一种玻璃微纤维棉及滤纸的制作方法

1.本发明涉及无机非金属材料领域，更具体地讲，涉及一种玻璃微纤维棉及滤纸。


背景技术：

2.玻璃微纤维棉是一种性能优异的无机非金属材料，具有绝缘、耐热、阻燃、高强度等特性，广泛应用于过滤材料、防护材料、分离材料(聚结)、屏蔽材料、保温隔音等领域。
3.根据不同的应用，玻璃微纤维棉需要设置不同的特性，例如抗拉强度，纤维直径分布，渣球含量和耐酸碱能力等。在一般情况下，为了提高玻璃微纤维棉的抗拉强度，人们常常通过减少纤维分布标准差来实现，但会导致玻璃微纤维棉中渣球含量提高、耐酸浸泡重量损失提高，还有可能影响辐照后的强度损失率增加，这些并不是我们所希望的，因此，人们迫切期望有性能平衡的玻璃微纤维棉以满足生产生活需要。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种抗拉强度、纤维直径分布集中度、渣球含量、耐酸碱能力之间具有很好平衡性能的玻璃微纤维棉。
5.本发明的一个方面提供了一种玻璃微纤维棉，可以包含以下重量份数的组分：50～65.5份的sio2，1.5～10份的a12o3，7～16份的b2o3，8～21份的ro，2～15份的mo，2～7份的zno，其中，ro为玻璃微纤维棉组分中的li2o，na2o以及k2o之和；mo为玻璃微纤维棉组分中的mgo，cao和bao之和。
6.进一步地，玻璃微纤维棉还可以包含3～6份的bao以及2.5～6份的zno。
7.进一步地，玻璃微纤维棉还可以包含0～0.3重量份的zro2。
8.进一步地，玻璃微纤维棉还可以包含0～0.2重量份的tio2。
9.进一步地，按重量份数计ro可以由0.01～5份的li2o，5.2～13份的na2o以及1～3份的k2o组成。
10.进一步地，按重量份数计mo可以由0～1.5份的mgo，0.1～5.5份的cao以及2～7份的bao组成。
11.进一步地，玻璃微纤维棉的纤维平均直径可以为0.1μm～10μm，纤维直径分布标准差可以≤1.4。
12.进一步地，可以包含以下重量份数的组分：52～64份的sio2，2～10份的a12o3，15～16份的b2o3，0.01～5份的li2o，9～13份的na2o，1～3份的k2o，0～1.5份的mgo，0.1～5.5份的cao，2～7份的bao以及2～7份的zno。
13.本发明的另一方面提供了一种滤纸，所述滤纸可以由以上所述的玻璃微纤维棉制备得到。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果至少包含以下中的至少一项：
15.(1)本发明玻璃微纤维棉具有较好的抗拉强度和辐照后抗拉强度，较小的纤维直
径分布标准差、渣球含量以及酸浸泡重量损失，抗拉强度、辐照后抗拉强度、纤维直径分布标准差、渣球含量以及酸浸泡重量损失之间有很好的平衡性，玻璃微纤维棉综合性能优异，具有较好的化学稳定性和热稳定性。
16.(2)本发明的滤纸不易破损，使用寿命长。
附图说明
17.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
18.图1为示例1打浆度为19度的玻璃微纤维棉sem图。
19.图2为示例2打浆度为34度的玻璃微纤维棉sem图。
20.图3为对比例打浆度为34度的微纤维玻璃棉sem图。
具体实施方式
21.在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的一种玻璃微纤维棉及滤纸。
22.具体来讲，人们为了使玻璃微纤维棉某一特定性能满足要求，会不断追求优化该性能达到最优值，而此时，在追求该性能的同时却往往忽略了对其他性能造成的影响，造成玻璃微纤维棉的整体性能受到影响，例如，为了提高玻璃微纤维棉的抗拉强度，常常通过调整玻璃成分含量，减少纤维分布标准差来实现，但常会导致玻璃微纤维棉中渣球含量提高、耐酸浸泡重量损失提高，还有可能影响辐照后的强度损失率增加，然后这些并不是我们所希望的。因此，人们期望获得性能平衡、综合性能优异的玻璃微纤维棉。
