几种典型无机纤维针刺毡的耐温性研究

2022-03-22余奕发许加阳金鑫霞

高科技纤维与应用 2022年1期

余奕发，许加阳，金鑫霞

(浙江石金玄武岩纤维股份有限公司，浙江金华 322118)

0 前言

近年来，随着经济的发展、人们生活的改善，全国汽车保有量从2012年的1.2亿辆增加到了2021年的2.87亿辆。为有效削减汽车排污总量，污染物排放标准由国五升级为国六，分为两个阶段，分别是国六a和国六b，于2019～2023年期间分阶段实施[1]。对比国五，国六排放标准更加严格，给国内的主机厂带来了新的挑战，目前各大厂家都在积极开展研发工作，包括推动新能源汽车、提高燃油的燃烧率、改进汽车净化处理设备[2]。燃料燃烧率和排出气体净化率的不断提高[3]，使得排出气体的温度越来越高，部分车型的排气温度甚至达到了800 ℃[4]，这对于汽车发动机及排气系统的保温隔热材料、汽车尾气过滤材料、汽车消声器吸声材料的耐高温性能有了较高的要求，故耐温性能优异的玄武岩纤维是一种不错的选择。

连续玄武岩纤维是以火山喷出岩为原料经高温熔融而拉制成的连续纤维，是国家鼓励发展的战略性新兴产业中的重点产品之一，是纯天然的绿色材料。目前，世界上只有俄罗斯、乌克兰、中国等少数几个国家掌握相关技术。我国开展玄武岩纤维的研究较晚，起步于20世纪初，2002年10月，我国将“玄武岩连续纤维及其复合材料”列入国家高技术研究计划(即“863计划”)，课题代码为：2002AA334110。浙江石金公司实际完成了这一课题的现场验收，由此标志着我国打破国外技术垄断，自主掌握了“全电熔”连续玄武岩纤维熔融拉丝的核心技术。经过10多年的发展，我国连续玄武岩纤维总量已经超过了国外产量的总和，具有规模的生产企业有近20家[5]。玄武岩纤维具有优异的力学性能、高电绝缘性、良好的隔声隔热性能、良好的化学稳定性、耐高温性[6]，在汽车行业可作为摩擦材料、内饰材料、高温过滤材料、保温隔热材料等[7]。

本研究主要通过分析常规玄武岩纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维在高温下的外观变化、尺寸收缩率及质量损失率，综合分析了玄武岩纤维针刺毡的耐热性能，为其在汽车耐高温领域的推广应用提供依据。

1 实验原料和仪器

1.1 实验材料

选用三种典型无机纤维针刺毡：材质分别是普通玻璃纤维、普通玄武岩纤维、普通高硅氧纤维。

表1 实验原料

1.2 实验仪器

101-2型电热鼓风恒温干燥箱，上海东星建材试验设备有限公司；8-10型号马弗炉，上海东星建材试验设备有限公司；JA2003N型电子天平，上海精密科学仪器有限公司；0～150 mm游标卡尺，浙江精密量具有限公司；0～10 mm测厚仪，成都成量工具集团有限公司。

2 实验原理/方法

关于无机纤维针刺毡耐热性的实验方法，较常规的有：一是GBT 17430—2015《绝热材料最高使用温度的评估方法》[8]，测定样品热面性能试验之前、期间及之后的尺寸、质量和相关特性变化，确定绝热材料的最高使用温度；二是ISO 1887:2014《Textile glass—Determination of combustible-matter content》[9]，其耐温性以热处理后外观状态来表征，以无明显变化、无粉化、无结晶来判定。我们按照上述两种常规方法进行了反复试验和探索，发现GB/T 17430—2015方法试验周期长、效率低、与汽车耐高温实际工况相符性低，ISO 1887:2014方法则比较笼统，缺乏判断的准确性和有效性；通过反复验证还发现，无机纤维针刺毡在汽车耐高温(热处理)环境下，其耐受性的主要表征是外观、外形的保持性。为此，本实验方法，根据浙江石金公司与国际著名汽车制造商多年合作的实践经验和用户大量的实际检验测试结果，参照浙江石金公司的发明专利ZL2017114164246《无机非金属纤维长丝耐热性测试方法》[10]，选用了一种更简便而且高效的实验方法，并以试验前后纤维毡试样的外观变化及粘连情况作为耐热性的主要判定依据。

将纤维毡裁成150 mm×65 mm×8 mm长方体，置于105 ℃电热鼓风恒温干燥箱中60 min，去除纤维毡上吸附的水分，用电子天平测量纤维毡的质量，用游标卡尺测量纤维毡的长度和宽度，用测厚仪测量纤维毡的厚度，得到纤维毡在保温前的质量及尺寸。将2片纤维毡进行叠合，置于不同温度的马弗炉中保温1.5 h，观察试验前后纤维毡试样的外观变化及粘连情况；并测量保温后纤维毡的质量及尺寸，与保温前的数据进行对比，得到纤维毡的质量损失率及尺寸收缩率。

