玻纖濾料的表面處理

范凌云，黃箭玲，何 宏，高 政，周 誠

(南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210000)

1 前言

表面處理是將玻璃纖維織物由材料變成產(chǎn)品的一道重要工序。玻璃纖維(玻纖)是一種工程材料，具有不燃、耐腐蝕、耐高溫、吸濕小、伸長小等優(yōu)良性能。但玻纖由于比表面積過大，纖維表面存在缺陷，導(dǎo)致玻纖自身不具備很好的耐腐蝕性、憎水性以及耐磨性，它的曲撓性與合成纖維相差很遠(yuǎn)。為了改善玻纖濾布的耐折、耐酸堿性能，提高清灰能力，改善憎水憎油等特性，在具體的工況條件下使用，玻纖過濾布必須進(jìn)行表面處理，賦予其優(yōu)良的耐溫、耐腐蝕和機(jī)械特性[1-2]。

通過表面處理，玻璃纖維織物的耐磨、耐折和耐腐蝕性能得到大幅度提高，從而滿足高溫?zé)煔膺^濾的要求。目前，在我國高溫?zé)煔膺^濾的工業(yè)部門中，玻纖過濾材料占主導(dǎo)地位。一方面，很多煙氣過濾的溫度都超過200 ℃，如水泥、炭黑、高爐煤氣等的過濾溫度達(dá)到250 ℃左右，另一方面，玻纖比耐高溫的合成纖維如Nomex，Ryton等經(jīng)濟(jì)適用且防火。

2 表面處理工藝簡介

表面處理工序?qū)⒉ＡЮw維織物變成一種產(chǎn)品。玻璃纖維表面處理工藝可分為前處理法、遷移法和后處理法。前處理法由于技術(shù)難度較高，當(dāng)前除少數(shù)產(chǎn)品使用外，仍處于探索、研究階段。遷移法操作簡單，無需復(fù)雜的處理設(shè)備，但處理效果不佳，遜于后處理法，應(yīng)用領(lǐng)域較窄。后處理是現(xiàn)在玻纖織物通常采用的處理工藝。它包括熱處理(熱清洗)和后處理(化學(xué)處理)兩個(gè)階段，以完成表面清除和被覆。這就是通常所指的玻璃纖維表面處理。

熱處理是將玻璃纖維織物在一定生產(chǎn)條件、一定溫度下加熱，使其被覆的浸潤劑組分分解、碳化、燃燒而除去的工藝。對(duì)紡織型浸潤劑的原絲制成的紡織品，必須除去這些浸潤劑，因?yàn)樗鼈儠?huì)妨礙玻纖織物與樹脂、橡膠和其他物質(zhì)的結(jié)合。熱處理的效果是通過玻纖布上浸潤劑殘留量與布的強(qiáng)度保留率來判別。即既要使布有低的浸潤劑殘留量，又要有高的強(qiáng)度。經(jīng)過熱清洗除去了布上附著的有機(jī)物之后的過濾布強(qiáng)力大為降低，需要通過化學(xué)處理來改善玻璃與樹脂的結(jié)合界面，恢復(fù)提高玻纖織物的性能。

化學(xué)處理目前常用方法是對(duì)經(jīng)過熱清洗的玻纖制品進(jìn)行化學(xué)處理液的浸漬，然后通過一定溫度的烘焙，使玻纖制品的表面包覆一層化學(xué)處理液，從而賦予玻纖制品特定的性能。較低浸潤劑殘留量的熱清洗玻纖布可更易進(jìn)行化學(xué)處理液的包覆?；瘜W(xué)處理液成分不同，賦予玻纖制品性能也存在一定差異，根據(jù)玻纖制品具體使用工況條件，選擇合適的化學(xué)處理液，從而滿足使用的需要，是化學(xué)處理工序中的一個(gè)重要步驟。

3 表面處理的原理簡介

在工況使用過程中，玻纖的力學(xué)性能下降，不耐腐蝕是玻纖濾袋破裂的主要原因[1-6]。通過對(duì)玻纖織物的表面處理，可增強(qiáng)玻纖的力學(xué)性能和化學(xué)性能，賦予玻纖織物不同的特性，應(yīng)用于各種復(fù)雜工況條件。

3.1 表面作用原理

表面處理機(jī)理即硅烷偶聯(lián)劑作用的機(jī)理。在表面處理過程中，偶聯(lián)劑所起的作用十分重要，它起到了將樹脂和玻纖結(jié)合的橋梁作用，并和處理劑中的其他組分作用，從而賦予玻纖防水防腐等性能。

