幾種典型無(wú)機(jī)纖維針刺氈的耐溫性研究

余奕發(fā)，許加陽(yáng)，金鑫霞

(浙江石金玄武巖纖維股份有限公司，浙江 金華 322118)

0 前言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活的改善，全國(guó)汽車保有量從2012年的1.2億輛增加到了2021年的2.87億輛。為有效削減汽車排污總量，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)五升級(jí)為國(guó)六，分為兩個(gè)階段，分別是國(guó)六a和國(guó)六b，于2019～2023年期間分階段實(shí)施[1]。對(duì)比國(guó)五，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，給國(guó)內(nèi)的主機(jī)廠帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，目前各大廠家都在積極開(kāi)展研發(fā)工作，包括推動(dòng)新能源汽車、提高燃油的燃燒率、改進(jìn)汽車凈化處理設(shè)備[2]。燃料燃燒率和排出氣體凈化率的不斷提高[3]，使得排出氣體的溫度越來(lái)越高，部分車型的排氣溫度甚至達(dá)到了800 ℃[4]，這對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)的保溫隔熱材料、汽車尾氣過(guò)濾材料、汽車消聲器吸聲材料的耐高溫性能有了較高的要求，故耐溫性能優(yōu)異的玄武巖纖維是一種不錯(cuò)的選擇。

連續(xù)玄武巖纖維是以火山噴出巖為原料經(jīng)高溫熔融而拉制成的連續(xù)纖維，是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重點(diǎn)產(chǎn)品之一，是純天然的綠色材料。目前，世界上只有俄羅斯、烏克蘭、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握相關(guān)技術(shù)。我國(guó)開(kāi)展玄武巖纖維的研究較晚，起步于20世紀(jì)初，2002年10月，我國(guó)將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”列入國(guó)家高技術(shù)研究計(jì)劃(即“863計(jì)劃”)，課題代碼為：2002AA334110。浙江石金公司實(shí)際完成了這一課題的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，由此標(biāo)志著我國(guó)打破國(guó)外技術(shù)壟斷，自主掌握了“全電熔”連續(xù)玄武巖纖維熔融拉絲的核心技術(shù)。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，我國(guó)連續(xù)玄武巖纖維總量已經(jīng)超過(guò)了國(guó)外產(chǎn)量的總和，具有規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)有近20家[5]。玄武巖纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高電絕緣性、良好的隔聲隔熱性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性[6]，在汽車行業(yè)可作為摩擦材料、內(nèi)飾材料、高溫過(guò)濾材料、保溫隔熱材料等[7]。

本研究主要通過(guò)分析常規(guī)玄武巖纖維、玻璃纖維、高硅氧纖維在高溫下的外觀變化、尺寸收縮率及質(zhì)量損失率，綜合分析了玄武巖纖維針刺氈的耐熱性能，為其在汽車耐高溫領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用三種典型無(wú)機(jī)纖維針刺氈：材質(zhì)分別是普通玻璃纖維、普通玄武巖纖維、普通高硅氧纖維。

表1 實(shí)驗(yàn)原料

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

101-2型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司；8-10型號(hào)馬弗爐，上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司；JA2003N型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；0～150 mm游標(biāo)卡尺，浙江精密量具有限公司；0～10 mm測(cè)厚儀，成都成量工具集團(tuán)有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)原理/方法

關(guān)于無(wú)機(jī)纖維針刺氈耐熱性的實(shí)驗(yàn)方法，較常規(guī)的有：一是GBT 17430—2015《絕熱材料最高使用溫度的評(píng)估方法》[8]，測(cè)定樣品熱面性能試驗(yàn)之前、期間及之后的尺寸、質(zhì)量和相關(guān)特性變化，確定絕熱材料的最高使用溫度；二是ISO 1887:2014《Textile glass—Determination of combustible-matter content》[9]，其耐溫性以熱處理后外觀狀態(tài)來(lái)表征，以無(wú)明顯變化、無(wú)粉化、無(wú)結(jié)晶來(lái)判定。我們按照上述兩種常規(guī)方法進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)和探索，發(fā)現(xiàn)GB/T 17430—2015方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)、效率低、與汽車耐高溫實(shí)際工況相符性低，ISO 1887:2014方法則比較籠統(tǒng)，缺乏判斷的準(zhǔn)確性和有效性；通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證還發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)纖維針刺氈在汽車耐高溫(熱處理)環(huán)境下，其耐受性的主要表征是外觀、外形的保持性。為此，本實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)浙江石金公司與國(guó)際著名汽車制造商多年合作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和用戶大量的實(shí)際檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，參照浙江石金公司的發(fā)明專利ZL2017114164246《無(wú)機(jī)非金屬纖維長(zhǎng)絲耐熱性測(cè)試方法》[10]，選用了一種更簡(jiǎn)便而且高效的實(shí)驗(yàn)方法，并以試驗(yàn)前后纖維氈試樣的外觀變化及粘連情況作為耐熱性的主要判定依據(jù)。