3 实验过程和分析

3.1 纤维针刺毡在不同高温下的外观变化

对2层叠加的纤维毡在不同温度下保温1.5h的粘连情况进行对比发现(表2)，普通玻璃纤维针刺毡在640 ℃会出现少量粘连，在675 ℃则完全粘连在一起，颜色呈白色，毡的尺寸明显收缩(图1)；普通玄武岩纤维针刺毡在850 ℃出现少量粘连，在880 ℃和920 ℃则大部分粘连在一起，在850 ℃颜色呈棕黑色，在920 ℃时颜色呈红褐色，毡的尺寸没有明显的变化；高硅氧纤维针刺毡在920 ℃时仍没有出现粘连现象，颜色呈白色，毡的尺寸没有明显的变化(图2)。

表2 不同高温下纤维毡粘连情况

图1 普通玻璃纤维针刺毡在710 ℃保温1.5 h后的外观

图2 从左到右为玄武岩纤维针刺毡在850 ℃、880 ℃、920 ℃保温1.5 h后的外观

在本实验中，普通玻璃纤维针刺毡在675 ℃保温1.5 h后已经出现完全粘连的现象，可见纤维在该温度下软化较为明显。玻璃纤维的软化温度在500～750 ℃[11]，因此耐热性较差，无法在过高的温度下进行长期工作。

普通玄武岩纤维针刺毡在640 ℃保温1.5 h后未出现粘连现象，在温度逐渐升高后，出现少量黏连和大部分黏连的现象。这是由于玄武岩连续纤维有良好的耐热性，其长期使用温度最大650 ℃，软化点为850～900 ℃[12]。

玄武岩纤维针刺毡在高温下保温后，颜色出现变化，与其氧化铁含量有直接关系。玄武岩纤维中含有大量的氧化铁，拉制连续纤维所需玄武岩矿石中，FeO和Fe2O3的最低含量为5%，最高含量为15%[13]。FeO呈黑色，Fe2O3呈红褐色。玄武岩纤维针刺毡在高温保温后颜色的转变，是因为其中二价铁的氧化，化验分析观察到有2%～3%的FeO氧化成了Fe2O3。

高硅氧纤维针刺毡在920 ℃保温1.5 h后未出现粘连，外观几乎没有变化，可见其耐高温性能良好(图3)。高硅氧纤维可长期在900 ℃环境下使用，其软化点接近1 700 ℃[14]。但是，高硅氧纤维最大的缺陷是纤维的强度极低，且用作汽车消声器高温过滤时，易粉化，从而造成汽车尾气排放的二次污染。

图3 高硅氧纤维针刺毡在920 ℃保温1.5 h后的外观

3.2 纤维针刺毡在不同高温下的尺寸收缩率

图4为测得的纤维针刺毡在不同温度保温后的尺寸收缩率。由图4可见，在640 ℃保温1.5 h后，不同纤维针刺毡都有微量的收缩，但是随着温度的升高，普通玻璃纤维针刺毡收缩显著，在710 ℃收缩率高达20%。而玄武岩纤维针刺毡和高硅氧纤维针刺毡尺寸稳定，在920 ℃时，玄武岩纤维针刺毡的尺寸收缩率为4.75%，高硅氧纤维针刺毡的尺寸收缩率为5%。分析其主要原因为普通玻璃纤维的软化点较低[11]，当温度过高，纤维逐渐软化收缩，无法保持原有外形和尺寸。而玄武岩纤维和高硅氧纤维的软化点较高[12，14]，本实验中，其在640 ℃～920 ℃保温1.5 h后尺寸收缩不明显。

图4 纤维针刺毡在不同高温下尺寸收缩率

3.3 纤维针刺毡在不同高温下的质量损失率

图5为测得的纤维针刺毡在不同温度保温后的质量损失率。由图5可见，在640 ℃保温1.5 h后，不同纤维针刺毡都有质量损失，其中玄武岩纤维针刺毡质量损失为0.37%，普通玻璃纤维质量损失为2.36%，高硅氧纤维针刺毡质量损失为3.05%。随着温度的升高，不同针刺毡的质量损失略有升高，但变化不明显。当温度升高到900 ℃以上时，高硅氧纤维针刺毡的质量损失突然从3.63%上升至7.52%。分析其原因可能与高硅氧纤维的生产工艺有关。高硅氧纤维的生产工艺是将合适的原始玻璃纤维制成纱、布等各种制品，经过酸沥滤和热烧结工艺制得。酸沥滤过程中，主要是使原始玻璃纤维中的B2O3和Na2O组分沥滤出来，使SiO2富集量达到96%以上的微孔硅氧骨架，然后再经600～800 ℃的高温烧结，使微孔闭合。本实验中高硅氧纤维针刺毡如此高的质量损失，可能是由于烧结不充分[14]。目前我国的行业标准和国军标都规定了高硅氧纤维是指SiO2含量大于或等于96%的玻璃纤维制品，不同的SiO2含量可能也会影响其实验质量损失率[15]。