余奕發(fā)，許加陽，金鑫霞

(浙江石金玄武巖纖維股份有限公司，浙江 金華 322118)

0 前言

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人們生活的改善，全國汽車保有量從2012年的1.2億輛增加到了2021年的2.87億輛。為有效削減汽車排污總量，污染物排放標準由國五升級為國六，分為兩個階段，分別是國六a和國六b，于2019～2023年期間分階段實施[1]。對比國五，國六排放標準更加嚴格，給國內(nèi)的主機廠帶來了新的挑戰(zhàn)，目前各大廠家都在積極開展研發(fā)工作，包括推動新能源汽車、提高燃油的燃燒率、改進汽車凈化處理設(shè)備[2]。燃料燃燒率和排出氣體凈化率的不斷提高[3]，使得排出氣體的溫度越來越高，部分車型的排氣溫度甚至達到了800 ℃[4]，這對于汽車發(fā)動機及排氣系統(tǒng)的保溫隔熱材料、汽車尾氣過濾材料、汽車消聲器吸聲材料的耐高溫性能有了較高的要求，故耐溫性能優(yōu)異的玄武巖纖維是一種不錯的選擇。

連續(xù)玄武巖纖維是以火山噴出巖為原料經(jīng)高溫熔融而拉制成的連續(xù)纖維，是國家鼓勵發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重點產(chǎn)品之一，是純天然的綠色材料。目前，世界上只有俄羅斯、烏克蘭、中國等少數(shù)幾個國家掌握相關(guān)技術(shù)。我國開展玄武巖纖維的研究較晚，起步于20世紀初，2002年10月，我國將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”列入國家高技術(shù)研究計劃(即“863計劃”)，課題代碼為：2002AA334110。浙江石金公司實際完成了這一課題的現(xiàn)場驗收，由此標志著我國打破國外技術(shù)壟斷，自主掌握了“全電熔”連續(xù)玄武巖纖維熔融拉絲的核心技術(shù)。經(jīng)過10多年的發(fā)展，我國連續(xù)玄武巖纖維總量已經(jīng)超過了國外產(chǎn)量的總和，具有規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)有近20家[5]。玄武巖纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高電絕緣性、良好的隔聲隔熱性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性[6]，在汽車行業(yè)可作為摩擦材料、內(nèi)飾材料、高溫過濾材料、保溫隔熱材料等[7]。

本研究主要通過分析常規(guī)玄武巖纖維、玻璃纖維、高硅氧纖維在高溫下的外觀變化、尺寸收縮率及質(zhì)量損失率，綜合分析了玄武巖纖維針刺氈的耐熱性能，為其在汽車耐高溫領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實驗原料和儀器

1.1 實驗材料

選用三種典型無機纖維針刺氈：材質(zhì)分別是普通玻璃纖維、普通玄武巖纖維、普通高硅氧纖維。

表1 實驗原料

1.2 實驗儀器

101-2型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，上海東星建材試驗設(shè)備有限公司；8-10型號馬弗爐，上海東星建材試驗設(shè)備有限公司；JA2003N型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；0～150 mm游標卡尺，浙江精密量具有限公司；0～10 mm測厚儀，成都成量工具集團有限公司。

2 實驗原理/方法

關(guān)于無機纖維針刺氈耐熱性的實驗方法，較常規(guī)的有：一是GBT 17430—2015《絕熱材料最高使用溫度的評估方法》[8]，測定樣品熱面性能試驗之前、期間及之后的尺寸、質(zhì)量和相關(guān)特性變化，確定絕熱材料的最高使用溫度；二是ISO 1887:2014《Textile glass—Determination of combustible-matter content》[9]，其耐溫性以熱處理后外觀狀態(tài)來表征，以無明顯變化、無粉化、無結(jié)晶來判定。我們按照上述兩種常規(guī)方法進行了反復(fù)試驗和探索，發(fā)現(xiàn)GB/T 17430—2015方法試驗周期長、效率低、與汽車耐高溫實際工況相符性低，ISO 1887:2014方法則比較籠統(tǒng)，缺乏判斷的準確性和有效性；通過反復(fù)驗證還發(fā)現(xiàn)，無機纖維針刺氈在汽車耐高溫(熱處理)環(huán)境下，其耐受性的主要表征是外觀、外形的保持性。為此，本實驗方法，根據(jù)浙江石金公司與國際著名汽車制造商多年合作的實踐經(jīng)驗和用戶大量的實際檢驗測試結(jié)果，參照浙江石金公司的發(fā)明專利ZL2017114164246《無機非金屬纖維長絲耐熱性測試方法》[10]，選用了一種更簡便而且高效的實驗方法，并以試驗前后纖維氈試樣的外觀變化及粘連情況作為耐熱性的主要判定依據(jù)。

