玻璃棉纤维及其纸张性能的研究

何红梅 王海毅 李 杰 唐永科 刘彬彬

(1.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西 西安，710021;2.陕西汽车集团西安德森新能源装备有限公司，陕西 西安，710043)

玻璃棉纤维是无机非金属材料中的一种新型功能材料和结构材料，其主要原料资源贮量大。玻璃棉纤维密度小、热导率低、比表面积大、保温绝热和吸声性能好，还具有良好的化学稳定性等特性[1-3］。基于玻璃棉纤维优良的性能，使其在越来越多的领域得到推广应用[4］。玻璃棉纤维表面光滑且圆直，没有分丝帚化现象，纤维表面不能通过形成氢键结合在一起。但玻璃棉纤维常作为增强复合材料使用，在造纸方面也有广泛的应用[5］，常用来生产电池隔膜纸、过滤纸以及保温隔热纸等。

玻璃棉纤维的导热性能低，广泛应用于建筑和工业的保温隔热和隔冷，是一种优良的热绝缘材料。在低温环境下，玻璃棉成纸主要用于低温储罐中的多层绝热材料。导热系数是研究隔热材料的一个重要基础参数，导热系数的确定对隔热材料的研发和生产有重大意义。

本实验通过对玻璃棉纤维的纤维形态进行分析，采用几种不同打浆度的玻璃棉纤维制备绝热纸，测定了绝热纸的相关性能，为玻璃棉纤维绝热材料的制备提供一些依据。

1 实验

1.1 原料与仪器

6种不同打浆度的的玻璃棉纤维，编号分别为:BM-1(29°SR)、BM-2(34°SR)、BM-3(39°SR)、BM-4(44°SR)、BM-5(49°SR)、BM-6(54°SR)。

S-4800扫描电子显微镜;IMDRY3001-VII双平板导热系数测定仪;DMB5-223IPL-5多媒体光学显微镜;ZQJ1-B-II纸页成型器;Morfi Compact纤维形态分析仪。

1.2 实验方法

纤维形态观察:经过处理的玻璃棉纤维制片后，采用多媒体光学显微镜观察纤维形态并拍照。

纤维质量分析:利用纤维形态分析仪，测定玻璃棉纤维的纤维长度、粗度、扭结和卷曲比例等形态参数。

抄造手抄片:称取 (6.0±0.01)g玻璃棉纤维放入浆料疏解器中，加入约1000 mL水并滴加H2SO4调节玻璃棉纤维浆液pH值至3.0左右，疏解器设置不同的转数 (2500、5000、10000、15000、20000转)后进行疏解，将疏解好的浆料倒入纸样抄片器内稀释后成形。将毛布覆盖在成形的手抄片上，然后用圆桶轻轻滚压，使手抄片粘在毛布上，接着将毛布和湿手抄片放入真空干燥器内抽真空干燥至水分约为10%，取出后揭下毛布，将未完全干燥的手抄片置于电热恒温鼓风干燥箱内烘干。温度设定为105℃，烘干至手抄片完全干燥。

1.3 性能检测

制备的玻璃棉纤维隔热纸手抄片经恒温恒湿处理后，按照国家标准检测方法测定其厚度和透气度，纸张的隔热保温性能通过智能型双平板导热系数测定仪测定导热系数。

2 结果与讨论

2.1 玻璃棉纤维形态分析

表1为不同打浆度玻璃棉纤维的形态分析结果。纤维形态对纸张性能有着重要影响，纤维的形态参数主要包括纤维长度、纤维宽度、粗度、扭结指数和卷曲指数等，其中纤维的长度是最重要的形态参数，它对纸张的强度性质影响较大，较长的纤维长度可以获得较高的纸张强度，但同时也会增加纤维絮聚的危险，降低纸张匀度。纤维宽度与纤维之间的交织能力密切相关。

