微纖維玻璃棉耐輻照性能探討

嚴潔，王瑩，胡曉俠，陳陽

(中材科技股份有限公司，南京 210012)

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微纖維玻璃棉耐輻照性能探討

嚴潔，王瑩，胡曉俠，陳陽

(中材科技股份有限公司，南京 210012)

摘 要：介紹用于核電行業(yè)高效粒子空氣過濾紙原材料微纖維玻璃耐輻射性能的重要性，分析了微纖維玻璃的主要化學成分以及各成分對微纖維玻璃耐輻射性能的影響，通過實驗探究了微纖維玻璃棉輻射性能的影響機理。

關(guān)鍵詞：微纖維玻璃棉；核電站；輻照；濾紙

0前言

核電是將原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能的過程。與火力發(fā)電相比，核電只需消耗很少的核燃料，就可以產(chǎn)生大量的電能，且每千瓦時電能的成本比火電站要低20%以上。同時核電是安全、清潔、低碳、可靠的能源。為了響應(yīng)節(jié)能、環(huán)保、減排的政策要求，中國將大力發(fā)展清潔電力。目前我國核電站總體國產(chǎn)化率約為50%～60%，規(guī)劃到2020年國產(chǎn)化率大于80%。如果按核島、常規(guī)島、輔助設(shè)備國產(chǎn)化率分別為70%、80%、90%計算，那么國內(nèi)核電設(shè)備制造商將分享3200多億元的市場，市場潛力巨大。

美國ASME核電規(guī)范與標準AG-1《核電廠空氣和氣體處理》[1]，對核設(shè)施中核安全有關(guān)的空氣和氣體處理系統(tǒng)使用的部件提出了性能、設(shè)計、構(gòu)造、驗收試驗和設(shè)備質(zhì)量保證的最低要求。其中中效過濾器卷(FB卷)提出了中效過濾器(過濾器效率40%～99%)在核設(shè)施中性能、設(shè)計、構(gòu)造、驗收試驗和設(shè)備質(zhì)量保證方面的要求。高效粒子空氣過濾器卷(FC卷)提出了高效過濾器在核設(shè)施中，性能、設(shè)計、構(gòu)造、驗收試驗和設(shè)備質(zhì)量保證方面的要求。國內(nèi)河南核凈有限公司起草的GB/T 17939《核級高效過濾器》[2]基本由美國ASME標準AG-1的FC卷翻譯而來。

FC卷中強制性附錄FC-Ⅰ規(guī)定了用于制造FC卷中所述高效粒子空氣過濾器的防火型高效濾紙的要求，明確規(guī)定了濾紙的形狀和尺寸、物理化學、制造工藝的要求，指出核電站高效過濾器防火型高效濾紙工作環(huán)境的輻照條件為γ射線輻照劑量率不超過2.5×104Gy/h，累計劑量達到6.0×105～6.5×105Gy，并對濾紙輻照前后的相關(guān)性能做出了明確規(guī)定，其中要求濾紙在輻照后縱橫向強度衰減小于15%。玻纖濾紙由微纖維玻璃棉經(jīng)濕法抄造而成，其主要生產(chǎn)工藝有制漿、抄紙、施膠、烘干、卷取。濾紙的縱橫向強度主要取決于微纖維玻璃棉纖維之間的相互纏繞及粘結(jié)劑。因此，微纖維玻璃棉在輻照后的性能改變，是保證產(chǎn)品耐輻照的關(guān)鍵所在。

1微纖維棉玻璃的化學成分

微纖維棉玻璃的成分構(gòu)成主要為硅酸鹽玻璃，其主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、MgO、BaO、ZnO、TiO2、Na2O、K2O、Li2O、B2O3等氧化物，如表1所示。其中SiO2是玻璃形成骨架的主體，它的作用是提高玻璃的熔制溫度、粘度、化學穩(wěn)定性與穩(wěn)定性、硬度和機械強度，同時它又能降低玻璃的熱膨脹系數(shù)和密度。Al2O3屬于玻璃的中間氧化物。Al2O3在玻璃中，提高了玻璃的熔化溫度和玻璃粘度，也提高了玻璃的強度、化學穩(wěn)定性，且加快玻璃纖維成型時的硬化速度，對纖維成形非常有利。CaO是玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)外氧化物，其主要作用是穩(wěn)定劑，在纖維成型時，可以增加纖維成形的硬化速度，提高纖維產(chǎn)量。MgO、BaO、TiO2同CaO一樣，為玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)外氧化物，玻璃中以3.5%以下的MgO替代部分CaO，可以使玻璃成型時硬化速度變慢，降低纖維加工時玻璃熔化的析晶傾向，提高玻璃的化學穩(wěn)定性和機械強度。Na2O、K2O、Li2O同樣屬于玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)外氧化物，堿金屬離子(R+)離子居于玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的空穴中，R2O能使玻璃結(jié)構(gòu)中的O/Si比值增高，發(fā)生斷鍵，因此可以降低玻璃的粘度，是良好的玻璃熔化助溶劑，R2O可以增加玻璃的熱膨脹系數(shù)，降低玻璃的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和機械強度。B2O3也是玻璃的形成氧化物，它能降低玻璃膨脹系數(shù)，提高玻璃的熱穩(wěn)定性和化學性能，增加玻璃折射率和機械強度[3]。

