一種汽車(chē)排氣系統(tǒng)用低排放玻璃纖維的性能分析＊

王 藝，陸旗瑋，黃 浪，梁振華，韓利雄

（1.重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司，重慶 400082；2.上海國(guó)玻汽車(chē)科技有限公司，上海 200131）

0 前言

耐腐蝕的無(wú)堿玻璃纖維［1-3］具有耐溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)膨化處理后填充于汽車(chē)排氣系統(tǒng)中，以降低汽車(chē)噪音［4-6］，同時(shí)承受廢氣的熱氣流和腐蝕［7,8］。

目前，面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)苛的排放法規(guī)，汽車(chē)尾氣顆粒物的質(zhì)量（PM）限值越來(lái)越低，并且增加了對(duì)汽車(chē)尾氣顆粒數(shù)量（PN）的限值要求［9］。由于玻璃纖維是汽車(chē)排氣系統(tǒng)最重要的填充材料，玻璃纖維表面的浸潤(rùn)劑在燒失后會(huì)排放顆粒物和煙氣，因此，需要一種排放量更低的玻璃纖維產(chǎn)品，降低玻璃纖維在填充進(jìn)排氣筒后汽車(chē)尾氣顆粒排放物。表1 為各階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放物標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比值。

表1 各階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放物標(biāo)準(zhǔn)

普通型排氣系統(tǒng)用玻璃纖維表面涂覆的浸潤(rùn)劑需要在足夠高的溫度下，足夠長(zhǎng)的時(shí)間后才能完全分解、燒失掉，重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)CPIC）全新開(kāi)發(fā)的低排放型排氣系統(tǒng)用紗Z-TEX-LP，其表面涂覆的浸潤(rùn)劑可以在低溫下、短時(shí)間內(nèi)快速分解、燒失掉。

由于玻璃纖維的成分、纖維直徑、耐熱和耐酸堿性能是其作為汽車(chē)排氣系統(tǒng)填充材料重要的質(zhì)量指標(biāo)，本文將從玻璃成分、纖維直徑、耐熱性能、耐酸堿性能以及浸潤(rùn)劑熱重分析方面，對(duì)CPIC生產(chǎn)的低排放型排氣系統(tǒng)用紗Z-TEX-LP和普通型排氣系統(tǒng)用紗Z-TEX作性能對(duì)比測(cè)試。表2 為2 款產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)。

表2 2款排氣系統(tǒng)用玻璃纖維技術(shù)指標(biāo)

1 實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備

玻璃纖維：Z-TEX-LP-4800、Z-TEX-4800，重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司；

烘箱：HTF331A，重慶威爾試驗(yàn)儀器有限公司；

馬弗爐：SX2-4-10，重慶建川電爐廠；

熒光分析儀：XIOS型；

纖維直徑檢測(cè)儀：cottonscope HD；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：5982，INSTRON；

熱分析儀：STA 449 F3，NETZSCH；

天平：ME204E / 02，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；

干燥箱：含有干燥劑的密閉容器；

試樣皿：陶瓷坩堝。

2 玻纖性能驗(yàn)證

2.1 玻璃成分

依照GB/T 14506.28-2010 硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn)操作，先將玻璃纖維表面的浸潤(rùn)劑全部燒失掉，再研磨成粉末，利用X射線熒光光譜分析方法測(cè)量化學(xué)成分［10］。2 種產(chǎn)品各隨機(jī)取5 個(gè)不同批次的試樣，表3 為隨機(jī)選取的一組測(cè)試結(jié)果。

表3 2種玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果 %

從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，Z-TEX和Z-TEX-LP的玻璃成分一致，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 纖維直徑

依照GB/T 7690.5-2001《增強(qiáng)材料 紗線試驗(yàn)方法 第5部分：玻璃纖維纖維直徑的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》操作，將纖維浸入一種與其折射率不同的液體中，在顯微鏡下縱向測(cè)量纖維一邊到另一邊的距離，以μm為單位。2種產(chǎn)品各隨機(jī)取1個(gè)試樣，圖1和圖2為測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果顯示，Z-TEX的平均纖維直徑為24.49μm，Z-TEX-LP的平均纖維直徑為24.41μm。2 種產(chǎn)品的纖維直徑無(wú)明顯差異，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖1 Z-TEX 纖維直徑分布圖

