隔热耐烧蚀玻璃纤维织物的制备wollastonite

隔热和耐烧蚀是热防护的主要目标，具有隔热耐烧蚀性能的热防护织物可在外界火焰和使用者之间提供一道保护屏障，避免使用者直接接触火焰，并阻隔外界热量以热对流、热辐射、热传导形式传递给使用者，保证其在高温环境中安全工作。在各类热防护纤维材料中，玻璃纤维因其具有不燃烧，质量轻，化学稳定性好，强度高，保温效果好，价格低等优势，得到企业和研究人员的青睐。但将玻璃纤维织成织物后，由于织物组织内存在孔隙，织物受热后热气流、火焰和辐射线可透过织物内的孔隙向织物背面递：有些火花或铁水喷溅到玻璃纤维织物上后可嵌入织物内的孔隙，容易对人体或设施造成伤害。苯甲基有机硅树脂以Si-O-Si键为主链，在织物遇热后可在其表面生成富含Si-O-Si键的稳定保护层，且苯环结构在碳化后可以形成坚硬的碳层，从而减轻对基材内部的伤害。

本文以苯甲基有机硅树脂为基体，通过添加耐热填料或其他功能性填料制备复合有机硅涂层液，对玻璃纤维织物进行涂层，开发出可广泛用作建筑耐火材料、航空航天热防护材料、军事材料、电焊及炼钢炉前的防火花、铁水飞溅材料，高温管道及容器隔热保温材料等功能性纺织品。

1试验部分

1.1试验材料

    无碱玻璃纤维织物(平纹，经纬密为110根，10 cm×80根／10 cm，面密度为439. 04 g/m2，厚度为0.4 mm)：苯甲基硅树脂（含固量50%，上海树脂厂）：硅灰石粉(38 ym)：气相法白炭黑：云母粉和三氧化二铬(38 ym)：无水乙醇（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）。

1.2试验方法

    预处理：用乙醇将玻璃纤维布表面擦净，再浸轧苯甲基有机硅树脂，然后在100℃焙烘10 min。

    制备涂层液：在有机硅树脂溶液中添加白炭黑、云母粉、硅灰石粉、三氧化二铬等填料，搅拌使其溶解均匀，制备成复合有机硅涂层液。

    涂层与烘干：将复合有机硅涂层液刮涂于预处理后的玻璃纤维织物正面，在80℃预烘15 min，100℃烘30 min：然后对织物反面进行涂层（正反2面的涂层厚度均控制在60}Lm），80 aC预烘30 min，100℃烘60 min;{zh1}将经2面涂层后的织物在220℃焙烘30 min，即制得隔热耐烧蚀玻璃纤维织物。

1.3测试方法

1. 3.1隔热性能测试

    将涂层织物试样剪成直径为4 cm的圆片，用酒精喷灯外焰（1 000℃左右）对织物正面中心进行加热，记录织物背面中心位置的温度，绘制出试样背面温度埘间曲线。加热试样使其背丽温度相同，所用的时间越长，说明织物隔热性能越好。

1.3.2热重分析

    采用STA409PC热重分析仪（德国NETZSCH）对玻璃纤维织物进行热重分析，气氛为空气，升温区间为室温到1 000℃，升温速率为10℃/min。

1.3.3烧蚀试验

    将切割机打磨铁棒喷出的火星对准玻璃纤维织物直接喷射30 s，观察火星对织物表面的烧蚀情况，再将上述烧蚀过的织物竖直立于钢板上，接通交流电焊机，电焊机喷出的火焰直接烧蚀30 s，观察电焊机火焰对织物的烧蚀情况。

2  结果与讨论

2.1  白炭黑对涂层织物隔热性能的影响

    自炭黑主要成分为二氧化硅，是一种白色、md、无定形微细粉状的无机硅化合物，其化学稳定性好，具有很好的耐高温、不燃烧特性：此外，白炭黑以附聚体的形式分散在基体中形成二维网状交联结构，从而对树脂溶液起到增稠和补强的作用。在涂层过程中发现，白炭黑对涂层液的黏稠性影响很

大，当其在涂层液中的质量分数为1%、5%时，涂层液明显地渗透到织物背面，而当白炭黑质量分数为10 010时，涂层液才能在织物表面顺利成膜。图1示

出白炭黑用量对涂层织物隔热性能的影响。

    涂层液中白炭黑所占质量分数由1%增加到5%，织物背面达到相同温度所用时间逐渐减少。这是因为有机硅树脂具有较低的玻璃化温度，在烧蚀过程中容易发生降解，变成熔融的Si0，和各种低分子气体产物，气体的挥发会产生较大的吸热反应，降低玻璃纤维织物基材的温度。随着白炭黑用量的增加，单位体积硅树脂涂层液中所含的硅树脂减少，导致涂层织物隔热性能有所降低。

    2.2云母粉对涂层织物隔热性能的影响

    云母粉是由云母直接加工制得的，是一种含Al、Mg的硅酸盐。云母粉结构为片状填料，可增强涂层的耐热和抗裂性能。图2示出云母粉用量对涂层织物隔热性能的影响。

    由图2可见：在烧蚀过程中，当涂层玻璃纤维织物背面温度低于80℃时，3块涂层织物背面达到相同温度所用的时间很接近：当织物背面温度升高到80℃以上时，升高到相同的温度，云母粉质量分数为5qo的试样所用的时间最长。因此云母粉的较yz量分数为5%。

