火焰噴吹施膠法制備高性能超細玻璃纖維棉氈

翟福強， 楊金明，曾 影

1.重慶纖維研究設(shè)計院股份有限公司，重慶 401120；2.重慶再升科技股份有限公司, 重慶 401120

玻璃纖維棉具有纖維直徑細(不大于6 μm)、孔隙率高，以及體密度小和不燃等特點．玻璃纖維棉氈是玻璃纖維棉在制備過程中施加粘結(jié)劑使纖維粘接在一起，然后經(jīng)加熱固化成型后得到的疏松多孔的氈狀材料．它具有優(yōu)良的絕熱、保溫及吸聲性能，是航空、高鐵和真空絕熱板(VIP)等領(lǐng)域的隔音保溫的基礎(chǔ)原材料[1-3]．

目前，隔音絕熱玻璃纖維棉氈主要是利用離心施膠法制備而成，纖維直徑為3～6 μm．相比于火焰法制備的超細玻璃纖維棉，離心法制備出的玻璃纖維棉纖維直徑較粗，這就造成了制備出的棉氈隔音、絕熱性能較差．同時，由于離心法制備出的玻璃纖維棉較長，而且存在施膠不均勻問題，這就使生產(chǎn)出的玻璃纖維棉氈硬度大、容重高及綜合力學性能較差．因此，制造出纖維直徑更細、施膠均勻的超細玻璃纖維棉氈成為絕熱保溫領(lǐng)域的研究熱點[4-6]．

本文采用火焰噴膠法來制備超細玻璃纖維棉氈，通過優(yōu)化火焰噴吹工藝、施膠工藝和烘干工藝，研究這些工藝參數(shù)的變化對制備出超細玻璃纖維棉氈性能的影響，從而大幅度提升其隔音絕熱性能．

1 實 驗

1.1 樣品制備

根據(jù)玻璃纖維原料的配方(表1)，選取石英砂、方解石、白云石、純堿、硼砂、鉀長石、鈉長石和碳酸鋇，將其均勻混合后投入窯爐煅燒，熔化出成分均勻且無雜質(zhì)透明的玻璃液．將玻璃液通過漏板形成一次玻璃細絲流股，控制玻璃液溫度為(1090±10)℃．將一次玻璃細絲流股在高溫、高速的火焰氣流作用下被二次熔融和牽引，得到超細玻璃纖維，控制二次熔融成纖噴吹溫度為(1000±10)℃．將含粘接劑和加工助劑的溶液均勻霧化噴灑于超細玻璃纖維表面，并均勻的分散在成型網(wǎng)上，在溫度為130～150 ℃的烘房內(nèi)烘干5～8 min，制備出超細玻璃纖維棉氈樣品．圖1為火焰噴膠法制備超細玻璃纖維棉氈工藝流程示意圖。

圖1 火焰噴膠法制備超細玻璃纖維棉氈工藝流程示意圖Fig.1 Diagram of technological process for preparing ultra-fine glass fiber felt with flame spray glue method

1.2 樣品性能測試

利用KYKY-2800B電子掃描顯微鏡，對制備出的樣品微觀結(jié)構(gòu)進行觀測．厚度測試，從制備出的超細玻璃纖維棉氈中裁出尺寸為200 mm×70 mm的三塊樣品，取樣時保證在制備出的棉氈中邊緣各取一塊，第三塊從中心裁取，長度截取時應(yīng)沿玻璃纖維卷長度方向，另外兩塊從距兩邊等寬的位置裁取，應(yīng)保證所裁取試樣表面無結(jié)塊、褶皺、折疊或其他凸出．將試樣平放，使其表面平坦但不緊繃，根據(jù)ASTM C-167[7]要求規(guī)定測試樣品的厚度，每塊試樣需測定5次，記錄下每次的數(shù)值，取其平均值作為試樣的厚度，需精確到0.01 mm．

粘結(jié)劑含量是指超細玻璃纖維棉氈中膠類占總質(zhì)量的質(zhì)量百分比，其含量按照波音BMS8-48要求的規(guī)定方法進行測試．首先選取一塊8～10 g的試樣稱重并精確到0.01 g，記為M1；然后取一質(zhì)量為M2的開口容器，將樣品放入開口容器中并將容器放入(500±10)℃的烘箱內(nèi)加熱至恒重；最后將樣品從烘箱中取出并冷卻至室溫后稱重，記為M3．粘結(jié)劑含量X=(M3-M2)/M1×100%．

抗拉強度測試，根據(jù)FED-STD-191《紡織品測試方法》[8]中的方法對樣品抗拉強度進行測試，抗拉強度=拉力讀數(shù)/3，每個樣品測試5次，樣品的抗拉強度值為平均值．每個夾具的尺寸為(25.4±2.5) mm×(76±2.5)mm，試樣的尺寸為(76±2.5)mm×(152±5.1)mm．