玻纖表面處理作用是在玻纖表面覆蓋一層偶聯(lián)劑，與纖維表面的玻璃分子發(fā)生化學(xué)作用，使玻璃表面與大氣隔絕，避免金屬化合物的吸水作用，同時(shí)偶聯(lián)劑又能與高聚物基體發(fā)生物理或化學(xué)作用，使玻纖與樹脂基體靠偶聯(lián)劑的偶聯(lián)緊密地黏合在一起。對(duì)玻纖的表面處理通常用硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)絡(luò)合物偶聯(lián)劑、酞酸酯偶聯(lián)劑等。我們常用的是有機(jī)硅烷類偶聯(lián)劑，其具體作用機(jī)理如下。

有機(jī)硅烷分子由三個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成，可用下式表示：

Y—R—SiX3

其中：Y為有機(jī)官能團(tuán)，它能與有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)形成化學(xué)鍵結(jié)合。在水解中大體穩(wěn)定，而且以熱穩(wěn)定的方式與硅原子結(jié)合。R為亞烷基，它的作用

是將有機(jī)官能團(tuán)和硅脂基連接起來。SiX3為硅脂基，它能與玻纖表面反應(yīng)形成化學(xué)鍵結(jié)合。X表示與硅原子結(jié)合的水解性基團(tuán)。硅烷偶聯(lián)劑水溶液用作處理劑時(shí)，這些基被水解，生成硅烷醇和HX。

即偶聯(lián)劑分子的—SiX3反應(yīng)生成物會(huì)對(duì)被處理的無機(jī)相起黏結(jié)作用。硅烷偶聯(lián)劑的同一分子中的不同部分分別與玻纖和樹脂中的不同成分黏結(jié)，從而改善了有機(jī)相和無機(jī)相之間的黏結(jié)。

硅烷偶聯(lián)劑與玻纖和樹脂的結(jié)合程度決定了處理液樹脂對(duì)單根玻纖的包覆程度，同時(shí)也決定了玻纖的性能。處理液樹脂完全、極少包覆玻纖表面的情況分別見圖1、圖2。

圖1 處理液樹脂完全包覆玻纖表面

圖2 處理液樹脂極少包覆玻纖表面

從表1可知,經(jīng)過熱處理的玻纖基布即脫蠟布力學(xué)性能相對(duì)降低，但經(jīng)過表面處理后力學(xué)性能得到恢復(fù)。

表1 表面處理前后玻纖布的性能比較

3.2 耐腐蝕防護(hù)機(jī)理

在實(shí)際應(yīng)用中，玻璃纖維在水汽、酸性介質(zhì)等的腐蝕下，會(huì)逐漸失去優(yōu)良性能，對(duì)其進(jìn)行表面處理，在玻纖表面包覆一層化學(xué)物質(zhì)，除了賦予玻纖優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能外，同時(shí)也起到防止酸堿直接接觸玻璃纖維、有效地保護(hù)玻纖的作用。表面處理過程的防護(hù)機(jī)理如下：

(1)第一層阻拒作用

在玻纖的最外層進(jìn)行高等級(jí)的防水防油處理，可降低其表面能，使酸堿難以沾附在玻纖表面，延緩酸堿對(duì)濾材的滲透及損傷。此阻拒層起到抗酸、堿、油污的作用。

(2)第二層阻隔作用

在玻纖基布上包覆耐酸堿的化學(xué)材料，例如丙烯酸酯、聚氨酯、橡膠類、四氟乙烯類等，形成耐酸堿腐蝕的保護(hù)膜，減輕酸堿對(duì)玻璃纖維的損傷。這層包覆在玻纖表面的薄膜形成了防止酸堿溶液侵犯玻纖布的第二道防線。

4 表面處理配方發(fā)展進(jìn)展

玻璃纖維的表面處理過程，實(shí)際上是有機(jī)高分子與無機(jī)材料通過偶聯(lián)劑結(jié)合的過程，高效的聯(lián)結(jié)才能更好保護(hù)玻璃纖維濾料使其不受物理損傷及化學(xué)侵蝕。經(jīng)過表面化學(xué)處理的玻纖濾料較玻璃纖維素布各方面性能均有明顯的提高。表面處理液中的不同成分賦予了玻纖織物特定的性質(zhì)。目前，針對(duì)不同的工況，我國玻纖制品已有多類型涂覆配方，如通用型的硅油-石墨-聚四氟乙烯配方(PSI)，鋼鐵工業(yè)高爐煤氣用配方(FS2)，通用型耐酸配方(RH)，水泥工業(yè)用抗結(jié)露配方(FCA)等等。但是，工業(yè)發(fā)展日新月異，煙氣成分和溫度日趨復(fù)雜，如何適應(yīng)工業(yè)發(fā)展要求，進(jìn)行玻纖表面處理配方的更新，賦予玻纖濾料更多功能特性，是一門需要長期研究的課題。

