無機系耐熱難燃纖維

無機系耐熱難燃纖維黃弘謙一、前言在工業(yè)製品之性能提升以及在提升使用者安全之最終製品的素材上，紡織品扮演著極其重要的角色。近年來由於紡織品性能之明顯提升，促使質(zhì)輕且容易加工之紡織品在各種應(yīng)用領(lǐng)域上發(fā)揮極大功效，不但在各該領(lǐng)域上取代原有素材，並且開發(fā)出各種新用途。本文試將無機系耐熱難燃纖維之研發(fā)現(xiàn)況，就其製法、性能、特徴、問題點等加以介紹。二、耐熱難燃纖維所謂「耐熱難燃性」是指：在受熱時，原有素材在力學(xué)特性、尺寸穩(wěn)定性、難燃防焰性、耐藥性等材料特性所産生之變化非常小，並能維持其原有性能之程度如何。一般而言，無機纖維雖耐熱性高，但因其所擁有之柔軟度、操作容易度等與一般紡織品之特性相差極遠，因此，比較適於特殊用途。相對於此，有機纖維則因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之差異，則展示各種不同程度之耐熱難燃性。高分子材料之耐熱性多以融點或熱分解溫度來加以判定，而高分子材料之難燃性則多以限界氧氣指數(shù)來加以判定。性則多以限界氧氣指數(shù)來加以判定。性則多以限界氧氣指數(shù)來加以判定。性則多以限界氧氣指數(shù)來加以判定。此外，在評定耐熱難燃纖維之優(yōu)劣時，燃燒時所發(fā)生之有害氣體之多寡亦必須列入考量。代表性之耐熱難燃纖維的一般特性如表所示。表主要耐熱難燃纖維之熱特性及燃燒性素材融點°C熱傳導(dǎo)度發(fā)煙濃度短期容許溫度長期容許溫度????複素環(huán)不會溶融碳纖維以上冋丿溫玻璃纖維微量冋丿溫微量纖維低聚酰亞氨資料來源：三、無機系耐熱難燃纖維一般而言，無機纖維之耐熱難燃性極佳，如單就滿足耐熱難燃之單一要求的話，無機纖維是絶佳選擇。但是，因無機纖維質(zhì)地粗硬，加工性差，因此，除特定用途之外，使用範圍並不大。此外，除玻璃纖維之外的無機纖維，其價格昂貴，一般性之耐熱難燃要求如採用，不符合成本效益。代表性之無機纖維的物性比較如表2所示。表2無機纖維之物性素材型式強度比重玻璃纖維玻璃碳纖維硼素碳化珪素二氧化珪素金屬纖維鋼資料來源：公司研發(fā)中心—玻璃纖維自190年0開發(fā)問市以來，長期被視為絶佳之斷熱材，是無機纖維之代表性素材。因産量多而價格低廉。市場行情為毎公斤臺幣元。纖度為~um,融點為°C,—般而言，擁有點為°C,—般而言，擁有°C之耐熱性。而且，除耐熱性外,或氧化鈣的在耐化學(xué)藥品性、難燃性、耐候性等均佳。如添加氧化鎂或氧化鈣的話，耐熱性更可高達°C。短纖之玻璃纖維應(yīng)用到斷熱材及吸音材之用途者非常多；長纖之玻璃纖維則主要是應(yīng)用到印刷電路板及等。玻璃纖維之代表性商品種類有如下種：無鹼玻璃纖維：亦稱為，具有電氣絶縁性，優(yōu)於耐候性，之成以上均為此類。高強度玻璃纖維：亦稱為，具有咼強度，咼彈性。耐酸性玻璃纖維：亦稱為，含有之鹼氧化物。耐鹼玻璃纖維：亦稱為,鹼性，二氧化鈦及二氧化之含有量高。5低.誘電率玻璃纖維：亦稱為,硼酸系，廣泛使用於産業(yè)。鹼性玻璃纖維：亦稱為，以短纖維用為主體。二陶瓷纖維陶瓷纖維是除玻璃纖維以外之所有非金屬的氧化或非氧化無機纖維的總稱。根據(jù)德國鄧肯道夫研究所最近針對陶瓷纖維研發(fā)現(xiàn)況調(diào)査，陶瓷短纖維因採用製造法，比較容易生産，因此，被廣泛利用於石棉替代用途或許多耐熱性、耐藥品性之産品上。陶瓷長纖維則因製造條件嚴苛，難於量産，因此，具代表性之陶瓷長纖維的特性如表3所示。陶瓷長纖維有由等氧化物所製成者，亦有由等非氧化物所製成者。陶瓷長纖維之一般製法採溶劑紡紗（乾式法）或擁有紡紗法，但是，必須注意到須處於不活性氣體之環(huán)境下來進行紡紗之特殊生産條件。此外，在纖維形成後，必須採高溫處理。也就因為如此，造成長纖紗成本提升之結(jié)果。