玻璃棉纖維及其紙張性能的研究

何紅梅 王海毅 李 杰 唐永科 劉彬彬

(1.陜西科技大學輕工與能源學院，陜西 西安，710021;2.陜西汽車集團西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安，710043)

玻璃棉纖維是無機非金屬材料中的一種新型功能材料和結構材料，其主要原料資源貯量大。玻璃棉纖維密度小、熱導率低、比表面積大、保溫絕熱和吸聲性能好，還具有良好的化學穩(wěn)定性等特性[1-3］?；诓Ａ蘩w維優(yōu)良的性能，使其在越來越多的領域得到推廣應用[4］。玻璃棉纖維表面光滑且圓直，沒有分絲帚化現(xiàn)象，纖維表面不能通過形成氫鍵結合在一起。但玻璃棉纖維常作為增強復合材料使用，在造紙方面也有廣泛的應用[5］，常用來生產電池隔膜紙、過濾紙以及保溫隔熱紙等。

玻璃棉纖維的導熱性能低，廣泛應用于建筑和工業(yè)的保溫隔熱和隔冷，是一種優(yōu)良的熱絕緣材料。在低溫環(huán)境下，玻璃棉成紙主要用于低溫儲罐中的多層絕熱材料。導熱系數(shù)是研究隔熱材料的一個重要基礎參數(shù)，導熱系數(shù)的確定對隔熱材料的研發(fā)和生產有重大意義。

本實驗通過對玻璃棉纖維的纖維形態(tài)進行分析，采用幾種不同打漿度的玻璃棉纖維制備絕熱紙，測定了絕熱紙的相關性能，為玻璃棉纖維絕熱材料的制備提供一些依據(jù)。

1 實驗

1.1 原料與儀器

6種不同打漿度的的玻璃棉纖維，編號分別為:BM-1(29°SR)、BM-2(34°SR)、BM-3(39°SR)、BM-4(44°SR)、BM-5(49°SR)、BM-6(54°SR)。

S-4800掃描電子顯微鏡;IMDRY3001-VII雙平板導熱系數(shù)測定儀;DMB5-223IPL-5多媒體光學顯微鏡;ZQJ1-B-II紙頁成型器;Morfi Compact纖維形態(tài)分析儀。

1.2 實驗方法

纖維形態(tài)觀察:經過處理的玻璃棉纖維制片后，采用多媒體光學顯微鏡觀察纖維形態(tài)并拍照。

纖維質量分析:利用纖維形態(tài)分析儀，測定玻璃棉纖維的纖維長度、粗度、扭結和卷曲比例等形態(tài)參數(shù)。

抄造手抄片:稱取 (6.0±0.01)g玻璃棉纖維放入漿料疏解器中，加入約1000 mL水并滴加H2SO4調節(jié)玻璃棉纖維漿液pH值至3.0左右，疏解器設置不同的轉數(shù) (2500、5000、10000、15000、20000轉)后進行疏解，將疏解好的漿料倒入紙樣抄片器內稀釋后成形。將毛布覆蓋在成形的手抄片上，然后用圓桶輕輕滾壓，使手抄片粘在毛布上，接著將毛布和濕手抄片放入真空干燥器內抽真空干燥至水分約為10%，取出后揭下毛布，將未完全干燥的手抄片置于電熱恒溫鼓風干燥箱內烘干。溫度設定為105℃，烘干至手抄片完全干燥。

1.3 性能檢測

制備的玻璃棉纖維隔熱紙手抄片經恒溫恒濕處理后，按照國家標準檢測方法測定其厚度和透氣度，紙張的隔熱保溫性能通過智能型雙平板導熱系數(shù)測定儀測定導熱系數(shù)。

2 結果與討論

2.1 玻璃棉纖維形態(tài)分析

表1為不同打漿度玻璃棉纖維的形態(tài)分析結果。纖維形態(tài)對紙張性能有著重要影響，纖維的形態(tài)參數(shù)主要包括纖維長度、纖維寬度、粗度、扭結指數(shù)和卷曲指數(shù)等，其中纖維的長度是最重要的形態(tài)參數(shù)，它對紙張的強度性質影響較大，較長的纖維長度可以獲得較高的紙張強度，但同時也會增加纖維絮聚的危險，降低紙張勻度。纖維寬度與纖維之間的交織能力密切相關。