23.本发明的一方面提供了一种玻璃微纤维棉，在本发明玻璃微纤维棉的一个示例性实施例中，玻璃微纤维棉可以包含以下重量份数的组分：
24.50～65.5份的sio2，1.5～10份的a12o3，7～16份的b2o3，8～21份的ro，2～15份的mo，2～7份的zno，其中，
25.ro为玻璃微纤维棉组分中的li2o，na2o以及k2o之和；
26.mo为玻璃微纤维棉组分中的mgo，cao和bao之和。
27.具体地，50～65.5份的sio2和1.5～10份的a12o3相互配合，可以提高玻璃液粘度、熔融温度，提高玻璃纤维化学稳定性、机械强度。若sio2的重量份低于50份且a12o3的重量份低于1.5份，达不到提高玻璃微纤维棉的化学稳定性和机械强度；若sio2的重量份超过65.5份且a12o3的重量份超过10份，会使玻璃微纤维棉的渣球含量、酸浸泡重量损失提高，增加了纤维直径分布标准差，从而影响滤纸均匀性，泄露增多，影响过滤性能。
28.b2o3的引入量可以为7～16份，在该范围重量份数范围内可以降低玻璃熔融温度、热膨胀系数和析晶性，提高玻璃微纤维棉化学稳定性，降低纤维标准差。b2o3的含量小于7份，提高玻璃微纤维棉的化学稳定不明显；若b2o3的含量大于16份，会降低玻璃纤维机械强度，从而影响滤纸的强度、挺度和使用寿命。
29.玻璃微纤维棉可以含有8～21重量份的ro，可以降低纤维直径分布标准差，使玻璃微纤维棉具有更好的化学稳定性和热稳定性。若ro的含量大于21份，会显著降低玻璃纤维化学稳定性、热稳定性；若ro的含量小于8份，会增加玻璃纤维渣球含量。
30.玻璃微纤维棉可以含有2～15份的mo，可以使玻璃纤维具有耐久性，特别是耐水侵蚀，并且可以提高玻璃化学稳定性、硬度、机械强度。并且，碱金属在玻璃结构中起到填充网络空隙的作用，可以对玻璃纤维的密度起到调节作用，另外，通过添加上述含量的碱土金属氧化物，玻璃纤维的氧离子对阳离子最外层电子云发生较大变化，使其极化率增加，从而提高介电常数。mo的含量过高，会提高酸浸泡重量损失，影响滤纸的耐候性能和使用寿命，因此，将mo引入的含量限制在15份以下。例如，玻璃微纤维棉按重量份数计包含4份的mo、8份的mo、10份的mo、或者13份的mo。
31.玻璃微纤维棉包含2～7份的zno，可以增强玻璃微纤维棉的化学稳定性，并可以增强滤纸的耐酸性和抗水性。
32.进一步地，玻璃微纤维棉按重量份数计可以包含：3～6份的bao以及2.5～6份的zno。bao和zno相互促进，共同影响了玻璃微纤维棉的化学稳定性、柔软性、光泽度以及由其制备的滤纸的使用寿命。在上述范围内的bao和zno，相比于加入的单个氧化物，能够进一步增强滤纸的耐酸性和抗水性能，并同时大幅度提高玻璃纤维的化学稳定性、柔软性和光泽度，将滤纸使用寿命再提高2％以上。
33.进一步地，玻璃微纤维棉中可以含有按重量份数计0～0.3份的zro2(氧化锆)。当然，对于本发明的玻璃微纤维棉可以含有zro2，也可以不含zro2。优选地，可以引入zro2。zro2是中间体氧化物，引入不大于0.3份的zro2，能降低玻璃析晶温度，使拉丝作业温度加宽，提高玻璃的黏度、硬度、弹性、化学稳定性，降低玻璃的热膨胀系数，形成具有良好化学稳定性和热稳定性的玻璃纤维，可以促进提高玻璃纤维过滤纸的化学稳定性和热稳定性。zro2引入的量不能太高，当超过0.3份后，可能会增加玻璃析晶倾向和析晶温度，导致玻璃纤维粘度过高，难以形成纤维。例如，引入的zro2的份数可以是0.2份或者0.25份或者0.18份。
34.进一步地，玻璃微纤维棉还可以包含0～0.2重量份的tio2。tio2作为过渡金属氧化物，具有很高的极化作用，可以提高玻璃纤维的介电常数。tio2的含量高于0.2重量份时，可能会造成析晶温度升高，难以形成纤维。
