纖維直徑對玻璃棉纖維紙結構和性能的影響

鄭新苗　王海毅　田耀斌

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安，710021)

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·玻璃棉纖維紙·

纖維直徑對玻璃棉纖維紙結構和性能的影響

鄭新苗王海毅田耀斌

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安，710021)

在測量玻璃棉纖維直徑的基礎上,利用掃描電子顯微鏡、壓汞儀和熱線法通用導熱系數儀,研究了纖維直徑對玻璃棉纖維紙微觀結構和宏觀性能的影響。結果表明,玻璃棉纖維直徑的變化會影響紙張的孔隙結構,直徑越小,纖維間的孔隙尺寸越小,孔隙間相互連通程度越低；隨著玻璃棉纖維平均直徑的降低,孔隙率成明顯增大的趨勢；相同定量的手抄片,纖維平均直徑越小,紙張的厚度越大,透氣度越小；玻璃棉纖維紙的導熱系數隨纖維直徑的減小,有明顯降低的趨勢,當玻璃棉纖維平均直徑小于1 μm時,導熱系數隨直徑的變化較明顯,且直徑越小,導熱系數減小得越快。

玻璃棉；纖維直徑；孔隙率；導熱系數

玻璃棉纖維是用離心力或氣流噴吹制成的絮狀細纖維,纖維和纖維之間立體交叉,互相纏繞在一起,形態上蓬松,類似于棉絮[1]。玻璃棉纖維具有纖維直徑細、比表面積大、體積密度小、熱導率低、化學穩定性好等優異性能,主要用做高效能的保溫材料、吸聲材料和過濾材料。以玻璃棉纖維為主要原料,利用造紙工藝生產的薄型玻璃棉纖維紙,具有容重小、吸濕率低、熱導率低、不燃、耐熱、抗凍、耐腐蝕、化學穩定性好等特點,廣泛應用于建筑和工業的保溫與保冷,是一種優良的熱絕緣材料[2]。玻璃棉纖維制品是常用的低溫絕熱材料之一,在低溫環境下,玻璃棉纖維紙主要用于低溫儲罐中的多層絕熱材料。導熱系數是衡量保溫材料優劣的一項重要指標[3]。玻璃棉纖維直徑作為原料的一項基本參數,會對紙張的結構產生影響,進而影響紙張的性能,尤其是導熱性能。因此研究玻璃棉纖維直徑對絕熱材料的研發和生產有著重要的意義。

本實驗從測量玻璃棉纖維直徑入手,在此基礎上,研究纖維直徑對玻璃棉纖維紙微觀結構和宏觀性能的影響,為玻璃棉絕熱材料的生產及優化提供一定的依據。

1　實　驗

1.1原料與主要儀器

6種不同規格的玻璃棉纖維,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)。

SE003標準纖維疏解器,瑞典L&W公司；ZQJ1-B-Ⅱ紙頁成型器,陜西科技大學機械廠；DC-HJY03電腦測控厚度緊度儀,四川省長江儀器廠；A292301100落筒式透氣度測定儀,日本東洋精機制造所；S- 4800掃描電子顯微鏡(SEM),日本日立公司；TC-3000熱線法通用導熱系數儀,西安夏溪電子科技公司；Auto Pore Ⅳ 9500壓汞儀(MIP),美國Micromerities公司。

1.2實驗方法

1.2.1玻璃棉纖維紙的制備及性能檢測

分別稱取6種規格的玻璃棉纖維于標準纖維疏解器中,加水約2000 mL,并滴加稀H2SO4調節玻璃棉纖維漿料的pH值至2.5左右,在轉數5000轉下進行疏解。將疏解好的漿料倒入紙頁成型器內,加水稀釋后成形，手抄片定量50 g/m2。將毛布覆蓋于成形后的濕紙幅上,用圓滾筒輕輕滾壓,接著將毛布和濕紙幅放入真空干燥器內,干燥溫度為105℃,干燥至水分約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至手抄片完全干燥。

按照國家標準檢測方法及行業標準測定玻璃棉纖維手抄片的厚度及透氣度。

1.2.2玻璃棉纖維紙SEM分析及玻璃棉纖維直徑的測量

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察玻璃棉纖維紙的表面結構,手抄片充分干燥后進行噴金處理,采用二次電子成像模式,加速電壓為3.0 kV。

選取10張拍攝的SEM圖片,在每張圖中選取20根左右清晰可見的纖維,采用Nano Measurer軟件測量所選纖維的直徑,記錄相關數據,得到玻璃棉纖維的平均直徑及纖維直徑的分布狀況。

