蔡 博，王扶春，韓廣雷

（陜西華特新材料股份有限公司，咸陽(yáng) 713100）

0 前言

對(duì)玻璃纖維制品而言，可燃物含量是指干態(tài)玻璃纖維制品的熱失量和干態(tài)質(zhì)量的比值［1］。對(duì)于常規(guī)玻璃纖維制品來(lái)說(shuō)，可燃物主要來(lái)源于浸潤(rùn)劑。在玻璃纖維拉絲過(guò)程中，需要在玻璃纖維表面涂覆一種以有機(jī)物乳液或溶液為主體的多相結(jié)構(gòu)的專用表面處理劑，以滿足玻纖原絲后道工序加工和制品性能的要求，這些有機(jī)涂覆物統(tǒng)稱為玻璃纖維浸潤(rùn)劑（簡(jiǎn)稱為浸潤(rùn)劑）［2］。高硅氧玻璃纖維是將基礎(chǔ)玻璃（SiO2-B2O3-Na2O三元系統(tǒng)玻璃、SiO2-Na2O二元系統(tǒng)玻璃或者是無(wú)堿玻璃）通過(guò)拉絲、紡紗形成基紗，再經(jīng)過(guò)高溫酸瀝濾、水洗、烘干而成。玻璃纖維表面涂覆的浸潤(rùn)劑大部分在高溫酸瀝濾、水洗過(guò)程中被清洗，殘留的有機(jī)物很少。

由于高硅氧玻璃燒結(jié)之前為多孔性硅氧結(jié)構(gòu)，具有非常細(xì)小的微孔，其直徑僅有2~10 nm，比表面積可達(dá)80~300 m2/g，且氣孔是連通的，氣體和液體可以滲透，因此表面會(huì)吸附大量的水［3］。水在高硅氧玻璃纖維表面上以羥基的形式（-Si-OH）吸附，并借氫鍵以分子水的形式結(jié)合于表面羥基，也可由于分子間微弱色散力的相互作用而在非羥基位置上吸附一些分子水，一般稱其為吸附水［4］。由于大量吸附水的存在，影響了高硅氧紗熱失量的測(cè)定結(jié)果。本文論述了測(cè)定溫度、烘干溫度以及存放環(huán)境對(duì)高硅氧紗熱失量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)思路

1.1 針對(duì)熱失量測(cè)定的思路

根據(jù)GJB 1873-94《高硅氧玻璃纖維布規(guī)范》的要求，測(cè)定熱失量前需要將試樣（約1 g）在105～110 ℃烘箱內(nèi)烘干、冷卻、稱量，直至質(zhì)量恒定后在700±10 ℃下灼燒后稱取其質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算得到熱失量。在試驗(yàn)過(guò)程中，選取不同的烘干溫度、不同的測(cè)定溫度，測(cè)定高硅氧紗的熱失量，以找到影響熱失量的因素［5］。

1.2 熱失量的測(cè)定

熱失量是指對(duì)經(jīng)過(guò)干燥處理的物質(zhì)在規(guī)定溫度下加熱，使物質(zhì)吸附物逐漸揮發(fā)、分解后，其加熱后質(zhì)量和干態(tài)質(zhì)量的比值。

在標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度條件下，使干燥試樣置于700±10 ℃下灼燒后稱取其質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算而得熱失量。計(jì)算公式為：

式中：

X ——試樣熱失量，%；

m1——加熱前試樣的質(zhì)量，g；

m2——加熱后試樣的質(zhì)量，g。

1.3 儀器

馬弗爐：可以維持標(biāo)準(zhǔn)溫度在700±10 ℃。

電熱恒溫干燥箱：能控制溫度在105～110 ℃。干燥器：內(nèi)裝適當(dāng)?shù)母稍飫绻枘z等。

天平：感量為0.0001 g。

試樣皿：瓷坩堝。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 樣品的規(guī)格及來(lái)源

SCF紗1#、2#，樣品化學(xué)組成見表1。

表1 SCF紗樣化學(xué)組成

2.2 試驗(yàn)方法

（1）不同浸潤(rùn)劑含量對(duì)高硅氧紗熱失量的影響。

分別取不同浸潤(rùn)劑含量的1#基紗按照正常工藝處理、烘干，然后測(cè)定熱失量。測(cè)定溫度和時(shí)間為1000 ℃、2 h。測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 不同浸潤(rùn)劑含量高硅氧紗熱失量測(cè)定結(jié)果

