耐火纖維是耐火材料大家族中的重要一員。其具有一般纖維的特性，如柔軟、有彈性、有一定的抗拉強(qiáng)度，又具有一般纖維所沒(méi)有的耐高溫、耐腐蝕性能。作為耐火隔熱材料，耐火纖維已被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、建材、造船、航空、航天等行業(yè)。目前，市場(chǎng)上的耐火纖維以硅酸鋁系列為主，廣泛應(yīng)用于冶金、陶瓷等領(lǐng)域的加熱爐、熱處理爐等高溫裝備。硅酸鋁系列耐火纖維的優(yōu)點(diǎn)是使用溫度高，且高溫使用性能好，但其最大的缺陷是不可降解，對(duì)人體有害，目前在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，其使用已受到限制，歐盟甚至已將其列為二類可能性致癌物質(zhì)。
對(duì)此，研究人員紛紛開(kāi)展了對(duì)于可降解、無(wú)害于人體的耐火纖維的研究開(kāi)發(fā)。環(huán)保型可降解無(wú)機(jī)纖維正是近年來(lái)加入耐火材料行列的新成員之一，其具有耐高溫、節(jié)能、隔熱等特性，在人體和土壤環(huán)境中能夠快速降解，不會(huì)對(duì)人體和自然環(huán)境產(chǎn)生危害。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，材料與環(huán)境的關(guān)系越來(lái)越受到普遍關(guān)注，具有生物可降解性能的無(wú)機(jī)纖維材料越來(lái)越受到重視，可降解耐火纖維在市場(chǎng)上對(duì)傳統(tǒng)耐火纖維市場(chǎng)造成很大的影響和沖擊。
要衡量耐火纖維對(duì)環(huán)境的影響程度，則著重要參考其降解性能的強(qiáng)弱。目前，可降解無(wú)機(jī)耐火纖維降解性能的測(cè)試方法主要有生物學(xué)性能測(cè)試及體外測(cè)試兩種。生物學(xué)性能測(cè)試是采用在小白鼠體內(nèi)或肺部植入纖維，經(jīng)過(guò)一定試驗(yàn)周期后觀察小白鼠肺部是否病變，以此來(lái)判斷纖維在生物體內(nèi)的降解能力。此法周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)條件要求高，應(yīng)用于工業(yè)測(cè)定的可行性比較小。
因此，通過(guò)配制模擬肺液，采用體外模擬試驗(yàn)測(cè)定纖維的溶解量來(lái)間接地反映降解速度是簡(jiǎn)單可行的測(cè)試方法。一般來(lái)說(shuō)，可降解無(wú)機(jī)耐火纖維的降解速度越快，在模擬肺液中的溶解量也越大。但是，溶解量的測(cè)定受到諸多因素的影響，比如纖維長(zhǎng)度、溶解時(shí)間以及人體肺液代謝的動(dòng)態(tài)環(huán)境等。為此，有研究人員采用恒溫水浴振蕩法模擬人體肺液的動(dòng)態(tài)環(huán)境，測(cè)定并分析了纖維長(zhǎng)度、溶解時(shí)間、振蕩速度等測(cè)定因素對(duì)纖維溶解量的影響，以求為更環(huán)保、無(wú)害的耐火纖維研發(fā)和生產(chǎn)提供依據(jù)。
科學(xué)試驗(yàn)提供依據(jù)
試驗(yàn)原理。環(huán)保型可降解無(wú)機(jī)纖維的結(jié)構(gòu)為玻璃態(tài)。由于在弱堿性模擬肺液中的水分子作用下纖維結(jié)構(gòu)中的Ca2+、Mg2+發(fā)生水解反應(yīng)，使Ca2+、Mg2+不斷被浸出。因此，可以通過(guò)定量分析不同環(huán)境下纖維在模擬肺液中的Ca2+、Mg2+析出量來(lái)反映無(wú)機(jī)纖維的溶解量。
試驗(yàn)過(guò)程。研究人員采用以下分析純?cè)噭┡渲颇M肺液：氯化鈉（NaCl）6.78克，氯化氨（NH4Cl）0.54克，碳酸氫鈉（NaHCO3）2.27克，磷酸氫二鈉（Na2HPO4）0.17克，硫酸（H2SO4，1：100）5克，二水合檸檬酸鈉（Na3C6H5O72H2O）0.06克，甘氨酸（H2NCH2CO2H）0.45克。將以上試劑用蒸餾水稀釋至1升，就得到模擬肺溶液。
試驗(yàn)所用的可降解環(huán)保耐火纖維樣品是采用高純工業(yè)原料生產(chǎn)的，其主要化學(xué)組成分為SiO2、CaO、MgO，三者總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于96%。主要試驗(yàn)設(shè)備有恒溫水浴振蕩加熱箱、塑料離心管、干燥箱、標(biāo)準(zhǔn)篩、瑪瑙研缽等。
