填料并用體系對(duì)無石棉膠乳抄取板性能的影響

熊 浩，夏新興

(陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

填料并用體系對(duì)無石棉膠乳抄取板性能的影響

熊 浩，夏新興

(陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

添加一定量的硫酸鋁溶液能夠改善填料與纖維和膠乳的結(jié)合。隨著硫酸鋁用量的增加，漿料的Zeta電位、pH值和打漿度都逐漸降低，最佳的硫酸鋁用量為9%。對(duì)于添加了填料碳酸鈣/炭黑和凹凸棒粉/炭黑的兩種無石棉膠乳抄取板而言，隨著炭黑用量的增加，兩種板材的抗張指數(shù)逐漸增加，壓縮率則呈緩慢下降的趨勢(shì)，回彈率變化不大，而蠕變松弛率則主要受板材緊度影響，緊度越大蠕變松弛率越小。

填料；硫酸鋁；無石棉膠乳抄取板

無石棉膠乳抄取板是一種重要的密封材料，主要用于汽車、飛機(jī)、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)以及各種管道連接的密封等。目前無石棉膠乳抄取板的生產(chǎn)制備工藝主要有三種：橡膠混煉模壓工藝法(也稱模壓法)、壓縮成張工藝法(也稱壓縮法)和抄取工藝法(也稱造紙法)。造紙法是在改善前兩種制備方法缺陷的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一種新型的生產(chǎn)工藝，即將水、膠乳、纖維、填料和化學(xué)輔料混合成含水的分散體系，在紙機(jī)上抄造成密封板材[1]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于所制備的板材柔軟，產(chǎn)品尺寸和性能比較穩(wěn)定，強(qiáng)度性能好，且生產(chǎn)過程基本是連續(xù)的。廢水可以循環(huán)利用，是當(dāng)前無石棉膠乳板制備方法中最為環(huán)保、最為理想的生產(chǎn)工藝。

在造紙法生產(chǎn)無石棉膠乳抄取板時(shí)，所用的填料主要分為兩種類型：惰性填料和補(bǔ)強(qiáng)型填料。惰性填料又稱增容填料，其主要作用在于增容，降低生產(chǎn)成本。此外，增容填料也可不同程度改善制品的機(jī)械性能和密封性能。而補(bǔ)強(qiáng)填料是指可提高基體材料本身的機(jī)械性能和耐熱性能的填充劑。本試驗(yàn)選取了兩種惰性填料碳酸鈣和凹凸棒粉以及補(bǔ)強(qiáng)性填料炭黑，來研究他們的配合使用對(duì)抄取板性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

芳綸1313纖維：國(guó)內(nèi)某公司；植物纖維：漂白針葉木漿板，新疆博湖葦業(yè)股份公司；礦物纖維：海泡石纖維，國(guó)內(nèi)某公司；丁苯膠乳：乳白色，固含量48%；填料：碳酸鈣、凹凸棒粉和炭黑，國(guó)內(nèi)某公司；硫酸鋁：0.25%濃度；陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)：0.01%濃度。

1.2 主要儀器和設(shè)備

紙樣抄取器：ZQJ1-B型；肖式打漿度儀：ZJ1-100型；擺錘式抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)：J-KZ3000型，四川長(zhǎng)江造紙儀器有限公司；密封試驗(yàn)機(jī)：XYM-A型，咸陽新益摩擦密封材料研究所；壓縮回彈試驗(yàn)機(jī)：SX-A型，咸陽新益摩擦密封材料研究所；應(yīng)力松弛測(cè)試儀：FY-1型，咸陽新益摩擦密封材料研究所。

1.3 試驗(yàn)方法

(1) 抄取工藝。

將各種原料和藥品依次按照混合纖維、填料、硫酸鋁、膠乳和CPAM的順序添加，每次添加后都疏解800r。疏解完后經(jīng)抄片器抄成定量150g/m2紙片和定量1 300g/m2紙板。

(2) 性能測(cè)試。

用抗張?jiān)囼?yàn)儀測(cè)定定量為150g/m2紙片的抗張強(qiáng)度；用壓縮回彈試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)力松弛儀分別測(cè)定定量為1 300g/m2紙板的壓縮率、回彈率和蠕變松弛率。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2(SO4)3溶液對(duì)填料與纖維和膠乳結(jié)合性能的影響

礬土[(Al2(SO4)3·18H2O)]溶液的重要組成是硫酸根(SO42-)和具有6個(gè)水分子的三價(jià)水合鋁離子[Al(H2O)6]3+。在無石棉膠乳抄取板領(lǐng)域，填料、纖維及膠乳都帶負(fù)電荷，它們之間的電荷相互排斥會(huì)影響填料與纖維和膠乳的結(jié)合。本試驗(yàn)通過添加不同量的硫酸鋁溶液來討論硫酸鋁對(duì)填料與纖維和膠乳結(jié)合性能的影響。

