纤维直径对玻璃棉纤维纸结构和性能的影响

纤维直径对玻璃棉纤维纸结构和性能的影响
郑新苗;王海毅;田耀斌
【摘要】在测量玻璃棉纤维直径的基础上,利用扫描电子显微镜、压汞仪和热线法通用导热系数仪,研究了纤维直径对玻璃棉纤维纸微观结构和宏观性能的影响.结果表明,玻璃棉纤维直径的变化会影响纸张的孔隙结构,直径越小,纤维间的孔隙尺寸越小,孔隙间相互连通程度越低;随着玻璃棉纤维平均直径的降低,孔隙率成明显增大的趋势;相同定量的手抄片,纤维平均直径越小,纸张的厚度越大,透气度越小;玻璃棉纤维纸的导热系数随纤维直径的减小,有明显降低的趋势,当玻璃棉纤维平均直径小于1μm时,导热系数随直径的变化较明显,且直径越小,导热系数减小得越快.%Based on the measurement of glass fiber diameters,the effect of glass fiber diameter on the microstructure and properties of glass fiber paper was studied mainly by scanning electron microscope,mercury porosimetry and thermal conductivity tester using hot-wire method.The results showed that the pore structure of the sheet would be influenced by fiber diameter,and the smaller the fiber diameter,the smaller of the pore size in the fiber network,the lower of the interconnection degree between the pores.The porosity rate showed a significant increase trend with the decrease of fiber diameter.,the thickness of the sheet increased but the air permeability decreased with the fiber diameter decreasing on the same basis weight.The thermal conductivity of glass fiber paper decreased significantly with the decrease of fiber diameter.The change of thermal conductivity of the paper along with the change of fiber diameter was
obvious when the fiber diameter was less than 1μm,and the smaller the fiber diameter,the thermal conductivity decreased faster.
【期刊名称】《中国造纸》
【年(卷),期】2016(035)005
【总页数】6页(P16-21)
【关键词】玻璃棉;纤维直径;孔隙率;导热系数
【作者】郑新苗;王海毅;田耀斌
【作者单位】陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021;陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021;陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021【正文语种】中文
【中图分类】TS761.2
玻璃棉纤维是用离心力或气流喷吹制成的絮状细纤维,纤维和纤维之间立体交叉,互相缠绕在一起,形态上蓬松,类似于棉絮[1]。

玻璃棉纤维具有纤维直径细、比表面积大、体积密度小、热导率低、化学稳定性好等优异性能,主要用做高效能的保温材料、吸声材料和过滤材料。

以玻璃棉纤维为主要原料,利用造纸工艺生产的薄型玻璃棉纤维纸,具有容重小、吸湿率低、热导率低、不燃、耐热、抗冻、耐腐蚀、化学稳定性好等特点,广泛应用于建筑和工业的保温与保冷,是一种优良的热绝缘材料[2]。

玻璃棉纤维制品是常用的低温绝热材料之一,在低温环境下,玻璃棉纤维纸主要用于低温储罐中的多层绝热材料。

导热系数是衡量保温材料优劣的一项重要指标[3]。

玻璃棉纤维直径作为原料的一项基本参数,会对纸张的结构产生影响,进而影响纸张的性能,尤其是导热性能。

因此研究玻璃棉纤维直径对绝热材料的研发和生产
有着重要的意义。

本实验从测量玻璃棉纤维直径入手,在此基础上,研究纤维直径对玻璃棉纤维纸微观结构和宏观性能的影响,为玻璃棉绝热材料的生产及优化提供一定的依据。

1.1 原料与主要仪器
6种不同规格的玻璃棉纤维,编号分别为：BM-1(29°SR)、BM-2(34°SR)、BM-3(39°SR)、BM- 4(44°SR)、BM-5(49°S R)、BM- 6(54°SR)。

SE003标准纤维疏解器,瑞典L&W公司；ZQJ1-B-Ⅱ纸页成型器,陕西科技大学机械厂；DC-HJY03电脑测控厚度紧度仪,四川省长江仪器厂；A292301100落筒式透气度测定仪,日本东洋精机制造所；S- 4800扫描电子显微镜(SEM),日本日立公司；TC-3000热线法通用导热系数仪,西安夏溪电子科技公司；Auto Pore Ⅳ 9500压汞仪(MIP),美国Micromerities公司。

