陶瓷纤维材料的除渣提纯及干燥应用研究*

徐子勤 杨战厚 王明俊 王军成 魏 婷

(咸阳非金属矿研究设计院有限公司 陕西 咸阳 712021)

前言

陶瓷纤维是从纤维状结构的矿物岩石中经融熔、使熔体分裂、牵伸成纤维(离心法或喷吹法)，并用不同有机、无机试剂表面改性处理后制成的棉状纤维，纤维长度多为30～250 mm，纤维表面呈光滑的圆柱形，横截面通常是圆形，其主要化学成分为：SiO2≥51%；Al2O3≥45%；Fe2O3≤1.2%；CaO≤1.2%；Na2O+K2O≤1.2%。包括硅酸铝纤维、氧化铝纤维、岩棉纤维、玻璃纤维等，陶瓷纤维具有强度高、隔热性好、气孔率高、抗热冲击性好、耐腐蚀等特点、广泛用于高温窑炉、绝热材料、摩擦材料、密封材料等领域。

1 摩擦材料用增强纤维的基本要求

汽车、工程机械制动、传动用到摩擦材料衬片是一种聚合物基复合材料，主要由填料、纤维、粘结剂3部分组成，填料是摩擦性能调节剂，无机或有机类纤维为增强组分材料，粘结剂是高分子化合物。摩擦材料中纤维用量大约为15%～45%，无机纤维(无石棉)作为增强材料是摩擦材料的骨架材料。由于纤维材料用量较大，它对摩擦材料的强度起至关重要的作用，同时也对其性能有着重要的影响，因此对纤维增强材料有严格的要求。摩擦材料采用无机矿物纤维，化学成分稳定、耐热性好、磨损小、具有良好的亲和性，无团聚颗粒，静电团聚力小，易分散，适合配料、混料、粘结。纤维材料所生产的摩擦材料衬片，具有良好的机械强度和物理性能，摩擦系数稳定、制动噪音小，具有环保性能，产品外观均匀一致，性能稳定。

摩擦材料用纤维主要技术指标参数：

1)石棉含量0%；

2)纤维平均直径2.0～5.0 μ m；

3)纤维烧矢量<1%(800 ℃/h)；

4)非纤维成分渣球含量<3%；

5)纤维含水量<1.5%；

6)密度<2.9 g/cm3；

7)纤维长度135±50 μ m。

摩擦材料用无机矿物纤维的渣球含量是纤维的重要指标，一般要求100目以下渣球<3%。纤维所含渣球过多,既影响增强效果，使磨损率变大，且渣球颗粒会刮伤摩擦对偶，又容易产生制动噪音。因此渣球含量多少会直接影响摩擦衬片的硬度、摩擦系数，使用寿命等指标。

2 陶瓷纤维除渣球工艺

采用特选的矿石原料，经特定的预处理、高温熔融、成纤(离心法或喷吹法)、并经特殊的表面处理而成的陶瓷纤维，在成纤过程中大部分熔体被牵引而成纤维状的矿物纤维，有一部分的熔体未变成纤维而成为粒状、块状物，是矿物纤维中长径比太小的非纤维物质，这些物质就是纤维中的“渣球”，它不具有纤维的增强作用。

2.1 非纤维成分渣球的特点

1)形状：主要有粒状、片(块)状及棒状；也有部分是“链球”状，前端是纤维，末端是渣球。

2)粒度：形状各异,其粒度大小很不均匀。

3)化学成分：渣球和纤维都是由矿石原料熔融而来，化学成分与纤维一致。

4)物理性能：渣球表面携带“负电荷”，与纤维相同，莫氏硬度高。

5)渣球含量：初步制成的纤维里只有60%的纯净纤维，其他为“非纤维物”渣球。

2.2 陶瓷纤维除渣球的工艺

陶瓷纤维除渣球工艺一般分为2类：即干法除渣球和湿法除渣球。干法除渣球以空气为介质，按密度不同进行分选，因空气的密度小，松解的陶瓷纤维由于静电吸附力的作用，其分选效率较低。生产工作环境的空气中粉尘浓度容易超过安全允许浓度0.8 f/ml(PC-TWA)，既环境中每毫升大于0.8根纤维，或短时间(15 min)接触超过3倍的浓度(PC-STEL)，既2.4根纤维量。由于呼入针状纤维沉积在人体肺部不易排出，会造成生物活细胞的病变，对人体有一定的危害，是职业病产生的源头。干法除渣球生产具有配套设备少、成本低、操作简单等特点，生产过程中有粉尘、存在除渣球除不净、环境污染大等几大问题。