將纖維氈裁成150 mm×65 mm×8 mm長方體，置于105 ℃電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中60 min，去除纖維氈上吸附的水分，用電子天平測量纖維氈的質(zhì)量，用游標卡尺測量纖維氈的長度和寬度，用測厚儀測量纖維氈的厚度，得到纖維氈在保溫前的質(zhì)量及尺寸。將2片纖維氈進行疊合，置于不同溫度的馬弗爐中保溫1.5 h，觀察試驗前后纖維氈試樣的外觀變化及粘連情況；并測量保溫后纖維氈的質(zhì)量及尺寸，與保溫前的數(shù)據(jù)進行對比，得到纖維氈的質(zhì)量損失率及尺寸收縮率。

3 實驗過程和分析

3.1 纖維針刺氈在不同高溫下的外觀變化

對2層疊加的纖維氈在不同溫度下保溫1.5h的粘連情況進行對比發(fā)現(xiàn)(表2)，普通玻璃纖維針刺氈在640 ℃會出現(xiàn)少量粘連，在675 ℃則完全粘連在一起，顏色呈白色，氈的尺寸明顯收縮(圖1)；普通玄武巖纖維針刺氈在850 ℃出現(xiàn)少量粘連，在880 ℃和920 ℃則大部分粘連在一起，在850 ℃顏色呈棕黑色，在920 ℃時顏色呈紅褐色，氈的尺寸沒有明顯的變化；高硅氧纖維針刺氈在920 ℃時仍沒有出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，顏色呈白色，氈的尺寸沒有明顯的變化(圖2)。

表2 不同高溫下纖維氈粘連情況

圖1 普通玻璃纖維針刺氈在710 ℃保溫1.5 h后的外觀

圖2 從左到右為玄武巖纖維針刺氈在850 ℃、880 ℃、920 ℃保溫1.5 h后的外觀

在本實驗中，普通玻璃纖維針刺氈在675 ℃保溫1.5 h后已經(jīng)出現(xiàn)完全粘連的現(xiàn)象，可見纖維在該溫度下軟化較為明顯。玻璃纖維的軟化溫度在500～750 ℃[11]，因此耐熱性較差，無法在過高的溫度下進行長期工作。

普通玄武巖纖維針刺氈在640 ℃保溫1.5 h后未出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，在溫度逐漸升高后，出現(xiàn)少量黏連和大部分黏連的現(xiàn)象。這是由于玄武巖連續(xù)纖維有良好的耐熱性，其長期使用溫度最大650 ℃，軟化點為850～900 ℃[12]。

玄武巖纖維針刺氈在高溫下保溫后，顏色出現(xiàn)變化，與其氧化鐵含量有直接關(guān)系。玄武巖纖維中含有大量的氧化鐵，拉制連續(xù)纖維所需玄武巖礦石中，F(xiàn)eO和Fe2O3的最低含量為5%，最高含量為15%[13]。FeO呈黑色，F(xiàn)e2O3呈紅褐色。玄武巖纖維針刺氈在高溫保溫后顏色的轉(zhuǎn)變，是因為其中二價鐵的氧化，化驗分析觀察到有2%～3%的FeO氧化成了Fe2O3。

高硅氧纖維針刺氈在920 ℃保溫1.5 h后未出現(xiàn)粘連，外觀幾乎沒有變化，可見其耐高溫性能良好(圖3)。高硅氧纖維可長期在900 ℃環(huán)境下使用，其軟化點接近1 700 ℃[14]。但是，高硅氧纖維最大的缺陷是纖維的強度極低，且用作汽車消聲器高溫過濾時，易粉化，從而造成汽車尾氣排放的二次污染。