將纖維氈裁成150 mm×65 mm×8 mm長(zhǎng)方體，置于105 ℃電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中60 min，去除纖維氈上吸附的水分，用電子天平測(cè)量纖維氈的質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量纖維氈的長(zhǎng)度和寬度，用測(cè)厚儀測(cè)量纖維氈的厚度，得到纖維氈在保溫前的質(zhì)量及尺寸。將2片纖維氈進(jìn)行疊合，置于不同溫度的馬弗爐中保溫1.5 h，觀察試驗(yàn)前后纖維氈試樣的外觀變化及粘連情況；并測(cè)量保溫后纖維氈的質(zhì)量及尺寸，與保溫前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到纖維氈的質(zhì)量損失率及尺寸收縮率。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和分析

3.1 纖維針刺氈在不同高溫下的外觀變化

對(duì)2層疊加的纖維氈在不同溫度下保溫1.5h的粘連情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)(表2)，普通玻璃纖維針刺氈在640 ℃會(huì)出現(xiàn)少量粘連，在675 ℃則完全粘連在一起，顏色呈白色，氈的尺寸明顯收縮(圖1)；普通玄武巖纖維針刺氈在850 ℃出現(xiàn)少量粘連，在880 ℃和920 ℃則大部分粘連在一起，在850 ℃顏色呈棕黑色，在920 ℃時(shí)顏色呈紅褐色，氈的尺寸沒(méi)有明顯的變化；高硅氧纖維針刺氈在920 ℃時(shí)仍沒(méi)有出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，顏色呈白色，氈的尺寸沒(méi)有明顯的變化(圖2)。

表2 不同高溫下纖維氈粘連情況

圖1 普通玻璃纖維針刺氈在710 ℃保溫1.5 h后的外觀

圖2 從左到右為玄武巖纖維針刺氈在850 ℃、880 ℃、920 ℃保溫1.5 h后的外觀

在本實(shí)驗(yàn)中，普通玻璃纖維針刺氈在675 ℃保溫1.5 h后已經(jīng)出現(xiàn)完全粘連的現(xiàn)象，可見(jiàn)纖維在該溫度下軟化較為明顯。玻璃纖維的軟化溫度在500～750 ℃[11]，因此耐熱性較差，無(wú)法在過(guò)高的溫度下進(jìn)行長(zhǎng)期工作。

普通玄武巖纖維針刺氈在640 ℃保溫1.5 h后未出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，在溫度逐漸升高后，出現(xiàn)少量黏連和大部分黏連的現(xiàn)象。這是由于玄武巖連續(xù)纖維有良好的耐熱性，其長(zhǎng)期使用溫度最大650 ℃，軟化點(diǎn)為850～900 ℃[12]。

玄武巖纖維針刺氈在高溫下保溫后，顏色出現(xiàn)變化，與其氧化鐵含量有直接關(guān)系。玄武巖纖維中含有大量的氧化鐵，拉制連續(xù)纖維所需玄武巖礦石中，F(xiàn)eO和Fe2O3的最低含量為5%，最高含量為15%[13]。FeO呈黑色，F(xiàn)e2O3呈紅褐色。玄武巖纖維針刺氈在高溫保溫后顏色的轉(zhuǎn)變，是因?yàn)槠渲卸r(jià)鐵的氧化，化驗(yàn)分析觀察到有2%～3%的FeO氧化成了Fe2O3。

高硅氧纖維針刺氈在920 ℃保溫1.5 h后未出現(xiàn)粘連，外觀幾乎沒(méi)有變化，可見(jiàn)其耐高溫性能良好(圖3)。高硅氧纖維可長(zhǎng)期在900 ℃環(huán)境下使用，其軟化點(diǎn)接近1 700 ℃[14]。但是，高硅氧纖維最大的缺陷是纖維的強(qiáng)度極低，且用作汽車消聲器高溫過(guò)濾時(shí)，易粉化，從而造成汽車尾氣排放的二次污染。