景观破坏常会出现地方性种群灭绝，给保护生物多样性带来恶果。当年杨树作为外来入侵物种，其林地排水系统被挖掘，使浅水湖沼干涸，湿地性质改变成陆地，原有湿地的景观格局破坏，打破了湿地生物多样性所依赖的景观生态系统的稳定性，使原始景观破碎，从而影响到生物多样性功能和生态过程的变化，为物种的灭绝创造了条件。

由表1可知，随着打浆度的增加，纤维的算术平均长度和长度加权长度均先降低然后增大;纤维的平均宽度先增大后减小，BM-3玻璃棉纤维的平均宽度最大;纤维的平均粗度、扭结卷曲纤维的比例也呈现先增大后减小的趋势，BM-2玻璃棉纤维的扭结及卷曲比例最大。但总体而言，打浆对玻璃棉纤维的扭结角的影响不是特别明显，而纤维长度、平均粗度及平均宽度、扭结纤维比例和卷曲纤维比例受打浆度的影响较大。

2.2 疏解对玻璃棉纤维形态的影响

玻璃棉属于玻璃纤维中一个特殊的类别，也是无机特种纤维的一种，电镜观察玻璃棉纤维不同于常见的天然植物纤维，其截面呈规则的圆形，单根纤维直径不变且表面光滑，如图1所示。

玻璃棉纤维虽然与植物纤维有相似的外观，但其纤维结构有质的区别，玻璃棉纤维表面光滑，主要成分为SiO2、Al2O3、Na2O、CaO以及MgO等，打浆作用对其不会产生分丝帚化，主要是以切断为主，并且在使用传统打浆机 (如槽式打浆机、PFI等)对玻璃棉纤维进行打浆处理时很容易水化，因此在实验过程中没有使用传统的打浆设备对玻璃棉纤维进行研究。但是，抄片过程中疏解机对玻璃棉纤维进行疏解分散处理时，玻璃棉纤维的纤维形态会发生变化，从而影响纸张的相关性能。疏解对不同玻璃棉纤维形态的影响如图2所示。

图2 疏解对玻璃棉纤维形态的影响

由图2(a)可知，在同一疏解转数下，BM-3纤维受到的剪切作用明显，纤维长度分布均匀，疏解对BM-3玻璃棉纤维的作用效果最佳。由图2(b)可知，对同一种打浆度的玻璃棉纤维而言，随着疏解转数的增加，玻璃棉纤维逐渐分散开，疏解对纤维产生剪切作用，细小纤维含量增加，纤维尺寸减小。当疏解转数为2500转时，纤维之间还没有完全分开，此时玻璃棉纤维中长纤维所占的比例还比较大，容易彼此交织在一起。当疏解转数逐渐增加时，纤维的切断作用显著，细小纤维含量增加。这表明疏解对玻璃棉纤维的切断作用比较明显。

2.3 疏解对玻璃棉纤维纸张性能的影响

疏解改变纤维的尺寸和数量，而这两者的改变，使纤维排布变得复杂，影响纸张性能。图3和图4分别显示了纸张厚度和透气度随着疏解转数的变化。

图3 不同疏解转数对纸张厚度的影响

由图3可知，随着疏解转数的增加，BM-4和BM-5纸张的厚度变化趋势相同，在疏解转数为10000转之前，纸张厚度的变化都是随着疏解转数的增加先减小后增加。BM-3的纸张厚度在疏解转数为10000转之前，随着疏解转数的增加而迅速减小，当疏解转数进一步增加时，其纸张厚度变化不大。BM-1的纸张厚度随疏解转数的增加略有下降，变化不是很明显。BM-2的纸张厚度在10000转之前略有上升，进一步提高疏解转数，纸张厚度先降低后升高。BM-6的纸张厚度的变化趋势正好和BM-4、BM-5的变化趋势相反，但总体而言，疏解对BM-3纤维纸张厚度的变化影响较大，对其他几种打浆度的纤维影响不大。引起纸张厚度变化的原因是随着疏解转数的增加，纤维的尺寸减小，数量增加。纤维尺寸的减小使单根纤维所占空间减小，堆积排列时对厚度的贡献减弱;纤维数量增加，长纤维之间的支架结构减少，二者共同作用，对纸张厚度产生影响。从图4可以看出，疏解对BM-1纸张的透气度影响比较明显，其纸张透气度是随着疏解转数的增加而增加的，BM-4的透气度变化不显著，其他几种玻璃棉纤维的纸张透气度则随疏解转数的增大而呈现下降趋势，但总体影响不是特别明显。

