玻纖廢絲微珠化影響因素研究

方久華,楊 峰,齊硯勇,李林玲

(1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)，綿陽 621002)

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玻纖廢絲微珠化影響因素研究

方久華1,楊 峰1,齊硯勇2,李林玲1

(1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)，綿陽 621002)

在分析玻纖單絲向玻璃微珠轉(zhuǎn)化的理論基礎(chǔ)上，以石墨板承載熱處理試驗，研究玻纖廢絲轉(zhuǎn)化為玻璃微珠的轉(zhuǎn)化過程及單絲長度、熱處理溫度與時間對微珠化的影響。熱膨脹曲線測定、顯微鏡觀察微珠情況等手段表明：在高于玻纖軟化點110 ℃左右的溫度下熱處理20 min左右，能使玻纖單絲轉(zhuǎn)化為具有較高球形度的玻璃微珠；微珠直徑主要受單絲長度與直徑的影響，長度越大，需要熱處理時間越長，甚至難以轉(zhuǎn)化為玻璃微珠。

玻纖； 廢絲； 熱處理； 微珠； 影響因素

1 引 言

玻纖、玻璃鋼制造企業(yè)生產(chǎn)過程中均產(chǎn)生大量玻纖廢絲，廢絲的處理方法主要有：①以廢絲為原料或原料之一，熔制成為玻璃液，制作玻璃纖維、玻璃棉、玻璃馬賽克、塊狀玻璃、陶瓷釉料、泡沫玻璃等[1,2]；②以廢絲為增強材料，制作水泥制品、工程塑料、天花板、BMC復(fù)合材料、濕法表面氈、石膏板等[3]；③填埋。

作為反光材料，玻璃微珠已有成熟的制作工藝，主要采用熔液法和粉末法兩種，其中溶液法包括有葉輪拋射法、噴吹法、拉絲法、離心法等多種，粉末法是將塊狀玻璃用研磨機研磨成玻璃粉(粒狀顆粒)，在球化爐中熱處理成為玻璃微珠，熱處理設(shè)備主要包括懸浮法和隔離劑法兩類[4]。

以玻纖廢絲為原料制作玻璃微珠的問題研究學(xué)者較少，吳知方等人曾進行了玻纖廢絲微珠化的可行性研究[5]，唐騰等人以玻纖廢絲為原料熔制玻璃液，噴吹制成玻璃微珠，并分析了其在交通領(lǐng)域應(yīng)用的可行性[6]。目前尚未見研究玻纖廢絲微珠化相關(guān)技術(shù)參數(shù)方面的相關(guān)報道，也未見玻纖廢絲微珠化企業(yè)應(yīng)用，纖維狀玻璃體比粒狀玻璃粉轉(zhuǎn)變成球狀難度更大是其主要原因。

2 理論分析

玻纖廢絲與玻璃微珠都為玻璃體，但存在形態(tài)不同，創(chuàng)造條件實現(xiàn)形態(tài)轉(zhuǎn)變即可使玻纖廢絲轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ⒅椤Ｐ螒B(tài)轉(zhuǎn)變過程中，內(nèi)部質(zhì)點(或空位)優(yōu)先沿表面張力作用方向移動，呈現(xiàn)定向物質(zhì)流，表面質(zhì)點向內(nèi)部移動的過程就是單絲微珠化的過程，移動速度越快，形態(tài)轉(zhuǎn)變速度就越快[7]。

玻璃內(nèi)部質(zhì)點能克服粘滯力進行移動時，表面張力才能充分發(fā)揮作用，形態(tài)轉(zhuǎn)化過程才能完成。單絲在表面張力作用下，遷移量與表面張力大小成正比，并服從式1粘性流動關(guān)系[8]。

(1)

由式1可知，增大玻璃表面張力，有利于增大形態(tài)轉(zhuǎn)變的動力F/S，能加快粘性流動速度；減小玻璃體粘度η，則會減小流動速度，即表面張力是實現(xiàn)形態(tài)轉(zhuǎn)變的動力，而玻璃液粘滯力則阻礙其轉(zhuǎn)變。

由于單絲轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ⒅檫^程中化學(xué)成分基本不發(fā)生變化，纖維種類一定，溫度是影響粘度與表面張力的主要因素，雖然二者都隨溫度的升高而減小，但溫度的變化導(dǎo)致粘度變化程度比表面張力大得多[9]，因此升高溫度是促使玻纖單絲轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒅榈闹匾侄?，高溫維持時間、單絲尺寸則直接關(guān)系到這種轉(zhuǎn)變的完成程度。