圖2 Z-TEX-LP 纖維直徑分布圖

3.3 耐酸性能

取200±10 mm的測(cè)試樣品。將試樣置于溫度為625±20 ℃的馬弗爐中灼燒30 min。然后，將測(cè)試樣品在干燥室中放置1 h，直到冷卻到室溫，測(cè)量質(zhì)量。接下來(lái)，浸入測(cè)試液體（200 ml半濃鹽酸（HCl 1∶1））中240 h。將測(cè)試樣品置于100 ℃恒溫箱中加熱1 h，然后，將測(cè)試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻至室內(nèi)溫度，測(cè)量質(zhì)量，然后計(jì)算浸泡前后質(zhì)量變化率。每種測(cè)試5 個(gè)試樣，求得算數(shù)平均值［11］。

圖3 2 款排氣系統(tǒng)用玻璃纖維耐酸性能測(cè)試

測(cè)試結(jié)果顯示，在半濃鹽酸（HCl 1∶1）中浸泡240 h后，Z-TEX-4800 的質(zhì)量損失率在0.36%，Z-TEX-LP-4800 的質(zhì)量損失率在0.29%。2 種產(chǎn)品的質(zhì)量損失率均低于1.0%的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.4 耐堿性能

取200±10 mm的測(cè)試樣品。將試樣置于溫度為625±20 ℃的馬弗爐中灼燒30 min。然后，將測(cè)試樣品在干燥室中放置1 h，直到冷卻到室溫，測(cè)量質(zhì)量。接下來(lái)，浸入測(cè)試液體（200 ml 50±2 ℃的20%氫氧化鈉溶液）中24 h（樣品處于加蓋的試驗(yàn)容器中，置于強(qiáng)制空氣烤箱中）。將測(cè)試樣品置于100 ℃恒溫箱中加熱1 h，然后，將測(cè)試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻至室內(nèi)溫度，測(cè)量質(zhì)量，然后計(jì)算浸泡前后質(zhì)量變化率。每種測(cè)試5 個(gè)試樣，求得算數(shù)平均值。

圖4測(cè)試結(jié)果顯示，在50±2℃的20%氫氧化鈉溶液中浸泡24 h后，Z-TEX-4800的質(zhì)量損失率在5.87%，Z-TEX-LP-4800的質(zhì)量損失率在5.79%。兩種產(chǎn)品的質(zhì)量損失率均低于10%的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4 2 款排氣系統(tǒng)用玻璃纖維耐堿性能測(cè)試

3.5 高溫?zé)崾湛s

取200±10 mm的測(cè)試樣品。將測(cè)試樣品在恒溫箱中于120 ℃加熱90 min。然后，將測(cè)試樣品在干燥室中放置1 h，直到冷卻到室溫。測(cè)量質(zhì)量和長(zhǎng)度。接下來(lái)，在750 ℃下加熱測(cè)試樣品4 h。然后，將測(cè)試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻至室內(nèi)溫度，測(cè)量質(zhì)量和長(zhǎng)度，然后計(jì)算750 ℃前后質(zhì)量和長(zhǎng)度變化率。每種測(cè)試5 個(gè)試樣，求得算數(shù)平均值。

圖5 測(cè)試結(jié)果顯示，在750 ℃下，Z-TEX的質(zhì)量損失率不超過(guò)0.7%，長(zhǎng)度收縮率均不超過(guò)0.5%；Z-TEX-LP的質(zhì)量損失率和長(zhǎng)度收縮率不超過(guò)0.6%。2 種產(chǎn)品的耐溫性相當(dāng)，高溫下的質(zhì)量損失率和收縮率均低于1.0%的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖5 2 款排氣系統(tǒng)用玻璃纖維質(zhì)量損失率和收縮率測(cè)試結(jié)果

3.6 高溫抗拉強(qiáng)度

取200±10 mm的測(cè)試樣品。將測(cè)試樣品在750 ℃下加熱4 h。然后，將測(cè)試樣品在干燥箱中放置1 h，直到冷卻到室溫。依照標(biāo)準(zhǔn)ISO 3341-2000《紡織玻璃纖維紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》操作，采用拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，加載速度250 mm/min，沿試樣軸向勻速施加靜態(tài)拉伸載荷，直到試驗(yàn)斷裂，以測(cè)定斷裂拉斷力。每種測(cè)試10 個(gè)試樣，求得算數(shù)平均值。

表4 2款排氣系統(tǒng)用玻璃纖維高溫?cái)嗔牙瓟嗔?/p>

測(cè)試結(jié)果顯示，在750 ℃下，Z-TEX-4800 的斷裂拉斷力的均值在56.6 N，Z-TEX-LP-4800 的斷裂拉斷力的均值在53.3 N。2 種產(chǎn)品在750 ℃下的斷裂拉斷力高于40 N的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.7 熱分析（TG-DSC）

