為70%時，纖維失重為22.85%，假設強度下降25%~30%，其耐高溫可達400℃~500℃；而當酸瀝濾使SiO2含量達65%時，纖維失重為16.92%，假設強度下降15%~20%，其耐溫可達300℃~400℃。如這一假設成立，我們可把這種經酸瀝濾而成的耐高溫無鹼玻璃纖維分作5個耐溫等級，300℃~400℃作為一級，400℃~500℃為二級，500℃~600℃為三級，600℃~700℃為四級，700℃~800℃為五級。當然以上均為一種設想，需要進行具體試驗和檢測，以取得各級耐溫無鹼纖維中SiO2含量、強度以及耐溫性能。
作者簡介：曾天卷，1942年出生於福建省晉江市，1965年大學畢業分配到洛陽建築玻璃研究所，1968年初調入南京玻璃纖維研究設計院。歷任應用技術研究室副主任，第四研究所副所長、所長，院副總工程師，彤天科技實業有限公司總工程師等職。享受國務院頒發政府特殊津貼。