玻璃纤维在造纸领域中的应用

       近年来，随着经济的发展和社会的进步，无论在工业生产还是日常生活，人们对新材料的种类和功能的需求不断扩大。在造纸行业中，特种纸原料的选择范围也更加广泛，玻璃纤维作为无机纤维的典型代表，由于其具有有别于植物纤维和其他合成纤维的特殊性能，逐渐受到造纸行业的广泛关注，成为开发生产特种纸品的新原料。
       1·玻璃纤维的特性
       玻璃纤维是无机非金属材料中的一种新型功能材料和结构材料，其主要成分为氧化硅，同时含有许多其他大物质的氧化物，如钙、硼、钠、钾、铝等。目前玻璃纤维主要的制造方法有坩埚法和池窑法。通常的玻璃纤维外表呈透明而光滑的圆柱状，其截面呈完整的圆形，密度一般在2．50～2．70g／cm3左右，主要取决于玻璃成分。玻璃纤维拉伸强度远远超过其他天然纤维、合成纤维及各种合金材料，吸水作用又比天然纤维和人造纤维小得多。玻璃纤维还具有很高的耐热性，其软化温度550～750℃[1]。同时其具有良好的电绝缘性能和介电性能，可用作各种绝缘材料、雷达罩等，又因为玻璃纤维有着优良的隔音吸声性能，故其制品可在各种声学设备中应用。由于玻璃纤维是脆性材料，断裂伸长很小，故其柔性较小或脆性较大，这也是玻璃纤维的主要特点。
       玻璃纤维按照其成分中的含碱量可以分为无碱纤维(通称E-glass)、中碱纤维、高碱纤维、特种玻璃纤维等，造纸行业中常用前三种玻璃纤维。无碱玻璃纤维适用于环氧复铜板和电器绝缘制品；中碱玻璃纤维适用于机器连续作业或手糊制作板材、管道、槽、罐、游船、浴盆等制品；高碱玻璃纤维适用于电池隔膜片、屋面防水材料等。
       2·玻璃纤维纸的生产
       2．1玻璃纤维纸的成形工艺
      通过湿法造纸制得的玻璃纤维基薄页功能材料也可以称为玻璃纤维纸，这种纸的制法与普通造纸有一些差别，它是采用玻璃纤维，经轻度疏解，加黏结剂，或者配加部分化学木浆，在长网造纸机或圆网造纸机上抄造而成，也可以添加一些硅胶或胶态矾土，用以提高成纸的强度。通常玻璃纤维纸在生产中不需要打浆，只需要分散即可。由于玻璃纤维脆性较大，与其配抄纸张成形后通常无需压榨。
       显微镜下观察到的玻璃纤维似玻璃棒，单根挺硬而细长、长宽比大，该纤维表面同样带有电荷。所以在抄造前，配成浆料时纤维间容易互相缠绕，形成大量不易分散的纤维团，浆料短暂静置就会产生絮聚现象，从而影响玻璃纤维纸的匀度。为了保证玻璃纤维浆料在上网时具有较好的分散状态，一般可以采取下列措施：(1)使用稀酸调节悬浮液的pH值，一般pH=2．5～3．0为宜；(2)降低浆料的浓度到0．2％左右；(3)通过分散剂或其他化学药品改善玻璃纤维表面的润湿状况；(4)调整白水循环系统。
       玻璃纤维表面光滑，无分丝帚化现象，纤维表面也没有可以形成氢键的—OH基，所以在成形及烘干脱水时无法使成纸自然产生强度，为了保证玻璃纤维在造纸过程中能够牢固地穿插在混抄纤维之中，常常对玻璃纤维进行预处理[3]，或是将成形的纸幅做喷胶或浸胶处理，预处理的主要作用是使得玻璃纤维纸具有良好的匀度、厚度均一、表面无凸起的纤维团，而喷胶或是浸胶类的后处理主要是赋予成纸更好的强度或是其他特殊性能。廖合等研究了不同物理、化学方法对玻璃纤维进行表面处理，同时采用加酸、加打浆过的植物纤维和加增强剂对玻璃纤维纸进行增强。加打浆过的植物纤维和加增强剂对玻璃纤维纸有明显的增强作用。罗果等探讨了玻璃纤维与植物纤维配抄的性能，并得出了较佳的处理剂浓度和玻璃纤维的配抄比例与成纸物理性能的对应关系。
