玻璃纤维原丝的微波烘干实践和机理探讨

玻璃纤维原丝的微波

烘干实践和机理探讨

上海耀华玻璃厂 黄长根

上海麦可富工业微波设备厂　蔡同福

作为玻璃纤维增强材料的玻纤制品为满足产品工艺、性能要求,必须有低的含水率,一般为<0115%,有些为<011%,甚至更低些,所以玻璃纤维增强材料生产过程中必须有原丝烘干工序。

玻璃纤维原丝的烘干是加热→气化→迁移→气化的过程。影响玻璃纤维原丝烘干速度的因素有烘干温度、传热介质的流动速度、烘干空间内的相对湿度、原丝的厚度及在烘房内的排列位置等。玻璃纤维原丝烘干后的含水率及均匀性与烘干采用的方式,工艺和烘房的结构等有关。

玻璃纤维原丝烘干目前较多采用间歇式、隧道式(连续的)热风烘干炉,以热空气为传热介质,采用电、蒸汽、天然气或城市煤气为热源。这种由表及里的加热烘干方式具有如下特征。

(1)玻璃纤维原丝内层在加热→气化过程中,会产生部分浸润剂的迁移和逸出,烘干后的玻璃纤维的内外层中的含水、含油率(固含量)也会存在不均匀状况。

(2)这种烘干方法是以传导对流方式对玻璃纤维原丝进行加热、烘干,决定了必须用较高的温度,较高的传热介质的气流速度和需要较长的时间才能达到玻璃纤维原丝烘干要求。由此能源消耗高,烘干效率低、环境条件差、产品质量难以保证。

(3)当温度控制手段不先进,烘干温度过高时,烘干后的玻璃纤维原丝的内外表面呈焦黄色,影响质量甚至成为废品。

高频(R F)和微波(M V)加热烘干统称为介电加热干燥。随无线电工程技术的发展,在工业中采用无线电频率进行金属热处理以及加热干燥食品、木材、纺织品等,从而产生了一种非常规的干燥技术—介电干燥。

介电加热干燥与普通的加热干燥有很大的差别。普通加热干燥水分开始从表面蒸发,内部的水份慢慢扩散至表面,加热的推动力是温度梯度,通常需要较高的外部温度来形成所需的温度差,传质的推动力是物料内部和表面之间的温度梯度。

由于微波加热干燥,具有电磁波的波动特性,高频特性,热特性和生物效应,玻璃纤维原丝中浸润剂各种组份具有不同的介电性能,在微波烘干中随温度和湿度不同发生变化(见表)。由此产生了电磁波先与水介质、再与有机介质偶合,湿分的载体—玻璃纤维则主要通过传导给热。

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　玻璃纤维原丝中各种介质介电性能表

介　质介质性能

(Ε,tg∆)

条 件

11玻璃纤维

A纤维Ε=619,　tg∆=010085在22℃ f=1M H z

C纤维Ε=3156,　tg∆=010005在22℃f=1M H z

E纤维Ε=518,　tg∆=01001在22℃　f=1M H z

S纤维Ε=4151,　tg∆=01002在22℃　f=1M H z

21水

Ε=8015,　tg∆=0131在115℃,f=3000M H z

Ε=8012,　tg∆=01275在5℃,f=3000M H z

Ε=7818,　tg∆=01205在15℃,　f=3000M H z

Ε=7617,　tg∆=01157在25℃,　f=3000M H z

Ε=7410,　tg∆=01127在35℃,f=3000M H z

Ε=7017,　tg∆=01076在45℃,　f=3000M H z

Ε=6015,　tg∆=01066在60℃,　f=3000M H z

Ε=6015,　tg∆=01066在75℃,　f=3000M H z

Ε=5615,　tg∆=01057在85℃,　f=3000M H z

Ε=5210,　tg∆=01047在95℃,　f=3000M H z 水蒸汽Ε=110126,　在110℃,　f=30M H z 水蒸汽Ε=1100785,　在140℃,　f=30M H z