1.2 实验方法
1.2.1 玻璃棉纤维纸的制备及性能检测
分别称取6种规格的玻璃棉纤维于标准纤维疏解器中,加水约2000 mL,并滴加稀H2SO4调节玻璃棉纤维浆料的pH值至2.5左右,在转数5000转下进行疏解。

将疏解好的浆料倒入纸页成型器内,加水稀释后成形，手抄片定量50 g/m2。

将毛布覆盖于成形后的湿纸幅上,用圆滚筒轻轻滚压,接着将毛布和湿纸幅放入真空干燥器内,干燥温度为105℃,干燥至水分约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至手抄片完全干燥。

按照国家标准检测方法及行业标准测定玻璃棉纤维手抄片的厚度及透气度。

1.2.2 玻璃棉纤维纸SEM分析及玻璃棉纤维直径的测量
采用扫描电子显微镜(SEM)观察玻璃棉纤维纸的表面结构,手抄片充分干燥后进行喷金处理,采用二次电子成像模式,加速电压为3.0 kV。

选取10张拍摄的SEM图片,在每张图中选取20根左右清晰可见的纤维,采用
Nano Measurer软件测量所选纤维的直径,记录相关数据,得到玻璃棉纤维的平均
直径及纤维直径的分布状况。

1.2.3 玻璃棉纤维纸孔隙率的测定
使用压汞仪测试玻璃棉纤维纸的孔隙结构。

将手抄片充分干燥,使用固体膨胀计,分
别称取0.06 g左右的手抄片,称量装载手抄片的膨胀计组件之后,进行低压、高压分析。

仪器测试参数为：低压初始压力5 PSI(1 MPa=145 PSI),低压阶段最高压力
30 PSI；高压初始压力30 PSI,最大压力33000 PSI。

1.2.4 玻璃棉纤维纸导热系数的测定
手抄片经过充分干燥之后,使用热线法通用导热系数仪测定玻璃棉纤维纸的导热系数。

采用快速采集模式,采集时间0.5 s,测试温度20℃,测试电压0.5 V。

2.1 玻璃棉纤维直径及其分布
本实验利用SEM测量玻璃棉纤维的直径,首先将不同规格的玻璃棉纤维制成手抄片,然后利用SEM高倍放大拍照,选取10张SEM图片,通过Nano Measurer软件分
析SEM图片,如图1所示,从图片中选取20根左右轮廓分明的纤维进行测量,直接
量出纤维直径的数值。

用离心力或气流喷吹制成的玻璃棉纤维,其纤维直径有一定的分布,表现出一定的离
散性。

通过测量一定数目的纤维直径,可以得到玻璃棉纤维的直径分布如图2所示。

由图2可以看出,6种纤维在0.3～0.6 μm的直径范围内最为集中,且直径小于1.5 μm的纤维数量较多。

与BM-1、BM-2、BM-3相比,BM- 4、BM-5、BM- 6细
纤维所占的比例较大,粗纤维所占比例较小。

在6种规格的玻璃棉纤维中,BM-1的
粗纤维组分含量最多,细纤维组分含量最低；而BM- 6的细纤维组分最多,粗纤维含量最少。

在2.7～3.0 μm的直径范围内,BM-1的粗纤维含量最高,为3.5%；在0～0.3 μm的直径范围内,BM- 6的细纤维含量最高,为26.7%。

表1为不同规格的纤维直径。

由表1可以获得各种纤维的平均直径,BM-1、BM-2、
BM-3、BM- 4、BM-5、BM- 6纤维的平均直径分别为1.28、1.10、0.89、0.61、0.49、0.48 μm。