1.2.3玻璃棉纖維紙孔隙率的測定

使用壓汞儀測試玻璃棉纖維紙的孔隙結構。將手抄片充分干燥,使用固體膨脹計,分別稱取0.06 g左右的手抄片,稱量裝載手抄片的膨脹計組件之后,進行低壓、高壓分析。儀器測試參數為：低壓初始壓力5 PSI(1 MPa=145 PSI),低壓階段最高壓力30 PSI；高壓初始壓力30 PSI,最大壓力33000 PSI。

1.2.4玻璃棉纖維紙導熱系數的測定

手抄片經過充分干燥之后,使用熱線法通用導熱系數儀測定玻璃棉纖維紙的導熱系數。采用快速采集模式,采集時間0.5 s,測試溫度20℃,測試電壓0.5 V。

2　結果與討論

2.1玻璃棉纖維直徑及其分布

本實驗利用SEM測量玻璃棉纖維的直徑,首先將不同規格的玻璃棉纖維制成手抄片,然后利用SEM高倍放大拍照,選取10張SEM圖片,通過Nano Measurer軟件分析SEM圖片,如圖1所示,從圖片中選取20根左右輪廓分明的纖維進行測量,直接量出纖維直徑的數值。

圖1　SEM法測量纖維直徑的示意圖

用離心力或氣流噴吹制成的玻璃棉纖維,其纖維直徑有一定的分布,表現出一定的離散性。通過測量一定數目的纖維直徑,可以得到玻璃棉纖維的直徑分布如圖2所示。由圖2可以看出,6種纖維在0.3～0.6 μm的直徑范圍內最為集中,且直徑小于1.5 μm的纖維數量較多。與BM-1、BM-2、BM-3相比,BM- 4、BM-5、BM- 6細纖維所占的比例較大,粗纖維所占比例較小。在6種規格的玻璃棉纖維中,BM-1的粗纖維組分含量最多,細纖維組分含量最低；而BM- 6的細纖維組分最多,粗纖維含量最少。在2.7～3.0 μm的直徑范圍內,BM-1的粗纖維含量最高,為3.5%；在0～0.3 μm的直徑范圍內,BM- 6的細纖維含量最高,為26.7%。

圖2　玻璃棉纖維直徑分布

表1為不同規格的纖維直徑。由表1可以獲得各種纖維的平均直徑,BM-1、BM-2、BM-3、BM- 4、BM-5、BM- 6纖維的平均直徑分別為1.28、1.10、0.89、0.61、0.49、0.48 μm。

表1　不同規格的纖維直徑　μm

打漿度是造紙行業用來綜合評價植物纖維被切斷、分裂、潤脹和水化等打漿作用效果的指標,反映漿料脫水的難易程度[4]。圖3所示為玻璃棉纖維的打漿度與纖維平均直徑的關系。從圖3可知，玻璃棉纖維打漿度與纖維平均直徑存在著顯著的負相關性,其R值大于0.96,表明玻璃棉纖維打漿度越大,纖維平均直徑越小。玻璃棉纖維雖然不存在分絲帚化和吸水潤脹,但其打漿度反映了纖維對水的阻力,進而間接地反映了纖維的粗細。在一定條件下,通過測量玻璃棉纖維的打漿度可以預測纖維平均直徑的相對大小。因此,打漿度法可作為一種在線快速檢測方法,但是難以評價玻璃棉纖維直徑的分布狀況。

圖3　玻璃棉纖維打漿度與纖維平均直徑的關系

2.2纖維直徑對紙張厚度的影響

圖4　纖維平均直徑對紙張厚度的影響

實驗測定了6種不同玻璃棉纖維手抄片的厚度結果見圖4。由圖4可以看出,定量相同的手抄片,隨著纖維平均直徑的減小,紙張的厚度逐漸增大,當纖維直徑大幅減小時,紙張的厚度有明顯的增大。玻璃棉纖維質量一定,纖維平均直徑減小,則纖維數量增大。纖維數量增大,造成纖維在空間中累積疊加,宏觀表現為厚度增大。但另一方面,纖維直徑減小引起纖維尺寸變小,細纖維越容易穿插、填充在粗纖維形成的骨架內,這一作用會使手抄片的厚度降低。