35.进一步地，按重量份数计ro可以由0.01～5份的li2o，5.2～13份的na2o以及1～3份的k2o组成。li2o(氧化锂)在玻璃结构中的是网络外体氧化物，主要为增加积聚的作用，能使比例膨胀系数降低，结晶倾向变小。优选地，li2o的重量份数可以为1～5份，此时，可以提高玻璃微纤维棉的质量，相比于其他li2o份数的加入量，抗水解性提高了20％～30％，抗酸能力提高了30％～35％，并同时还可以提高玻璃微纤维棉制备得到的滤纸的化学稳定性和过滤性能。引入的li2o超过5份，会破坏玻璃中的si-o-si键而形成si-o-li键，导致玻璃微纤维棉的强度下降，并明显地提高了制备成本。na2o的重量份控制在5.2～13份，在该范围内能够使玻璃具有适宜的熔融温度、粘度和析晶性，会相应的提高玻璃微纤维棉的化学稳定性和热稳定性，并能提高玻璃表面的导电性、介电常数和热膨胀系数；若na2o的重量份小于5.2份或大于13份，会降低微纤维玻璃纤维的化学稳定性和热稳定性。1～3重量份的k2o能给出最大能力的游离氧，增加玻璃的光泽的同时降低玻璃析晶能力，并且该范围内的k2o还能使漏板拉丝温度有所提高。优选地，通过1～5份的li2o，5.2～12份的na2o以及1.2～2.8份的k2o相互配合设置，能够降低玻璃纤维渣球含量的同时，最大限度的提高玻璃纤维的化学稳定性和热稳定性。例如，按重量份数计ro可以由1份的li2o，5.6份的na2o以及1.3份的k2o
组成；还例如，按重量份数计ro可以由2.5份的li2o，10.2份的na2o以及2.1份的k2o组成；再例如，按重量份数计ro可以由4.2份的li2o，12.1份的na2o以及2.8份的k2o组成。
36.进一步地，按重量份数计mo可以由0～1.5份的mgo，0.1～5.5份的cao以及2～7份的bao组成。具体地，cao限定在0.1份～5.5份，当cao过低，会降低玻璃纤维的密度；当cao含量超过5.5份，玻璃微纤维棉的节点常数较低。bao与玻璃微纤维棉的耐酸性、抗水能力相关。2～7份的bao能够增强玻璃微纤维棉的耐酸性、抗水能力，降低玻璃纤维的熔制温度，同时提高玻璃纤维的化学稳定性、柔软性和光泽度，增加滤纸使用寿命。当bao超过7份，会增加纤维标准差，增加能耗和成本。玻璃微纤维棉可以含有mgo也可以不含有mgo，优选地，可以含有不超过1.5重量份的mgo，例如，mgo的含量可以为1.2份或者0.8份。
37.这里，需要说明的是，上述组分的sio2、a12o3、b2o3、zno以及zro2之间的组分配比相互配合，能够使玻璃微纤维棉具有更好的平衡性，更能体现玻璃微纤维棉的综合性能。优选地，玻璃微纤维棉按重量份数计包含：52～64份的sio2，2.5～8.7份的a12o3，9.6～14.3份的b2o3，2.2～6.4份的zno以及0～0.25份的zro2，此时，可以更好地体现玻璃微纤维棉性能的平衡性。例如，玻璃微纤维棉按重量份数计可以包含：55份的sio2，3.2份的a12o3，10.2份的b2o3，3.5份的zno以及0.1份的zro2。再例如，玻璃微纤维棉按重量份数计可以包含：62份的sio2，6.8份的a12o3，12.4份的b2o3，5.3份的zno以及0.2份的zro2。玻璃微纤维棉的其他组分为在制备玻璃微纤维棉中不可避免的杂质或其他添加元素。
38.进一步地，玻璃微纤维棉按重量份数计可以包含：50～65.5份的sio2，1.5～10份的a12o3，7～16份的b2o3，2～7份的zno，0～0.3份的zro2、0～0.2份的tio2、8～21份的ro、2～15份的mo，其中，按重量份数计ro可以由0.01～5份的li2o，5.2～13份的na2o以及1～3份的k2o组成；按重量份数计mo可以由0～1.5份的mgo，0.1～5.5份的cao以及2～7份的bao组成。例如，包含以下重量份数的组分：52～64份的sio2，2～10份的a12o3，15～16份的b2o3，0.01～5份的li2o，9～13份的na2o，1～3份的k2o，0～1.5份的mgo，0.1～5.5份的cao，2～7份的bao以及2～7份的zno。
39.以上，需要说明的是，本发明的玻璃微纤维棉的组分可以由以上记载的各组分元素组成，也可以还包含一些不可避免的杂质或者一些可增强其性能的其他组分。