該等陶瓷纖維被列為超耐熱纖維，耐熱溫度可高達°C。目前已商業(yè)化之陶瓷長纖維是氧化類之8種（表4及）非氧化類12種（表5，）主要生産國家為美日兩國。陶瓷長纖紗之主要用途有：斷熱以及做為之補強材料。代表性之陶瓷纖維為美國公司所生産之「」，其主要用途如用所示。一般而言，氧化型陶瓷纖維之耐熱性雖佳，達C時會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。就此而言，非氧化型陶瓷纖維較佳。但是，非氧化型陶瓷纖維耐久性不足。鄧肯道夫研究所成功的以乾式紡紗式製程來改善蠕變現(xiàn)象並製成氧化型陶瓷長纖維。此外，該研究所並與貝魯特大學(xué)共同開發(fā)型之非氧化陶瓷纖維，能耐C/之冋丿溫。日本的新日化株式會社從公司引進氧化鋁短纖維製造技術(shù),製成含有氧化鋁、二氧化珪素成份之陶瓷纖維。此外，最近日本三井鑛山株式會社開發(fā)成功含有高純度a氧化鋁成份之「」及「」等陶瓷纖維，頗受市場好評。在歐洲方面，德國公司開發(fā)成功珪酸氧化鋁系之陶瓷纖維，並以年産800公噸方式上市。其中，70%供銷美國市場，用於製造高溫濾網(wǎng)、消防服等高單價商品。此外，歐洲高分子研發(fā)機構(gòu)之正進行以超熱電漿噴射反應(yīng)裝置來生産陶瓷纖維的研發(fā)計畫。表3具代表性之陶瓷長纖維的特性素材融點°C纖維徑pm密度cm拉張強度彈性率硼素纖維???氧化鋁纖維????氮化珪素纖維碳化珪素纖維氧化鋯纖維資料來源：公司研發(fā)中心表氧化類之陶瓷纖維製造廠商品名稱成分直徑pm強度價格歐元公斤美國美國日本住友化學(xué)日本三井鑛山

日本表5非氧化類之陶瓷纖維製造廠商品名稱成分直徑pm強度價格歐元公斤日本日本宇部興産日本宇部興産美國美國美國表公司氧化陶瓷纖維「」之用途用途市場建議採用商品斷熱材飛行機零件、産業(yè)資材、汽車零件、産業(yè)、石化産業(yè)斷熱材、固定封裝材産業(yè)複合材飛機零件、汽車零件資料來源：公司根據(jù)公司發(fā)表資料顯示，玄武巖纖維之熱膨脹比率為根據(jù)公司發(fā)表資料顯示，玄武巖纖維之熱膨脹比率為根據(jù)公司發(fā)表資料顯示，玄武巖纖維之熱膨脹比率為根據(jù)公司發(fā)表資料顯示，玄武巖纖維之熱膨脹比率為三玄武巖纖維玄武巖纖維是於年法蘭克福高科技紡織品展由位處西亞北端之共和國的公司推出之後，即因其高耐熱性而頗受業(yè)界矚目。其後，年法蘭克福高科技紡織品展中，俄國公司及亦加入競爭行列。由於玄武巖纖維融點高達°C,且於?9~+°C之廣範圍間均能維持極佳之熱穩(wěn)定性。由於力學(xué)特性高，能充分運用於汽車排氣管等耐熱需求高之用途領(lǐng)域上?？梢钥椢?、不織布、紗線等各種型態(tài)加以運用。玄武巖纖維之礦石原料可於東歐、俄國等地充分取得，但原礦石之溶融製紗技術(shù)則是關(guān)鍵之所在。玄武巖纖維之成份如下：、、Fe2O3（9.、5C%a）O（7、.M8g%O）（3.、N7a%2O）（2.、5T%i）2（O1.、1K%2O）（C.,8其特性如表所示。由於玄武巖纖維耐熱穩(wěn)定性高且運用範圍廣，日本主要汽車製造廠亦嘗試從東歐進口素材，進行實驗以尋求大量運用之可行性。年法蘭克福高科技紡織品展新増公司及公司等新加入業(yè)者展出其玄武巖纖維製品，足證其研發(fā)已有相當進展。°C,接近於混凝土之oCp遠優(yōu)於玻璃纖維之°C。相對歐洲國家之發(fā)展，中國亦積極進行對於玄武巖纖維之研發(fā)並獲致相當成果。根據(jù)資訊顯示，中國黒龍江省寧安市之「鏡泊湖耐鹼玄武石纖維有限公司」已自200年4開始試行生産玄武巖纖維，並於進入200年8之後，與香港企業(yè)合資，共同投下人民幣3億元，購入15臺新型全自動電解爐，預(yù)計於201年0開始年産1萬公噸之玄武巖纖維?！