試驗(yàn)過(guò)程如下：取可降解無(wú)機(jī)耐火纖維樣品各1克，放入裝有50毫升模擬肺液的塑料離心管中，然后放置在恒溫水浴箱中恒溫37℃，設(shè)定振蕩速度，持續(xù)一定時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束后，過(guò)濾，出濾清液，使用ICP（電感耦合等離子體）分析儀測(cè)定溶解在模擬肺液中的SiO2、CaO、MgO含量。分別研究以下測(cè)試因素對(duì)纖維溶解量的影響：
纖維長(zhǎng)度的影響。研究人員分別取3份不同長(zhǎng)度的耐火纖維樣品進(jìn)行測(cè)試。其中包括沒(méi)有經(jīng)過(guò)短切的纖維原棉，經(jīng)短切、粉碎后過(guò)2 毫米（10目）篩的纖維棉，研磨后過(guò)0.250毫米（60目）篩的篩下纖維粉末。溶解時(shí)間均為24小時(shí)，振蕩速度均為每分鐘180轉(zhuǎn)。
溶解時(shí)間的影響。取3份短切試樣，分別進(jìn)行24小時(shí)、48小時(shí)、168小時(shí)的測(cè)試，振蕩速度均為每分鐘180轉(zhuǎn)。
振蕩速度的影響。取3份短切試樣，分別以每分鐘60轉(zhuǎn)、180轉(zhuǎn)、280轉(zhuǎn)的振蕩速率進(jìn)行測(cè)試，溶解時(shí)間均為24小時(shí)。
對(duì)比分析確定結(jié)論
纖維長(zhǎng)度對(duì)溶解量的影響。研究人員將不同長(zhǎng)度的耐火纖維棉同時(shí)溶解24小時(shí)后，測(cè)定濾清液中的SiO2、CaO、MgO的含量，從不同長(zhǎng)度纖維在模擬肺液中溶解24小時(shí)后的溶解量可以看出，未經(jīng)短切的纖維在模擬肺液中的降解性最小，經(jīng)過(guò)短切粉碎的纖維和經(jīng)研磨的纖維粉末的降解性較好；但研磨的試樣相對(duì)于短切試樣的降解能力增加并不明顯。纖維的離子析出能力主要受纖維表面積大小的制約，纖維粉碎得越細(xì)，相應(yīng)比表面積就越大，析出能力也相應(yīng)增大。纖維經(jīng)剪切研磨后，比表面積增大，與模擬肺液中水分子的水解反應(yīng)更加充分。因此，在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)隨著纖維長(zhǎng)度的減小，環(huán)保纖維的總?cè)芙饬孔兇?，即降解性增大?br>
溶解時(shí)間對(duì)溶解量的影響。纖維棉溶解不同時(shí)間后，從測(cè)定濾清液中的SiO2、CaO、MgO的含量可以看出：隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維棉的總?cè)芙饬坎粩嘣龃?；但隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，其降解速度并沒(méi)有呈比例增加，而是明顯變緩。這主要是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長(zhǎng)，模擬肺液中SiO2、CaO、MgO的量越多，反應(yīng)逐漸變慢，直至反應(yīng)趨于平衡，纖維的降解終止。然而，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，人體吸入環(huán)保耐火纖維粉塵后，由于人體的新陳代謝，肺液會(huì)不斷更新，從纖維析出的離子會(huì)不斷被人體排泄，纖維在動(dòng)態(tài)的肺液環(huán)境中的溶解速率受離子濃度影響比較小。因此，在最初的24小時(shí)內(nèi)的模擬溶液環(huán)境更接近人體肺液成分，纖維的溶解速度也更接近在人體內(nèi)的降解速度。
振蕩速度對(duì)溶解量的影響。振蕩試驗(yàn)的目的是為了模擬人體肺液的動(dòng)態(tài)環(huán)境。改變振蕩速度，溶解24小時(shí)后，測(cè)定濾清液中的SiO2、CaO、MgO的含量。從中可以看出，隨著振蕩速度的增大，環(huán)保耐火纖維在模擬肺液中溶解的離子量增大，振蕩最慢的試樣的溶解量最小。這主要是因?yàn)檎袷幙梢允箯睦w維中析出的離子快速離開(kāi)纖維表面，從而使模擬肺液中的水解反應(yīng)能夠在纖維表面充分進(jìn)行。但是振蕩速度每分鐘180轉(zhuǎn)和280轉(zhuǎn)的試樣溶解量變化不大。
在模擬試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，纖維長(zhǎng)度、溶解時(shí)間、振蕩速率對(duì)纖維降解析出離子的影響較大。但是，較大幅度地減少纖維長(zhǎng)度、延長(zhǎng)溶解時(shí)間和提高振蕩速度
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