湿法除渣球是通过以水为介质，消除静电吸附力，离心分选原理去除陶瓷纤维中的渣球杂质，利用循环水，将容重较小的陶瓷纤维与比重较大的渣球、杂质分离，湿法除渣球过程中可对陶瓷纤维进行改性处理，在湿法除渣球表面处理过程中，不仅去除表面沉积物，进行偶联剂处理，使其呈现亲液性，增加陶瓷纤维表面与粘结剂的亲和力，湿法消除纤维间静电吸附力，除渣球效率高，不产生粉尘。表面改性处理后的陶瓷纤维用于摩擦密封材料中，增强纤维与其他填料、有机粘结剂易融合，提高了纤维的增强综合性能，降低有机粘结剂用量，提升了陶瓷纤维的附加值。

2.3 湿法除渣球的特点

1)分离率高：陶瓷纤维与渣球以“共生”状态存在，纤维之间的“搭桥”现象严重。湿法除渣球利用渣球和纤维在运动时受到的重力和阻力的差异，使渣球和纤维得到彻底分离。

2)消除静电吸附力：渣球因静电吸附作用而附于纤维表面。通过在水介质中消除纤维和渣球上的静电，破坏它们之间的吸附作用。

3)净化处理后，纤维表面经偶联剂处理，增加纤维与粘结剂的亲和力。

4)技术水平：渣球含量高低反映出陶瓷纤维生产的技术水平，同样产品渣球含量越低其售价越高。渣球较低的陶瓷纤维产品生产工艺过程中工序较多，湿法除渣球需要用到大量的水，需循环水池，改性处理、纤维脱水、干燥处理，其成本也相对更高，渣球含量低的陶瓷纤维产品必须经过湿法生产处理才能完成。

3 陶瓷纤维的干燥

3.1 干燥工艺参数的选择

回转滚筒干燥机干燥脱水陶瓷纤维，热风入口温度在260～290℃之间，干燥时间在15min以上，纤维在干燥、松解中易被拆断变短，产生粉尘。另外，陶瓷纤维材料有较强的隔热性，导热系数小，水分蒸发速度较慢。因此，选择最佳干燥温度、干燥时间，可节约能源，提高干燥效率，控制陶瓷纤维含水量<1.5%。

3.2 干燥系统的设计及研究

干燥系统的工艺流程为： 脱水纤维 输送 给料机 回转干燥机 收集 输送 包装 ，干燥系统设备布置见图1。

脱水后的陶瓷纤维经给料机均匀送入回转滚筒干燥机，遇到热风炉产生的热风顺流干燥，驱动系统调速电机驱动回转滚筒干燥机滚筒旋转，并通过调节转筒转速控制干燥筒内的脱水陶瓷纤维停留时间；转筒内壁设计安装有环形抄板，抄板多次翻动和分散松解脱水陶瓷纤维，使纤维物料处于良好的流态化状态，与热空气充分接触，干燥筒内温度波动小，干燥时间容易调节控制，产品含水率稳定。顺流干燥的纤维到达干燥机尾部后排出，含纤维的尾气经布袋除尘器分离，纤维从除尘器下部回转下料器排出，含水率合格的干燥陶瓷纤维经输送系统进入成品库包装，净化后的尾气经由引风机管道排出。

1-配风器 2-热风炉 3-给料机 4-回转滚筒干燥机 5-驱动系统 6-布袋除尘器 7-引风机 8-控制系统图1 干燥系统设备布置图

3.3 干燥系统的结构

干燥机尾部设计有挡流板，调节挡流板角度，可改变干燥筒内的风速，目的是调节控制纤维物料在干燥筒体内的滞留时间，达到控制干燥物料的含水率。干燥机筒体的头部、尾部都设有密封装置，工作时筒内处于负压状态，当引风机风门关小，筒内风速降低，致使干燥机头部处于正压时，直接影响给料机给料。因此调节时，须保持干燥机头部给料处于微负压状态，系统才能正常连续工作，无纤维粉尘泄露。

3.4 干燥机的密封

干燥机的滚筒与机头、机尾采用迷宫式密封，易产生较大的缝隙漏风、漏尘，会污染生产工作环境。对此，在机头、机尾部设计安装有环形鳞片密封带，密封带设有自动张紧密封机构，改善回转筒体的密封性，减小漏风。

3.5 控制系统及安全保护措施

热风炉炉膛、干燥机的机头、机尾处安装有温度监控仪，热风炉的燃烧器设有熄火断气保护，燃烧器自动调节燃料供给及配风，同时在干燥机的机头、机尾安装有压力监控报警系统，当发生堵料时可发出报警，进行人工干预处理。在引风机管道口安装有比例调节阀，依据系统负荷情况，自动调节开启大小，控制调节排风温度，确保干燥矿物纤维的含水率。

4 结语

研究湿法陶瓷纤维除渣球、干燥系统，选用的设备参数调节方便，工艺流程短、生产效率高、工作环境清洁安全、符合环保要求。陶瓷纤维材料除渣球改性后性能稳定，高效利用陶瓷纤维材料，拓宽了产品应用范围，提升产品附加值，推动摩擦材料品质的提升，符合行业发展要求，具有良好的经济及社会效益，市场前景广阔。