有机硅烷偶联剂介电性能与偶联剂分子量,有机官能基因类型、极性离子的类型和数量有关。

有机聚合物类的成膜剂和各种助剂PVA c、EVA、环氧、聚酯、丙烯酸酯、聚四氟乙烯及改性的聚合物等成膜剂都有相对应的Ε×tg∆值

各种助剂也有对应的Ε×tg∆值

玻璃纤维原丝采用微波加热干燥,烘干过程中首先在玻璃纤维原丝内部产生热量积聚,温度升高,传质推动力主要是玻璃纤维原丝内部迅速产生的蒸汽所形成的压力梯度。在开始时,玻璃纤维原丝较湿,经微波加热,在玻璃纤维内部形成一个压力升高快的高压力梯度,则液体可能在压力梯度的作用下,似有一种“泵”的效应,驱使液体(常以汽态的形式)流向表面,这样可以使干燥进行得非常快。这个“泵”的效应,在玻璃纤维原丝厚度≤1～2倍电磁波穿透深度时是有效的,反之则会在玻璃纤维原丝中的部分区域因穿透深度不够而产生的传统加热烘干的状态出现。

笔者在以往的实践中对此深有体会,也曾出现过由于某个环节没有把握好,出现了

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采用微波加热烘干玻璃纤维原丝(直接无捻

纱)的“胀纱”“爆炒”和毛纱现象,烘干以后的玻璃纤维原丝性能达不到要求的情况。实质上,采用微波技术加热烘干玻璃纤维原丝,是一个对以玻璃纤维为基质,和水、硅烷偶联剂、有机聚合物和助剂等复合介质的加热→气化,进而达到有机物在玻璃纤维表面固化和完成硅烷偶联剂与无机玻璃纤维表面的化学作用的过程。了解各种介质的介电性能,并以巧妙的方法匹配使用(或称搭配使用)再加上烘干工艺和能量施加的适度和有序进行,就能达到对玻璃纤维原丝(含直接无捻粗纱)的烘干目的。

玻璃纤维原丝采用微波加热干燥,烘干以后的玻璃纤维表面形成一个复合的有机界面见图1

。

图1　涂硅烷EVA 玻璃连接处的互扩散模型

众所周知,玻璃纤维和有机硅烷偶联剂作用的机理经历如下几个过程:有机硅烷偶联剂水解,生成硅醇;玻璃纤维表面吸水,生成羟基;硅醇和吸水的玻璃表面发生反应,生成氢健;硅醇分子之间以及吸水玻璃纤维之间进行醚化反应。

第四个过程的反应表达式如下

:

硅烷偶联剂与玻璃表面起化学作用,形成了化学共价键,同时偶联剂在玻璃纤维表面上不是孤立的小斑点,而是一层连续的膜,使玻璃纤维表面有憎水性,在偶联剂层外是一个过渡层,处边是成膜剂层。

据有关文献报导,硅烷并不是以单分子层键合于玻璃表面,而是呈多分子层,在玻璃表面的沉积层可以分为三个层次,有物理吸附层,化学吸附层和紧密粘附玻璃表面的单分子层。物理吸附的组份可用冷水淋洗除去,化学吸附的组份需用沸水萃取3～4小时后才能基本解吸下来,而单分子即使经过3～4小时的沸水处理,仍然牢固地粘附在玻璃表面上。采用微波加热干燥玻璃纤维原丝,由于高能量的快速加热,产生了目前化学界关注的微液化学反应作用,使化学吸附和紧密粘附的量值达到最大,获得最佳的效果。

笔者在采用微波加热干燥玻璃纤维原丝的实践中,发生了一件极有趣事,在对同一类的玻璃纤维原丝进行加热烘干,采用微波加热干燥后的玻璃纤维原丝制造玻纤制品,其性能大大优于采用传统加热干燥后的玻璃纤维原丝生产的玻纤制品。采用微波加热干燥玻璃纤维原丝可以最大地发挥硅烷偶联剂与无机玻璃纤维表面的化学结合作用,具有更好的憎水性和赋予玻璃纤维原丝更好的特性。

采用微波加热干燥玻璃纤维原丝,由于微波加热干燥的特性引出了玻璃钢制品性

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