       2．2玻璃纤维纸的干燥工艺
       由于玻璃纤维较脆易碎，所以玻璃纤维纸很少有压榨的过程，这就导致了带有大量水分的湿纸幅进入到干燥过程，为了解决玻璃纤维纸干燥时水分量大的问题，在生产中通常在湿纸幅进入干燥前通过真空抽吸作用吸走部分水分。
    由于玻璃纤维纸为了提高强度或要满足其他特殊应用性能，需在抄造过程中加入黏结剂或在成形后经过树脂浸渍，使湿纸幅中的成分更加复杂。要在短时间内脱除玻璃纤维纸中的大量水分并保证成纸平整、强度良好、黏结剂或树脂胶液分布均匀且有较高的保留率，就需要采用特殊的干燥方式。微波干燥和热风穿透干燥是玻璃纤维纸常用的两种干燥方式。
    微波干燥可以在短时间内使湿纸幅内部达到一定干度。这是因为微波干燥时，温度梯度方向和水分梯度方向相同，传热和传质方向一致，促使玻璃纤维纸内部水分的迅速蒸发，形成内部压力梯度，使水分很快扩散到表面挥发掉，大大的缩短了干燥时间。但需要注意的是，微波干燥时间不可过长，通常在30s以内，因为长时间的微波作用会导致纸张收缩变形，表面出现褶皱，影响成纸质量。玻璃纤维具有疏水性，而且成纸疏松多孔，属于热的不良导体。根据玻璃纤维纸的实际情况，利用其透气阻力小的特点，让热风穿透纸幅，直接与玻璃纤维纸表面吸附的水分接触，具有一定速度的热风，降低界面的蒸汽分压，利于水分蒸发，热风将已蒸发的水分立即带走，界面上不存在妨碍水分蒸发的饱和蒸汽层，这就是所谓的“穿透干燥”，干燥效率高。热风干燥时，热风温度的选择也极其重要，为了保证不同黏结剂或增强树脂作用效果达到最佳，对于不同品种的玻璃纤维纸的干燥温度也不尽相同，通常玻璃纤维纸的干燥温度不低于130℃，有些甚至要求在180～200℃。
       3·常见玻璃纤维纸
       玻璃纤维薄毡，即玻璃纤维纸，是由玻璃纤维原丝短切成的股纱，由造纸法随机均匀分布成连续玻璃纤维纸片，用乳剂黏结而成。
       3．1超细玻璃纤维过滤纸
       超细玻璃纤维过滤纸是过滤纸中一种新型高科技产品。与以植物纤维为主要原料抄造的普通过滤纸不同，它是采用超细玻璃纤维为主，采用特殊抄造工艺，并经过后续加工处理而成的特种纸，主要应用于净化空气。玻璃纤维滤纸具有各向同性好、孔径分布均匀、定量偏差小、耐热、阻燃、耐水、纳污量大等特点。
       玻璃纤维空气过滤纸是以玻璃纤维为主要原材料，采用湿法成形工艺制成，是理想的空气过滤材料。产品按过滤效率分通风用(ASHRAE)；中、高效(HEPA)；超高效(ULPA)三大系列。一般通风用玻璃纤维滤纸及中效空气玻璃纤维滤纸主要用于普通空调系统、燃气轮机与空压机。这种玻璃纤维滤纸主要通过将纤维表面用化学助剂处理，结合精确的配浆完成生产，所生产的产品在高效、低阻、耐折性等方面，尤其是在低阻力下，过滤效率可达60％～95％，并具有一定的防水功能，可适用于湿度较大的场合[7]。高效空气过滤器用玻璃纤维滤纸(HEPA)主要用于万级～10万级洁净室或工作台、核电站排风、高档家用吸尘器、空气净化器、防毒面具等。这种产品有良好的防湿、防水性能，过滤效率高达99．9％～99．9999％。超高效空气过滤器用玻璃纤维滤纸主要用于芯片厂及100级、10级、1级洁净厂房等[8]。
