陶瓷纖維材料的除渣提純及干燥應用研究*

徐子勤 楊戰厚 王明俊 王軍成 魏 婷

(咸陽非金屬礦研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712021)

前言

陶瓷纖維是從纖維狀結構的礦物巖石中經融熔、使熔體分裂、牽伸成纖維(離心法或噴吹法)，并用不同有機、無機試劑表面改性處理后制成的棉狀纖維，纖維長度多為30～250 mm，纖維表面呈光滑的圓柱形，橫截面通常是圓形，其主要化學成分為：SiO2≥51%；Al2O3≥45%；Fe2O3≤1.2%；CaO≤1.2%；Na2O+K2O≤1.2%。包括硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維、巖棉纖維、玻璃纖維等，陶瓷纖維具有強度高、隔熱性好、氣孔率高、抗熱沖擊性好、耐腐蝕等特點、廣泛用于高溫窯爐、絕熱材料、摩擦材料、密封材料等領域。

1 摩擦材料用增強纖維的基本要求

汽車、工程機械制動、傳動用到摩擦材料襯片是一種聚合物基復合材料，主要由填料、纖維、粘結劑3部分組成，填料是摩擦性能調節劑，無機或有機類纖維為增強組分材料，粘結劑是高分子化合物。摩擦材料中纖維用量大約為15%～45%，無機纖維(無石棉)作為增強材料是摩擦材料的骨架材料。由于纖維材料用量較大，它對摩擦材料的強度起至關重要的作用，同時也對其性能有著重要的影響，因此對纖維增強材料有嚴格的要求。摩擦材料采用無機礦物纖維，化學成分穩定、耐熱性好、磨損小、具有良好的親和性，無團聚顆粒，靜電團聚力小，易分散，適合配料、混料、粘結。纖維材料所生產的摩擦材料襯片，具有良好的機械強度和物理性能，摩擦系數穩定、制動噪音小，具有環保性能，產品外觀均勻一致，性能穩定。

摩擦材料用纖維主要技術指標參數：

1)石棉含量0%；

2)纖維平均直徑2.0～5.0 μ m；

3)纖維燒矢量<1%(800 ℃/h)；

4)非纖維成分渣球含量<3%；

5)纖維含水量<1.5%；

6)密度<2.9 g/cm3；

7)纖維長度135±50 μ m。

摩擦材料用無機礦物纖維的渣球含量是纖維的重要指標，一般要求100目以下渣球<3%。纖維所含渣球過多,既影響增強效果，使磨損率變大，且渣球顆粒會刮傷摩擦對偶，又容易產生制動噪音。因此渣球含量多少會直接影響摩擦襯片的硬度、摩擦系數，使用壽命等指標。

2 陶瓷纖維除渣球工藝

采用特選的礦石原料，經特定的預處理、高溫熔融、成纖(離心法或噴吹法)、并經特殊的表面處理而成的陶瓷纖維，在成纖過程中大部分熔體被牽引而成纖維狀的礦物纖維，有一部分的熔體未變成纖維而成為粒狀、塊狀物，是礦物纖維中長徑比太小的非纖維物質，這些物質就是纖維中的“渣球”，它不具有纖維的增強作用。

2.1 非纖維成分渣球的特點

1)形狀：主要有粒狀、片(塊)狀及棒狀；也有部分是“鏈球”狀，前端是纖維，末端是渣球。

2)粒度：形狀各異,其粒度大小很不均勻。

3)化學成分：渣球和纖維都是由礦石原料熔融而來，化學成分與纖維一致。

4)物理性能：渣球表面攜帶“負電荷”，與纖維相同，莫氏硬度高。

5)渣球含量：初步制成的纖維里只有60%的純凈纖維，其他為“非纖維物”渣球。

2.2 陶瓷纖維除渣球的工藝

陶瓷纖維除渣球工藝一般分為2類：即干法除渣球和濕法除渣球。干法除渣球以空氣為介質，按密度不同進行分選，因空氣的密度小，松解的陶瓷纖維由于靜電吸附力的作用，其分選效率較低。生產工作環境的空氣中粉塵濃度容易超過安全允許濃度0.8 f/ml(PC-TWA)，既環境中每毫升大于0.8根纖維，或短時間(15 min)接觸超過3倍的濃度(PC-STEL)，既2.4根纖維量。由于呼入針狀纖維沉積在人體肺部不易排出，會造成生物活細胞的病變，對人體有一定的危害，是職業病產生的源頭。干法除渣球生產具有配套設備少、成本低、操作簡單等特點，生產過程中有粉塵、存在除渣球除不凈、環境污染大等幾大問題。

濕法除渣球是通過以水為介質，消除靜電吸附力，離心分選原理去除陶瓷纖維中的渣球雜質，利用循環水，將容重較小的陶瓷纖維與比重較大的渣球、雜質分離，濕法除渣球過程中可對陶瓷纖維進行改性處理，在濕法除渣球表面處理過程中，不僅去除表面沉積物，進行偶聯劑處理，使其呈現親液性，增加陶瓷纖維表面與粘結劑的親和力，濕法消除纖維間靜電吸附力，除渣球效率高，不產生粉塵。表面改性處理后的陶瓷纖維用于摩擦密封材料中，增強纖維與其他填料、有機粘結劑易融合，提高了纖維的增強綜合性能，降低有機粘結劑用量，提升了陶瓷纖維的附加值。