結合實驗數據分析可知,纖維平均直徑的大幅減小,使得纖維在數量上的變化顯著,從而使纖維在數量上的作用效果大于在尺寸上的作用效果,最終使得宏觀厚度增大。

2.3纖維直徑對紙張透氣度的影響

紙張的透氣性常用透氣度來表示,即在一定的壓差下,單位時間透過一定面積紙的空氣量[5],透氣度在一定程度上反映了紙張的多孔性。

圖5顯示了紙張透氣度隨纖維平均直徑的變化。由圖5可以看出,纖維平均直徑對透氣度的影響顯著,相同定量的手抄片,隨著纖維平均直徑的減小,紙張的透氣度減小。

圖5　纖維平均直徑對紙張透氣度的影響

在玻璃棉纖維紙張結構中,粗纖維構成紙張的骨架結構,較細的纖維則隨機分布纏繞、穿插在紙張的骨架結構上。對于一定質量的玻璃棉纖維,纖維平均直徑減小,意味著細纖維所占組分越來越多,則會有更多的細纖維穿插在纖維骨架結構中,細纖維數量的增多也會使大孔隙被分割成孔徑較小的孔隙。在氣流通過紙張內部時,氣體分子與纖維之間會發生碰撞[6],而小孔隙越多,氣體分子與纖維碰撞的幾率增大,被碰撞的氣體分子的動量有所損失,流速降低,使得單位時間內通過紙張的氣流量減少,透氣度降低。

2.4纖維直徑對紙張孔隙結構的影響

孔隙結構是影響紙張絕熱性能的重要因素。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別為BM-1、BM-3、BM-5玻璃棉纖維紙的SEM圖,可以反映纖維直徑改變對玻璃棉纖維紙張表面孔隙結構的影響。BM-1、BM-3、BM-5的玻璃棉平均直徑分別為1.28、0.89、0.49 μm,對比圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)可以看出，BM-1粗纖維數量最多,纖維間形成孔隙的尺寸較大,孔隙數量較少,紙張結構疏松；BM-5細纖維數量最多,纖維間的孔隙較小,纖維之間相互交織纏繞,孔隙間相互連通程度降低；在BM-3玻璃棉纖維紙張結構中,粗纖維形成骨架結構,細纖維穿插在其中,填補了粗纖維之間的空隙,使得孔隙尺寸變小,數量增多。由此可見,玻璃棉纖維直徑的變化會影響紙張的孔隙結構。

在玻璃纖維絕熱材料中,纖維不連續,其排列方式無序,纖維間的孔隙中充滿空氣。玻璃纖維絕熱材料是氣相和固相都為連續結構的絕熱材料,在纖維材料結構中,固態物質以纖維狀形式存在構成連續固相骨架,而氣相(氣孔)則連續存在于纖維材料的骨架間隙之中[7]。

本實驗采用壓汞法(MIP),通過將汞壓入多孔材料的孔隙中,從而測定多孔材料的微觀結構。基本原理是,汞對固體具有不浸潤性,其所需壓力應克服驅使汞從毛細管內流出的毛細管阻力,孔徑越小,毛細管阻力就越大,所需壓力也就越高[8]。測量不同外壓下進入孔中汞的量即可知相應孔的大小和體積[9],從而得到紙張的孔隙率。

圖7表示了纖維平均直徑對玻璃棉纖維紙孔隙率的影響。由圖7可以看出，隨著纖維平均直徑的降低,玻璃棉纖維紙孔隙率成明顯增大的趨勢,且纖維直徑減小的幅度越大,孔隙率的增幅越大。當纖維平均直徑從1.28 μm減小到1.1 μm時,孔隙率從30.1%增大至31.2%；而當纖維的平均直徑由0.89 μm減小至0.61 μm時,孔隙率從34.3%增大至37.7%。對于一定質量的玻璃棉纖維,纖維直徑減小,則纖維之間形成的孔隙尺寸減小,數量增多。細纖維所占組分越來越多,則會有更多的細纖維穿插在纖維骨架結構中,形成孔隙,使得孔隙數量增多。如前所述,隨著纖維平均直徑的減小,紙張的厚度增大,對于相同定量的玻璃棉纖維紙,紙張的表觀密度減小,孔隙率增大。

圖7　纖維平均直徑對紙張孔隙率的影響

2.5纖維平均直徑對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響

在玻璃棉纖維紙中,熱量的傳遞可以簡化為通過空氣傳導、纖維傳導、對流和輻射。對于以保溫絕熱為目的玻璃棉纖維紙,導熱系數是衡量其絕熱性能好壞的一項重要指標。本實驗采用熱線法通用導熱系數儀測定玻璃棉纖維紙的導熱系數。熱線法是一種測量材料導熱系數的非穩態方法[10]。其測試原理是在均質均溫的試樣中插入一根細長的金屬絲,即所謂的熱線,然后在金屬絲兩段加上電壓,金屬絲的溫度升高,根據溫升速率與試樣導熱性能的關系,得出試樣的導熱系數。

圖8表示了纖維平均直徑對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響。由圖8可以看出,隨著纖維平均直徑的減小,玻璃棉纖維紙的導熱系數有明顯降低的趨勢。纖維直徑對導熱系數的影響主要是因為直徑影響了紙張的孔隙結構,進而對導熱性能產生影響。當纖維平均直徑增大時,從而導致纖維孔隙尺寸的增大,孔隙結構的增大,會使保溫紙的導熱系數在孔隙對流傳熱作用的影響下略微增大[9]。