哥R泊湖耐鹼玄武石纖維有限公司」現(xiàn)已可生産纖度為um之玄武巖纖維，經(jīng)過設(shè)備改良之後，纖度可達pmo玄武巖纖維因其優(yōu)越之耐鹼性、耐熱性，在石化、建築、土木、防火材、汽車、船舶、飛機、冶金、軍事、宇宙太空等領(lǐng)域之運用範圍非常廣泛，被歐洲科技業(yè)者視為可取代玻璃纖維之優(yōu)良耐熱素材。此外，製成「針軋型不織布」的話，可利用其耐高溫、耐腐蝕性，製成粉塵狀物質(zhì)之過濾用途。表7玄武巖纖維之特性特性使用溫度°C溶融溫度°C密度m3彈性率mm2拉張強度吸濕性比抵抗Qcm遮音性（四）碳纖維碳纖維成份中含有90%以上之碳原子，質(zhì)量遠比金屬為輕，且由於碳分子是依纖維方向規(guī)則排列，形成二次元之網(wǎng)目結(jié)構(gòu)，因此，擁有強靭之特性。除強度高、質(zhì)量輕、靭度強、彈性佳、耐磨性、耐疲勞性、耐熱性、耐藥性、安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保等物理及化學(xué)特性均佳之外，碳纖維尚具有防電磁波、線透過性佳等有利特性。因此，碳纖維被視為高機能纖維之一，被廣泛應(yīng)用於航空宇宙、汽車零組件、風(fēng)力發(fā)電、運動休閒用品以及其他産業(yè)資材之用途上，是取代鋼鐵等金屬之重要産品。碳纖維是具有高技術(shù)門檻産品，以及高附加價値、高獲利性之高科技産品。日本握有關(guān)鍵技術(shù)，且擁有全世界八成以上碳纖維産量之三家大廠（東麗、東邦A(yù)三菱嫘縈現(xiàn)仍正全力投入碳纖維之研發(fā)及擴大其産能。世界系碳纖維製造廠如表所示。在碳纖維之各種用途當中，日本大廠認為今後數(shù)年間，成長最快而最具發(fā)展?jié)摿Φ氖恰钙囉猛尽?。其原因是人類在短期的未來?nèi)仍不得不仰頼汽車來代歩，但汽車大量消耗能源，而原油價格卻是年年上漲。在此背景下，如何促使汽車輕量化以節(jié)約能源是必須面對的重要課題。而思該項課題之解決，質(zhì)輕、強靭之碳纖維正好派上用場。日本毎年生産1千萬臺汽車，以平均毎臺使用3公斤之碳纖維的話，則可創(chuàng)出達到目前碳纖維全世界總需要量之需求。日本化纖協(xié)會指出，現(xiàn)今全世界對系碳纖維之需求量為毎年公噸,今後將以15%之年増率大幅成長。10年後，該需求量將高達53,0公0噸0。需求量將大幅増加之地區(qū)為歐美及中國。為因應(yīng)該項旺盛之市場需求，東麗除將投入160億日圓擴大其愛媛碳纖維複合材料工廠之産能，使其年産量從現(xiàn)有之6,6公噸提升為200年9之8,3公0噸0之外，亦投入20億0日圓將其名古屋工廠轉(zhuǎn)型成為汽車及飛機領(lǐng)域之碳纖維複合材料中心工廠，而且，也積極擴大其海外子公司工廠之産能。東麗之強大競爭對手，且是世界第二大碳纖維生産廠商之帝人集團亦發(fā)表，將於其傘下之東邦德國子公司投入萬歐元増設(shè)碳纖維産能，將於年前完成年産1,5公噸之増設(shè)。在日本國內(nèi)方面，亦將於200年9前完成其三島工場年産公噸之増設(shè)。事實上，東邦現(xiàn)已於其日本國內(nèi)進行擴廠増設(shè)當中，且在該項増設(shè)尚未完成之前，就再度宣布新増設(shè)計畫，此足以表示對於未來需求量大増之可能性的支持。不僅是碳纖維而已，日本人纖大廠對於高機能纖維之未來需求多予看好。包含碳纖維在內(nèi)之高機能纖維的未來需求是以未來數(shù)年之後需求増減的長期趨勢來做為是否増設(shè)之基準。這與成衣用途之纖維産量僅是看下季需求來做為基準是絶大不同的。也就因為如此，對於高機能纖維未來需求量之預(yù)測很少會有「預(yù)測値不準」等狀況會出現(xiàn)。日本人纖大廠現(xiàn)紛紛將其生産重心從成衣用纖維之開發(fā)/生産轉(zhuǎn)向為包含高機能纖維在內(nèi)之産業(yè)資材用纖維的最大誘因有：成衣用纖維之利潤已因激烈國際價格競爭而趨於微利、産業(yè)資材用纖維具高度技術(shù)門檻/高附加價値等。