1~4μm級Na2O-CaO-B2O3-SiO2超細離心噴吹玻璃棉關(guān)鍵制備技術(shù)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(lǐng)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(yīng)用大部分局限于建筑和工業(yè)保溫領(lǐng)域。不能滿足一些尖端行業(yè)領(lǐng)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(shè)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(shù)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)和形貌；采用導(dǎo)熱系數(shù)儀測試不同直徑玻璃棉的常溫和高溫導(dǎo)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(jié)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(shè)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(zhuǎn)的離心盤中受到離心力作用透過離心盤側(cè)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(zhuǎn)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。
　?。?）研究了纖維直徑和密度對玻璃棉

7、導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)越低，平均直徑1.1μm的棉氈導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)路徑延長，氣體熱對流效果得到有效降低。
　?。?）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(jié)果脫堿（Na+），Na+的遷移又導(dǎo)致了玻璃中硅氧鍵與OH-反應(yīng)的水解循環(huán)過程。
　　（5）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(dǎo)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