微纖維玻璃棉輻照探究范文

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《玻璃纖維雜志》2016年第3期

摘要:

介紹用于核電行業高效粒子空氣過濾紙原材料微纖維玻璃耐輻射性能的重要性，分析了微纖維玻璃的主要化學成分以及各成分對微纖維玻璃耐輻射性能的影響，通過實驗探究了微纖維玻璃棉輻射性能的影響機理。

關鍵詞:

微纖維玻璃棉;核電站;輻照;濾紙

0前言

核電是將原子核裂變產生的能量轉化為電能的過程。與火力發電相比，核電只需消耗很少的核燃料，就可以產生大量的電能，且每千瓦時電能的成本比火電站要低20%以上。同時核電是安全、清潔、低碳、可靠的能源。為了響應節能、環保、減排的政策要求，中國將大力發展清潔電力。目前我國核電站總體國產化率約為50%～60%，規劃到2020年國產化率大于80%。如果按核島、常規島、輔助設備國產化率分別為70%、80%、90%計算，那么國內核電設備制造商將分享3200多億元的市場，市場潛力巨大。美國ASME核電規范與標準AG－1《核電廠空氣和氣體處理》［1］，對核設施中核安全有關的空氣和氣體處理系統使用的部件提出了性能、設計、構造、驗收試驗和設備質量保證的最低要求。其中中效過濾器卷(FB卷)提出了中效過濾器(過濾器效率40%～99%)在核設施中性能、設計、構造、驗收試驗和設備質量保證方面的要求。高效粒子空氣過濾器卷(FC卷)提出了高效過濾器在核設施中，性能、設計、構造、驗收試驗和設備質量保證方面的要求。國內河南核凈有限公司起草的GB/T17939《核級高效過濾器》［2］基本由美國ASME標準AG－1的FC卷翻譯而來。FC卷中強制性附錄FC－Ⅰ規定了用于制造FC卷中所述高效粒子空氣過濾器的防火型高效濾紙的要求，明確規定了濾紙的形狀和尺寸、物理化學、制造工藝的要求，指出核電站高效過濾器防火型高效濾紙工作環境的輻照條件為γ射線輻照劑量率不超過2.5×104Gy/h，累計劑量達到6.0×105～6.5×105Gy，并對濾紙輻照前后的相關性能做出了明確規定，其中要求濾紙在輻照后縱橫向強度衰減小于15%。玻纖濾紙由微纖維玻璃棉經濕法抄造而成，其主要生產工藝有制漿、抄紙、施膠、烘干、卷取。濾紙的縱橫向強度主要取決于微纖維玻璃棉纖維之間的相互纏繞及粘結劑。因此，微纖維玻璃棉在輻照后的性能改變，是保證產品耐輻照的關鍵所在。

1微纖維棉玻璃的化學成分

微纖維棉玻璃的成分構成主要為硅酸鹽玻璃，其主要成分為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體，它的作用是提高玻璃的熔制溫度、粘度、化學穩定性與穩定性、硬度和機械強度，同時它又能降低玻璃的熱膨脹系數和密度。Al2O3屬于玻璃的中間氧化物。Al2O3在玻璃中，提高了玻璃的熔化溫度和玻璃粘度，也提高了玻璃的強度、化學穩定性，且加快玻璃纖維成型時的硬化速度，對纖維成形非常有利。CaO是玻璃結構網絡外氧化物，其主要作用是穩定劑，在纖維成型時，可以增加纖維成形的硬化速度，提高纖維產量。MgO、BaO、TiO2同CaO一樣，為玻璃結構網絡外氧化物，玻璃中以3.5%以下的MgO替代部分CaO，可以使玻璃成型時硬化速度變慢，降低纖維加工時玻璃熔化的析晶傾向，提高玻璃的化學穩定性和機械強度。Na2O、K2O、Li2O同樣屬于玻璃結構網絡外氧化物，堿金屬離子(R+)離子居于玻璃結構網絡的空穴中，R2O能使玻璃結構中的O/Si比值增高，發生斷鍵，因此可以降低玻璃的粘度，是良好的玻璃熔化助溶劑，R2O可以增加玻璃的熱膨脹系數，降低玻璃的熱穩定性、化學穩定性和機械強度。B2O3也是玻璃的形成氧化物，它能降低玻璃膨脹系數，提高玻璃的熱穩定性和化學性能，增加玻璃折射率和機械強度［3］。