硫酸鋁對(duì)漿料Zeta電位的影響見圖1。

由圖1知，無論是添加碳酸鈣/炭黑，還是添加凹凸棒粉/炭黑，隨著硫酸鋁用量的增加，兩種漿料的Zeta電位都逐漸增大，并向等電點(diǎn)靠近。這一現(xiàn)象可以由吸附架橋理論來解釋。Al2(SO4)3在水中能夠離解產(chǎn)生三價(jià)水合鋁離子[Al(H2O)6]3+，它具有與一般陰離子絡(luò)合的傾向。當(dāng)其吸附在帶負(fù)電荷的纖維表面后，能使其表面局部電荷由負(fù)電變?yōu)閹д?，這樣就能與其他帶負(fù)電的填料和膠乳相結(jié)合。三價(jià)水合鋁離子[Al(H2O)6]3+的這種架橋作用使纖維、填料和膠乳能很好的粘結(jié)在一起，從而使?jié){料的Zeta電位增大。

硫酸鋁對(duì)漿料pH值的影響見圖2。

由圖2知，隨著Al2(SO4)3用量的增加，兩種漿料的pH值都不斷減小。這是因?yàn)樗箱X離子呈弱酸性，隨著Al2(SO4)3不斷的加入，漿料的pH值將逐漸由堿性向酸性方向變化。

圖3是Al2(SO4)3對(duì)兩種漿料體系濾水性能的影響情況。隨著Al2(SO4)3加入量的增加，兩種漿料的打漿度都逐漸降低。這是由于添加Al2(SO4)3后，改善了填料與纖維和膠乳的結(jié)合，使其能形成絮聚團(tuán)，這樣便提高了漿料的濾水性能，從而降低了打漿度。同時(shí)從圖3可以看出，對(duì)于同一添加量的Al2(SO4)3，碳酸鈣/炭黑漿料的打漿度明顯低于凹凸棒粉/炭黑漿料的打漿度。這說明碳酸鈣填料與凹凸棒粉相比能更好的與纖維和膠乳結(jié)合，形成絮聚物。

2.2 填料對(duì)無石棉膠乳抄取板性能影響

本試驗(yàn)固定填料在抄取板中的總含量，僅改變填料中碳酸鈣(或凹凸棒粉)與炭黑的相對(duì)含量來研究其對(duì)抄取板性能的影響。試驗(yàn)的基本配方如表1。

表1 試驗(yàn)配方

取已打過漿的針葉木纖維(打漿度60SR°)、芳綸纖維和海泡石纖維按一定比例配成混合纖維加入疏解機(jī)中疏解，然后依次加入碳酸鈣/炭黑(或凹凸棒粉/炭黑)、硫酸鋁、膠乳、陽離子聚丙烯酰胺充分疏解攪拌均勻。將疏解好的漿料稀釋后分別抄成150g/m2紙片和1 300g/m2紙板來測(cè)定其抗張強(qiáng)度、壓縮率、回彈率和蠕變松弛率，見表2、表3。

表2 填料碳酸鈣/炭黑對(duì)無石棉膠乳抄取板性能影響

表3 填料凹凸棒粉/炭黑對(duì)無石棉膠乳抄取板性能影響

由表2、表3知，兩種填料體系的抗張指數(shù)都隨著炭黑用量的增加而增大。這是由于炭黑的粒徑較碳酸鈣和凹凸棒粉而言更小，同時(shí)炭黑的準(zhǔn)石墨化晶體邊緣碳原子的缺陷有特別大的“活性點(diǎn)”，可以與膠乳相互作用，另外，炭黑表面的氫原子、含氧基團(tuán)和自由基也可以與膠乳發(fā)生作用來提高板材強(qiáng)度。同時(shí)，從表2、表3中還可以看出，與碳酸鈣/炭黑填料體系相比，凹凸棒粉/炭黑填料體系的抗張指數(shù)較小，這是由于凹凸棒粉表面含有極性的SiOH，它和丁苯膠乳分子的非極性表面親和性較差的緣故。