圖8　纖維平均直徑對紙張導熱系數的影響

孔隙率是影響玻璃纖維保溫紙的重要參數[11]。圖9表示了孔隙率對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響。由圖9可以看出,隨著孔隙率的增大,導熱系數呈降低的趨勢。當孔隙率超過31%后,導熱系數值隨孔隙率的變化明顯。

圖9　孔隙率對紙張導熱系數的影響

如前所述,纖維平均直徑的減小,使得玻璃棉纖維紙張的表觀密度減小,孔隙率增大。孔隙率的大小影響著纖維材料的對流傳熱、輻射傳熱、纖維本身的傳導以及氣孔內氣體傳導的比例,由此影響了纖維材料的導熱系數[12]。隨著孔隙率增加,材料中氣體含量增加,空氣的導熱系數比纖維小很多,材料中通過傳導損失的熱量減少,使得導熱系數相應減小。同時,纖維直徑越小,纖維數量增多,導致孔隙尺寸減小,紙張結構內大孔隙被細纖維分割成小孔隙,孔隙之間的相互連通程度降低,對紙張內部的對流傳熱起到阻礙作用,從而降低了對流傳熱引起的熱損失。此外,纖維的直徑越小,單位體積內的纖維數量越多,增加了阻擋輻射傳熱的屏障,反射的熱量就會增多[13],這就降低了輻射傳熱的熱損失。

3　結　論

3.1采用掃描電子顯微鏡測量玻璃棉纖維的直徑,得到纖維直徑及其分布。測得規格BM-1(29°SR)、BM-2(34°SR)、BM-3(39°SR)、BM- 4(44°SR)、BM-5(49°SR)、BM- 6(54°SR)玻璃棉纖維的平均直徑分別為1.28、1.10、0.89、0.61、0.49、0.48 μm；6種纖維在0.3～0.6 μm的直徑范圍內最為集中,且直徑小于1.5 μm的纖維數量較多；BM-1、BM-2、BM-3粗纖維所占比例較小,而BM- 4、BM-5、BM- 6細纖維所占的比例較大；打漿度法可作為一種在線快速檢測纖維平均直徑的方法,但難以評價玻璃棉纖維直徑的分布狀況。

3.2相同定量的玻璃棉纖維手抄片,隨著纖維平均直徑的減小,紙張的厚度逐漸增大,當纖維直徑大幅減小時,紙張的厚度有明顯的增大。

3.3纖維直徑對紙張透氣度的影響顯著,相同定量的玻璃棉纖維手抄片,隨著纖維平均直徑的減小,紙張的透氣度減小。

3.4玻璃棉纖維直徑的變化影響紙張的孔隙結構,直徑越小,纖維間的孔隙尺寸越小,孔隙間相互連通程度降低；隨著纖維平均直徑的減小,孔隙率成明顯增大的趨勢,且纖維平均直徑減小的幅度越大,孔隙率的增幅越大。

3.5隨著纖維平均直徑的減小,玻璃棉纖維紙的導熱系數有明顯降低的趨勢。當纖維平均直徑小于1 μm時,其導熱系數隨纖維直徑的變化比較明顯,且纖維平均直徑越小,導熱系數減小得越快。

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(責任編輯：董鳳霞)

Effect of Fiber Diameter on the Structure and Properties of Glass Fiber Paper

ZHENG Xin-miao*WANG Hai-yiTIAN Yao-bin

(CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

Based on the measurement of glass fiber diameters, the effect of glass fiber diameter on the microstructure and properties of glass fiber paper was studied mainly by scanning electron microscope , mercury porosimetry and thermal conductivity tester using hot-wire method. The results showed that the pore structure of the sheet would be influenced by fiber diameter, and the smaller the fiber diameter, the smaller of the pore size in the fiber network, the lower of the interconnection degree between the pores. The porosity rate showed a significant increase trend with the decrease of fiber diameter., the thickness of the sheet increased but the air permeability decreased with the fiber diameter decreasing on the same basis weight. The thermal conductivity of glass fiber paper decreased significantly with the decrease of fiber diameter. The change of thermal conductivity of the paper along with the change of fiber diameter was obvious when the fiber diameter was less than 1μm,and the smaller the fiber diameter, the thermal conductivity decreased faster.

glass fiber； fiber diameter； porosity； thermal conductivity

鄭新苗女士,在讀碩士研究生；主要研究方向：絕熱材料。

2015-10-12(修改稿)

陜西省重點實驗室項目(15JS014)。

TS761.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.004

(*E-mail: so-fly-hi@qq.com)