我国纳米技术、纳米材料的科研水平目前已处于世界前列,其科研成果在某些领域应用后,进展速度、发展势头令人鼓舞。但纳米材料的检测技术和方法以及加工和应用给环境带来的影响,还要深入研究。因此它的产业化还需要两年甚至更长时间的艰苦实践。在
玻璃纤维生产工艺和玻纤新品开发过程中,能否采用纳米技术和纳米材料,以充分发挥它的小尺寸效应、量子效应、表面积效应和界面效应,从而产生出奇异和反常的特性,以改善玻纤生产工艺和产品性能?本文旨在提出一些大胆的假设,希望与业界同仁特别是年轻的科技工作者一起细心求证,共同探索玻纤生产工艺技术新领域。
一、采用纳米材料,提高玻纤配合料的熔化速度和玻璃液的质量。
单元熔窑的任务是将玻纤原料配合料在高温下(1500℃以上)熔化成具有准光学纯的高质量玻璃液。为了提高熔化速度、降低燃料消耗、提高窑炉的面积熔化率,保证玻璃液达到拉丝要求,目前已有技术是采用微分配料,难熔原料如石英砂、叶蜡石粉的颗粒度如超过325目,筛余1%,其颗粒平均直径为44微米左右。假设这些难熔氧化物能够由现在的微米级,通过采用纳米技术将其加工成纳米级颗粒,其表面效应将发挥到极致,这样的配合料在熔化过程中是否会产生难以估量的效率呢?当然,现在还不可能将大批粉料加工成纳米级的,是否可以先将一些小料如助熔剂、氟化合物、硼化合物、含锂化合物等加工成纳米材料,采用特殊技术将其均匀混合到配合料中,也许会产生更好的助熔效果。
二、采用纳米燃油添加剂,节约重油减少污染。
北京大学留美博士李正孝教授已经研究开发出纳米燃油添加剂,在使用重油锅炉上做了工业性试验,节油率达22%,还可以降低排污量,玻纤单元熔窑熔化部一般采用重油或天然气燃料。如果采用纳米燃油添加剂,不但节约油料,减少污染,同时还有可能提高燃烧温度和火焰质量,以达到提高窑炉熔化率、改善玻璃液质量、减少环境污染的目的。
三、采用纳米级强化相,提高铂铑合金的高温持久强度和抗高温蠕变性能。
铂铑合金漏板是池窑拉丝技术中玻璃纤维成型的关键技术装备。目前漏板的孔数已从400孔发展到2000孔、4000孔、6000孔。由于在1400℃的高温下,铂金属再结晶和晶粒长大而发生软化,漏板强度下降并发生蠕变,限制了它的使用寿命,加入铑金属可以提高漏板高温强度,但当铑的含量超过20%时,其效果就不明显了,反而会影响漏板加工性能。为了解决上述问题,目前已开发了锆弥散强化铂铑合金技术,在铂铑合金中均匀分布着细小难熔的锆氧化物或其它氧化物颗粒,阻止了合金在高温和应力作用下晶界的位移和晶粒的长大,有很好的高温结构稳定性,提高了高温持久强度和抗蠕变性能以及抗高温腐蚀性,提高了漏板的运行寿命。假设采用纳米技术将难熔氧化物如强化相ZrO2加工成纳米材料,使其颗粒直径达纳米级,并将其均匀弥散分布在铂铑合金中,充分发挥纳米材料的特性,可能大大提高合金漏板的使用效果和运行寿命,使拉丝成品率增加,生产成本降低。
四、运用纳米技术和纳米材料,克服玻璃纤维的脆性。
玻璃纤维是一种脆性材料。它之所以能够具有拉丝、纺织等等加工性能,主要取决于玻璃成分、纤维直径、浸润剂配方和表面处理剂选择。以无碱玻纤为例,其原丝直径都是微米级的,从3微米到24微米,单纤维直径越细,它的纺织加工性能和柔软性能越好。美国研制的玻纤贝它纱,纤维直径3微米,经过单丝涂层和织物表面处理,可以作为宇航员的防火服。欧洲一些厂商已研制成功耐磨的玻纤沙发套、床罩、窗帘等防火性能较好的装饰材料。但都未能从根本上改善玻纤的脆性弱点。假设采用特殊技术制成纳米级直径的玻璃纤维,就有可能取得理想的效果。而制成这么细的纤维就要有一系列成型技术装备的创新,从原料、熔化、漏板、拉丝机、浸润剂等等配套研制,将是一个复杂的系统工程,每一个环节都需要采用新的技术。
目前最现实和有效的方法是在拉丝浸润剂配方中,采用纳米材料。浸润剂的作用是润滑、保护、黏结、集束、防静电以及为玻纤制品后加工和应用提供各种特性。其所依据的理论基础主要是表面物理化学及黏结理论等。而纳米材料的引入,有可能在玻璃纤维单丝表面发挥界面效应,以提高其柔软性能和强度,为制品深加工和扩大应用领域,提供无限的发展空间。当然这仅仅是一种假设,选用什么样的纳米材料,如何应用,还有待实践。相信总有一天玻璃纤维的脆性会得到更大程度的改善。
五、采用纳米材料改进玻纤制品的后处理。
玻璃纤维制品种类繁多,用途广泛,但万变不离其宗,随用途不同必须进行多种多样的表面处理、涂层和复合技术。假如采用某些纳米材料加入到处理剂配方中,充分发挥其表面效应,可能使玻纤制品性能达到质的飞跃。既然出现了纳米涂料、纳米陶瓷、纳米塑料,为什么不能研制出含有纳米材料的后处理技术呢?例如各种毡材的黏结剂、多种涂层制品的涂层材料中添加多种不同的纳米材料,以获得优异性能,满足国内外市场的多种需求。
国家前不久已经成立了纳米科技指导协调委员会,正在制定纳米科技发展纲要,中国科学研究院有近20个研究所,全国有50个大学参与纳米技术研究工作,以纳米技术为先导的国家试验室已经成立。我们玻璃纤维行业的广大科技人员,也应当勇于创新,在纳米材料的研究与应用方面有所突破,开拓前进。