3 實 驗

3.1 試樣制作

采用池窯拉絲廠單絲直徑11 μm的ETFC玻纖廢絲，加熱至450 ℃保溫5 min，去除表面殘留浸潤劑后冷卻至室溫，剪刀剪短后，用刀片機粉碎，使廢絲分散為單絲粉末。

稱取100 g單絲粉末洗滌烘干，分次加入100 mL剛玉坩堝于1400 ℃高溫電阻爐熔化為玻璃液，澆筑成玻璃試塊，退火冷卻后切割、研磨，制成φ5 mm×50 mm圓柱形玻璃試樣，測定玻璃熱膨脹曲線。

采用標準篩篩分，選用0.063～0.2 mm廢絲粉作為試樣A。

將上述經(jīng)刀片機粉碎但未篩分的試樣置于玻璃板，在100倍顯微鏡下分散、挑選、按長度大小排列單絲，作為試樣B。

3.2 廢絲微珠化熱處理

(1)將試樣A置于石墨板上，分別在900 ℃、920 ℃、940 ℃保溫20 min；

(2)將試樣A置于石墨板上，在920 ℃分別保溫12 min、20 min、30 min；

(3)將按長度順序排列的單絲試樣B置于石墨板上，在920 ℃保溫20 min。

經(jīng)熱處理制成的玻璃微珠，置于玻璃板或石墨板，在放大100倍的顯微鏡下進行觀察，判斷廢絲成球情況。

4 結(jié)果與討論

圖1 熱膨脹曲線Fig.1 Thermal expansion curve

4.1 廢絲成球溫度

利用膨脹系數(shù)測定儀，測定玻璃熱膨脹曲線如圖1所示。

熱膨脹曲線顯示，廢絲熔化制成的玻璃，轉(zhuǎn)變點632 ℃，膨脹軟化點813 ℃。由于纖維中ZrO2、TiO2等化合物的存在，提高了一定溫度下玻璃液的粘度，所以實驗用纖維轉(zhuǎn)變點和軟化點明顯高于中堿、高堿等玻璃纖維。

表1顯示不同溫度下纖維轉(zhuǎn)化為微珠的情況。

溫度為900 ℃時，單絲熔化為玻璃液，雖然液體邊緣開始收縮，但因玻璃液粘滯力作用程度大，阻礙表面張力發(fā)揮作用，單絲難以轉(zhuǎn)化為玻璃球；溫度升高至920 ℃時，單絲粉末熔化產(chǎn)生的玻璃液滴在表面張力作用下，全部轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ?；溫度升高?40 ℃時，單絲粉末轉(zhuǎn)變成的玻璃球體在自身重力、剪切力及其它外力作用下，發(fā)生變形，球形度減小，但變形會導(dǎo)致表面積增大，會受到表面張力的阻礙，當表面張力能克服外力作用時，變形不會發(fā)生，所以球體直徑較大時變形比較明顯[10]?？梢哉J為，纖維轉(zhuǎn)化為玻璃微珠的最佳溫度為920 ℃左右，即纖維熱處理溫度控制在膨脹軟化點以上110 ℃左右為宜。

實際采用的溫度與玻璃纖維化學(xué)成分有關(guān)。如果纖維中含有R2O、CaO、MgO等能減小玻璃液粘度、增大表面張力的化合物，隨著它們含量的提高，玻璃轉(zhuǎn)變點、軟化點將降低，熱處理溫度也隨之降低[7]。

表1 玻璃微珠化的溫度Tab.1 Temperature of glass transition for the beads

4.2 纖維與微珠尺寸

熱處理過程中，單絲表面浸潤劑被燃燒而遺失，纖維中B2O3等易揮發(fā)物部分揮發(fā)，減少量約為纖維質(zhì)量的0.5%～1.0%[11]，微珠體積與單絲體積基本相等，微珠直徑d與單絲直徑d1、長度L關(guān)系如式2所示，單絲直徑和長度越大，微珠直徑越大。

(2)

圖2 不同長度單絲成球情況Fig.2 Situations different lengths of monofilament balling

單絲表面能降低是其成球的基本推動力[8]。由于單絲兩端比中部具有較大比表面積，在熱處理過程中兩端收縮成球狀體，隨著熱處理的進行球體直徑逐漸增大，在此過程中，因表面張力作用，纖維表面質(zhì)點進入內(nèi)部，纖維變短變粗，促使兩端球體逐漸靠近，當兩端形成的球形體靠攏后，繼續(xù)依靠表面張力的作用融合為一個完整的球體。

微珠化的顆粒成球程度可用式(3)表示。

S=Lmax-Bmin

(3)

式中Lmax與Bmin分別為單絲微珠化后形成體投影的最大長度與最小寬度。

采用16根單絲制成的試樣B，在920 ℃保溫20 min熱處理，在石墨板上用顯微鏡直接觀察不同長度單絲成球情況如圖2及表2所示。

表2 不同長度單絲成球能力Tab.2 Ability for different lengths of monofilament converted to a ball

