分散工藝對(duì)酸瀝濾法制備高硅氧微纖維的影響

李 斌，陳 敏

（1.宿遷學(xué)院材料科學(xué)與工程系，宿遷223800；2.江蘇昊德新材料科技有限公司，宿遷223800）

0 引 言

高硅氧微纖維是一種特種纖維，它具有耐高溫、抗腐蝕、絕熱、高化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性能好［1］等優(yōu)點(diǎn)，在較高溫度下具有穩(wěn)定的熱性能和介電性能，廣泛應(yīng)用于高溫防熱領(lǐng)域。與石英纖維相比，其價(jià)格僅為石英纖維的十分之一，但卻具有與之相近的優(yōu)良性能［2］。另外，高硅氧微纖維的單纖維直徑較小，具有很大的比表面積。原始纖維經(jīng)處理后留下了大量微孔組織，因此具有非常優(yōu)異的吸附和分離過(guò)濾作用，可以作為耐高溫、抗腐蝕濾料應(yīng)用于化工行業(yè)高溫氣體分離中的過(guò)濾基材。另外，作為高SiO2含量的材料，它具有良好的耐燒蝕性能，在軍工產(chǎn)品的應(yīng)用上具有廣闊前景。

適用于酸瀝濾處理獲得微孔結(jié)構(gòu)的玻璃微纖維棉的種類較多，常用的有無(wú)堿玻璃棉、中堿玻璃棉、鈉硼硅酸鹽玻璃棉等。不同成分的玻璃棉經(jīng)酸瀝濾后，玻璃結(jié)構(gòu)中所形成的微孔大小差異較大，而且SiO2含量不同導(dǎo)致其耐溫性能有所差異［3］。因?yàn)槲⒗w維棉的長(zhǎng)徑比很大，交織程度大，在酸瀝濾過(guò)程中，除了酸液的濃度、溫度和處理時(shí)間等參數(shù)外，攪拌分散也是至關(guān)重要的影響因素，其對(duì)纖維內(nèi)部的微孔形成以及SiO2含量和分布均勻性都有較大的影響。

為了尋求合適的分散工藝，獲得較佳的處理工藝參數(shù)，作者以單纖維直徑為1μm的無(wú)堿玻璃纖維棉為原料，采用酸瀝濾工藝和單向攪拌、雙向攪拌分散工藝制備了高硅氧微纖維。在以往的研究工作中，制備的高硅氧微纖維的直徑均超過(guò)了3μm，作者首次嘗試以超細(xì)纖維棉為原料，研究了分散工藝對(duì)高硅氧微纖維中SiO2含量和纖維宏觀形貌的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

將化學(xué)純的鹽酸加水配制成2.5mol·L－1的鹽酸溶液，倒入1 000mL廣口燒杯中，在恒溫水浴槽內(nèi)加熱至85℃；將單纖維直徑為1μm、叩解度為38°的無(wú)堿玻璃纖維棉按酸、棉質(zhì)量比為80∶1的比例加入燒杯中，繼續(xù)加熱至95～98℃，保溫1.5h；在加料和保溫處理過(guò)程中采用單向攪拌和雙向攪拌分散工藝，攪拌轉(zhuǎn)速分別為50，75，100，150r·min－1。

酸處理結(jié)束后，取出玻璃纖維棉，擠壓去除大部分的酸液，加入到清水中反復(fù)清洗，直至纖維表面和內(nèi)層的pH大于6，然后于105℃烘干后得到高硅氧微纖維。

1.2 試驗(yàn)方法

采用國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1679A—2008的附錄1《高硅氧的燒失量和二氧化硅含量的測(cè)定》測(cè)試樣中SiO2的含量；采用OMNISCOP 100X型測(cè)試儀用氮?dú)馕椒y(cè)纖維的比表面積與平均孔徑，測(cè)試條件：將纖維在室溫下抽真空至133×10－6Pa，溫度為77.3K，P／P0＝0.981（P 為測(cè)試終壓，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），吸附壓力3.99×10－2Pa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 酸瀝濾反應(yīng)的機(jī)理

在無(wú)堿玻璃纖維的酸瀝濾處理過(guò)程中，硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)間離子通過(guò)置換反應(yīng)，被氫離子取代，纖維結(jié)構(gòu)中的非SiO2成分被置換出來(lái)［4］，如式（1）所示。

在酸瀝濾反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)總速度取決于式（1），它控制著Si—OH 和（Ca2＋）aq的生成速度，隨著反應(yīng)進(jìn)行，生成的產(chǎn)物是Si（OH）4。Si（OH）4是一種極性分子，能使周圍水分子極化并且定向附著在自己周圍，形成SiO2－nH2O－硅酸鹽凝膠層。這層硅凝膠結(jié)構(gòu)疏松，并使玻璃表面產(chǎn)生了大量的微裂紋［5］。因而，酸瀝濾初期的纖維強(qiáng)度很低，而隨著酸處理時(shí)間的延長(zhǎng)，表面反應(yīng)物溶入溶液，從而形成了新的均勻界面。