近些年，除對(duì)玻纖織物表面進(jìn)行硅烷處理外，國際上又開發(fā)了一些處理技術(shù)。在玻纖織物表面涂上各種涂層，對(duì)織物進(jìn)行改性，大大擴(kuò)大了玻纖織物的應(yīng)用范圍。例如十年前我們處理技術(shù)不過關(guān)，逐漸停止了貼墻布的生產(chǎn)和應(yīng)用，而就在這時(shí)歐洲則以新的處理劑和涂料又開發(fā)了墻布。目前已經(jīng)工業(yè)化的處理劑有瀝青、石墨、聚氯乙烯、丙烯酸酯、硅橡膠和樹脂、聚四氟樹脂、金屬(銅、鎳)、無機(jī)處理劑(如泡沫陶瓷、鱗片蛭石)等以及它們的各種改性材料。經(jīng)這些處理劑涂層的玻纖織物可直接用于防水、耐候、高溫氣體過濾、絕熱、阻燃、防火、導(dǎo)電、熱和輻射反射等場合。最近以丙烯酸酯系列較為活躍。

國內(nèi)有學(xué)者研究了在表面處理液中加入特性改性劑(稀土氧化物[7]、納米粒子等)、進(jìn)行玻纖表面接枝等，以改善材料性能。梁正海等[8]通過在RH配方中添加納米SiOx的方法，考察了納米粒子的加入對(duì)玻纖基布性能的影響，研究得出，納米粒子的加入固含量達(dá)到4%，濾布的強(qiáng)力和耐著性能均達(dá)到最大值。周曉東等[9]成功在玻璃纖維的表面接枝上橡膠分子鏈，賦予玻璃纖維表面一個(gè)柔軟層，增強(qiáng)整個(gè)界面的承載能力。胡福增等[10]成功在玻璃纖維表面接枝上聚烯烴，該接枝聚烯烴與基體樹脂是同類或有很大親和性的聚合物，玻纖表面的聚烯烴與基體樹脂有充分的相容性，接枝聚烯烴在玻璃纖維和基體樹脂間形成了過渡層，通過聚烯烴的分子設(shè)計(jì)可控制過渡層的結(jié)構(gòu)和厚度，從而有效地提高材料的性能。

關(guān)于玻纖織物的表面處理要引起全行業(yè)的重視，要比較普遍地研究、開發(fā)和使用。借鑒和移植化學(xué)工業(yè)在處理劑、樹脂、塑料改性和涂料方面的新技術(shù)，使玻纖織物升值。

5 前景與展望

我國在玻纖行業(yè)“十一五”規(guī)劃中提出了提高工藝技術(shù)和裝備水平，探索先進(jìn)的紡織加工和表面處理技術(shù)，生產(chǎn)多品種的玻纖制品，以更好地滿足各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求[11]。政府對(duì)大氣環(huán)境治理的要求更高、更堅(jiān)決，袋式除塵器應(yīng)用領(lǐng)域及范圍不斷擴(kuò)大，作為袋式除塵系統(tǒng)關(guān)鍵部件的過濾材料特別是高溫過濾材料需求增大，玻纖濾料行業(yè)面臨巨大的市場和契機(jī)。隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，垃圾焚燒、鋼鐵、炭黑以及水泥行業(yè)的煙氣溫度和成分也日趨復(fù)雜，原有的表面處理配方和產(chǎn)品已逐漸不能滿足市場的需要，進(jìn)行玻纖表面處理和配方的探索和研究，增強(qiáng)玻纖濾料的功能和性能，滿足不同條件的使用要求，是一項(xiàng)急迫且長期的任務(wù)。

[1]張耀明，李巨白、姜肇中．玻璃纖維與礦物棉全書[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]高峰.纖維濾材過濾特性研究[D].天津:天津大學(xué)環(huán)境學(xué)院，2004.

[3]喻同信.濾袋使用壽命預(yù)計(jì)的必要性及其判據(jù)[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2002，11(28):6-8.

[4]付曉玲,侯廣超.我國水泥工業(yè)環(huán)保技術(shù)的現(xiàn)狀與前景[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2009(5):47-52.

[5]Thomas C．Savage.炭黑工業(yè)中的織物過濾[J].唐昆 譯.炭黑工業(yè),2003(6)：13-16.

[6]蔡純志.袋式除塵技術(shù)的發(fā)展[J].水泥科技,2007(9)：52-54.

[7]楊夢(mèng)塑,沈麗華,穆素芬.稀土氧化物對(duì)抗堿玻璃纖維耐腐蝕性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),1993(5):14-18.

[8]梁正海,何朝遠(yuǎn),趙東波.納米材料改善玻纖濾料表面處理性能的研究[J].玻璃纖維,2004(5)：21-27.

[9]周曉東，陳德東 ，林群芳，戴干策.橡膠分子鏈在玻璃纖維表面的接枝[J].高分子材料科學(xué)與工程,2001,1(17):137-140.

[10]胡福增,薛志云,鄭安吶,吳敘勤.玻璃纖維表面的聚苯乙烯接枝[J].高分子材料,1995(3)：1-4.

[11]張福祥,王樂.我國玻璃纖維制品深加工發(fā)展探討[J].新材料產(chǎn)業(yè),2008(11):47-49.