（2）不同測(cè)定溫度對(duì)高硅氧紗熱失量的影響。

分別取1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、2#紗樣測(cè)定熱失量。測(cè)定溫度和時(shí)間分別為700 ℃、2 h和1 000 ℃、2 h。測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 不同測(cè)定溫度下高硅氧紗熱失量測(cè)定結(jié)果

（3）不同烘干溫度和存放環(huán)境對(duì)高硅氧紗熱失量的影響。

分別取1#、2#紗樣約5 g，放入溫度分別為130 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃的烘箱內(nèi)，烘干2 h，密封袋（或室溫18～22 ℃，濕度54%～60%）存放不同時(shí)間，然后測(cè)熱失量。測(cè)定溫度和時(shí)間為1000 ℃、2 h。測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 不同烘干溫度和存放環(huán)境下高硅氧紗熱失量測(cè)定結(jié)果

另外根據(jù)《GB/T 7690.3-2013增強(qiáng)材料 紗線試驗(yàn)方法第3部分：玻璃纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)的要求［6］，測(cè)定1#、2#紗樣不同烘干溫度下的拉伸斷裂強(qiáng)力并測(cè)定熱失量。紗樣在烘箱內(nèi)烘干時(shí)，紗線自由對(duì)折，對(duì)折半徑50～60 mm，烘干溫度分別為105 ℃、200 ℃、300 ℃；紗樣在馬弗爐內(nèi)燒結(jié)時(shí)，紗線自由無(wú)張力纏繞成直徑75 mm的環(huán)狀，燒結(jié)溫度分別為400 ℃、700 ℃、1000 ℃；測(cè)定拉伸斷裂強(qiáng)力時(shí)采用圓弧式夾具，公稱有效長(zhǎng)度為350 mm。測(cè)定結(jié)果見表5。

表5 不同烘干溫度下高硅氧紗拉伸斷裂強(qiáng)力、熱失量測(cè)定結(jié)果

（4）不同加熱溫度下高硅氧紗熱失量測(cè)定。

分別取1#、2#紗樣約5 g放入烘箱（或馬弗爐），升溫至200 ℃、400 ℃、700 ℃、1000 ℃，保溫2 h，然后測(cè)熱失量。測(cè)定結(jié)果見表6。

表6 不同烘干溫度下高硅氧紗熱失量測(cè)定結(jié)果

另外取正常生產(chǎn)的1#、2#未燒結(jié)高硅氧紗分別剪碎，放入試樣皿中，然后放在熱重分析儀中做熱重分析。試驗(yàn)結(jié)果見圖1所示。

圖1 高硅氧紗熱重分析圖

3 分析和討論

3.1 不含浸潤(rùn)劑或者降低浸潤(rùn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高硅氧紗熱失量的影響

熱失量的數(shù)據(jù)能反映出玻璃纖維表面吸附水和其他吸附物質(zhì)量的多少。由表2可以看出，不含浸潤(rùn)劑或者降低浸潤(rùn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以輕微降低高硅氧紗的熱失量，但降低幅度不是很明顯。這是因?yàn)楦吖柩趵w維表面涂覆的浸潤(rùn)劑大部分在高溫酸瀝濾、水洗過(guò)程中被清洗，殘留的有機(jī)物很少。而正常生產(chǎn)過(guò)程中未酸處理的玻璃纖維紗可燃物含量通常為0.7%~1.5%，經(jīng)過(guò)熱水洗的玻璃纖維紗可燃物含量通常為0.1%~0.3%，因此不含浸潤(rùn)劑或者是降低浸潤(rùn)劑濃度對(duì)高硅氧紗的熱失量沒(méi)有明顯影響。