       普通植物纤维过滤纸过滤效率仅为16％～87％，透过率最好为13％。而超细玻璃纤维过滤纸的过滤效率为99．99995％，透过率是0．00005％[9]。由此可见，超细玻璃纤维过滤纸的过滤效率是非常突出的。
       3．2玻璃纤维电池隔膜纸
       玻璃纤维隔膜纸由不含任何有机黏结剂的直径为0．5～4 μm的超细玻璃纤维所组成。经抄纸法制成非压缩玻璃纤维纸，其结构为多层毡状，由无序排列的玻璃纤维形成相对小而高曲径的自由通道。该隔膜在许多方面具备了明显优于普通电池隔膜的性能，如吸液量高、吸液速度快、亲水性好、吸收并保持着电池额定容量所需的电解液，并在整个寿命期间保持其高的吸液率[10]。同时玻璃纤维隔膜表面积大、孔隙率高、孔径小、化学纯度高、有害杂质少，有非常好的耐酸性和抗氧化性；相关专利[11-13]”公布了使用玻璃纤维复合材料做蓄电池隔膜纸基材，充分发挥了玻璃纤维耐腐蚀且玻璃纤维基材有较好的孔径，可以充分透过电解液的特点。
       玻璃纤维隔膜纸的性能与玻璃纤维本身的特性有紧密的关系。超细玻璃纤维直径小，表面积大，湿润性高，因此吸液速率大，隔膜的孔径也小，抵抗枝晶穿透能力强，但其电阻值将相应升高，因此必须选择一个最佳的组合。玻璃纤维的长度也影响隔板的性能，纤维过长，不易分散而发生絮聚，使得隔板不均匀；纤维过短，隔膜均匀性能得到改善，但强度低，因此也应该选择一个最佳的长度范围。
       3．3玻璃纤维覆铜板纸
       玻璃纤维覆铜板纸主要用作覆铜板的基材，外观均匀，具有优异的电性能和耐热性能、耐溶剂性，与环氧树脂的相容性优良。使用玻璃纤维纸生产的覆铜板性能可以达到玻璃布板的水平，适用于工业电子产品，特别是玻璃纤维纸具有优越的后续加工性，更加受到市场的欢迎。玻璃纤维覆铜板纸生产过程中，浸渍环氧树脂胶是十分重要的过程，玻璃纤维纸的浸胶包括两个过程：首先，胶液向具有一定干度的玻璃纤维纸表面聚结，随后聚结在纸表面的胶液逐步向玻璃纤维纸中渗透，将湿纸幅中水分置换出去；其中对浸胶性影响较大的为胶液渗透的过程。实验证明，渗透速度与纤维厚度的三次方成反比，因此提高胶液向玻璃纤维纸中的渗透速度是解决浸胶效果的根本方法。“真空辅助上胶法”是目前较先进的技术[4]，该方法的核心在于预浸段选用的特殊设备。其原理为：预浸时利用真空抽吸作用，使在玻璃纤维纸表面的胶液迅速向纸中渗透，同时排出胶液和纤维中的气泡。
       4·新型玻璃纤维纸的开发
       玻璃纤维与针叶木纤维配抄，玻璃纤维作为骨架提高成纸的强度性能。实验发现，在针叶木浆中加入10％的玻璃纤维，就可以大幅度地提高成纸的抗张强度和撕裂强度。对成纸进行后续加工，如喷胶、浸渍、多层复合后可以作为建筑物的填充材料。