40.进一步地，多根玻璃纤维的平均直径在0.1μm～10μm，纤维直径分布标准差≤1.4，在上述平均直径和纤维直径分布标准差的范围内，玻璃微纤维棉具有不小于10n/cm2以上的抗拉强度。例如，多根玻璃纤维的平均直径为2μm，纤维直径分布标准差≤1.3；或者多根玻璃纤维的平均直径为5μm，纤维直径分布标准差≤1.2；多根玻璃纤维的平均直径为7.2μm，纤维直径分布标准差≤1.1。
41.通过本发明组分的玻璃微纤维棉，其抗拉强度可以达到9n/cm2～80n/cm2，辐照后抗拉强度可以达到6.5n/cm2～50n/cm2，纤维直径分布标准差可以达到≤1.5，渣球含量可以达到≤0.45％，酸浸泡重量损失可以达到≤3.5％。根据不同的打浆度，其玻璃微纤维棉的性能存在一定的差异，例如，当打浆度为19
°
sr时，其抗拉强度可以达到9.2n/cm2～15n/cm2，辐照后抗拉强度可以达到6.7n/cm2～12n/cm2，纤维直径分布标准差可以达到1.2～1.5，渣球含量可以达到≤0.43％，酸浸泡重量损失可以达到≤2.4％。当打浆度为34
°
sr时，抗拉强度可以达到16n/cm2～65n/cm2，辐照后抗拉强度可以达到12.5n/cm2～48n/cm2，纤维直径分布标准差可以达到0.49～1.0，渣球含量可以达到≤0.35％，酸浸泡重量损失可以达到≤
1.9％。
42.以上，本发明的玻璃微纤维棉还可以满足通过式(1)得到的品质因子β满足β≤2，式(1)为：
[0043][0044]
其中，q表示抗拉强度，n/cm2；s表示辐照后抗拉强度，n/cm2；σ表示纤维直径分布标准差；z表示渣球含量，％；l表示酸浸泡重量损失，％。
[0045]
品质因子用来衡量玻璃微纤维棉各个性能之间的平衡关系，通过使产品满足设定的品质因子以使其各性能之间达到最佳平衡状态。将玻璃微纤维棉的品质因子控制在不大于2，能够使玻璃纤维的综合性能达到最佳，能够使玻璃微纤维棉的抗拉强度性能更好，在同等纤维直径下，制备得到的滤纸不易发生拉扯后破损，用于液体的过滤和分离技术时更能抵抗流体穿过滤材带来的冲力，延长使用寿命，减少了滤纸的损失量；滤纸抵抗辐照的性能提高，能够更好的应用于核电站的水、空气过滤等。
[0046]
以上，玻璃微纤维棉的品质因子β≤2相比于品质因子大于2的玻璃微纤维棉，在相同的制备条件下得到滤纸性能差别明显，主要表现在：滤纸的加工合格率和使用寿命得到显著增强，加工合格率提高了5.2％以上，滤纸的使用寿命提高了6.1％以上；在滤纸过滤过程中不易发生破损；滤纸的抗辐照性得到提升，使滤纸在核电等领域的应用更为广泛。优选地，本发明的玻璃微纤维棉的品质因子β≤1.2，此时，所制备的滤纸的加工合格率相比于品质因子在1.2～2的玻璃微纤维棉，其加工合格率提高了0.8％以上，滤纸的使用寿命提高了0.3％以上。
[0047]
进一步地，玻璃纤维棉抗拉强度，包括辐照前的抗拉强度(即抗拉强度q)和辐照后的抗拉强度，对滤纸的加工合格率和使用寿命有明显的影响。本发明的微纤维玻璃棉的抗拉强度可以达到9n/cm2～80n/cm2，辐照后抗拉强度可以为6.5n/cm2～50n/cm2，在上述性能范围内能够显著提高滤纸的加工合格率和使用寿命。例如，抗拉强度可以为9n/cm2、18n/cm2、26n/cm2、30n/cm2、41n/cm2、50n/cm2、59n/cm2、62n/cm2、67n/cm2、71n/cm2或78n/cm2；辐照后抗拉强度可以为7n/cm2、11n/cm2、18n/cm2、28n/cm2、37n/cm2、41n/cm2、45n/cm2或49n/cm2。
[0048]
进一步地，纤维直径分布标准差是平均纤维直径集中与否的评价指标。纤维直径分布标准差与微纤维玻璃棉的抗拉强度相关，在微纤维玻璃棉的抗拉强度在9n/cm2～80n/cm2的前提下，纤维直径分布标准差≤1.5，能够在微纤维玻璃棉的纤维直径趋于集中状态的同时使微纤维玻璃棉具有更好的抗拉强度。例如，在微纤维玻璃棉的抗拉强度在20n/cm2～57n/cm2的前提下，纤维直径分布标准差1.2～1.5。再例如，在微纤维玻璃棉的抗拉强度在32n/cm2～72n/cm2的前提下，纤维直径分布标准差0.2～1.1。
[0049]
