玻纤滤料的表面处理

范凌云，黄箭玲，何 宏，高 政，周 诚

(南京玻璃纤维研究设计院，江苏 南京 210000)

1 前言

表面处理是将玻璃纤维织物由材料变成产品的一道重要工序。玻璃纤维(玻纤)是一种工程材料，具有不燃、耐腐蚀、耐高温、吸湿小、伸长小等优良性能。但玻纤由于比表面积过大，纤维表面存在缺陷，导致玻纤自身不具备很好的耐腐蚀性、憎水性以及耐磨性，它的曲挠性与合成纤维相差很远。为了改善玻纤滤布的耐折、耐酸碱性能，提高清灰能力，改善憎水憎油等特性，在具体的工况条件下使用，玻纤过滤布必须进行表面处理，赋予其优良的耐温、耐腐蚀和机械特性[1-2]。

通过表面处理，玻璃纤维织物的耐磨、耐折和耐腐蚀性能得到大幅度提高，从而满足高温烟气过滤的要求。目前，在我国高温烟气过滤的工业部门中，玻纤过滤材料占主导地位。一方面，很多烟气过滤的温度都超过200 ℃，如水泥、炭黑、高炉煤气等的过滤温度达到250 ℃左右，另一方面，玻纤比耐高温的合成纤维如Nomex，Ryton等经济适用且防火。

2 表面处理工艺简介

表面处理工序将玻璃纤维织物变成一种产品。玻璃纤维表面处理工艺可分为前处理法、迁移法和后处理法。前处理法由于技术难度较高，当前除少数产品使用外，仍处于探索、研究阶段。迁移法操作简单，无需复杂的处理设备，但处理效果不佳，逊于后处理法，应用领域较窄。后处理是现在玻纤织物通常采用的处理工艺。它包括热处理(热清洗)和后处理(化学处理)两个阶段，以完成表面清除和被覆。这就是通常所指的玻璃纤维表面处理。

热处理是将玻璃纤维织物在一定生产条件、一定温度下加热，使其被覆的浸润剂组分分解、碳化、燃烧而除去的工艺。对纺织型浸润剂的原丝制成的纺织品，必须除去这些浸润剂，因为它们会妨碍玻纤织物与树脂、橡胶和其他物质的结合。热处理的效果是通过玻纤布上浸润剂残留量与布的强度保留率来判别。即既要使布有低的浸润剂残留量，又要有高的强度。经过热清洗除去了布上附着的有机物之后的过滤布强力大为降低，需要通过化学处理来改善玻璃与树脂的结合界面，恢复提高玻纤织物的性能。

化学处理目前常用方法是对经过热清洗的玻纤制品进行化学处理液的浸渍，然后通过一定温度的烘焙，使玻纤制品的表面包覆一层化学处理液，从而赋予玻纤制品特定的性能。较低浸润剂残留量的热清洗玻纤布可更易进行化学处理液的包覆。化学处理液成分不同，赋予玻纤制品性能也存在一定差异，根据玻纤制品具体使用工况条件，选择合适的化学处理液，从而满足使用的需要，是化学处理工序中的一个重要步骤。

3 表面处理的原理简介

在工况使用过程中，玻纤的力学性能下降，不耐腐蚀是玻纤滤袋破裂的主要原因[1-6]。通过对玻纤织物的表面处理，可增强玻纤的力学性能和化学性能，赋予玻纤织物不同的特性，应用于各种复杂工况条件。

3.1 表面作用原理

表面处理机理即硅烷偶联剂作用的机理。在表面处理过程中，偶联剂所起的作用十分重要，它起到了将树脂和玻纤结合的桥梁作用，并和处理剂中的其他组分作用，从而赋予玻纤防水防腐等性能。