2化學成分耐輻照性能分析材料

在射線的照射下，射線的入射粒子與材料晶格原子產生相互作用，它包括碰撞過程和微觀結構演化過程，這將導致輻照腫脹和輻照生長等微觀結構的變化，在缺陷符合時釋放出潛能。γ射線是材料輻照損失的重要因素。γ射線輻照損傷玻璃表現在體內產生色心。色心的產生和玻璃的內部缺陷有關，玻璃網絡結構越密實，內部缺陷越少，越有利于阻止色心的產生，其耐輻照性能就越好。通常通過引入高離子場強元素，以增強玻璃的網絡密實度、玻璃密度，改善其耐輻照性能［4-5］。中間體氧化物處于網絡空隙中，可以使玻璃密度上升。根據表1，中間體氧化物Al2O3、ZnO、TiO2的增加可提高結構的密實度，實現耐輻照性能的改善。網絡外體堿土金屬氧化物離子場強較大，具有吸引陽離子到自己周圍的能力，起到積聚網絡的作用。由表1可知，CaO、BaO、MgO、ZnO均為堿土金屬氧化物，其中BaO相對場強最小。而網絡外體堿金屬氧化物的場強，從Li2O到Na2O再到K2O，逐步降低。因此，Na2O含量高于K2O含量將有助于提高玻璃的耐輻照性能［6］。

3微纖維玻璃棉耐輻照性能驗證

綜合考慮各種氧化物的耐輻照性能、微纖維玻璃棉生產工藝要求、產品成本這幾方面因素，確定微纖維玻璃棉化學成分配方，并加工成微纖維玻璃棉。成分如表2所示。按照美國ASME核電規范與標準AG－1《核電廠空氣和氣體處理》中，FC卷中強制性附錄FC－Ⅰ的要求，將上述三種配方的微纖維玻璃棉經過輻照劑量率不超過2.5×104Gy/h，累計劑量達到6.0×105～6.5×105Gy的γ射線照射，對比三種配方微纖維玻璃棉輻照前后實驗室抄片的強度衰減，最終確定原料配方。主要設備和儀器:纖維標準解離器;電子天平;快速紙頁成型器;恒溫干燥箱;ZL－100A型紙與紙板抗張試驗機;輻照測試，南京輻照中心。試驗結果如表3所示。從試驗結果可以看出，配方1強度的衰減度低于強制性附錄FC－Ⅰ的要求，且為三種配方中性能最佳方案，固確定配方1為滿足美國ASME核電規范與標準AG－1中，FC卷中強制性附錄FC－Ⅰ要求的輻照環境中過濾紙生產的微纖維玻璃棉化學成分。

4結論

纖維玻璃的化學成分按照網絡形成體、網絡外體及中間體分類的不同，對纖維的耐輻照性能起著不同的作用，同時輻照源及輻照劑量的不同，會對纖維造成不同的損傷，也會對纖維玻璃的化學成分有不同的要求。

參考文獻：

［2］GB/T17939-2015，核級高效過濾器［S］．中國國家標準化管理委員會．

［3］張耀明，李巨白，姜肇中．玻璃纖維與礦物棉全書［M］．北京:化學工業出版社，2001．

［4］祖群，陳士潔，孔令珂．高強度玻璃纖維研究與應用［J］．航空制造技術，2009(15):92-95．

［5］王琦．無機非金屬材料工藝學［M］．北京:中國建材工業出版社，2005．

［6］西北輕工業學院．玻璃工藝學［M］．北京:中國輕工業出版社，2006．

作者:嚴潔 王瑩 胡曉俠 陳陽 單位:中材科技股份有限公司