打浆度是造纸行业用来综合评价植物纤维被切断、分裂、润胀和水化等打浆作用效果的指标,反映浆料脱水的难易程度[4]。

图3所示为玻璃棉纤维的打浆度与纤维平均直径的关系。

从图3可知，玻璃棉纤维打浆度与纤维平均直径存在着显著的负
相关性,其R值大于0.96,表明玻璃棉纤维打浆度越大,纤维平均直径越小。

玻璃棉
纤维虽然不存在分丝帚化和吸水润胀,但其打浆度反映了纤维对水的阻力,进而间接
地反映了纤维的粗细。

在一定条件下,通过测量玻璃棉纤维的打浆度可以预测纤维
平均直径的相对大小。

因此,打浆度法可作为一种在线快速检测方法,但是难以评价
玻璃棉纤维直径的分布状况。

2.2 纤维直径对纸张厚度的影响
实验测定了6种不同玻璃棉纤维手抄片的厚度结果见图4。

由图4可以看出,定量
相同的手抄片,随着纤维平均直径的减小,纸张的厚度逐渐增大,当纤维直径大幅减小时,纸张的厚度有明显的增大。

玻璃棉纤维质量一定,纤维平均直径减小,则纤维数量增大。

纤维数量增大,造成纤维在空间中累积叠加,宏观表现为厚度增大。

但另一方面,纤维直径减小引起纤维尺寸变小,细纤维越容易穿插、填充在粗纤维形成的骨架内,这一作用会使手抄片的厚度降低。

结合实验数据分析可知,纤维平均直径的大幅减小,使得纤维在数量上的变化显著,从而使纤维在数量上的作用效果大于在尺寸上的作用效果,最终使得宏观厚度增大。

2.3 纤维直径对纸张透气度的影响
纸张的透气性常用透气度来表示,即在一定的压差下,单位时间透过一定面积纸的空
气量[5],透气度在一定程度上反映了纸张的多孔性。

图5显示了纸张透气度随纤维平均直径的变化。

由图5可以看出,纤维平均直径对
透气度的影响显著,相同定量的手抄片,随着纤维平均直径的减小,纸张的透气度减小。

在玻璃棉纤维纸张结构中,粗纤维构成纸张的骨架结构,较细的纤维则随机分布缠绕、穿插在纸张的骨架结构上。

对于一定质量的玻璃棉纤维,纤维平均直径减小,意味着
细纤维所占组分越来越多,则会有更多的细纤维穿插在纤维骨架结构中,细纤维数量
的增多也会使大孔隙被分割成孔径较小的孔隙。

在气流通过纸张内部时,气体分子
与纤维之间会发生碰撞[6],而小孔隙越多,气体分子与纤维碰撞的几率增大,被碰撞的气体分子的动量有所损失,流速降低,使得单位时间内通过纸张的气流量减少,透气度降低。

2.4 纤维直径对纸张孔隙结构的影响
孔隙结构是影响纸张绝热性能的重要因素。

图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为BM-1、BM-3、BM-5玻璃棉纤维纸的SEM图,可以反映纤维直径改变对玻璃棉纤维纸张表面孔隙结构的影响。

BM-1、BM-3、BM-5的玻璃棉平均直径分别为1.28、0.89、0.49 μm,对比图6(a)、图6(b)、图6(c)可以看出，BM-1粗纤维数量最多,
纤维间形成孔隙的尺寸较大,孔隙数量较少,纸张结构疏松；BM-5细纤维数量最多,纤维间的孔隙较小,纤维之间相互交织缠绕,孔隙间相互连通程度降低；在BM-3玻璃棉纤维纸张结构中,粗纤维形成骨架结构,细纤维穿插在其中,填补了粗纤维之间的空隙,使得孔隙尺寸变小,数量增多。

由此可见,玻璃棉纤维直径的变化会影响纸张的孔隙结构。

在玻璃纤维绝热材料中,纤维不连续,其排列方式无序,纤维间的孔隙中充满空气。

玻璃纤维绝热材料是气相和固相都为连续结构的绝热材料,在纤维材料结构中,固态物
质以纤维状形式存在构成连续固相骨架,而气相(气孔)则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中[7]。

本实验采用压汞法(MIP),通过将汞压入多孔材料的孔隙中,从而测定多孔材料的微
观结构。

基本原理是,汞对固体具有不浸润性,其所需压力应克服驱使汞从毛细管内
流出的毛细管阻力,孔径越小,毛细管阻力就越大,所需压力也就越高[8]。

测量不同外
压下进入孔中汞的量即可知相应孔的大小和体积[9],从而得到纸张的孔隙率。

图7表示了纤维平均直径对玻璃棉纤维纸孔隙率的影响。

由图7可以看出，随着
纤维平均直径的降低,玻璃棉纤维纸孔隙率成明显增大的趋势,且纤维直径减小的幅
度越大,孔隙率的增幅越大。

当纤维平均直径从1.28 μm减小到1.1 μm时,孔隙率从30.1%增大至31.2%；而当纤维的平均直径由0.89 μm减小至0.61 μm时,孔
隙率从34.3%增大至37.7%。

