高硅氧紗熱失量影響因素

蔡 博，王扶春，韓廣雷

（陜西華特新材料股份有限公司，咸陽 713100）

0 前言

對玻璃纖維制品而言，可燃物含量是指干態玻璃纖維制品的熱失量和干態質量的比值［1］。對于常規玻璃纖維制品來說，可燃物主要來源于浸潤劑。在玻璃纖維拉絲過程中，需要在玻璃纖維表面涂覆一種以有機物乳液或溶液為主體的多相結構的專用表面處理劑，以滿足玻纖原絲后道工序加工和制品性能的要求，這些有機涂覆物統稱為玻璃纖維浸潤劑（簡稱為浸潤劑）［2］。高硅氧玻璃纖維是將基礎玻璃（SiO2-B2O3-Na2O三元系統玻璃、SiO2-Na2O二元系統玻璃或者是無堿玻璃）通過拉絲、紡紗形成基紗，再經過高溫酸瀝濾、水洗、烘干而成。玻璃纖維表面涂覆的浸潤劑大部分在高溫酸瀝濾、水洗過程中被清洗，殘留的有機物很少。

由于高硅氧玻璃燒結之前為多孔性硅氧結構，具有非常細小的微孔，其直徑僅有2~10 nm，比表面積可達80~300 m2/g，且氣孔是連通的，氣體和液體可以滲透，因此表面會吸附大量的水［3］。水在高硅氧玻璃纖維表面上以羥基的形式（-Si-OH）吸附，并借氫鍵以分子水的形式結合于表面羥基，也可由于分子間微弱色散力的相互作用而在非羥基位置上吸附一些分子水，一般稱其為吸附水［4］。由于大量吸附水的存在，影響了高硅氧紗熱失量的測定結果。本文論述了測定溫度、烘干溫度以及存放環境對高硅氧紗熱失量的影響。

1 實驗思路

1.1 針對熱失量測定的思路

根據GJB 1873-94《高硅氧玻璃纖維布規范》的要求，測定熱失量前需要將試樣（約1 g）在105～110 ℃烘箱內烘干、冷卻、稱量，直至質量恒定后在700±10 ℃下灼燒后稱取其質量，通過計算得到熱失量。在試驗過程中，選取不同的烘干溫度、不同的測定溫度，測定高硅氧紗的熱失量，以找到影響熱失量的因素［5］。

1.2 熱失量的測定

熱失量是指對經過干燥處理的物質在規定溫度下加熱，使物質吸附物逐漸揮發、分解后，其加熱后質量和干態質量的比值。

在標準溫度、濕度條件下，使干燥試樣置于700±10 ℃下灼燒后稱取其質量，通過計算而得熱失量。計算公式為：

式中：

X ——試樣熱失量，%；

m1——加熱前試樣的質量，g；

m2——加熱后試樣的質量，g。

1.3 儀器

馬弗爐：可以維持標準溫度在700±10 ℃。

電熱恒溫干燥箱：能控制溫度在105～110 ℃。干燥器：內裝適當的干燥劑，如硅膠等。

天平：感量為0.0001 g。

試樣皿：瓷坩堝。

2 實驗過程

2.1 樣品的規格及來源

SCF紗1#、2#，樣品化學組成見表1。

表1 SCF紗樣化學組成

2.2 試驗方法

（1）不同浸潤劑含量對高硅氧紗熱失量的影響。

分別取不同浸潤劑含量的1#基紗按照正常工藝處理、烘干，然后測定熱失量。測定溫度和時間為1000 ℃、2 h。測定結果見表2。

表2 不同浸潤劑含量高硅氧紗熱失量測定結果

（2）不同測定溫度對高硅氧紗熱失量的影響。

分別取1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、2#紗樣測定熱失量。測定溫度和時間分別為700 ℃、2 h和1 000 ℃、2 h。測定結果見表3。

表3 不同測定溫度下高硅氧紗熱失量測定結果

（3）不同烘干溫度和存放環境對高硅氧紗熱失量的影響。

分別取1#、2#紗樣約5 g，放入溫度分別為130 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃的烘箱內，烘干2 h，密封袋（或室溫18～22 ℃，濕度54%～60%）存放不同時間，然后測熱失量。測定溫度和時間為1000 ℃、2 h。測定結果見表4。