高硅氧纖維燒結(jié)前為多孔性硅氧結(jié)構(gòu)，具有非常細(xì)小的微孔，其直徑僅有2~10 nm，其比表面積可達(dá)80~300 m2/g。高硅氧纖維置于大氣中時(shí)，纖維表面從大氣中吸附一定的水分，這種吸附在玻璃纖維表面上的水分叫吸附水。吸附水在纖維表面受到氫鍵和分子引力（范德華力）的作用，其一系列的物理性質(zhì)與普通水不一樣。但不是所有吸附水的性質(zhì)都相同，離纖維最近的單分子層的水分結(jié)合得最牢固，性質(zhì)差異也最大，在一般溫度下（105~110 ℃）不能除去，而要在200~1000 ℃才能放出。多分子層的水分結(jié)合較弱，隨著離纖維表面越遠(yuǎn)，逐漸接近于自由水。因此高硅氧紗的熱失量數(shù)據(jù)主要反映的是多孔性纖維表面吸附水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此對(duì)于高硅氧纖維制品來(lái)說(shuō)，用熱失量代替可燃物含量更為準(zhǔn)確。

3.2 測(cè)定溫度對(duì)高硅氧紗熱失量的影響

熱失量的數(shù)據(jù)能反映出吸附水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少，而吸附水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與高硅氧紗的測(cè)定溫度有關(guān)。測(cè)定不同溫度下的熱失量，便能反映出樣品中吸附水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與測(cè)定溫度的關(guān)系。其測(cè)定結(jié)果可以用圖1、圖2、圖3表示。

圖2 不同測(cè)定溫度下高硅氧紗的熱失量

由圖1可以看出，隨加熱溫度的升高，其熱失量不斷增加，在110 ℃前熱失量急劇升高，說(shuō)明大部分吸附水及吸附物在該溫度下已脫除，該溫度區(qū)間脫除的主要是自由水。1#在110 ℃時(shí)的質(zhì)量變化為4.81%，2#在110 ℃時(shí)的質(zhì)量變化為9.68%，說(shuō)明2#的含水率高于1#；1#在600 ℃時(shí)的質(zhì)量變化為7.33%，2#在600 ℃時(shí)的質(zhì)量變化為5.37%，說(shuō)明1#的熱失量高于2#。600 ℃后，熱失量的含量趨于穩(wěn)定。

圖2中5個(gè)紗樣的熱失量均隨著測(cè)定溫度的升高而增加，1-1#紗樣熱失量的差額比平均值低，說(shuō)明1-1#紗樣在700～1000 ℃這個(gè)溫度區(qū)間的熱失量較低，1-3#紗樣熱失量的差額比平均值高，說(shuō)明1-3#紗樣在700～1000 ℃這個(gè)溫度區(qū)間的熱失量較高?？赡苁怯捎诨A(chǔ)玻璃成分和酸處理工藝不同，造成高硅氧紗的纖維表面微孔數(shù)量、結(jié)構(gòu)和大小不同，影響吸附水在該溫度區(qū)間的脫除。綜上所述，在高硅氧紗的熱失量測(cè)定過(guò)程中，測(cè)定溫度是主要參數(shù)，測(cè)定溫度升高，熱失量將增加。

圖3 不同溫度下高硅氧紗的熱失量變化

另外，由圖3可以看出，隨加熱溫度的升高，其熱失量不斷增加，在700 ℃以后才逐漸趨于平穩(wěn)。說(shuō)明在此溫度之后，高硅氧紗絕大部分的吸附水和吸附物質(zhì)已脫去，熱失量已接近最高值。700 ℃和1000 ℃下的測(cè)定值差額約為0.34%。說(shuō)明正常情況下，熱失量測(cè)定溫度選擇700 ℃就可以滿足要求，當(dāng)然有特殊要求時(shí)也可以根據(jù)客戶要求在1000 ℃測(cè)定。