酸溶液的滲透與交換作用，最終將玻璃網(wǎng)絡(luò)骨架中的網(wǎng)絡(luò)間離子逐步取代，留下大量的孔洞，形成開(kāi)口和閉口氣孔。微纖維的比表面積很大，吸附大量的酸溶液，纖維間相互交織在一起，不容易分散，從而影響置換反應(yīng)的速率。在酸溶液中對(duì)微纖維進(jìn)行攪拌能提高反應(yīng)速率，使置換反應(yīng)沿正方向進(jìn)行［6］。

2.2 對(duì)SiO2含量和纖維宏觀形貌的影響

原始玻璃微纖維棉經(jīng)酸瀝濾處理后，纖維的結(jié)構(gòu)受到一定破壞，長(zhǎng)度變短，從而降低了纖維自身的強(qiáng)度和制品強(qiáng)度，若要獲得較高強(qiáng)度的高硅氧微纖維棉氈制品，則需要保留較長(zhǎng)的纖維狀態(tài)［7］。不同的分散工藝對(duì)此影響較大，攪拌方向和速度是處理過(guò)程的關(guān)鍵影響因素。試驗(yàn)中采用8種不同的攪拌分散工藝，處理后的SiO2含量以及纖維的宏觀形貌如表1所示。

表1 不同分散工藝下纖維中SiO2的含量及纖維的宏觀形貌Tab.1 SiO2content in fiber and macrograph of fiber after different dispersion processes

從表1中可以看出，攪拌速度的提高可以加速纖維的分散效果，增大纖維與酸液的接觸面積，促進(jìn)置換反應(yīng)的加速進(jìn)行；但速度過(guò)高的話，會(huì)產(chǎn)生酸棉相對(duì)速度過(guò)低、甚至相對(duì)靜止的現(xiàn)象，難以分散，纖維中的SiO2含量就會(huì)較低。在相同的攪拌速度下，雙向攪拌的分散效果明顯優(yōu)于單向攪拌的，這得益于雙向攪拌液流的循環(huán)沖擊作用。另外，在較高轉(zhuǎn)速（150r·min－1）的單向攪拌時(shí)，會(huì)產(chǎn)生纖維間的嚴(yán)重絮結(jié)，圖1為纖維絮結(jié)時(shí)的狀態(tài)，交織的纖維難以分散，致使SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，僅為91.82%。當(dāng)采用雙向攪拌工藝，且攪拌速度在75～100r·min－1時(shí)，纖維中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于96%；以纖維的宏觀形貌來(lái)看，以75r·min－1的攪拌速度為佳。

從表1中還可以看出，在較低的攪拌速度下，纖維都可以保留較長(zhǎng)的長(zhǎng)度，而且同一方向的攪拌會(huì)造成微纖維的二次絮結(jié)。

由圖2可見(jiàn)，試樣4保留了部分長(zhǎng)纖維，且質(zhì)地柔軟，比表面積為364.59m2·g－1，平均孔徑為0.73nm。

3 結(jié) 論

（1）適當(dāng)提高攪拌速度可以加速纖維棉的分散，但過(guò)高的攪拌速度不僅會(huì)造成SiO2含量的降低，而且會(huì)嚴(yán)重降低纖維的長(zhǎng)度。

（2）采用雙向攪拌，且攪拌速度為75r·min－1時(shí)，可以獲得SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.38%的高硅氧微纖維，其比表面積為364.59m2·g－1，平均孔徑為0.73nm。

［1］祖群，李斌.可編織連續(xù)高硅氧玻璃纖維的研制研究報(bào)告［R］.南京：中材科技股份有限公司，2005：14－15.

［2］西北輕工業(yè)學(xué)院.玻璃工藝學(xué)［M］.北京：輕工業(yè)出版社，1982：54.

［3］丁玉林，邵恒中，劉澤黎，等.高硅氧玻璃纖維的制造及關(guān)鍵技術(shù)［J］.玻璃纖維，1997（3）：2－5.

［4］EL－SHAMY T M，LEWINST J，DOUGLS R W.Glass technology［J］.Developments Since，1976（3）：157－158.

［5］RANA M A，DOUGLAS R W.Physical chemistry［M］.USA Ann Arbor：Noyes Data Corp，1961：179.

［6］祖群，姚正慶，李斌，等.酸瀝濾鈉硅酸鹽玻璃制造高硅氧玻璃纖維性能的研究［J］.玻璃纖維，2004（3）：1－4.

［7］李斌，祖群.熱防護(hù)材料用高硅氧棉和線繩的研究驗(yàn)收?qǐng)?bào)告［R］.南京：中材科技股份有限公司，2006：65－67.