1~4μm級Na2O-CaO-B2O3-SiO2超細離心噴吹玻璃棉關鍵制備技術與性能研究.pdf

1、玻璃棉是一種性能優(yōu)異的棉狀無機多孔材料，具有質(zhì)輕、絕熱吸音性能優(yōu)異、耐溫、A級不燃等特點，可廣泛用于交通運輸、核電、冷藏、建筑、工業(yè)等行業(yè)的保溫絕熱領域。目前國內(nèi)玻璃棉保溫材料纖維粗（6～8μm）、密度大（30～100kg/m3）、保溫隔熱性能差（0.037～0.05W/(m?K)），并且容易刺癢皮膚和引發(fā)人體呼吸道疾病，應用大部分局限于建筑和工業(yè)保溫領域。不能滿足一些尖端行業(yè)領域（如飛機、艦船、潛艇等）對其輕質(zhì)、高隔熱性能、人體無害化

2、的要求。本文設計了人體可溶性Na2O-CaO-MgO-B2O3-Al2O3-SiO2多元系統(tǒng)玻璃成分，采用高速離心噴吹技術制備了平均直徑低至1.1μm的超細玻璃棉，研究了纖維直徑對玻璃棉材料保溫絕熱性能和熱-力學性能的影響，并分析了離心玻璃纖維形成過程，提出了超細玻璃棉保溫絕熱機理。同時針對歐洲European Commission ECB/TM/27標準，研究了Na2O-CaO-MgO-B2O3-Al2O3-SiO2多元系統(tǒng)玻璃棉對大

3、鼠的生物可溶性和不同直徑纖維對人體支氣管上皮細胞（BEAS-2B）活性的影響規(guī)律和影響機理。
　　本文采用旋轉高溫粘度儀測試不同成分的玻璃液在不同溫度下的粘度；采用梯度爐利用強制結晶法測試不同成分玻璃的析晶程度；采用X射線衍射儀（XRD）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）、掃描電鏡（SEM）和X射線三維顯微鏡觀察分析玻璃棉的組織結構和形貌；采用導熱系數(shù)儀測試不同直徑玻璃棉的常溫和高溫導熱系數(shù)；采用單纖維電子強力儀和萬能試

4、驗機測試纖維單絲強度和棉氈強度；采用動態(tài)機械分析儀測試玻璃塊和玻璃棉的內(nèi)耗；采用差熱-熱重（DSC-TG）和X射線光電子能譜（XPS）分析玻璃棉吸水老化影響；采用大鼠氣管滴注實驗分析玻璃棉在大鼠肺中可溶性；采用細胞活性測試（MTS法）、熒光顯微鏡、流式細胞儀檢測分析細胞活性、凋亡和死亡率；采用DCFH-DA探針分析細胞內(nèi)活性氧（ROS）水平；采用Western Blot測試分析玻璃棉致細胞凋亡機理。本文創(chuàng)新性的成果和結論如下：
　

5、?。?）系統(tǒng)開展了離心噴吹法制備超細玻璃棉的研究，設計了生物可溶性超細玻璃棉成分：SiO2：65.5％，Al2O3：1.5%，CaO：7%，MgO：3%；Na2O+K2O：18%；B2O3：5%。
　?。?）分析了離心玻璃纖維成形過程。玻璃液成纖主要經(jīng)歷三個階段：a.玻璃液在高速旋轉的離心盤中受到離心力作用透過離心盤側壁孔隙甩出形成一次纖維，在離心力（Fc）和重力（G）的合力（F1）作用下，直徑1mm～0.3mm的一次纖維呈一定角

6、度逐漸向下成形；b.一次纖維在F1作用下通過環(huán)形火口時，被高溫高速氣流（Fat）拉伸，沿合力（F2）方向以更大的角度轉折向下。同時，一次纖維表面被高溫氣流不斷加熱，粘度變低，同時不斷被高速氣流拉伸向下，并連續(xù)的變長變細，形成二次纖維；c.二次纖維經(jīng)過垂直向下的高壓低溫氣幕（Fcold），在下落過程中高溫長細纖維被再一次牽伸，由于氣流溫度急劇下降，二次纖維粘度很快增大，最后斷裂并硬化成玻璃棉。
　　（3）研究了纖維直徑和密度對玻璃棉

7、導熱系數(shù)的影響規(guī)律，提出了超細玻璃棉保溫絕熱機理。玻璃纖維直徑越細，棉氈導熱系數(shù)越低，平均直徑1.1μm的棉氈導熱系數(shù)最低可以達到26mW/(m?K)（密度為40kg/m3）。纖維直徑相同的情況下，棉氈導熱系數(shù)隨著密度的增加，有先降低后平穩(wěn)，再升高的趨勢。細纖維棉內(nèi)部的氣孔單胞數(shù)量遠多于粗纖維棉，孔徑遠小于粗纖維棉，同時由于纖維數(shù)量增加，固體熱傳導路徑延長，氣體熱對流效果得到有效降低。
　　（4）研究了纖維直徑對玻璃棉單絲纖維和棉

8、氈熱-力學性能的影響，以及含水率對玻璃棉熱學性能的影響。玻璃棉吸濕侵蝕是玻璃中的非橋氧產(chǎn)生弱酸鹽水解，結果脫堿（Na+），Na+的遷移又導致了玻璃中硅氧鍵與OH-反應的水解循環(huán)過程。
　?。?）研究了Na2O-CaO-MgO-B2O3-Al2O3-SiO2多元系統(tǒng)玻璃棉生物可溶性和細胞毒性，分析了玻璃棉的生物可溶性機理，提出了不同直徑玻璃棉刺激誘導人體支氣管上皮細胞（BEAS-2B）細胞凋亡機理。纖維直徑和纖維濃度對細胞活性有細度