表4 不同烘干溫度和存放環境下高硅氧紗熱失量測定結果

另外根據《GB/T 7690.3-2013增強材料 紗線試驗方法第3部分：玻璃纖維斷裂強力和斷裂伸長的測定》標準的要求［6］，測定1#、2#紗樣不同烘干溫度下的拉伸斷裂強力并測定熱失量。紗樣在烘箱內烘干時，紗線自由對折，對折半徑50～60 mm，烘干溫度分別為105 ℃、200 ℃、300 ℃；紗樣在馬弗爐內燒結時，紗線自由無張力纏繞成直徑75 mm的環狀，燒結溫度分別為400 ℃、700 ℃、1000 ℃；測定拉伸斷裂強力時采用圓弧式夾具，公稱有效長度為350 mm。測定結果見表5。

表5 不同烘干溫度下高硅氧紗拉伸斷裂強力、熱失量測定結果

（4）不同加熱溫度下高硅氧紗熱失量測定。

分別取1#、2#紗樣約5 g放入烘箱（或馬弗爐），升溫至200 ℃、400 ℃、700 ℃、1000 ℃，保溫2 h，然后測熱失量。測定結果見表6。

表6 不同烘干溫度下高硅氧紗熱失量測定結果

另外取正常生產的1#、2#未燒結高硅氧紗分別剪碎，放入試樣皿中，然后放在熱重分析儀中做熱重分析。試驗結果見圖1所示。

圖1 高硅氧紗熱重分析圖

3 分析和討論

3.1 不含浸潤劑或者降低浸潤劑質量分數對高硅氧紗熱失量的影響

熱失量的數據能反映出玻璃纖維表面吸附水和其他吸附物質量的多少。由表2可以看出，不含浸潤劑或者降低浸潤劑質量分數，可以輕微降低高硅氧紗的熱失量，但降低幅度不是很明顯。這是因為高硅氧纖維表面涂覆的浸潤劑大部分在高溫酸瀝濾、水洗過程中被清洗，殘留的有機物很少。而正常生產過程中未酸處理的玻璃纖維紗可燃物含量通常為0.7%~1.5%，經過熱水洗的玻璃纖維紗可燃物含量通常為0.1%~0.3%，因此不含浸潤劑或者是降低浸潤劑濃度對高硅氧紗的熱失量沒有明顯影響。

高硅氧纖維燒結前為多孔性硅氧結構，具有非常細小的微孔，其直徑僅有2~10 nm，其比表面積可達80~300 m2/g。高硅氧纖維置于大氣中時，纖維表面從大氣中吸附一定的水分，這種吸附在玻璃纖維表面上的水分叫吸附水。吸附水在纖維表面受到氫鍵和分子引力（范德華力）的作用，其一系列的物理性質與普通水不一樣。但不是所有吸附水的性質都相同，離纖維最近的單分子層的水分結合得最牢固，性質差異也最大，在一般溫度下（105~110 ℃）不能除去，而要在200~1000 ℃才能放出。多分子層的水分結合較弱，隨著離纖維表面越遠，逐漸接近于自由水。因此高硅氧紗的熱失量數據主要反映的是多孔性纖維表面吸附水的質量分數。因此對于高硅氧纖維制品來說，用熱失量代替可燃物含量更為準確。

3.2 測定溫度對高硅氧紗熱失量的影響

熱失量的數據能反映出吸附水質量分數的多少，而吸附水的質量分數與高硅氧紗的測定溫度有關。測定不同溫度下的熱失量，便能反映出樣品中吸附水的質量分數與測定溫度的關系。其測定結果可以用圖1、圖2、圖3表示。

圖2 不同測定溫度下高硅氧紗的熱失量

由圖1可以看出，隨加熱溫度的升高，其熱失量不斷增加，在110 ℃前熱失量急劇升高，說明大部分吸附水及吸附物在該溫度下已脫除，該溫度區間脫除的主要是自由水。1#在110 ℃時的質量變化為4.81%，2#在110 ℃時的質量變化為9.68%，說明2#的含水率高于1#；1#在600 ℃時的質量變化為7.33%，2#在600 ℃時的質量變化為5.37%，說明1#的熱失量高于2#。600 ℃后，熱失量的含量趨于穩定。