圖3 高硅氧纖維針刺氈在920 ℃保溫1.5 h后的外觀

3.2 纖維針刺氈在不同高溫下的尺寸收縮率

圖4為測(cè)得的纖維針刺氈在不同溫度保溫后的尺寸收縮率。由圖4可見(jiàn)，在640 ℃保溫1.5 h后，不同纖維針刺氈都有微量的收縮，但是隨著溫度的升高，普通玻璃纖維針刺氈收縮顯著，在710 ℃收縮率高達(dá)20%。而玄武巖纖維針刺氈和高硅氧纖維針刺氈尺寸穩(wěn)定，在920 ℃時(shí)，玄武巖纖維針刺氈的尺寸收縮率為4.75%，高硅氧纖維針刺氈的尺寸收縮率為5%。分析其主要原因?yàn)槠胀úＡЮw維的軟化點(diǎn)較低[11]，當(dāng)溫度過(guò)高，纖維逐漸軟化收縮，無(wú)法保持原有外形和尺寸。而玄武巖纖維和高硅氧纖維的軟化點(diǎn)較高[12，14]，本實(shí)驗(yàn)中，其在640 ℃～920 ℃保溫1.5 h后尺寸收縮不明顯。

圖4 纖維針刺氈在不同高溫下尺寸收縮率

3.3 纖維針刺氈在不同高溫下的質(zhì)量損失率

圖5為測(cè)得的纖維針刺氈在不同溫度保溫后的質(zhì)量損失率。由圖5可見(jiàn)，在640 ℃保溫1.5 h后，不同纖維針刺氈都有質(zhì)量損失，其中玄武巖纖維針刺氈質(zhì)量損失為0.37%，普通玻璃纖維質(zhì)量損失為2.36%，高硅氧纖維針刺氈質(zhì)量損失為3.05%。隨著溫度的升高，不同針刺氈的質(zhì)量損失略有升高，但變化不明顯。當(dāng)溫度升高到900 ℃以上時(shí)，高硅氧纖維針刺氈的質(zhì)量損失突然從3.63%上升至7.52%。分析其原因可能與高硅氧纖維的生產(chǎn)工藝有關(guān)。高硅氧纖維的生產(chǎn)工藝是將合適的原始玻璃纖維制成紗、布等各種制品，經(jīng)過(guò)酸瀝濾和熱燒結(jié)工藝制得。酸瀝濾過(guò)程中，主要是使原始玻璃纖維中的B2O3和Na2O組分瀝濾出來(lái)，使SiO2富集量達(dá)到96%以上的微孔硅氧骨架，然后再經(jīng)600～800 ℃的高溫?zé)Y(jié)，使微孔閉合。本實(shí)驗(yàn)中高硅氧纖維針刺氈如此高的質(zhì)量損失，可能是由于燒結(jié)不充分[14]。目前我國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)軍標(biāo)都規(guī)定了高硅氧纖維是指SiO2含量大于或等于96%的玻璃纖維制品，不同的SiO2含量可能也會(huì)影響其實(shí)驗(yàn)質(zhì)量損失率[15]。

圖5 纖維針刺氈在不同高溫下質(zhì)量損失率

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)比研究普通玻璃纖維針刺氈、玄武巖纖維針刺氈、高硅氧纖維針刺氈的耐熱性能，主要研究結(jié)論如下：

(1)試驗(yàn)用普通玻璃纖維針刺氈耐熱性在640 ℃左右，玄武巖纖維針刺氈的耐熱性在850 ℃左右，高硅氧纖維針刺氈的耐熱性超過(guò)920 ℃。

(2)普通玻璃纖維針刺氈在710 ℃左右尺寸明顯收縮，玄武巖纖維針刺氈在880 ℃以下尺寸收縮率比高硅氧纖維針刺氈的小，880 ℃以上時(shí)，高硅氧纖維針刺氈的尺寸收縮會(huì)保持穩(wěn)定。

(3)在640～710 ℃，不同纖維針刺氈都有質(zhì)量損失，其中玄武巖纖維針刺氈質(zhì)量損失最少，高硅氧纖維針刺氈質(zhì)量損失最高。隨著溫度的繼續(xù)升高，玄武巖纖維針刺氈的質(zhì)量損失變化不明顯。當(dāng)溫度升高到900 ℃以上時(shí)，高硅氧纖維針刺氈的質(zhì)量損失急劇上升。

總的來(lái)說(shuō)，玄武巖纖維針刺氈的耐熱性顯著優(yōu)于普通玻璃纖維針刺氈，低于高硅氧纖維針刺氈。但高硅氧纖維價(jià)格是玄武巖纖維的2倍及以上，且纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及玄武巖纖維?？梢?jiàn)，玄武巖纖維針刺氈是一種綜合性能好，具有綠色屬性，可應(yīng)用于汽車耐高溫領(lǐng)域的高性價(jià)比材料。