圖3 高硅氧纖維針刺氈在920 ℃保溫1.5 h后的外觀

3.2 纖維針刺氈在不同高溫下的尺寸收縮率

圖4為測得的纖維針刺氈在不同溫度保溫后的尺寸收縮率。由圖4可見，在640 ℃保溫1.5 h后，不同纖維針刺氈都有微量的收縮，但是隨著溫度的升高，普通玻璃纖維針刺氈收縮顯著，在710 ℃收縮率高達20%。而玄武巖纖維針刺氈和高硅氧纖維針刺氈尺寸穩(wěn)定，在920 ℃時，玄武巖纖維針刺氈的尺寸收縮率為4.75%，高硅氧纖維針刺氈的尺寸收縮率為5%。分析其主要原因為普通玻璃纖維的軟化點較低[11]，當溫度過高，纖維逐漸軟化收縮，無法保持原有外形和尺寸。而玄武巖纖維和高硅氧纖維的軟化點較高[12，14]，本實驗中，其在640 ℃～920 ℃保溫1.5 h后尺寸收縮不明顯。

圖4 纖維針刺氈在不同高溫下尺寸收縮率

3.3 纖維針刺氈在不同高溫下的質(zhì)量損失率

圖5為測得的纖維針刺氈在不同溫度保溫后的質(zhì)量損失率。由圖5可見，在640 ℃保溫1.5 h后，不同纖維針刺氈都有質(zhì)量損失，其中玄武巖纖維針刺氈質(zhì)量損失為0.37%，普通玻璃纖維質(zhì)量損失為2.36%，高硅氧纖維針刺氈質(zhì)量損失為3.05%。隨著溫度的升高，不同針刺氈的質(zhì)量損失略有升高，但變化不明顯。當溫度升高到900 ℃以上時，高硅氧纖維針刺氈的質(zhì)量損失突然從3.63%上升至7.52%。分析其原因可能與高硅氧纖維的生產(chǎn)工藝有關(guān)。高硅氧纖維的生產(chǎn)工藝是將合適的原始玻璃纖維制成紗、布等各種制品，經(jīng)過酸瀝濾和熱燒結(jié)工藝制得。酸瀝濾過程中，主要是使原始玻璃纖維中的B2O3和Na2O組分瀝濾出來，使SiO2富集量達到96%以上的微孔硅氧骨架，然后再經(jīng)600～800 ℃的高溫燒結(jié)，使微孔閉合。本實驗中高硅氧纖維針刺氈如此高的質(zhì)量損失，可能是由于燒結(jié)不充分[14]。目前我國的行業(yè)標準和國軍標都規(guī)定了高硅氧纖維是指SiO2含量大于或等于96%的玻璃纖維制品，不同的SiO2含量可能也會影響其實驗質(zhì)量損失率[15]。

圖5 纖維針刺氈在不同高溫下質(zhì)量損失率

4 結(jié)論與展望

通過對比研究普通玻璃纖維針刺氈、玄武巖纖維針刺氈、高硅氧纖維針刺氈的耐熱性能，主要研究結(jié)論如下：

(1)試驗用普通玻璃纖維針刺氈耐熱性在640 ℃左右，玄武巖纖維針刺氈的耐熱性在850 ℃左右，高硅氧纖維針刺氈的耐熱性超過920 ℃。

(2)普通玻璃纖維針刺氈在710 ℃左右尺寸明顯收縮，玄武巖纖維針刺氈在880 ℃以下尺寸收縮率比高硅氧纖維針刺氈的小，880 ℃以上時，高硅氧纖維針刺氈的尺寸收縮會保持穩(wěn)定。

(3)在640～710 ℃，不同纖維針刺氈都有質(zhì)量損失，其中玄武巖纖維針刺氈質(zhì)量損失最少，高硅氧纖維針刺氈質(zhì)量損失最高。隨著溫度的繼續(xù)升高，玄武巖纖維針刺氈的質(zhì)量損失變化不明顯。當溫度升高到900 ℃以上時，高硅氧纖維針刺氈的質(zhì)量損失急劇上升。

總的來說，玄武巖纖維針刺氈的耐熱性顯著優(yōu)于普通玻璃纖維針刺氈，低于高硅氧纖維針刺氈。但高硅氧纖維價格是玄武巖纖維的2倍及以上，且纖維的強度遠遠不及玄武巖纖維。可見，玄武巖纖維針刺氈是一種綜合性能好，具有綠色屬性，可應(yīng)用于汽車耐高溫領(lǐng)域的高性價比材料。