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1、引言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、耐高温绝热防、高温气体收尘、液体过滤、金属 融化过滤、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。1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
2、，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，其主要的制品生产工艺流程如图1所示：耳地陋冷蝕胡k野堆臨直一 训星 井桂k箍蛭 穿竝 iJlifr応睚世就猜舒堆布V 斥处理 热烧f 烘 术ifl聽 厲沥巴*黑清昧* AI J閒业理圏 高硅氧玻璃纤址制晶生产王艺流程在生产中，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9
3、6%以上的微孔硅氧骨架，然后再经600 一 800C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。2高硅氧纤维的性能特点(1) 软化点接近1700C，可长期在900C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) 对热冲击和超咼辐射有较咼的稳定性，在咼温和咼湿条件绝缘性能优良，与咼温胶 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
4、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。 3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ZIRCA
5、R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。3. 1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，
6、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相转如溶液中，留下微孔结构的硅氧骨架，然后再经600-800C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。3. 2
7、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等几个步骤。3.2.1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1450C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。3.2.2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1
8、150C左右，析晶上限温度只有983 C，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。3.2.3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H3BO3的.含量对制品的断裂强力有很大的影响，其影响关系如图2。500制品400断裂30
9、0强3.2.4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600-800C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%。项目坯布酸沥滤后热烧结拾厚度/tnm0.260.240.26宽度/cm92.590.282.0宽度单位面积
10、质；269.02221.41226.7强力 /N (2 5*100mm)1160678528经向10225882343.2.5后表面处理工艺后表面处理是改善高硅氧制品应用性能的有效途径，经热烧结处理的高硅氧制品，重新 涂以浸润剂后强度均会大大提高，表面处理剂可选用涂氧化铬或蛭石添加偶联剂等，通过后 表面处理的高硅氧纤维其强力可提高一倍以上，制品的耐磨性和耐热性也可通过后处理得以 改善，选择不同的后表面处理剂和后处理工艺，可获得具有不同应用性能的高硅氧制品。4结语高硅氧玻璃纤维作为一种特种纤维，以其优异的性能，在我国得到了广泛的研究，其制 品在我国各工业领域获得了广泛的应用，从制备过程中玻璃成分
11、的研究以及后序处理到新品 种、新工艺、新设备的开发，已取得了大量的研究成果，生产工艺日趋成熟。但相对国外的 研究和产品，国内的差距不小，主要表现为原创性小，在生产中以模仿为主，理论研究深度 和广度不够，有重大影响的研究成果不多，纤维的强度低，制品的多样性和新颖性如在卫生、 环保、电子、医药、生物等方面的应用都较缺乏。但可预见，随着我国工业经济的增长和对 高性能材料的新需求的出现，理论和技术上的突破必将使我国高硅氧纤维的工业水平升到一 个新台阶。参考文献1 张耀明，李巨白，姜肇中.玻璃纤维与矿物全书.化学工业出版社，2001.2 姜肇中，邹宁宇，叶鼎铨玻璃纤维应用技术中国石化出版社，2004.3
12、 钱世淮编译高硅氧玻璃纤维.南京玻璃纤维研究设计院,1979, 7.4 丁玉林，谢克玉，等高硅氧玻璃纤维的制造几技术关键1997，(3)： 2-5.5 陈东生，李永贵.高科技纤维与应用.1999, 24(2)： 18.张耀明，等玻璃纤维南京玻璃纤维研究设计院,2001(4、5、6).7 Anon K Rsubsea steacture and methods installation. Mar Eng Rew, 1988， 4： 36.8 Guo and F Qzheng the intemational conference on fiber science， New Castle, 1988.9 陈东生，李永贵高科技纤维应用.1999, 24(2)： 18.
