微纤维玻璃棉耐辐照性能探讨

严洁，王莹，胡晓侠，陈阳

(中材科技股份有限公司，南京 210012)



微纤维玻璃棉耐辐照性能探讨

严洁，王莹，胡晓侠，陈阳

(中材科技股份有限公司，南京 210012)

摘 要：介绍用于核电行业高效粒子空气过滤纸原材料微纤维玻璃耐辐射性能的重要性，分析了微纤维玻璃的主要化学成分以及各成分对微纤维玻璃耐辐射性能的影响，通过实验探究了微纤维玻璃棉辐射性能的影响机理。

关键词：微纤维玻璃棉；核电站；辐照；滤纸

0前言

核电是将原子核裂变产生的能量转化为电能的过程。与火力发电相比，核电只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，且每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。同时核电是安全、清洁、低碳、可靠的能源。为了响应节能、环保、减排的政策要求，中国将大力发展清洁电力。目前我国核电站总体国产化率约为50%～60%，规划到2020年国产化率大于80%。如果按核岛、常规岛、辅助设备国产化率分别为70%、80%、90%计算，那么国内核电设备制造商将分享3200多亿元的市场，市场潜力巨大。

美国ASME核电规范与标准AG-1《核电厂空气和气体处理》[1]，对核设施中核安全有关的空气和气体处理系统使用的部件提出了性能、设计、构造、验收试验和设备质量保证的最低要求。其中中效过滤器卷(FB卷)提出了中效过滤器(过滤器效率40%～99%)在核设施中性能、设计、构造、验收试验和设备质量保证方面的要求。高效粒子空气过滤器卷(FC卷)提出了高效过滤器在核设施中，性能、设计、构造、验收试验和设备质量保证方面的要求。国内河南核净有限公司起草的GB/T 17939《核级高效过滤器》[2]基本由美国ASME标准AG-1的FC卷翻译而来。

FC卷中强制性附录FC-Ⅰ规定了用于制造FC卷中所述高效粒子空气过滤器的防火型高效滤纸的要求，明确规定了滤纸的形状和尺寸、物理化学、制造工艺的要求，指出核电站高效过滤器防火型高效滤纸工作环境的辐照条件为γ射线辐照剂量率不超过2.5×104Gy/h，累计剂量达到6.0×105～6.5×105Gy，并对滤纸辐照前后的相关性能做出了明确规定，其中要求滤纸在辐照后纵横向强度衰减小于15%。玻纤滤纸由微纤维玻璃棉经湿法抄造而成，其主要生产工艺有制浆、抄纸、施胶、烘干、卷取。滤纸的纵横向强度主要取决于微纤维玻璃棉纤维之间的相互缠绕及粘结剂。因此，微纤维玻璃棉在辐照后的性能改变，是保证产品耐辐照的关键所在。

1微纤维棉玻璃的化学成分

微纤维棉玻璃的成分构成主要为硅酸盐玻璃，其主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、BaO、ZnO、TiO2、Na2O、K2O、Li2O、B2O3等氧化物，如表1所示。其中SiO2是玻璃形成骨架的主体，它的作用是提高玻璃的熔制温度、粘度、化学稳定性与稳定性、硬度和机械强度，同时它又能降低玻璃的热膨胀系数和密度。Al2O3属于玻璃的中间氧化物。Al2O3在玻璃中，提高了玻璃的熔化温度和玻璃粘度，也提高了玻璃的强度、化学稳定性，且加快玻璃纤维成型时的硬化速度，对纤维成形非常有利。CaO是玻璃结构网络外氧化物，其主要作用是稳定剂，在纤维成型时，可以增加纤维成形的硬化速度，提高纤维产量。MgO、BaO、TiO2同CaO一样，为玻璃结构网络外氧化物，玻璃中以3.5%以下的MgO替代部分CaO，可以使玻璃成型时硬化速度变慢，降低纤维加工时玻璃熔化的析晶倾向，提高玻璃的化学稳定性和机械强度。Na2O、K2O、Li2O同样属于玻璃结构网络外氧化物，碱金属离子(R+)离子居于玻璃结构网络的空穴中，R2O能使玻璃结构中的O/Si比值增高，发生断键，因此可以降低玻璃的粘度，是良好的玻璃熔化助溶剂，R2O可以增加玻璃的热膨胀系数，降低玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械强度。B2O3也是玻璃的形成氧化物，它能降低玻璃膨胀系数，提高玻璃的热稳定性和化学性能，增加玻璃折射率和机械强度[3]。