玻纤表面处理作用是在玻纤表面覆盖一层偶联剂，与纤维表面的玻璃分子发生化学作用，使玻璃表面与大气隔绝，避免金属化合物的吸水作用，同时偶联剂又能与高聚物基体发生物理或化学作用，使玻纤与树脂基体靠偶联剂的偶联紧密地黏合在一起。对玻纤的表面处理通常用硅烷偶联剂、有机络合物偶联剂、酞酸酯偶联剂等。我们常用的是有机硅烷类偶联剂，其具体作用机理如下。

有机硅烷分子由三个结构单元组成，可用下式表示：

Y—R—SiX3

其中：Y为有机官能团，它能与有机介质反应形成化学键结合。在水解中大体稳定，而且以热稳定的方式与硅原子结合。R为亚烷基，它的作用

是将有机官能团和硅脂基连接起来。SiX3为硅脂基，它能与玻纤表面反应形成化学键结合。X表示与硅原子结合的水解性基团。硅烷偶联剂水溶液用作处理剂时，这些基被水解，生成硅烷醇和HX。

即偶联剂分子的—SiX3反应生成物会对被处理的无机相起黏结作用。硅烷偶联剂的同一分子中的不同部分分别与玻纤和树脂中的不同成分黏结，从而改善了有机相和无机相之间的黏结。

硅烷偶联剂与玻纤和树脂的结合程度决定了处理液树脂对单根玻纤的包覆程度，同时也决定了玻纤的性能。处理液树脂完全、极少包覆玻纤表面的情况分别见图1、图2。

图1 处理液树脂完全包覆玻纤表面

图2 处理液树脂极少包覆玻纤表面

从表1可知,经过热处理的玻纤基布即脱蜡布力学性能相对降低，但经过表面处理后力学性能得到恢复。

表1 表面处理前后玻纤布的性能比较

3.2 耐腐蚀防护机理

在实际应用中，玻璃纤维在水汽、酸性介质等的腐蚀下，会逐渐失去优良性能，对其进行表面处理，在玻纤表面包覆一层化学物质，除了赋予玻纤优异的力学性能和物理性能外，同时也起到防止酸碱直接接触玻璃纤维、有效地保护玻纤的作用。表面处理过程的防护机理如下：

(1)第一层阻拒作用

在玻纤的最外层进行高等级的防水防油处理，可降低其表面能，使酸碱难以沾附在玻纤表面，延缓酸碱对滤材的渗透及损伤。此阻拒层起到抗酸、碱、油污的作用。

(2)第二层阻隔作用

在玻纤基布上包覆耐酸碱的化学材料，例如丙烯酸酯、聚氨酯、橡胶类、四氟乙烯类等，形成耐酸碱腐蚀的保护膜，减轻酸碱对玻璃纤维的损伤。这层包覆在玻纤表面的薄膜形成了防止酸碱溶液侵犯玻纤布的第二道防线。

4 表面处理配方发展进展

玻璃纤维的表面处理过程，实际上是有机高分子与无机材料通过偶联剂结合的过程，高效的联结才能更好保护玻璃纤维滤料使其不受物理损伤及化学侵蚀。经过表面化学处理的玻纤滤料较玻璃纤维素布各方面性能均有明显的提高。表面处理液中的不同成分赋予了玻纤织物特定的性质。目前，针对不同的工况，我国玻纤制品已有多类型涂覆配方，如通用型的硅油-石墨-聚四氟乙烯配方(PSI)，钢铁工业高炉煤气用配方(FS2)，通用型耐酸配方(RH)，水泥工业用抗结露配方(FCA)等等。但是，工业发展日新月异，烟气成分和温度日趋复杂，如何适应工业发展要求，进行玻纤表面处理配方的更新，赋予玻纤滤料更多功能特性，是一门需要长期研究的课题。

近些年，除对玻纤织物表面进行硅烷处理外，国际上又开发了一些处理技术。在玻纤织物表面涂上各种涂层，对织物进行改性，大大扩大了玻纤织物的应用范围。例如十年前我们处理技术不过关，逐渐停止了贴墙布的生产和应用，而就在这时欧洲则以新的处理剂和涂料又开发了墙布。目前已经工业化的处理剂有沥青、石墨、聚氯乙烯、丙烯酸酯、硅橡胶和树脂、聚四氟树脂、金属(铜、镍)、无机处理剂(如泡沫陶瓷、鳞片蛭石)等以及它们的各种改性材料。经这些处理剂涂层的玻纤织物可直接用于防水、耐候、高温气体过滤、绝热、阻燃、防火、导电、热和辐射反射等场合。最近以丙烯酸酯系列较为活跃。