2.3 濕法除渣球的特點

1)分離率高：陶瓷纖維與渣球以“共生”狀態存在，纖維之間的“搭橋”現象嚴重。濕法除渣球利用渣球和纖維在運動時受到的重力和阻力的差異，使渣球和纖維得到徹底分離。

2)消除靜電吸附力：渣球因靜電吸附作用而附于纖維表面。通過在水介質中消除纖維和渣球上的靜電，破壞它們之間的吸附作用。

3)凈化處理后，纖維表面經偶聯劑處理，增加纖維與粘結劑的親和力。

4)技術水平：渣球含量高低反映出陶瓷纖維生產的技術水平，同樣產品渣球含量越低其售價越高。渣球較低的陶瓷纖維產品生產工藝過程中工序較多，濕法除渣球需要用到大量的水，需循環水池，改性處理、纖維脫水、干燥處理，其成本也相對更高，渣球含量低的陶瓷纖維產品必須經過濕法生產處理才能完成。

3 陶瓷纖維的干燥

3.1 干燥工藝參數的選擇

回轉滾筒干燥機干燥脫水陶瓷纖維，熱風入口溫度在260～290℃之間，干燥時間在15min以上，纖維在干燥、松解中易被拆斷變短，產生粉塵。另外，陶瓷纖維材料有較強的隔熱性，導熱系數小，水分蒸發速度較慢。因此，選擇最佳干燥溫度、干燥時間，可節約能源，提高干燥效率，控制陶瓷纖維含水量<1.5%。

3.2 干燥系統的設計及研究

干燥系統的工藝流程為： 脫水纖維 輸送 給料機 回轉干燥機 收集 輸送 包裝 ，干燥系統設備布置見圖1。

脫水后的陶瓷纖維經給料機均勻送入回轉滾筒干燥機，遇到熱風爐產生的熱風順流干燥，驅動系統調速電機驅動回轉滾筒干燥機滾筒旋轉，并通過調節轉筒轉速控制干燥筒內的脫水陶瓷纖維停留時間；轉筒內壁設計安裝有環形抄板，抄板多次翻動和分散松解脫水陶瓷纖維，使纖維物料處于良好的流態化狀態，與熱空氣充分接觸，干燥筒內溫度波動小，干燥時間容易調節控制，產品含水率穩定。順流干燥的纖維到達干燥機尾部后排出，含纖維的尾氣經布袋除塵器分離，纖維從除塵器下部回轉下料器排出，含水率合格的干燥陶瓷纖維經輸送系統進入成品庫包裝，凈化后的尾氣經由引風機管道排出。

1-配風器 2-熱風爐 3-給料機 4-回轉滾筒干燥機 5-驅動系統 6-布袋除塵器 7-引風機 8-控制系統圖1 干燥系統設備布置圖

3.3 干燥系統的結構

干燥機尾部設計有擋流板，調節擋流板角度，可改變干燥筒內的風速，目的是調節控制纖維物料在干燥筒體內的滯留時間，達到控制干燥物料的含水率。干燥機筒體的頭部、尾部都設有密封裝置，工作時筒內處于負壓狀態，當引風機風門關小，筒內風速降低，致使干燥機頭部處于正壓時，直接影響給料機給料。因此調節時，須保持干燥機頭部給料處于微負壓狀態，系統才能正常連續工作，無纖維粉塵泄露。

3.4 干燥機的密封

干燥機的滾筒與機頭、機尾采用迷宮式密封，易產生較大的縫隙漏風、漏塵，會污染生產工作環境。對此，在機頭、機尾部設計安裝有環形鱗片密封帶，密封帶設有自動張緊密封機構，改善回轉筒體的密封性，減小漏風。

3.5 控制系統及安全保護措施

熱風爐爐膛、干燥機的機頭、機尾處安裝有溫度監控儀，熱風爐的燃燒器設有熄火斷氣保護，燃燒器自動調節燃料供給及配風，同時在干燥機的機頭、機尾安裝有壓力監控報警系統，當發生堵料時可發出報警，進行人工干預處理。在引風機管道口安裝有比例調節閥，依據系統負荷情況，自動調節開啟大小，控制調節排風溫度，確保干燥礦物纖維的含水率。

4 結語

研究濕法陶瓷纖維除渣球、干燥系統，選用的設備參數調節方便，工藝流程短、生產效率高、工作環境清潔安全、符合環保要求。陶瓷纖維材料除渣球改性后性能穩定，高效利用陶瓷纖維材料，拓寬了產品應用范圍，提升產品附加值，推動摩擦材料品質的提升，符合行業發展要求，具有良好的經濟及社會效益，市場前景廣闊。