根據(jù)GB18352.6-2016輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）之標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)輛在測(cè)試前，需要進(jìn)行循環(huán)預(yù)處理。我們有針對(duì)性的測(cè)試2種玻璃纖維表面涂覆的有機(jī)物在低溫條件下分解速率。

分別采用2 種玻璃纖維的浸潤(rùn)劑配方配置固含量為30%的乳液，然后各取15 g試樣置于燒杯中，并將2 種試樣置于溫度為120 ℃的烘箱中烘制120 min，直至乳液中的水份完全去除，即制得熱分析所需的測(cè)試樣。

取試樣稱(chēng)重，在TG-DSC儀器上測(cè)試試樣的熱分解規(guī)律，設(shè)定升溫速度為10 ℃/min，實(shí)驗(yàn)溫度范圍為常溫至700 ℃，測(cè)試過(guò)程中分別使用惰性氣體氛圍和空氣氛圍。

圖6 為Z-TEX在惰性氣體氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過(guò)程中質(zhì)量損失率在20%的分解溫度為376 ℃，快速分解溫度為410 ℃。由DSC曲線可知，在414 ℃左右表現(xiàn)為強(qiáng)烈的放熱峰，與其分解溫度相對(duì)應(yīng)。

圖7為Z-TEX-LP在惰性氣體氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過(guò)程中質(zhì)量損失率在20%的分解溫度為334 ℃，第一組快速分解溫度為338 ℃，第二組快速分解溫度為400 ℃。由DSC曲線可知，在313 ℃左右出現(xiàn)第一次放熱峰，在398℃左右出現(xiàn)強(qiáng)烈的放熱峰，均與其分解溫度相對(duì)應(yīng)。

由圖6 和圖7 對(duì)比來(lái)看，在惰性氣體氛圍中，Z-TEX-LP較Z-TEX更早出現(xiàn)放熱峰值，表明其分解溫度更低；低溫下的同等質(zhì)量損失量的情況下，Z-TEX-LP的分解溫度更低。

圖6 Z-TEX 在惰性氣體氛圍下的TG-DSC 曲線

圖7 Z-TEX-LP 在惰性氣體氛圍下的TG-DSC 曲線

圖8 為Z-TEX在空氣氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過(guò)程中質(zhì)量損失率在20%的分解溫度為340 ℃，第一次分解溫度出現(xiàn)在340 ℃，快速分解溫度為420 ℃。由DSC曲線可知，在334 ℃開(kāi)始出現(xiàn)放熱峰，之后連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)放熱峰值，與其分解溫度相對(duì)應(yīng)。

圖9 為Z-TEX-LP在惰性氣體氛圍下的TG/DTG/DSC曲線，由TG和DTG曲線可知，分解過(guò)程中質(zhì)量損失率在20%的分解溫度為315 ℃，第一次分解溫度出現(xiàn)在250 ℃，快速分解溫度出現(xiàn)了二次，分別為330 ℃、405 ℃。由DSC曲線可知，在244 ℃左右出現(xiàn)第一次放熱峰，之后也連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)放熱峰值，與其分解溫度相對(duì)應(yīng)。

由圖8 和圖9 對(duì)比來(lái)看，在空氣氛圍中，同樣印證了Z-TEX-LP較Z-TEX更早出現(xiàn)放熱峰值，Z-TEX-LP每個(gè)階段的分解溫度均低于Z-TEX；在質(zhì)量損失為20%時(shí)，Z-TEX-LP的分解溫度更低。

圖8 Z-TEX 在空氣氛圍下的TG-DSC 曲線

圖9 Z-TEX-LP 在空氣氛圍下的TG-DSC 曲線

5 結(jié)論

（1）Z-TEX-LP在玻璃成分、纖維直徑、耐熱性能、耐酸堿性能等方面的測(cè)試結(jié)果與Z-TEX基本一致，滿足各汽車(chē)廠家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）Z-TEX-LP纖維表面涂覆的有機(jī)物具有更低的分解溫度和放熱峰值，而且在同等質(zhì)量損失量的情況下，Z-TEX-LP較Z-TEX的分解溫度更低，這更加有利于纖維表面有機(jī)物的快速分解和燒失。

（3）下一步將進(jìn)行綜合性能測(cè)試，包括膨化效果、吸音性能和尾氣排放等方面的測(cè)試，從而對(duì)低排放玻璃纖維做完整、系統(tǒng)的驗(yàn)證，為汽車(chē)排氣系統(tǒng)用玻璃纖維建立新的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。