景觀破壞常會出現(xiàn)地方性種群滅絕，給保護生物多樣性帶來惡果。當年楊樹作為外來入侵物種，其林地排水系統(tǒng)被挖掘，使淺水湖沼干涸，濕地性質改變成陸地，原有濕地的景觀格局破壞，打破了濕地生物多樣性所依賴的景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使原始景觀破碎，從而影響到生物多樣性功能和生態(tài)過程的變化，為物種的滅絕創(chuàng)造了條件。

由表1可知，隨著打漿度的增加，纖維的算術平均長度和長度加權長度均先降低然后增大;纖維的平均寬度先增大后減小，BM-3玻璃棉纖維的平均寬度最大;纖維的平均粗度、扭結卷曲纖維的比例也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，BM-2玻璃棉纖維的扭結及卷曲比例最大。但總體而言，打漿對玻璃棉纖維的扭結角的影響不是特別明顯，而纖維長度、平均粗度及平均寬度、扭結纖維比例和卷曲纖維比例受打漿度的影響較大。

2.2 疏解對玻璃棉纖維形態(tài)的影響

玻璃棉屬于玻璃纖維中一個特殊的類別，也是無機特種纖維的一種，電鏡觀察玻璃棉纖維不同于常見的天然植物纖維，其截面呈規(guī)則的圓形，單根纖維直徑不變且表面光滑，如圖1所示。

玻璃棉纖維雖然與植物纖維有相似的外觀，但其纖維結構有質的區(qū)別，玻璃棉纖維表面光滑，主要成分為SiO2、Al2O3、Na2O、CaO以及MgO等，打漿作用對其不會產生分絲帚化，主要是以切斷為主，并且在使用傳統(tǒng)打漿機 (如槽式打漿機、PFI等)對玻璃棉纖維進行打漿處理時很容易水化，因此在實驗過程中沒有使用傳統(tǒng)的打漿設備對玻璃棉纖維進行研究。但是，抄片過程中疏解機對玻璃棉纖維進行疏解分散處理時，玻璃棉纖維的纖維形態(tài)會發(fā)生變化，從而影響紙張的相關性能。疏解對不同玻璃棉纖維形態(tài)的影響如圖2所示。

圖2 疏解對玻璃棉纖維形態(tài)的影響

由圖2(a)可知，在同一疏解轉數(shù)下，BM-3纖維受到的剪切作用明顯，纖維長度分布均勻，疏解對BM-3玻璃棉纖維的作用效果最佳。由圖2(b)可知，對同一種打漿度的玻璃棉纖維而言，隨著疏解轉數(shù)的增加，玻璃棉纖維逐漸分散開，疏解對纖維產生剪切作用，細小纖維含量增加，纖維尺寸減小。當疏解轉數(shù)為2500轉時，纖維之間還沒有完全分開，此時玻璃棉纖維中長纖維所占的比例還比較大，容易彼此交織在一起。當疏解轉數(shù)逐漸增加時，纖維的切斷作用顯著，細小纖維含量增加。這表明疏解對玻璃棉纖維的切斷作用比較明顯。

2.3 疏解對玻璃棉纖維紙張性能的影響

疏解改變纖維的尺寸和數(shù)量，而這兩者的改變，使纖維排布變得復雜，影響紙張性能。圖3和圖4分別顯示了紙張厚度和透氣度隨著疏解轉數(shù)的變化。

圖3 不同疏解轉數(shù)對紙張厚度的影響

由圖3可知，隨著疏解轉數(shù)的增加，BM-4和BM-5紙張的厚度變化趨勢相同，在疏解轉數(shù)為10000轉之前，紙張厚度的變化都是隨著疏解轉數(shù)的增加先減小后增加。BM-3的紙張厚度在疏解轉數(shù)為10000轉之前，隨著疏解轉數(shù)的增加而迅速減小，當疏解轉數(shù)進一步增加時，其紙張厚度變化不大。BM-1的紙張厚度隨疏解轉數(shù)的增加略有下降，變化不是很明顯。BM-2的紙張厚度在10000轉之前略有上升，進一步提高疏解轉數(shù)，紙張厚度先降低后升高。BM-6的紙張厚度的變化趨勢正好和BM-4、BM-5的變化趨勢相反，但總體而言，疏解對BM-3纖維紙張厚度的變化影響較大，對其他幾種打漿度的纖維影響不大。引起紙張厚度變化的原因是隨著疏解轉數(shù)的增加，纖維的尺寸減小，數(shù)量增加。纖維尺寸的減小使單根纖維所占空間減小，堆積排列時對厚度的貢獻減弱;纖維數(shù)量增加，長纖維之間的支架結構減少，二者共同作用，對紙張厚度產生影響。從圖4可以看出，疏解對BM-1紙張的透氣度影響比較明顯，其紙張透氣度是隨著疏解轉數(shù)的增加而增加的，BM-4的透氣度變化不顯著，其他幾種玻璃棉纖維的紙張透氣度則隨疏解轉數(shù)的增大而呈現(xiàn)下降趨勢，但總體影響不是特別明顯。