對(duì)于壓縮率，兩種填料體系都是隨著炭黑用量的增加而呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，而回彈率則兩種填料體系各自的變化不大。這可能是由于炭黑表面具有高度為2～3nm、寬度為3～5nm的尖銳棱角，稱為炭黑表面的“納米結(jié)構(gòu)”，它們能相互形成不規(guī)則的傾斜疊置狀區(qū)域[2]。隨著炭黑用量的增加，這些具有表面納米結(jié)構(gòu)的炭黑粒子能夠無規(guī)則的纏繞在線性的膠乳分子鏈上。當(dāng)受到外力作用時(shí)，便能夠通過炭黑的納米結(jié)構(gòu)，將承受的外力傳遞給其他膠乳分子鏈，共同分擔(dān)外力，使應(yīng)力分散，這樣便限制了彈性體在外力作用下的大尺寸形變。

對(duì)于蠕變松弛性能，從表2、表3中可以看出，它與無石棉膠乳抄取板的緊度密切相關(guān)，緊度越大則蠕變松弛率越小。蠕變松弛性能按ASTM定義[3]是一種瞬時(shí)應(yīng)力應(yīng)變行為，在應(yīng)變?cè)黾拥耐瑫r(shí)，墊片上殘余應(yīng)力發(fā)生衰減，實(shí)際上它反映了在一定初應(yīng)力和溫度下，經(jīng)過一段時(shí)間，板材厚度的變化情況。緊度越大的板材，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫下，雖然膠乳會(huì)有一定程度的分解，但這些纖維和填料仍能保持一個(gè)有效的抗松弛性和適當(dāng)?shù)拿芊庑?。同時(shí)還可以看出，添加填料凹凸棒粉/炭黑的板材緊度明顯小于添加填料碳酸鈣/炭黑的板材緊度。我們知道，在無石棉密封材料中，一般選用粒徑較大的無機(jī)填料(如碳酸鈣、凹凸棒粉、陶土等)和粒徑較小的炭黑或白炭黑配合使用，來減少填料粒子間的空隙，使粒子間緊密結(jié)合。而凹凸棒粉的粒徑長(zhǎng)度(0.5～5μm)相對(duì)于本試驗(yàn)中選用的重質(zhì)碳酸鈣粒徑長(zhǎng)度(10～13μm)而言小的多，這就使它與炭黑間結(jié)合的緊密程度不如碳酸鈣與炭黑，另外由于凹凸棒粉是由其呈棒狀、纖維狀的晶體粒子聚集而成的具有層、鏈狀結(jié)構(gòu)的粒子，它與具有無規(guī)則形狀的重質(zhì)碳酸鈣粒子相比，在受到外力作用時(shí)更容易發(fā)生滑移變形，這也在一定程度上減小了其緊度。

3 結(jié)論

(1) 添加Al2(SO4)3能夠改善填料與纖維和膠乳的結(jié)合。隨著Al2(SO4)3溶液用量的增加，兩種填料體系漿料的Zeta電位都逐漸降低，并向等電點(diǎn)靠近，而pH值和打漿度則都不斷減小。最佳Al2(SO4)3添加量為9%。

(2) 隨著炭黑用量的增加，兩種不同填料體系的無石棉膠乳抄取板的抗張指數(shù)逐漸增大，壓縮率則呈現(xiàn)緩慢減小趨勢(shì)，回彈率兩種板材各自的變化不大。蠕變松弛率則主要受板材的緊度影響，緊度越大蠕變松弛率越小。同時(shí)，從兩種填料體系各自板材的性能數(shù)據(jù)可以看出，填料碳酸鈣與凹凸棒粉相比，它與纖維和膠乳的結(jié)合更好，更易形成絮聚物。

[1]胡宏玖,謝蘇江,劉美紅.無石棉墊片復(fù)合材料設(shè)計(jì)與性能[M].上海:上海大學(xué)出版社,2006.

[2]鄧毅.炭黑表面的納米結(jié)構(gòu)對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用[J].輪胎工業(yè),2003,23(7):387-391.

[3]謝蘇江,蔡仁良.壓縮無石棉密封板材蠕變松弛性能的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程材料,2004,28(6):14-16.

Effect of Mixed Fillers on the Property of Non-asbestos Latex Sheets

XIONG Hao, XIA Xin-xing
(Shanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

Adding a certain amount of aluminum sulfate solution is able to improve the combination of fillers with fibers and latex.As the dosage of aluminum sulfate increased, the Zeta potential、pH and beating degree decreased gradually, and the optimal dosage is 9%. For the two different non-asbestos latex sheets of adding calcium carbonate/carbon black and attapulgite/carbon black, as the dosage of carbon black increased, the tensile index increases gradually and the compressibility rate reduces slowly, but the variety of recovery is not very clear. The creep-relaxation rate is mainly affected by the tightness. If the tightness increases, the creep-relaxation rate will be decline and vice versa.

fillers; aluminum sulfate; non-asbestos latex sheets

TS727.6

A

1007-9386(2010)05-0014-03

2010-08-20