一種汽車排氣系統用低排放玻璃纖維的性能分析＊

王 藝，陸旗瑋，黃 浪，梁振華，韓利雄

（1.重慶國際復合材料股份有限公司，重慶 400082；2.上海國玻汽車科技有限公司，上海 200131）

0 前言

耐腐蝕的無堿玻璃纖維［1-3］具有耐溫、耐腐蝕、高強度等優點，經膨化處理后填充于汽車排氣系統中，以降低汽車噪音［4-6］，同時承受廢氣的熱氣流和腐蝕［7,8］。

目前，面對越來越嚴苛的排放法規，汽車尾氣顆粒物的質量（PM）限值越來越低，并且增加了對汽車尾氣顆粒數量（PN）的限值要求［9］。由于玻璃纖維是汽車排氣系統最重要的填充材料，玻璃纖維表面的浸潤劑在燒失后會排放顆粒物和煙氣，因此，需要一種排放量更低的玻璃纖維產品，降低玻璃纖維在填充進排氣筒后汽車尾氣顆粒排放物。表1 為各階段機動車污染排放物標準對比值。

表1 各階段機動車污染排放物標準

普通型排氣系統用玻璃纖維表面涂覆的浸潤劑需要在足夠高的溫度下，足夠長的時間后才能完全分解、燒失掉，重慶國際復合材料股份有限公司（簡稱CPIC）全新開發的低排放型排氣系統用紗Z-TEX-LP，其表面涂覆的浸潤劑可以在低溫下、短時間內快速分解、燒失掉。

由于玻璃纖維的成分、纖維直徑、耐熱和耐酸堿性能是其作為汽車排氣系統填充材料重要的質量指標，本文將從玻璃成分、纖維直徑、耐熱性能、耐酸堿性能以及浸潤劑熱重分析方面，對CPIC生產的低排放型排氣系統用紗Z-TEX-LP和普通型排氣系統用紗Z-TEX作性能對比測試。表2 為2 款產品的主要技術指標。

表2 2款排氣系統用玻璃纖維技術指標

1 實驗原料和設備

玻璃纖維：Z-TEX-LP-4800、Z-TEX-4800，重慶國際復合材料股份有限公司；

烘箱：HTF331A，重慶威爾試驗儀器有限公司；

馬弗爐：SX2-4-10，重慶建川電爐廠；

熒光分析儀：XIOS型；

纖維直徑檢測儀：cottonscope HD；

萬能試驗機：5982，INSTRON；

熱分析儀：STA 449 F3，NETZSCH；

天平：ME204E / 02，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；

干燥箱：含有干燥劑的密閉容器；

試樣皿：陶瓷坩堝。

2 玻纖性能驗證

2.1 玻璃成分

依照GB/T 14506.28-2010 硅酸鹽巖石化學分析方法標準操作，先將玻璃纖維表面的浸潤劑全部燒失掉，再研磨成粉末，利用X射線熒光光譜分析方法測量化學成分［10］。2 種產品各隨機取5 個不同批次的試樣，表3 為隨機選取的一組測試結果。

表3 2種玻璃纖維的質量分數測試結果 %

從檢測結果來看，Z-TEX和Z-TEX-LP的玻璃成分一致，滿足相關標準的要求。

3.2 纖維直徑

依照GB/T 7690.5-2001《增強材料 紗線試驗方法 第5部分：玻璃纖維纖維直徑的測定標準》操作，將纖維浸入一種與其折射率不同的液體中，在顯微鏡下縱向測量纖維一邊到另一邊的距離，以μm為單位。2種產品各隨機取1個試樣，圖1和圖2為測試結果。

測試結果顯示，Z-TEX的平均纖維直徑為24.49μm，Z-TEX-LP的平均纖維直徑為24.41μm。2 種產品的纖維直徑無明顯差異，滿足相關標準的要求。

圖1 Z-TEX 纖維直徑分布圖

圖2 Z-TEX-LP 纖維直徑分布圖

3.3 耐酸性能

取200±10 mm的測試樣品。將試樣置于溫度為625±20 ℃的馬弗爐中灼燒30 min。然后，將測試樣品在干燥室中放置1 h，直到冷卻到室溫，測量質量。接下來，浸入測試液體（200 ml半濃鹽酸（HCl 1∶1））中240 h。將測試樣品置于100 ℃恒溫箱中加熱1 h，然后，將測試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻至室內溫度，測量質量，然后計算浸泡前后質量變化率。每種測試5 個試樣，求得算數平均值［11］。

圖3 2 款排氣系統用玻璃纖維耐酸性能測試

測試結果顯示，在半濃鹽酸（HCl 1∶1）中浸泡240 h后，Z-TEX-4800 的質量損失率在0.36%，Z-TEX-LP-4800 的質量損失率在0.29%。2 種產品的質量損失率均低于1.0%的標準值。

3.4 耐堿性能

取200±10 mm的測試樣品。將試樣置于溫度為625±20 ℃的馬弗爐中灼燒30 min。然后，將測試樣品在干燥室中放置1 h，直到冷卻到室溫，測量質量。接下來，浸入測試液體（200 ml 50±2 ℃的20%氫氧化鈉溶液）中24 h（樣品處于加蓋的試驗容器中，置于強制空氣烤箱中）。將測試樣品置于100 ℃恒溫箱中加熱1 h，然后，將測試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻至室內溫度，測量質量，然后計算浸泡前后質量變化率。每種測試5 個試樣，求得算數平均值。