表1　氧化物分類

2化學成分耐輻照性能分析

材料在射線的照射下，射線的入射粒子與材料晶格原子產(chǎn)生相互作用，它包括碰撞過程和微觀結(jié)構(gòu)演化過程，這將導(dǎo)致輻照腫脹和輻照生長等微觀結(jié)構(gòu)的變化，在缺陷符合時釋放出潛能。γ射線是材料輻照損失的重要因素。γ射線輻照損傷玻璃表現(xiàn)在體內(nèi)產(chǎn)生色心。色心的產(chǎn)生和玻璃的內(nèi)部缺陷有關(guān)，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越密實，內(nèi)部缺陷越少，越有利于阻止色心的產(chǎn)生，其耐輻照性能就越好。通常通過引入高離子場強元素，以增強玻璃的網(wǎng)絡(luò)密實度、玻璃密度，改善其耐輻照性能[4-5]。

中間體氧化物處于網(wǎng)絡(luò)空隙中，可以使玻璃密度上升。根據(jù)表1，中間體氧化物Al2O3、ZnO、TiO2的增加可提高結(jié)構(gòu)的密實度，實現(xiàn)耐輻照性能的改善。

網(wǎng)絡(luò)外體堿土金屬氧化物離子場強較大，具有吸引陽離子到自己周圍的能力，起到積聚網(wǎng)絡(luò)的作用。由表1可知，CaO、BaO、MgO、ZnO均為堿土金屬氧化物，其中BaO相對場強最小。

而網(wǎng)絡(luò)外體堿金屬氧化物的場強，從Li2O到Na2O再到K2O，逐步降低。因此，Na2O含量高于K2O含量將有助于提高玻璃的耐輻照性能[6]。

3微纖維玻璃棉耐輻照性能驗證

綜合考慮各種氧化物的耐輻照性能、微纖維玻璃棉生產(chǎn)工藝要求、產(chǎn)品成本這幾方面因素，確定微纖維玻璃棉化學成分配方，并加工成微纖維玻璃棉。成分如表2所示。

表2　微纖維玻璃棉化學成分表　%

按照美國ASME核電規(guī)范與標準AG-1《核電廠空氣和氣體處理》中，F(xiàn)C卷中強制性附錄FC-Ⅰ的要求，將上述三種配方的微纖維玻璃棉經(jīng)過輻照劑量率不超過2.5×104Gy/h，累計劑量達到6.0×105～6.5×105Gy的γ射線照射，對比三種配方微纖維玻璃棉輻照前后實驗室抄片的強度衰減，最終確定原料配方。

主要設(shè)備和儀器：纖維標準解離器；電子天平；快速紙頁成型器；恒溫干燥箱；ZL-100 A型紙與紙板抗張試驗機；輻照測試，南京輻照中心。

試驗結(jié)果如表3所示。從試驗結(jié)果可以看出，配方1強度的衰減度低于強制性附錄FC-Ⅰ的要求，且為三種配方中性能最佳方案，固確定配方1為滿足美國ASME核電規(guī)范與標準AG-1中，F(xiàn)C卷中強制性附錄FC-Ⅰ要求的輻照環(huán)境中過濾紙生產(chǎn)的微纖維玻璃棉化學成分。

表3　微纖維棉輻照前后強度衰減試驗結(jié)果

4結(jié)論

纖維玻璃的化學成分按照網(wǎng)絡(luò)形成體、網(wǎng)絡(luò)外體及中間體分類的不同，對纖維的耐輻照性能起著不同的作用，同時輻照源及輻照劑量的不同，會對纖維造成不同的損傷，也會對纖維玻璃的化學成分有不同的要求。

參考文獻

[1]AG A.1-2012，Code on Nuclear Air and Gas Treatment[S].American Society of Mechanical Engineers.

[2]GB/T 17939-2015，核級高效過濾器[S].中國國家標準化管理委員會.

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

[4]祖群，陳士潔，孔令珂.高強度玻璃纖維研究與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2009(15)：92-95.

[5]王琦.無機非金屬材料工藝學[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2005.

[6]西北輕工業(yè)學院.玻璃工藝學[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2006.

Exploration of Radiation Resistance Performance of Glass Microfibers

Yan Jie，Wang Ying，Hu Xiaoxia，Chen Yang

(Sinoma Science & Technology Co.Ltd.，Nanjing 210012)

Abstract:The importance of radiation resistance of glass microfibers used in high performance filter paper of air and particles in nuclear power industry is briefed，and the main chemical components in microfiber glass and their influences on the radiation resistance of glass microfibers are analyzed.

Key words:glass microfiber；nuclear power station；radiation；filter paper

中圖分類號：TQ171.77+1.12

文獻標識碼：A

收稿日期：2016-01-27

作者簡介：嚴潔，女，1963年生，教授級高工。主要從事微玻璃纖維方向的研究。

修回日期：2016-05-07