在此背景下，碳纖維與對位型全芳香族聚醯胺纖維均是日本人纖大廠現(xiàn)所積極擴廠増設(shè)之具體産品項目。除東麗、帝人之外，第3大之三菱嫘縈公司也積極進行設(shè)備投資。三菱嫘縈公司於200年73月間完成其愛知縣豐橋工廠年産2,2公0噸0之増設(shè)之後，現(xiàn)亦積極推動於廣島縣大竹工廠増設(shè)計畫，預(yù)定於200年9底前完成2,7公0噸之増設(shè)。相對於日本人纖大廠對於碳纖維之投資，我國臺塑集團亦不落人後，積極從事碳纖維之研發(fā)及生産。臺塑公司多年前透過日本旭化成公司引進碳纖維技術(shù)，現(xiàn)已進行第三及第四期擴建工程當中,預(yù)期於200年8底前歩入收割期。其中，年産2,2公0噸0之第三期工程於200年84月陸續(xù)投産，預(yù)計6月前歩上軌道，投産一年可帶來20億元營收，貢獻7.億3元獲利。而年産2,6公0噸0的第四期工程將於200年8底投産，屆時臺塑碳纖維産能將達8,7公5噸0。由於碳纖維毛利高達四成，從營收規(guī)模來看，碳纖維新産能釋出後，對營收貢獻雖不大，但對獲利貢獻度卻非常驚人。以200年7為例，雖然臺塑碳纖維總産能不過是3,2公0噸0，占臺塑總營收不到2%，但碳纖維貢獻之獲利比則高達6%。屆200年9,臺塑碳纖維總産能將達8,7公5噸0，經(jīng)預(yù)估其營收貢獻度將達5%，但獲利貢獻度則可成長成為10%。臺塑董事長李志村表示,由於技術(shù)門檻高、投資金額大，因此，全世界現(xiàn)今能生産高附加價値碳纖維之廠商不多。儘管如此，由於碳纖維用途則不斷擴大,今後之前途不可限量。單以航空工業(yè)之飛機製造業(yè)為例而言，由於能源日益稀少，現(xiàn)已進入高油價時代。而飛機重量嚴重影響到航空用油消耗量,因此，不僅飛機機翼必須使用碳纖維,碳纖維今後必然將應(yīng)用到包含機身在內(nèi)的全部機體。此外，碳纖維的用途不限於航太工業(yè),由於其質(zhì)輕、堅靭等特性,軍事工業(yè)也必須大量採用碳纖維做為原料。例如長短程導(dǎo)彈亦必須採用到碳纖維,因為,除質(zhì)輕、堅

靭之外,減少被雷達偵測的機率也是碳纖維的重要利點。加上碳纖維具有高進入門檻及高附加價値,今後必然是臺塑集團獲利之金雞母之一。表世界系碳纖維製造廠一覧表年月種類企業(yè)工廠所在産能公噸年備考型東麗愛媛日本年前増設(shè)為東邦三島日本計畫増設(shè)為三菱嫘縈豐橋日本年前増設(shè)為美國三菱嫘縈子公司美國美國美國年前増設(shè)為美國東邦子公司德國東邦子公司東麗子公司法國年前増設(shè)為西班牙臺塑高雄臺灣年前増設(shè)為型小計型東麗愛媛日本美國東邦子公司美國美國英國德國匈牙利型小計資料來源：日本化纖協(xié)會型及型系碳纖維之不同日本東邦公司之之産品型態(tài)及主要用途如表日本東邦公司之之産品型態(tài)及主要用途如表0區(qū)別型型數(shù)?條條主要用途航太汽車運動休閒用品風(fēng)力發(fā)電等産業(yè)資材特徴機械性能高、容易運用價格較廉資料來源：日本東邦公司網(wǎng)頁五耐燄纖維將亞克力系纖維施以~°C熱處理的話，因氧化而可取得耐燄纖維。該製程是製造碳纖維之中間工程之一種。耐燄纖維之特徴是在於：因經(jīng)過熱燄處理，纖維本身即因碳化而擁有高度之防燄、耐熱機能。在火燄燃燒中，耐燄纖維不會軟化或收縮，而會一直保持原型並碳化，也不會産生因溶融而出現(xiàn)的溶滴物。値為55~60，顯示出高水準之難燃性。有關(guān)燃燒氣體之安全性亦經(jīng)過老鼠試驗確定對人體無害。除前述特徴之外，尚擁有相當強度及延伸性、比重低（1.~315.4、5水）份率（7適中、斷熱性良好、電氣絶縁性、對有機溶劑穩(wěn)定等特性。雖然強酸、強堿會引起強度