圖2中5個紗樣的熱失量均隨著測定溫度的升高而增加，1-1#紗樣熱失量的差額比平均值低，說明1-1#紗樣在700～1000 ℃這個溫度區間的熱失量較低，1-3#紗樣熱失量的差額比平均值高，說明1-3#紗樣在700～1000 ℃這個溫度區間的熱失量較高。可能是由于基礎玻璃成分和酸處理工藝不同，造成高硅氧紗的纖維表面微孔數量、結構和大小不同，影響吸附水在該溫度區間的脫除。綜上所述，在高硅氧紗的熱失量測定過程中，測定溫度是主要參數，測定溫度升高，熱失量將增加。

圖3 不同溫度下高硅氧紗的熱失量變化

另外，由圖3可以看出，隨加熱溫度的升高，其熱失量不斷增加，在700 ℃以后才逐漸趨于平穩。說明在此溫度之后，高硅氧紗絕大部分的吸附水和吸附物質已脫去，熱失量已接近最高值。700 ℃和1000 ℃下的測定值差額約為0.34%。說明正常情況下，熱失量測定溫度選擇700 ℃就可以滿足要求，當然有特殊要求時也可以根據客戶要求在1000 ℃測定。

3.3 存放環境對高硅氧紗熱失量的影響

吸附水的數量隨外界環境的溫度和相對濕度的變化而變，空氣中的相對濕度越大，則高硅氧纖維含吸附水的量也越多，在相同的外界條件下，高硅氧纖維所吸附的水量隨所含纖維表面微孔的數量和大小的不同而不同。其測定結果可以用圖4表示。

由圖4和表4可以看出，當烘干溫度提高到200 ℃時，1#紗的熱失量由7.33%降至6.15%。200 ℃烘干后不存放，1#紗的熱失量為6.15%，在室溫（18～22 ℃，濕度54%～60%）存放12 h后，熱失量升高到6.47%，在室溫存放24 h后，熱失量升高到7.28%，和正常生產的1#紗基本持平。而對于180 ℃烘干后不存放的1#紗，其熱失量為6.33%，密封存放24 h后，熱失量升高到6.43%，密封存放5天后，熱失量升高到6.69%。密封存放能夠減緩熱失量升高，但無法杜絕。因為未燒結的高硅氧纖維為多孔性結構，表面容易吸附大量的水，這些吸附水在105 ℃不能夠完全脫除，因此如果在使用過程中對熱失量有要求，可以在使用前予以烘干，以除去部分吸附水。

圖4 存放環境及時間對高硅氧紗熱失量的影響

3.4 烘干溫度對熱失量的影響

上面的試驗說明高硅氧紗總是含有一定量的吸附水，生產過程中高硅氧紗的烘干溫度會影響熱失量。其測定結果可以用圖5表示。

圖5 高硅氧紗的烘干溫度和熱失量關系

由圖5和表5可以看出，隨著烘干溫度的增加，1#高硅氧紗和2#高硅氧紗的熱失量都會降低，但烘干溫度增加對高硅氧紗的拉伸斷裂強力有不利的影響，隨著烘干溫度的增加，高硅氧紗的抗拉強度會降低；因此為保證高硅氧紗的強度，有利于高硅氧紗的后期使用，在實際生產過程中，高硅氧紗的烘干溫度不應該控制太高。

4 結論

（1）高硅氧紗的熱失量主要反映的是多孔性纖維表面的吸附水的含量，不含浸潤劑或者是降低浸潤劑濃度對高硅氧紗的熱失量沒有明顯影響。對于高硅氧紗來說，用熱失量代替可燃物含量更為準確。

（2）在高硅氧紗的熱失量測定過程中，測定溫度升高，熱失量將增加。正常情況下，熱失量測定溫度選擇700 ℃就可以滿足要求，當然有特殊要求時也可以根據客戶要求測定。

（3）將烘干溫度提高到160～200 ℃，可以降低高硅氧紗熱失量，但隨著存放時間的延長，會恢復到正常烘干溫度下的熱失量。

（4）在生產過程中，提高烘干溫度，高硅氧紗的熱失量降低，高硅氧紗的抗拉強度也會降低；因此為保證高硅氧紗的強度，有利于高硅氧紗的后期使用，高硅氧紗的烘干溫度不應該控制太高。

（5）未燒結的高硅氧纖維為多孔性結構，因此表面會吸附大量的水，如果在使用過程中對熱失量有要求，可以在使用前予以烘干，以除去部分吸附水。