圖4 疏解轉數(shù)對紙張透氣度的影響

2.4 疏解對紙張導熱性能的影響

導熱系數(shù)是衡量保溫隔熱材料保溫性能的一項重要指標。導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側表面的溫差為1K，在1 s內，通過1m2面積傳遞的熱量。導熱系數(shù)常用的測量方法有:防護熱板法、熱流計法、熱線法和閃光法等。每種方法各有其特點，在實際應用中，可根據(jù)被測試樣的性質、導熱系數(shù)的范圍、測量溫度等因素，選用合適的測試方法。本實驗采用IMDRY3001-VII雙平板導熱系數(shù)測定儀在室溫下測定了不同疏解轉數(shù)下各玻璃棉纖維紙張的導熱系數(shù)，結果如圖5所示。

圖5 導熱系數(shù)隨疏解轉數(shù)的變化

從圖5可看出，不同打漿度的玻璃棉纖維紙張的導熱系數(shù)隨疏解轉數(shù)的增加變化不同，BM-1的紙張導熱系數(shù)隨著疏解轉數(shù)的增大而增大，在疏解轉數(shù)為10000轉時最大，進一步提高疏解轉數(shù)，其導熱系數(shù)略有下降，但變化不明顯。疏解對BM-3的紙張導熱系數(shù)影響比較明顯，其導熱系數(shù)是隨著疏解轉數(shù)的增加而逐漸增大，BM-4和BM-5在疏解轉數(shù)大于10000轉時，成紙的導熱系數(shù)變化不明顯，且二者的導熱系數(shù)相差不大。當疏解轉數(shù)小于15000轉時，在同一疏解轉數(shù)下BM-3的導熱系數(shù)最小。

孔隙率是影響玻璃棉纖維紙張導熱性能的重要參數(shù)，孔隙率越大，導熱系數(shù)越小[6］。而疏解使得纖維尺寸減小，數(shù)量增加，從而改變了紙張的孔隙結構。圖6是BM-3的紙張電鏡圖片，可以反映紙張表面孔隙結構。

圖6 不同疏解轉數(shù)BM-3的紙張SEM圖

從圖6可知，疏解轉數(shù)的變化能夠改變玻璃棉纖維紙張內部纖維的結構，疏解轉數(shù)由2500轉增加至5000轉再到20000轉，紙張內纖維交織越來越緊密，主要原因為較低疏解轉數(shù)下紙張內長纖維數(shù)量多，形成的紙張結構疏松，纖維間孔隙較大，但是對于較高疏解轉數(shù)情況下紙張內短纖維的數(shù)量明顯增多，填補了長纖維之間的空隙，玻璃棉纖維相互交織纏繞，形成致密的網狀結構，整體看上去孔隙較小，這也是BM-3的紙張導熱系數(shù)隨疏解轉數(shù)增加而增大的原因。

3 結論

實驗研究了6種不同打漿玻璃棉纖維的纖維形態(tài)及疏解對其張紙性能的影響。

(1)打漿對玻璃棉纖維的長度、平均粗度及扭結角的影響不是特別明顯，而纖維的平均寬度、扭結纖維比例和卷曲纖維比例受打漿度的影響較大。

(2)疏解對同一打漿度的玻璃棉纖維的切斷作用明顯，疏解轉數(shù)增大，纖維受剪切作用尺寸減小。在同一疏解轉數(shù)下，疏解對BM-3的紙張作用效果最佳。

(3)疏解對BM-3的紙張厚度影響比較大，在疏解轉數(shù)為10000轉之前，隨著疏解轉數(shù)的增加而迅速減小，當疏解轉數(shù)進一步增加時，其紙張厚度變化不大。對透氣度而言，疏解對BM-1的紙張透氣度影響最大。

(4)疏解對BM-3的紙張導熱系數(shù)影響比較明顯，BM-3的紙張導熱系數(shù)是隨著疏解轉數(shù)的增加而逐漸增大，當疏解轉數(shù)小于15000轉時，BM-3的紙張導熱系數(shù)最小。

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