圖4測試結果顯示，在50±2℃的20%氫氧化鈉溶液中浸泡24 h后，Z-TEX-4800的質量損失率在5.87%，Z-TEX-LP-4800的質量損失率在5.79%。兩種產品的質量損失率均低于10%的標準值。

圖4 2 款排氣系統用玻璃纖維耐堿性能測試

3.5 高溫熱收縮

取200±10 mm的測試樣品。將測試樣品在恒溫箱中于120 ℃加熱90 min。然后，將測試樣品在干燥室中放置1 h，直到冷卻到室溫。測量質量和長度。接下來，在750 ℃下加熱測試樣品4 h。然后，將測試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻至室內溫度，測量質量和長度，然后計算750 ℃前后質量和長度變化率。每種測試5 個試樣，求得算數平均值。

圖5 測試結果顯示，在750 ℃下，Z-TEX的質量損失率不超過0.7%，長度收縮率均不超過0.5%；Z-TEX-LP的質量損失率和長度收縮率不超過0.6%。2 種產品的耐溫性相當，高溫下的質量損失率和收縮率均低于1.0%的標準值。

圖5 2 款排氣系統用玻璃纖維質量損失率和收縮率測試結果

3.6 高溫抗拉強度

取200±10 mm的測試樣品。將測試樣品在750 ℃下加熱4 h。然后，將測試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻到室溫。依照標準ISO 3341-2000《紡織玻璃纖維紗線斷裂強力和斷裂伸長的測定》操作，采用拉力試驗機測試，加載速度250 mm/min，沿試樣軸向勻速施加靜態拉伸載荷，直到試驗斷裂，以測定斷裂拉斷力。每種測試10 個試樣，求得算數平均值。

表4 2款排氣系統用玻璃纖維高溫斷裂拉斷力

測試結果顯示，在750 ℃下，Z-TEX-4800 的斷裂拉斷力的均值在56.6 N，Z-TEX-LP-4800 的斷裂拉斷力的均值在53.3 N。2 種產品在750 ℃下的斷裂拉斷力高于40 N的標準值。

3.7 熱分析（TG-DSC）

根據GB18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）之標準，車輛在測試前，需要進行循環預處理。我們有針對性的測試2種玻璃纖維表面涂覆的有機物在低溫條件下分解速率。

分別采用2 種玻璃纖維的浸潤劑配方配置固含量為30%的乳液，然后各取15 g試樣置于燒杯中，并將2 種試樣置于溫度為120 ℃的烘箱中烘制120 min，直至乳液中的水份完全去除，即制得熱分析所需的測試樣。

取試樣稱重，在TG-DSC儀器上測試試樣的熱分解規律，設定升溫速度為10 ℃/min，實驗溫度范圍為常溫至700 ℃，測試過程中分別使用惰性氣體氛圍和空氣氛圍。

圖6 為Z-TEX在惰性氣體氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過程中質量損失率在20%的分解溫度為376 ℃，快速分解溫度為410 ℃。由DSC曲線可知，在414 ℃左右表現為強烈的放熱峰，與其分解溫度相對應。

圖7為Z-TEX-LP在惰性氣體氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過程中質量損失率在20%的分解溫度為334 ℃，第一組快速分解溫度為338 ℃，第二組快速分解溫度為400 ℃。由DSC曲線可知，在313 ℃左右出現第一次放熱峰，在398℃左右出現強烈的放熱峰，均與其分解溫度相對應。

由圖6 和圖7 對比來看，在惰性氣體氛圍中，Z-TEX-LP較Z-TEX更早出現放熱峰值，表明其分解溫度更低；低溫下的同等質量損失量的情況下，Z-TEX-LP的分解溫度更低。

圖6 Z-TEX 在惰性氣體氛圍下的TG-DSC 曲線

圖7 Z-TEX-LP 在惰性氣體氛圍下的TG-DSC 曲線

圖8 為Z-TEX在空氣氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過程中質量損失率在20%的分解溫度為340 ℃，第一次分解溫度出現在340 ℃，快速分解溫度為420 ℃。由DSC曲線可知，在334 ℃開始出現放熱峰，之后連續出現多個放熱峰值，與其分解溫度相對應。

圖9 為Z-TEX-LP在惰性氣體氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過程中質量損失率在20%的分解溫度為315 ℃，第一次分解溫度出現在250 ℃，快速分解溫度出現了二次，分別為330 ℃、405 ℃。由DSC曲線可知，在244 ℃左右出現第一次放熱峰，之后也連續出現多個放熱峰值，與其分解溫度相對應。

由圖8 和圖9 對比來看，在空氣氛圍中，同樣印證了Z-TEX-LP較Z-TEX更早出現放熱峰值，Z-TEX-LP每個階段的分解溫度均低于Z-TEX；在質量損失為20%時，Z-TEX-LP的分解溫度更低。

圖8 Z-TEX 在空氣氛圍下的TG-DSC 曲線

圖9 Z-TEX-LP 在空氣氛圍下的TG-DSC 曲線

5 結論

（1）Z-TEX-LP在玻璃成分、纖維直徑、耐熱性能、耐酸堿性能等方面的測試結果與Z-TEX基本一致，滿足各汽車廠家的相關標準。

（2）Z-TEX-LP纖維表面涂覆的有機物具有更低的分解溫度和放熱峰值，而且在同等質量損失量的情況下，Z-TEX-LP較Z-TEX的分解溫度更低，這更加有利于纖維表面有機物的快速分解和燒失。

（3）下一步將進行綜合性能測試，包括膨化效果、吸音性能和尾氣排放等方面的測試，從而對低排放玻璃纖維做完整、系統的驗證，為汽車排氣系統用玻璃纖維建立新的產品標準。