分散工艺对酸沥滤法制备高硅氧微纤维的影响

李 斌，陈 敏

（1.宿迁学院材料科学与工程系，宿迁223800；2.江苏昊德新材料科技有限公司，宿迁223800）

0 引 言

高硅氧微纤维是一种特种纤维，它具有耐高温、抗腐蚀、绝热、高化学稳定性、绝缘性能好［1］等优点，在较高温度下具有稳定的热性能和介电性能，广泛应用于高温防热领域。与石英纤维相比，其价格仅为石英纤维的十分之一，但却具有与之相近的优良性能［2］。另外，高硅氧微纤维的单纤维直径较小，具有很大的比表面积。原始纤维经处理后留下了大量微孔组织，因此具有非常优异的吸附和分离过滤作用，可以作为耐高温、抗腐蚀滤料应用于化工行业高温气体分离中的过滤基材。另外，作为高SiO2含量的材料，它具有良好的耐烧蚀性能，在军工产品的应用上具有广阔前景。

适用于酸沥滤处理获得微孔结构的玻璃微纤维棉的种类较多，常用的有无碱玻璃棉、中碱玻璃棉、钠硼硅酸盐玻璃棉等。不同成分的玻璃棉经酸沥滤后，玻璃结构中所形成的微孔大小差异较大，而且SiO2含量不同导致其耐温性能有所差异［3］。因为微纤维棉的长径比很大，交织程度大，在酸沥滤过程中，除了酸液的浓度、温度和处理时间等参数外，搅拌分散也是至关重要的影响因素，其对纤维内部的微孔形成以及SiO2含量和分布均匀性都有较大的影响。

为了寻求合适的分散工艺，获得较佳的处理工艺参数，作者以单纤维直径为1μm的无碱玻璃纤维棉为原料，采用酸沥滤工艺和单向搅拌、双向搅拌分散工艺制备了高硅氧微纤维。在以往的研究工作中，制备的高硅氧微纤维的直径均超过了3μm，作者首次尝试以超细纤维棉为原料，研究了分散工艺对高硅氧微纤维中SiO2含量和纤维宏观形貌的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

将化学纯的盐酸加水配制成2.5mol·L－1的盐酸溶液，倒入1 000mL广口烧杯中，在恒温水浴槽内加热至85℃；将单纤维直径为1μm、叩解度为38°的无碱玻璃纤维棉按酸、棉质量比为80∶1的比例加入烧杯中，继续加热至95～98℃，保温1.5h；在加料和保温处理过程中采用单向搅拌和双向搅拌分散工艺，搅拌转速分别为50，75，100，150r·min－1。

酸处理结束后，取出玻璃纤维棉，挤压去除大部分的酸液，加入到清水中反复清洗，直至纤维表面和内层的pH大于6，然后于105℃烘干后得到高硅氧微纤维。

1.2 试验方法

采用国家军用标准GJB1679A—2008的附录1《高硅氧的烧失量和二氧化硅含量的测定》测试样中SiO2的含量；采用OMNISCOP 100X型测试仪用氮气吸附法测纤维的比表面积与平均孔径，测试条件：将纤维在室温下抽真空至133×10－6Pa，温度为77.3K，P／P0＝0.981（P 为测试终压，P0为标准大气压），吸附压力3.99×10－2Pa。

2 试验结果与讨论

2.1 酸沥滤反应的机理

在无碱玻璃纤维的酸沥滤处理过程中，硅氧四面体网络结构中的网络间离子通过置换反应，被氢离子取代，纤维结构中的非SiO2成分被置换出来［4］，如式（1）所示。

在酸沥滤反应过程中，反应总速度取决于式（1），它控制着Si—OH 和（Ca2＋）aq的生成速度，随着反应进行，生成的产物是Si（OH）4。Si（OH）4是一种极性分子，能使周围水分子极化并且定向附着在自己周围，形成SiO2－nH2O－硅酸盐凝胶层。这层硅凝胶结构疏松，并使玻璃表面产生了大量的微裂纹［5］。因而，酸沥滤初期的纤维强度很低，而随着酸处理时间的延长，表面反应物溶入溶液，从而形成了新的均匀界面。