2.3硅灰石粉对涂层织物隔热性能的影日向    硅灰石粉属于链状偏硅酸盐，呈纤维状、针状粉体。硅灰石粉的晶体结构和形态决定了其具有良好的耐热、耐候、绝缘和补强性能，提高了涂料的光泽、耐洗刷和抗风化性能

     硅树脂溶液中加入硅灰石粉填料制备的涂层玻璃纤维织物试样在烧蚀时，试样背面升高相同的温度，硅灰石粉质量分数为2%和5%的涂层织物所用的时间基本接近，且所用时间明显长于硅灰石粉质量分数为8%的涂层织物，说明硅灰石粉的较yz量分数为2%—5%。

    有机硅树脂中添加金属及金属氧化物如三氧化二铁、三氧化二铬、三氧化二铝、氧化锆等，在高温作用下树脂中Si-0可与金属M形成M-Si-0网络，既起到了骨架作用，又起到了耐高温作用013：此外金属氧化物还可起到为涂层液着色的作用。图4示出三氧化二铬用量对涂层织物隔热性能的影响。  

    由图4可见，在有机硅树脂溶液中加入Cr203，制备的涂层织物，当其背面温度相同时，Cr203，质量分数为5%、10%、15%o的3块织物所用的时间相差很小：为了减少Cr203，的用量，同时又迭到为涂层织物着色的目的，Cr203的较yz量分数为5%。

2.5  正交试验设计

    在硅树脂溶液中加入5qo的Cr203，，设计三因素三水平的正交试验L，制备涂层玻璃纤

维织物并测试其隔热性能。   

    3种无机填料对涂层玻璃纤维织物隔热性能的影响大小为：白炭黑>硅灰石粉>云母粉a{zy}的填料配方为：白炭黑选取3水平，云母粉取3水平(8%)，硅灰石粉选取2水平(4%)。对该{zy}配方进行验证试验，测得在该配方下涂层织物背面温度达到200℃所需的时间为8.4 s。

    比较普通玻璃纤维织物（未涂层）、仅用硅树脂涂层的玻璃纤维织物（未添加填料）和{zy}配方涂层织物在加热过程中其背面的温度埘间曲线，结果如图5所示。

    由图5可见，织物背面达到相同温度所需时间长短为：{zy}配方涂层织物>仅用硅树脂涂层的织物>普通玻璃纤维织物。这表明填料的加入有利于提高涂层织物的隔热性能：{zy}配方涂层织物背面温度达到0℃需要8.4 s，远大于普通玻璃纤维织物所需的3.0 s，这说明玻璃纤维织物表面的涂层可显著抵挡大部分热量、火焰和辐射线的透过，起到良好的隔热作用。

2.6热重分析

    玻璃纤维织物的热重分析结果见图6。由图6(a)知，仅涂硅树脂的玻璃纤维织物在390.0℃开始热分解，而复合硅树脂涂层织物在442.0℃方开始热分解，比仅涂硅树脂织物的开始热分解温度提高了52℃。由图6(b)知，仅涂硅树脂织物分别在442.2、528.9、634.7℃达到第1、2、3次失重速率的{zd0}值，而复合硅树脂涂层织物分别在495.0、618.9、721.3 aC达到第1、2、3次失重速率的{zd0}值。可见复合硅树脂涂层织物的开始热分解温度、3次达到{zd0}失重速率的温度均显著提高，说明复合硅树脂涂层液制备的涂层玻璃纤维织物具有更好的耐热性，这与图5中复合硅树脂涂层织物具有更好的隔热性能相一致。

2.7烧蚀试验分析

    利用交流电焊机火焰对普通玻璃纤维织物和复合硅树脂涂层玻璃纤维织物进行烧蚀，结果见图7。

由图可见，在烧蚀后普通玻璃纤维织物表面残留很多小黑点且织物中心有近圆形的黑色斑块，小黑点是电焊机喷射的火花残窜在织物孔隙造成的，而黑色圆斑是织物在烧蚀时电焊机火焰燃烧产生的气体物质残留在织物上造成的，且烧蚀时发现部分火焰可穿透织物。而对涂层玻璃纤维织物进行烧蚀，

喷溅到织物表面的火花瞬时被反弹出来，并未在织物上留下小黑点状的金属屑，且涂层结构可明显阻挡火焰穿透织物，对织物背面的人或物体可起到良好的热防护作用。

    3  结论

    以玻璃纤维织物为基材，通过在苯甲基硅树脂溶液中添加耐热无机填料的方法制备复合有机硅树脂，再对玻璃纤维织物进行涂层制备隔热耐烧蚀玻璃纤维织物，涂层结构可有效阻挡火焰、火花、辐射线和大部分热量直接进入织物。与普通玻璃纤维织物相比，复合有机硅树脂涂层玻璃纤织物的隔热性能显著提高，并可有效防止火花嵌入织物内部，提高了玻璃纤维织物的整体热防护性能。