对于一定质量的玻璃棉纤维,纤维直径减小,则纤维之间形成的孔隙尺寸减小,数量增多。

细纤维所占组分越来越多,则会有更多的细纤维
穿插在纤维骨架结构中,形成孔隙,使得孔隙数量增多。

如前所述,随着纤维平均直径的减小,纸张的厚度增大,对于相同定量的玻璃棉纤维纸,纸张的表观密度减小,孔隙率增大。

2.5 纤维平均直径对玻璃棉纤维纸导热系数的影响
在玻璃棉纤维纸中,热量的传递可以简化为通过空气传导、纤维传导、对流和辐射。

对于以保温绝热为目的玻璃棉纤维纸,导热系数是衡量其绝热性能好坏的一项重要
指标。

本实验采用热线法通用导热系数仪测定玻璃棉纤维纸的导热系数。

热线法是一种测量材料导热系数的非稳态方法[10]。

其测试原理是在均质均温的试样中插入一根细长的金属丝,即所谓的热线,然后在金属丝两段加上电压,金属丝的温度升高,根据温升速率与试样导热性能的关系,得出试样的导热系数。

图8表示了纤维平均直径对玻璃棉纤维纸导热系数的影响。

由图8可以看出,随着
纤维平均直径的减小,玻璃棉纤维纸的导热系数有明显降低的趋势。

纤维直径对导
热系数的影响主要是因为直径影响了纸张的孔隙结构,进而对导热性能产生影响。

当纤维平均直径增大时,从而导致纤维孔隙尺寸的增大,孔隙结构的增大,会使保温纸的导热系数在孔隙对流传热作用的影响下略微增大[9]。

孔隙率是影响玻璃纤维保温纸的重要参数[11]。

图9表示了孔隙率对玻璃棉纤维纸导热系数的影响。

由图9可以看出,随着孔隙率的增大,导热系数呈降低的趋势。

当
孔隙率超过31%后,导热系数值随孔隙率的变化明显。

如前所述,纤维平均直径的减小,使得玻璃棉纤维纸张的表观密度减小,孔隙率增大。

孔隙率的大小影响着纤维材料的对流传热、辐射传热、纤维本身的传导以及气孔内气体传导的比例,由此影响了纤维材料的导热系数[12]。

随着孔隙率增加,材料中气
体含量增加,空气的导热系数比纤维小很多,材料中通过传导损失的热量减少,使得导热系数相应减小。

同时,纤维直径越小,纤维数量增多,导致孔隙尺寸减小,纸张结构内大孔隙被细纤维分割成小孔隙,孔隙之间的相互连通程度降低,对纸张内部的对流传
热起到阻碍作用,从而降低了对流传热引起的热损失。

此外,纤维的直径越小,单位体积内的纤维数量越多,增加了阻挡辐射传热的屏障,反射的热量就会增多[13],这就降低了辐射传热的热损失。

3.1 采用扫描电子显微镜测量玻璃棉纤维的直径,得到纤维直径及其分布。

测得规格BM-1(29°SR)、BM-2(34°SR)、BM-3(39°SR)、BM- 4(44°SR)、BM-
5(49°SR)、BM- 6(54°SR)玻璃棉纤维的平均直径分别为1.28、1.10、0.89、0.61、0.49、0.48 μm；6种纤维在0.3～0.6 μm的直径范围内最为集中,且直径小于1.5 μm的纤维数量较多；BM-1、BM-2、BM-3粗纤维所占比例较小,而BM- 4、
BM-5、BM- 6细纤维所占的比例较大；打浆度法可作为一种在线快速检测纤维平均直径的方法,但难以评价玻璃棉纤维直径的分布状况。

3.2 相同定量的玻璃棉纤维手抄片,随着纤维平均直径的减小,纸张的厚度逐渐增大,当纤维直径大幅减小时,纸张的厚度有明显的增大。

3.3 纤维直径对纸张透气度的影响显著,相同定量的玻璃棉纤维手抄片,随着纤维平均直径的减小,纸张的透气度减小。

3.4 玻璃棉纤维直径的变化影响纸张的孔隙结构,直径越小,纤维间的孔隙尺寸越小,孔隙间相互连通程度降低；随着纤维平均直径的减小,孔隙率成明显增大的趋势,且
纤维平均直径减小的幅度越大,孔隙率的增幅越大。

3.5 随着纤维平均直径的减小,玻璃棉纤维纸的导热系数有明显降低的趋势。

当纤维平均直径小于1 μm时,其导热系数随纤维直径的变化比较明显,且纤维平均直径越小,导热系数减小得越快。

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