3.3 存放環(huán)境對(duì)高硅氧紗熱失量的影響

吸附水的數(shù)量隨外界環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度的變化而變，空氣中的相對(duì)濕度越大，則高硅氧纖維含吸附水的量也越多，在相同的外界條件下，高硅氧纖維所吸附的水量隨所含纖維表面微孔的數(shù)量和大小的不同而不同。其測(cè)定結(jié)果可以用圖4表示。

由圖4和表4可以看出，當(dāng)烘干溫度提高到200 ℃時(shí)，1#紗的熱失量由7.33%降至6.15%。200 ℃烘干后不存放，1#紗的熱失量為6.15%，在室溫（18～22 ℃，濕度54%～60%）存放12 h后，熱失量升高到6.47%，在室溫存放24 h后，熱失量升高到7.28%，和正常生產(chǎn)的1#紗基本持平。而對(duì)于180 ℃烘干后不存放的1#紗，其熱失量為6.33%，密封存放24 h后，熱失量升高到6.43%，密封存放5天后，熱失量升高到6.69%。密封存放能夠減緩熱失量升高，但無(wú)法杜絕。因?yàn)槲礋Y(jié)的高硅氧纖維為多孔性結(jié)構(gòu)，表面容易吸附大量的水，這些吸附水在105 ℃不能夠完全脫除，因此如果在使用過(guò)程中對(duì)熱失量有要求，可以在使用前予以烘干，以除去部分吸附水。

圖4 存放環(huán)境及時(shí)間對(duì)高硅氧紗熱失量的影響

3.4 烘干溫度對(duì)熱失量的影響

上面的試驗(yàn)說(shuō)明高硅氧紗總是含有一定量的吸附水，生產(chǎn)過(guò)程中高硅氧紗的烘干溫度會(huì)影響熱失量。其測(cè)定結(jié)果可以用圖5表示。

圖5 高硅氧紗的烘干溫度和熱失量關(guān)系

由圖5和表5可以看出，隨著烘干溫度的增加，1#高硅氧紗和2#高硅氧紗的熱失量都會(huì)降低，但烘干溫度增加對(duì)高硅氧紗的拉伸斷裂強(qiáng)力有不利的影響，隨著烘干溫度的增加，高硅氧紗的抗拉強(qiáng)度會(huì)降低；因此為保證高硅氧紗的強(qiáng)度，有利于高硅氧紗的后期使用，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，高硅氧紗的烘干溫度不應(yīng)該控制太高。

4 結(jié)論

（1）高硅氧紗的熱失量主要反映的是多孔性纖維表面的吸附水的含量，不含浸潤(rùn)劑或者是降低浸潤(rùn)劑濃度對(duì)高硅氧紗的熱失量沒(méi)有明顯影響。對(duì)于高硅氧紗來(lái)說(shuō)，用熱失量代替可燃物含量更為準(zhǔn)確。

（2）在高硅氧紗的熱失量測(cè)定過(guò)程中，測(cè)定溫度升高，熱失量將增加。正常情況下，熱失量測(cè)定溫度選擇700 ℃就可以滿足要求，當(dāng)然有特殊要求時(shí)也可以根據(jù)客戶要求測(cè)定。

（3）將烘干溫度提高到160～200 ℃，可以降低高硅氧紗熱失量，但隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)恢復(fù)到正常烘干溫度下的熱失量。

（4）在生產(chǎn)過(guò)程中，提高烘干溫度，高硅氧紗的熱失量降低，高硅氧紗的抗拉強(qiáng)度也會(huì)降低；因此為保證高硅氧紗的強(qiáng)度，有利于高硅氧紗的后期使用，高硅氧紗的烘干溫度不應(yīng)該控制太高。

（5）未燒結(jié)的高硅氧纖維為多孔性結(jié)構(gòu)，因此表面會(huì)吸附大量的水，如果在使用過(guò)程中對(duì)熱失量有要求，可以在使用前予以烘干，以除去部分吸附水。