图4 疏解转数对纸张透气度的影响

2.4 疏解对纸张导热性能的影响

导热系数是衡量保温隔热材料保温性能的一项重要指标。导热系数是指在稳定传热条件下，1 m厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1 s内，通过1m2面积传递的热量。导热系数常用的测量方法有:防护热板法、热流计法、热线法和闪光法等。每种方法各有其特点，在实际应用中，可根据被测试样的性质、导热系数的范围、测量温度等因素，选用合适的测试方法。本实验采用IMDRY3001-VII双平板导热系数测定仪在室温下测定了不同疏解转数下各玻璃棉纤维纸张的导热系数，结果如图5所示。

图5 导热系数随疏解转数的变化

从图5可看出，不同打浆度的玻璃棉纤维纸张的导热系数随疏解转数的增加变化不同，BM-1的纸张导热系数随着疏解转数的增大而增大，在疏解转数为10000转时最大，进一步提高疏解转数，其导热系数略有下降，但变化不明显。疏解对BM-3的纸张导热系数影响比较明显，其导热系数是随着疏解转数的增加而逐渐增大，BM-4和BM-5在疏解转数大于10000转时，成纸的导热系数变化不明显，且二者的导热系数相差不大。当疏解转数小于15000转时，在同一疏解转数下BM-3的导热系数最小。

孔隙率是影响玻璃棉纤维纸张导热性能的重要参数，孔隙率越大，导热系数越小[6］。而疏解使得纤维尺寸减小，数量增加，从而改变了纸张的孔隙结构。图6是BM-3的纸张电镜图片，可以反映纸张表面孔隙结构。

图6 不同疏解转数BM-3的纸张SEM图

从图6可知，疏解转数的变化能够改变玻璃棉纤维纸张内部纤维的结构，疏解转数由2500转增加至5000转再到20000转，纸张内纤维交织越来越紧密，主要原因为较低疏解转数下纸张内长纤维数量多，形成的纸张结构疏松，纤维间孔隙较大，但是对于较高疏解转数情况下纸张内短纤维的数量明显增多，填补了长纤维之间的空隙，玻璃棉纤维相互交织缠绕，形成致密的网状结构，整体看上去孔隙较小，这也是BM-3的纸张导热系数随疏解转数增加而增大的原因。

3 结论

实验研究了6种不同打浆玻璃棉纤维的纤维形态及疏解对其张纸性能的影响。

(1)打浆对玻璃棉纤维的长度、平均粗度及扭结角的影响不是特别明显，而纤维的平均宽度、扭结纤维比例和卷曲纤维比例受打浆度的影响较大。

(2)疏解对同一打浆度的玻璃棉纤维的切断作用明显，疏解转数增大，纤维受剪切作用尺寸减小。在同一疏解转数下，疏解对BM-3的纸张作用效果最佳。

(3)疏解对BM-3的纸张厚度影响比较大，在疏解转数为10000转之前，随着疏解转数的增加而迅速减小，当疏解转数进一步增加时，其纸张厚度变化不大。对透气度而言，疏解对BM-1的纸张透气度影响最大。

(4)疏解对BM-3的纸张导热系数影响比较明显，BM-3的纸张导热系数是随着疏解转数的增加而逐渐增大，当疏解转数小于15000转时，BM-3的纸张导热系数最小。

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