国内有学者研究了在表面处理液中加入特性改性剂(稀土氧化物[7]、纳米粒子等)、进行玻纤表面接枝等，以改善材料性能。梁正海等[8]通过在RH配方中添加纳米SiOx的方法，考察了纳米粒子的加入对玻纤基布性能的影响，研究得出，纳米粒子的加入固含量达到4%，滤布的强力和耐着性能均达到最大值。周晓东等[9]成功在玻璃纤维的表面接枝上橡胶分子链，赋予玻璃纤维表面一个柔软层，增强整个界面的承载能力。胡福增等[10]成功在玻璃纤维表面接枝上聚烯烃，该接枝聚烯烃与基体树脂是同类或有很大亲和性的聚合物，玻纤表面的聚烯烃与基体树脂有充分的相容性，接枝聚烯烃在玻璃纤维和基体树脂间形成了过渡层，通过聚烯烃的分子设计可控制过渡层的结构和厚度，从而有效地提高材料的性能。

关于玻纤织物的表面处理要引起全行业的重视，要比较普遍地研究、开发和使用。借鉴和移植化学工业在处理剂、树脂、塑料改性和涂料方面的新技术，使玻纤织物升值。

5 前景与展望

我国在玻纤行业“十一五”规划中提出了提高工艺技术和装备水平，探索先进的纺织加工和表面处理技术，生产多品种的玻纤制品，以更好地满足各种不同应用领域的要求[11]。政府对大气环境治理的要求更高、更坚决，袋式除尘器应用领域及范围不断扩大，作为袋式除尘系统关键部件的过滤材料特别是高温过滤材料需求增大，玻纤滤料行业面临巨大的市场和契机。随着国民经济发展和社会进步，垃圾焚烧、钢铁、炭黑以及水泥行业的烟气温度和成分也日趋复杂，原有的表面处理配方和产品已逐渐不能满足市场的需要，进行玻纤表面处理和配方的探索和研究，增强玻纤滤料的功能和性能，满足不同条件的使用要求，是一项急迫且长期的任务。

[1]张耀明，李巨白、姜肇中．玻璃纤维与矿物棉全书[M]．北京：化学工业出版社，2001.

[2]高峰.纤维滤材过滤特性研究[D].天津:天津大学环境学院，2004.

[3]喻同信.滤袋使用寿命预计的必要性及其判据[J].工业安全与环保，2002，11(28):6-8.

[4]付晓玲,侯广超.我国水泥工业环保技术的现状与前景[J].新世纪水泥导报，2009(5):47-52.

[5]Thomas C．Savage.炭黑工业中的织物过滤[J].唐昆 译.炭黑工业,2003(6)：13-16.

[6]蔡纯志.袋式除尘技术的发展[J].水泥科技,2007(9)：52-54.

[7]杨梦塑,沈丽华,穆素芬.稀土氧化物对抗碱玻璃纤维耐腐蚀性能的影响[J].硅酸盐通报,1993(5):14-18.

[8]梁正海,何朝远,赵东波.纳米材料改善玻纤滤料表面处理性能的研究[J].玻璃纤维,2004(5)：21-27.

[9]周晓东，陈德东 ，林群芳，戴干策.橡胶分子链在玻璃纤维表面的接枝[J].高分子材料科学与工程,2001,1(17):137-140.

[10]胡福增,薛志云,郑安呐,吴叙勤.玻璃纤维表面的聚苯乙烯接枝[J].高分子材料,1995(3)：1-4.

[11]张福祥,王乐.我国玻璃纤维制品深加工发展探讨[J].新材料产业,2008(11):47-49.