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

取200個樣點，利用電子掃描電鏡SEM對超細玻璃纖維棉氈中玻璃纖維原絲進行分析，圖2為超細玻璃纖維棉氈中玻璃纖維原絲含膠前后的微觀結(jié)構(gòu)．從圖2(a)可見，制得樣品的纖維直徑為1.95～2.37 μm，平均直徑為2.16 μm，標準差為0.21．從圖2(b)可以觀察到，膠料已經(jīng)被均勻的噴灑在玻璃纖維表面，并且在纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點形成了粘結(jié)節(jié)點，表明制備出的超細玻璃纖維棉氈具有較好的力學性能．

圖2 超細玻璃纖維棉氈中玻璃纖維原絲含膠前(a)和含膠后(b)的SEM圖Fig.2 SEM figure of microfiber glass (a) with binder and (b) without binder

2.2 工藝參數(shù)的影響

圖3為在超細玻璃纖維棉氈制備過程中窯壓、窯溫和漏板電流的調(diào)整對制備出超細玻璃纖維直徑的影響．從圖3可見，隨著窯壓、窯溫和漏板電流的增大，超細玻璃纖維棉的直徑逐漸變?。敻G溫過低時，漏板開口部分熱量散失較多，導(dǎo)致玻璃液溫度降低，粘度增大，玻璃液不易于牽伸，導(dǎo)致纖維直徑增大；當窯溫過高時，窯爐內(nèi)玻璃液溫度也過高，玻璃液粘度迅速降低，液流層之間產(chǎn)生的摩擦力無法連續(xù)傳遞，甚至斷裂，制出的纖維短、粗，甚至形成渣球等，造成測試纖維直徑時偏差較大．在成型的粘度區(qū)間內(nèi)，溫度及粘度變化比較平緩的玻璃液，容易制成平均直徑較細的玻璃纖維；對于溫度及粘度變化較陡的玻璃液，容易制成纖維直徑、長度分布不均的纖維．在窯壓為(24±2)Pa、窯溫為(490±5)℃、漏板電流為(787±5)mA條件下，檢測出的超細玻璃纖維直徑在1.95～2.37 μm之間，表明該條件為最佳條件．

圖3 窯壓、窯溫及漏板電流與玻璃纖維棉平均纖維直徑的關(guān)系Fig.3 Relationship between kiln pressure，kiln temperature and leakage current and average fiber diameter of glass fiber cotton

圖4 施膠工藝中酚醛樹脂、抗水劑加入量與過濾氈厚度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the amount of phenolic resin, water repellent and the thickness of microfiber glass mat

2.3 添加劑的影響

圖4為施膠工藝中酚醛樹脂、抗水劑加入量與過濾氈厚度的關(guān)系圖．從圖4可見，隨著酚醛樹脂膠含量的加大，玻璃纖維棉氈的厚度降低．這是由于隨酚醛樹脂膠含量的加大，制備出超細玻璃纖維棉氈中纖維表面的膠鍍層厚度越大，棉氈纖維節(jié)點的含膠量越大，造成棉氈纖維出現(xiàn)板結(jié)、蓬松性變低及硬度變大．從圖4還可見，隨著抗水劑添加量的加大，玻璃纖維棉氈的厚度增加．這是由于隨著抗水劑添加量的增加，制備出超細玻璃纖維棉氈通過表面改性，纖維之間網(wǎng)狀微觀結(jié)構(gòu)更加有層次感，制備出的棉氈孔隙率更高，從而制備出的超細玻璃纖維棉氈的蓬松性更高．綜合考慮，選取酚醛樹脂膠料及抗水劑最佳加入量分別為7%和0.8%．

在固化時間一定的情況下，隨著固化溫度的升高，玻璃纖維棉氈粘結(jié)劑的柔軟性降低，降低固化溫度可以提高玻璃纖維棉氈粘結(jié)劑的柔軟性，但是溫度過低時，玻璃纖維棉氈粘結(jié)劑不能完全固化．因此，選取適宜的固化溫度為130～150 ℃、固化時間為5～8 min．

圖5為火焰噴吹施膠法制備出的超細玻璃纖維棉氈長度和寬度方向斷裂強度與國外產(chǎn)品對比結(jié)果．從圖5可見：利用火焰噴吹施膠法制備出的樣品在長度方向的斷裂強度要比國外兩個相同產(chǎn)品分別高出17.2%和4%；在寬度方向的斷裂強度要比國外兩個相同產(chǎn)品分別高出122%和150%．表明，采用火焰噴吹施膠法在優(yōu)化出的最佳條件下制備出的超細玻璃纖維棉氈具有優(yōu)異的力學性能．

圖5 制備出的超細玻璃纖維棉氈長度和寬度方向抗拉強度與國外產(chǎn)品對比Fig.5 Comparison of length and width direction breaking strength of ultra-fine glass fiber felt made with foreign products

3 結(jié) 論

采用火焰噴吹施膠法可制備出具有優(yōu)異力學性能的超細玻璃纖維棉氈，最佳的制備條件：窯壓(24±2)Pa、窯溫(490±5)℃、漏板電流(787±5)mA，酚醛樹脂膠料和抗水劑的最佳加入量分別為7%和0.4%．在最佳制備工藝條件下，所制樣品纖維的平均直徑為2.16 μm；制備出的樣品在長度方向的斷裂強度要比國外相同的兩個產(chǎn)品分別高出17.2%和4%，在寬度方向分別高出122%和150%．

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