續(xù)表

表2顯示，A～M號單絲試樣熱處理形成體各方尺寸一致，表示已經(jīng)成為球體，圖2中M號試樣系廢絲中夾雜的粗纖維形成的超大球體；N、O、P試樣形成體投影各方尺寸不一致，說明未成為球體。表明單絲長度太大，則成球能力差。

將A～K、N～P試樣的S、L作圖如圖3所示。

圖3 單絲長度與球形化程度關(guān)系Fig.3 Relationship of filament length and spherical degree

圖3顯示，要在920 ℃下熱處理20 min成球，即S=0，單絲長度以小于353 μm左右為宜，按式2計算可知，采用直徑為11 μm的單絲熱處理，可制備直徑小于40.0 μm的玻璃微珠，若制備直徑更大的玻璃微珠，需采用直徑大于11 μm的單絲(如圖2中M號單絲)。

4.3 熱處理時間

單絲中質(zhì)點的遷移是粘性運動，由于熱處理中玻璃化學(xué)成分基本穩(wěn)定，熱處理溫度如果不變，則玻璃體的粘度、表面張力則不變化，即質(zhì)點遷移的動力與阻力都相對穩(wěn)定，熱處理時間越長，單絲表面質(zhì)點進入內(nèi)部的程度越高，單絲兩端形成球狀體靠近程度、融合程度也越大，玻璃微珠的球形度越高，顯然，熱處理時間過短，單絲不能成球。表3顯示熱處理溫度為920℃在不同熱處理時間下單絲微珠化情況。

表3 單絲微珠化的熱處理時間Tab.3 Sintering time of monofilament converted to microbeads

表3表明，當熱處理時間少于12 min，單絲兩端形成的玻璃球體不能完全融合，微珠球形度不高，但其中直徑較小的玻璃珠球形度仍然較高；隨著熱處理時間的延長，熱處理時間超過20 min時，單絲都能轉(zhuǎn)化為具有較高球形度的玻璃微珠。

熱處理時間的確定應(yīng)與單絲長度結(jié)合考慮，長度越小，熱處理時間應(yīng)越短。當單絲直徑很短，使單絲形狀接近粒狀時，表面張力能使凹、凸表面處的蒸氣壓分別低于和高于平面表面處的蒸氣壓，顆粒棱、角等凸起區(qū)域質(zhì)點向凹陷、平面區(qū)域擴散遷移即可成為球狀，并且顆粒越細，遷移推動力越大[8]，無需象長單絲成球過程那樣兩端球狀體靠近、融合，從而可極大地縮短熱處理時間。

如果采用噴吹法等不能提供太長單絲轉(zhuǎn)化時間的制作方法，則應(yīng)將單絲長度減小，當然，所制得的微珠直徑按式2所示規(guī)律相應(yīng)減小。

5 結(jié) 論

(1)玻纖廢絲經(jīng)過熱處理能夠轉(zhuǎn)化為玻璃微珠，表面張力是實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的推動力，粘滯力則阻礙轉(zhuǎn)化；

(2)單絲轉(zhuǎn)化為玻璃微珠需要的溫度應(yīng)高于膨脹軟化點110 ℃左右；

(3)單絲成球過程是單絲變短、變粗、端部球狀體靠近融合以及棱角區(qū)域向凹陷、平面區(qū)域遷移的過程，單絲長度過長會降低微珠球形度，熱處理時間可隨單絲長度的減小而縮短，單絲被粉碎至呈粒狀時，熱處理時間最短。

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Influence Factors of Waste Glass Silk Converted to Beads

FANGJiu-hua1,YANGFeng1,QIYan-yong2,LILin-ling1

(1.Mianyang Vocational and Technical College,Mianyang 621000,China;2.Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621002,China)

Based on the theoretical analysis of glass filaments conversion to glass beads,with graphite plate bearing heat treatment test, study the transformation process of glass fiber waste into the glass beads and influence of filament length, heat treatment temperature and time on the beads. Measure of thermal expansion curve, observe of microscope beads shows that glass fiber monofilament can be translated into glass beads with a higher degree of spherical by heat treatment for 20 min in around 110 ℃ higher than glass fiber softening point; Beads diameter mainly affected by length and the diameter of filament, the longer of the length,the the greater of the heat treatment time need, even hard to translate into glass beads.

glassfiber;waste silk;sintering;microbead;influence factor

方久華(1965-)，男，副教授.主要從事無機材料、環(huán)境工程方面的研究.

TQ171

A

1001-1625(2016)08-2671-05