表1　氧化物分类

2化学成分耐辐照性能分析

材料在射线的照射下，射线的入射粒子与材料晶格原子产生相互作用，它包括碰撞过程和微观结构演化过程，这将导致辐照肿胀和辐照生长等微观结构的变化，在缺陷符合时释放出潜能。γ射线是材料辐照损失的重要因素。γ射线辐照损伤玻璃表现在体内产生色心。色心的产生和玻璃的内部缺陷有关，玻璃网络结构越密实，内部缺陷越少，越有利于阻止色心的产生，其耐辐照性能就越好。通常通过引入高离子场强元素，以增强玻璃的网络密实度、玻璃密度，改善其耐辐照性能[4-5]。

中间体氧化物处于网络空隙中，可以使玻璃密度上升。根据表1，中间体氧化物Al2O3、ZnO、TiO2的增加可提高结构的密实度，实现耐辐照性能的改善。

网络外体碱土金属氧化物离子场强较大，具有吸引阳离子到自己周围的能力，起到积聚网络的作用。由表1可知，CaO、BaO、MgO、ZnO均为碱土金属氧化物，其中BaO相对场强最小。

而网络外体碱金属氧化物的场强，从Li2O到Na2O再到K2O，逐步降低。因此，Na2O含量高于K2O含量将有助于提高玻璃的耐辐照性能[6]。

3微纤维玻璃棉耐辐照性能验证

综合考虑各种氧化物的耐辐照性能、微纤维玻璃棉生产工艺要求、产品成本这几方面因素，确定微纤维玻璃棉化学成分配方，并加工成微纤维玻璃棉。成分如表2所示。

表2　微纤维玻璃棉化学成分表　%

按照美国ASME核电规范与标准AG-1《核电厂空气和气体处理》中，FC卷中强制性附录FC-Ⅰ的要求，将上述三种配方的微纤维玻璃棉经过辐照剂量率不超过2.5×104Gy/h，累计剂量达到6.0×105～6.5×105Gy的γ射线照射，对比三种配方微纤维玻璃棉辐照前后实验室抄片的强度衰减，最终确定原料配方。

主要设备和仪器：纤维标准解离器；电子天平；快速纸页成型器；恒温干燥箱；ZL-100 A型纸与纸板抗张试验机；辐照测试，南京辐照中心。

试验结果如表3所示。从试验结果可以看出，配方1强度的衰减度低于强制性附录FC-Ⅰ的要求，且为三种配方中性能最佳方案，固确定配方1为满足美国ASME核电规范与标准AG-1中，FC卷中强制性附录FC-Ⅰ要求的辐照环境中过滤纸生产的微纤维玻璃棉化学成分。

表3　微纤维棉辐照前后强度衰减试验结果

4结论

纤维玻璃的化学成分按照网络形成体、网络外体及中间体分类的不同，对纤维的耐辐照性能起着不同的作用，同时辐照源及辐照剂量的不同，会对纤维造成不同的损伤，也会对纤维玻璃的化学成分有不同的要求。

参考文献

[1]AG A.1-2012，Code on Nuclear Air and Gas Treatment[S].American Society of Mechanical Engineers.

[2]GB/T 17939-2015，核级高效过滤器[S].中国国家标准化管理委员会.

[3]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.

[4]祖群，陈士洁，孔令珂.高强度玻璃纤维研究与应用[J].航空制造技术，2009(15)：92-95.

[5]王琦.无机非金属材料工艺学[M].北京：中国建材工业出版社，2005.

[6]西北轻工业学院.玻璃工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2006.

Exploration of Radiation Resistance Performance of Glass Microfibers

Yan Jie，Wang Ying，Hu Xiaoxia，Chen Yang

(Sinoma Science & Technology Co.Ltd.，Nanjing 210012)

Abstract:The importance of radiation resistance of glass microfibers used in high performance filter paper of air and particles in nuclear power industry is briefed，and the main chemical components in microfiber glass and their influences on the radiation resistance of glass microfibers are analyzed.

Key words:glass microfiber；nuclear power station；radiation；filter paper

中图分类号：TQ171.77+1.12

文献标识码：A

收稿日期：2016-01-27

作者简介：严洁，女，1963年生，教授级高工。主要从事微玻璃纤维方向的研究。

修回日期：2016-05-07