进一步地，微纤维玻璃棉的渣球含量可以为≤0.45％。微纤维玻璃棉的渣球含量与滤纸的产品性能相关。在上述渣球含量下，制备滤纸的损失量很低，可以显著提高滤纸的性能。例如，微纤维玻璃棉的渣球含量可以为不大于0.42或者不大于0.35或者不大于0.21。
[0050]
进一步地，玻璃微纤维棉的酸浸泡重量损失与制备滤纸后的耐受性和使用寿命相关。玻璃微纤维棉的耐浸泡重量损失可以为≤3.5％。在上述耐浸泡重量损失≤3.5％的条件下，能够使制成滤纸后的耐酸能力更好，在酸雾环境下有好的耐受性和使用寿命。例如，
耐浸泡重量损失可以不大于2.4％或者不大于2.1％或者不大于1.7％或者不大于1.2％或者不大于0.8％。
[0051]
目前，人们更为关注抗拉强度、辐照后抗拉强度、纤维直径分布标准差、渣球含量以及酸浸泡重量损失各参数分别对玻璃微纤维棉的性能以及制备的滤纸性能产生影响，而忽视了对玻璃微纤维棉综合性能的控制。研究人员发现，上述各个性能之间的关联性会影响玻璃微纤维棉内部的平衡性能，进而影响产品的过滤性能，因此，本发明通过设置玻璃微纤维棉的组分，使玻璃微纤维棉平衡状态的品质因子β≤2，并结合微纤维玻璃棉所具有的9n/cm2～80n/cm2的抗拉强度，6.5n/cm2～50n/cm2的辐照后抗拉强度，不大于1.5的纤维直径分布标准差，不大于0.45％的渣球含量以及不大于3.5％酸浸泡重量损失，增强产品性能平衡，使微纤维玻璃棉具有更高的综合性能，滤纸拥有更好的使用寿命和抗破损性。
[0052]
进一步地，微纤维玻璃棉的抗拉强度可以为9.2n/cm2～15n/cm2，辐照后抗拉强度可以为6.7n/cm2～12n/cm2，纤维直径分布标准差可以为1.2～1.5，渣球含量可以≤0.43％，酸浸泡重量损失可以≤2.4％。
[0053]
进一步地，微纤维玻璃棉的抗拉强度可以为16n/cm2～65n/cm2，辐照后抗拉强度可以为12.5n/cm2～48n/cm2，纤维直径分布标准差可以为0.49～1.0，渣球含量可以≤0.35％，酸浸泡重量损失可以≤1.9％。
[0054]
进一步地，辐照后抗拉强度是指经过不小于5.0
×
105gy的累积剂量的γ射线辐照后测得的抗拉强度。例如，可以是经过6.2
×
105gy或者8.3
×
105gy或者9.1
×
105gy的累积剂量的γ射线辐照后测得的抗拉强度。
[0055]
以上，抗拉强度、渣球含量、酸浸泡重量损失以及辐照后抗拉强度可以按照任意方法进行测定，例如，可以按照标准jc/t978的标准进行测量。
[0056]
本发明的另一方面提供了一种滤纸，滤纸可以由以上所述的玻璃微纤维棉制备得到。制备方法可以为本领域常规制备方法。利用以上所述的玻璃微纤维棉制备得到的滤纸，具有更好的抗破损性能，提高了滤纸的生产能力和生产效率，延长了使用寿命，增加其应用领域。
[0057]
为了更好地理解本发明，下面结合具体示例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的示例。
[0058]
玻璃微纤维棉包含按以下重量份数计的组分，如表1所示。
[0059]
表1不同示例的玻璃微纤维棉的成分组成
[0060][0061]
按照标准jc/t978记载的方法进行测量，辐照后抗拉强度为经过6.2
×
105gy的累积剂量的γ射线辐照后测得的抗拉强度，其测试结果如表2所示。
[0062]
表2各示例的玻璃微纤维棉测试性能
[0063][0064][0065]
图1为示例1打浆度为19度的微纤维玻璃棉sem图片，此时的玻璃纤维的直径在1.8μm～7.2μm之间，并没有出现明显的渣球，根据表2中的记载，该性能下的微纤维玻璃棉的性能平衡性好。图2为示例2打浆度为34度的微纤维玻璃棉sem图片，从图中可以看出，此时纤
维直径标准差较小。根据表2的记载，品质因子为1.14，有较好的平衡性能。图3为对比例打浆度为34度的微纤维玻璃棉sem图，对比图3，该微纤维玻璃棉的品质因子大于2，达到了2.29，其微观结构显示出现了明显的渣球，性能平衡性较差。
[0066]
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。