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高硅氧玻璃纤维研究现状及前景

  • 作者:瞿惠明 远征玻纤
  • 发布时间:2016-12-15

高硅氧玻璃纤维作为一种耐高温无机纤维特种材料,高硅氧纤维的应用和开发取得了极大的成功.自美国H.I.Tnompson公司率先进行工业性生产以来,高硅氧纤维以其优异的性能和相对的价格优势,已广泛应用于航天器防热烧蚀材料、耐高温绝热体、高温气体收尘、液体过滤、金属溶化过滤、净化等方面,具有十分广阔的应用前景和巨大的市场潜力.近年来对高硅氧纤维的需求量也在不断增加,为提高高硅氧制品的应用性能,国内外公司都在进行提高硅氧玻璃纤维制品强度与耐热性的研究和开发,部分制品已成功应用于高温气体、液体和侵蚀性介质的过滤和国民经济各个高端领域。

高硅氧玻璃纤维的生产工艺

高硅氧玻璃纤维的生产是以合适的原始玻璃成分,按普通玻璃纤维的生产工艺制成纱、布等各种制品,经过酸沥滤和热烧结工艺,即得到耐高温性能接近石英纤维的高硅氧制品.对原始玻璃组分,目前主要有以E玻璃以及Si02-B203-Na2O和Si02-B203二元系统为原始玻璃组分,我国主要采用三组分的纳硼硅酸盐玻璃。 

在生产中,将高硅氧制品经酸沥滤,利用其结构的分相,使B203和Na2O组分沥滤出来转入溶液中,使Si02富集量达到96%以上的微孔硅氧骨架,然后再经600一800℃的高温热烧结定型,使微孔闭合,骨架结构趋于紧密,而制得高性能的高硅氧玻璃纤维制品。

高硅氧纤维的性能特点

(1)软化点接近1700℃,可长期在900℃环境下使用,瞬间可以耐数千度的气流部刷。 

(2)在有机和无机酸中(氢氟酸、磷酸和盐酸除外)甚至在高温下,以及弱碱中保持良好的性能稳定。 

(3)对热冲击和超高辐射有较高的稳定性,在高温和高湿条件绝缘性能优良,与高温胶具有良好的黏结性能。

(4)耐湿耐日光辐射并且抗震,可用于各种密封材料,制品结构牢固,在许多高温条件下保持柔软性。 

(5) 结构及性能稳定,对人体没有危害,可代替陶瓷纤维和石棉纤维(高温下发生晶相转变)。 

(6)防火温度高,在汽油中燃烧不氧化、不变色,强度高,不会造成二次污染。 

(7)具有良好的耐磨性与绝缘性能,大多数情况下价格具有竞争优势。 

(8)其骨架可以适当得以控制,制作各种膜件,用于液体过滤、气体分离或作为催化剂或酶的载体。 

正是有如此多的优点和特性,高硅氧玻纤制品受到高度的重视和广泛的研究,并已在许多要求苛刻的工作环境中大规模应用,开发研究高性能的高硅氧玻纤制品将极具市场前景。

高硅氧玻璃纤维的工艺理论研究

由于高硅氧玻璃纤维较石英等耐高温无机纤维成本低,使用安全,目前在欧美等国家有若干公司围绕高硅氧玻纤的高性能开发了一系列产品,著名的有美国ZIRCAR耐高温复合材料公司、美国达科南方公司、德国Kelevers公司和美国H.I.Thompson公司等。而我国的研究开发基本上采用跟踪法,总体上落后于国际水平,国内持续研究时间长并形成规模生产和应用技术研究的只有陕西玻璃纤维总厂和南京玻璃纤维研究设计院。

高硅氧玻璃结构分析

高硅氧玻璃纤维其工艺原理是利用玻璃在熔融或冷却过程中,二个或二个以上互不相容的液相彼此分离,成微不均匀性,利用其结构的分相而生产的,高硅氧玻璃成分去组成落于分相区内,当玻璃冷却或再加热时,会分离成两相,一相几乎全是Si02,另一相则富有B203和Na20,他们很容易被酸溶出。从玻璃结构上看当Si02含量较高,而分子比Na20 : B203< 1时,玻璃中同时存在着[sio4]四面体、[B04]四面体和[B03]三角体,其中一部分[B04]四面体、[Si04]四面体组成均匀、统一和连续的网络结构,而另一部分形成独立的层状结构网络,因此在玻璃中存在一定的分相。而Si02相对酸很稳定,B203-Na2O则易溶于酸。高硅氧玻璃纤维的生产就是利用这种原理,将具有基础玻璃成分的纱或织物在一定条件下进行酸沥滤,使B203-Na2O相转入溶液中,留下微孔结构的硅氧骨架,然后再经600-800℃高温处理,使微孔闭合,骨架结构趋于紧密,从而获得高稳定性的纤维材料,这样三组分的纳硼硅酸盐玻璃就转化成高硅氧玻璃纤维了。

高硅氧玻璃纤维生产工艺分析

对高硅氧玻璃纤维的生产,国内外所来用的工艺大致相同,都经过合适的原料拉丝成型、纺织加工、酸沥滤、热烧结和后表面处理

原料的制备

对高硅氧玻璃纤维生产的原料,目前两种组分,其中部分厂家为了降低成本,也采用E玻璃进行后序加工而制备高硅氧玻纤制品,我国一般都采用三元系统生产优质的纤维制品,但在其融化中,因B2O3和Na20挥发较大,易造成成分的不稳定和对耐火材料的侵蚀较严重,与传统火焰窑相比,采用全电熔窑在1450℃左右进行高硅氧球的熔制,则可大为减少挥发率和降低对耐材的侵蚀。

高硅氧玻璃纤维成型工艺

高硅氧玻璃其硬化速度较低,拉丝温度在1150℃左右,析晶上限温度只有983℃,所以在拉丝过程中很少出现析晶现象.但玻璃液与漏板铂金的浸润角较小,所以在漏板设计中,要考虑各个因素的影响,并在拉丝中对强制冷却气流的控制以及专用浸润剂都提出了较高的要求。

高硅氧玻纤酸沥滤工艺

酸沥滤是将结构中分相的非硅质相在酸作用下使其析出,以使结构中Si02含量达到96%以上。离子的分相迁移速率受酸的浓度、沥滤时间、温度以及酸液中H3B03含量的大小及沥滤速度等因素的影响,对各工艺的设定和各参数的合理控制是生产高硅氧玻纤制品的关键。尤其是溶液中H3B03的.含量对制品的断裂强力有很大的影响.

热烧结工艺

经酸沥滤的高硅氧玻纤制品,其分相中易溶组分B203和Na20等被酸沥滤出来,留下连续的富Si02的多孔骨架,需在600-800℃或更高温度下进行热烧结,使其微孔闭合,强度有所恢复,但当温度过高时,将会使玻璃表面的微裂纹在内应力作用下扩大,从而使制品的强力反而下降。同酸沥滤一样会对制品的物理力学性能产生较大的影响,其具体影响见表2。所以在生产过程中,需对热烧结的温度制度和烧结时间进行合理的控制,在保证恢复最大强力的同时使制品在应用条件下的线收缩率不大于3%。

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