酸溶液的渗透与交换作用，最终将玻璃网络骨架中的网络间离子逐步取代，留下大量的孔洞，形成开口和闭口气孔。微纤维的比表面积很大，吸附大量的酸溶液，纤维间相互交织在一起，不容易分散，从而影响置换反应的速率。在酸溶液中对微纤维进行搅拌能提高反应速率，使置换反应沿正方向进行［6］。

2.2 对SiO2含量和纤维宏观形貌的影响

原始玻璃微纤维棉经酸沥滤处理后，纤维的结构受到一定破坏，长度变短，从而降低了纤维自身的强度和制品强度，若要获得较高强度的高硅氧微纤维棉毡制品，则需要保留较长的纤维状态［7］。不同的分散工艺对此影响较大，搅拌方向和速度是处理过程的关键影响因素。试验中采用8种不同的搅拌分散工艺，处理后的SiO2含量以及纤维的宏观形貌如表1所示。

表1 不同分散工艺下纤维中SiO2的含量及纤维的宏观形貌Tab.1 SiO2content in fiber and macrograph of fiber after different dispersion processes

从表1中可以看出，搅拌速度的提高可以加速纤维的分散效果，增大纤维与酸液的接触面积，促进置换反应的加速进行；但速度过高的话，会产生酸棉相对速度过低、甚至相对静止的现象，难以分散，纤维中的SiO2含量就会较低。在相同的搅拌速度下，双向搅拌的分散效果明显优于单向搅拌的，这得益于双向搅拌液流的循环冲击作用。另外，在较高转速（150r·min－1）的单向搅拌时，会产生纤维间的严重絮结，图1为纤维絮结时的状态，交织的纤维难以分散，致使SiO2的质量分数较低，仅为91.82%。当采用双向搅拌工艺，且搅拌速度在75～100r·min－1时，纤维中SiO2的质量分数大于96%；以纤维的宏观形貌来看，以75r·min－1的搅拌速度为佳。

从表1中还可以看出，在较低的搅拌速度下，纤维都可以保留较长的长度，而且同一方向的搅拌会造成微纤维的二次絮结。

由图2可见，试样4保留了部分长纤维，且质地柔软，比表面积为364.59m2·g－1，平均孔径为0.73nm。

3 结 论

（1）适当提高搅拌速度可以加速纤维棉的分散，但过高的搅拌速度不仅会造成SiO2含量的降低，而且会严重降低纤维的长度。

（2）采用双向搅拌，且搅拌速度为75r·min－1时，可以获得SiO2质量分数为97.38%的高硅氧微纤维，其比表面积为364.59m2·g－1，平均孔径为0.73nm。

［1］祖群，李斌.可编织连续高硅氧玻璃纤维的研制研究报告［R］.南京：中材科技股份有限公司，2005：14－15.

［2］西北轻工业学院.玻璃工艺学［M］.北京：轻工业出版社，1982：54.

［3］丁玉林，邵恒中，刘泽黎，等.高硅氧玻璃纤维的制造及关键技术［J］.玻璃纤维，1997（3）：2－5.

［4］EL－SHAMY T M，LEWINST J，DOUGLS R W.Glass technology［J］.Developments Since，1976（3）：157－158.

［5］RANA M A，DOUGLAS R W.Physical chemistry［M］.USA Ann Arbor：Noyes Data Corp，1961：179.

［6］祖群，姚正庆，李斌，等.酸沥滤钠硅酸盐玻璃制造高硅氧玻璃纤维性能的研究［J］.玻璃纤维，2004（3）：1－4.

［7］李斌，祖群.热防护材料用高硅氧棉和线绳的研究验收报告［R］.南京：中材科技股份有限公司，2006：65－67.