       玻璃纤维纸具有良好的吸音性，在玻璃纤维原纸表面涂覆色料、胶黏剂、阻燃剂、偶联剂，然后干燥固化的玻璃纤维纸可以用作隔音阻燃材料，在建筑物墙体、装潢中使用，同时染成的玻璃纤维纸装饰性更好。研究发现，通过改进JohnsOn-Allard模型可以测量不同孔隙率，甚至不同纤维长度的玻璃纤维纸毡的吸音效果[16]。
       日本一公司用抄纸法开发成功一种可以在汽车和工业设备上应用作密封材料的玻璃纤维纸。这种纸由碳酸钙晶须、直径分别为6 μm和0．16 μm的玻璃纤维、海泡石、纤维素纸浆等组成，并加入丁苯橡胶和絮凝剂增强。
       日本另一公司采用湿法抄纸法开发了一种具有多孔结构的玻璃纤维增强塑料管。生产过程为：先将短切玻璃纤维分散在含树脂的水中，脱水后成片状材料，然后将其卷绕在管子上成管状，再插入圆柱形模具内，加热膨胀后使用，就可以制得具有多孔结构的玻璃纤维增强塑料管。这种玻璃纤维增强塑料管具有优异的强度性能，可以用于建筑、过滤等领域[17-20]。
       玻璃纤维增强的地板层可以有效地防止地板在使用过程中发生胀裂或缩卷变形。将成形的玻璃纤维纸切成片状后，用高聚物胶黏合，在实际使用时，玻璃纤维纸可以增加地板层的强度、硬度和挺度，而高聚物胶具有一定的伸缩性，可以防止热胀冷缩带来的形变，是一种新型的理想地板层材料。
       美国专利[22]公开了一种使用玻璃纤维纸覆面石膏板材，用于房屋地板或天花板的支撑装饰，这种玻璃纤维纸是用平均直径8～17μm的玻璃纤维和直径低于5．5μm的其他人造纤维混抄而成的，其中玻璃纤维所需比例大于产品总质量的30％。
       云母是一种重要的非金属矿，利用制浆造纸工艺技术以云母碎片作为原料可以生产各种型号的云母纸。但是目前所生产的云母纸普遍强度较低，难以适应需高强度的使用环境，有专利[23，24]公布了使用芳纶沉析纤维、芳纶短纤维或在粉云母纸层间添加散装纤维[25]增强云母纸。玻璃纤维本身有较高的绝缘性能，并且玻璃纤维具有高强度，是一种很好的增强材料，可以作为芳纶纤维的替代物，研究其对云母纸的增强效果。
       5·总结及展望
       近10年来，我国的玻璃纤维工业得到了快速的发展，中国一直保持着全球玻璃纤维的生产和使用第一大国的位置[26]。玻璃纤维在造纸行业中的应用随着玻璃纤维行业的迅猛发展而逐渐受到人们的高度关注。我国在对玻璃纤维行业的“十二五”发展规划中特别提出，要大力开发玻璃纤维制品的应用领域，不断扩大玻璃纤维的应用范围，尤其在耐火、耐热、增强等方面，开发多种形式制品以方便使用，通过扩大应用市场，从根本上提升玻璃纤维行业品质，拓展应用领域的广度与深度，为玻璃纤维企业与下游产业衔接，促使玻璃纤维产业链的发展与壮大，这给玻璃纤维纸种类的开发和质量的优化提出了更高的要求。
       充分发挥玻璃纤维自有性能，尝试选择多种类的造纸原料与其配合使用，使其能够在特种纸品中得到更广泛的应用，是促使玻璃纤维在造纸行业中充分发挥作用的关键。同时，大力开展玻璃纤维造纸用的分散剂、胶黏剂等化学品的研发，开发适合玻璃纤维纸成形、干燥的新设备，同步配合玻璃纤维造纸技术工艺的发展，也是未来需要努力的方向。