壓延微晶玻璃粘結(jié)易脫落問題的研究

賈錫永,張紹金,郭成明

(1.安徽華慧晶甲微晶材料有限公司,明光 239400;2.中冶焦耐工程技術(shù)有限公司,大連 116000; 3.上海裕項(xiàng)防水裝飾材料有限公司,上海 200942)

壓延微晶玻璃粘結(jié)易脫落問題的研究

賈錫永1,張紹金2,郭成明3

(1.安徽華慧晶甲微晶材料有限公司,明光 239400;2.中冶焦耐工程技術(shù)有限公司,大連 116000; 3.上海裕項(xiàng)防水裝飾材料有限公司,上海 200942)

筆者通過多年的系統(tǒng)研究,不但解決了壓延微晶板表面的玻璃相問題,而且在微晶板表面形成了“粗糙”層。由膠泥的粘接機(jī)理中的“機(jī)械嚙合力”的啟發(fā),攻關(guān)生產(chǎn)出帶“溝槽紋”的壓延微晶板,顯著的提高了微晶板與膠泥的粘結(jié)強(qiáng)度,這是解決壓延微晶板脫落系統(tǒng)工程研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

粗糙度; 棚堵; 水膜層; 壓延微晶板

壓延法生產(chǎn)的礦渣微晶玻璃,作為工業(yè)防護(hù)材料得到了廣泛的應(yīng)用,如在煤炭、發(fā)電、焦化、水泥、鋼鐵等領(lǐng)域,成效越來越顯著。這是因?yàn)榈V渣微晶玻璃具有獨(dú)特的性能:耐磨性能好,礦渣微晶玻璃的硬度高,莫氏硬度在8以上,納米級(jí)的晶體排列致密,析晶率高,在使用過程中其表面易形成光滑的鏡面,摩擦系數(shù)小,光澤度可達(dá)120以上。

1 存在的問題

由于礦渣微晶玻璃的主成分為硅酸鹽,所以其表面殘留有大量的硅氧共價(jià)鍵和羥基鍵(詳見圖1、圖2)。

當(dāng)儲(chǔ)存和運(yùn)行中的物料含有水分或有極性的液體時(shí),在微晶玻璃板的表面可化學(xué)吸附一層“水膜”,就是這層“水膜”可大大減少物料接觸面的摩擦系數(shù),不但提高了壓延微晶板的使用壽命,而且還能起到物料的促流效果,解決了粉狀物料容易“棚堵”的難題[1]。礦渣微晶玻璃耐腐蝕性能好,硅酸鹽屬于中性材料,既耐酸也耐堿,壓延微晶板的內(nèi)部吸水率極低,也不會(huì)產(chǎn)生酸、堿、鹽的膨脹腐蝕,當(dāng)壓延微晶板表面化學(xué)吸附一層極性物質(zhì)(水膜)時(shí),就能起到對(duì)微晶板的隔離保護(hù)作用。壓延法生產(chǎn)礦渣微晶玻璃有很好的耐熱性能,微晶玻璃的晶化溫度在900℃以上,從理論上講在900℃以下長時(shí)間使用是沒有問題的,只有在高于結(jié)晶溫度時(shí)才可能破壞晶體結(jié)構(gòu),因此壓延微晶玻璃在熱沖擊性能不大的工況下,可在較高溫度(900℃以下)長期使用。

綜上所述,作為工業(yè)防護(hù)材料能夠同時(shí)具備耐磨、耐腐、耐熱的性能,首選產(chǎn)品便是壓延礦渣微晶玻璃。誠然,礦渣微晶玻璃作為工業(yè)防護(hù)材料優(yōu)點(diǎn)較多,但是微晶板的粘結(jié)脫落也是一個(gè)亟待解決的問題。

2 增加粘結(jié)強(qiáng)度的幾種研究方向

我公司廣泛征求用戶和設(shè)計(jì)院所的意見,并且長期與高校、科研院所合作聯(lián)合攻關(guān),近幾年來做了系統(tǒng)的研究,研究成果有4個(gè)方面:1)壓延微晶板表面的粘結(jié)面積和粘結(jié)面的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);2)研究粘結(jié)壓延微晶板的專用膠泥;3)根據(jù)不同使用工況設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的施工工藝;4)特殊部位采用“結(jié)構(gòu)件”的設(shè)計(jì)。以上4個(gè)研究方向可以比較系統(tǒng)、科學(xué)、可行的解決壓延微晶板材的粘結(jié)脫落問題,有些方法已申請(qǐng)了國家專利。

該文著重論述如何提高壓延微晶板表面的粘結(jié)面積和粘結(jié)面的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。下面我們從粘結(jié)強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析

式中,R粘為膠泥的粘結(jié)強(qiáng)度,MPa;P為破壞荷載,N;F為受力面積,mm2。

從式(1)可見,對(duì)于同一種膠泥和被粘結(jié)板材(壓延微晶板材)來說,膠泥的粘結(jié)強(qiáng)度是一個(gè)定值。也就是說僅僅靠提高受力面積F,實(shí)現(xiàn)增大破壞荷載P是有限的,而且受力面積增加到一定范圍以后,可能要降低壓延微晶板材的其它技術(shù)指標(biāo)。

3 增加粘結(jié)面積的板材表面設(shè)計(jì)

眾所周知,抗拉強(qiáng)度是檢測(cè)膠泥的粘結(jié)強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo),剪切強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度是檢測(cè)膠泥與板材的粘結(jié)性能指標(biāo)的,但是它們的受力方向是不同的,剪切力平行于粘結(jié)面,而粘結(jié)強(qiáng)度的破壞荷載力是垂直粘結(jié)面的。一般來說,同種材料的粘結(jié),剪切強(qiáng)度大于粘結(jié)強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于剪切強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度,壓延微晶板粘貼在設(shè)備上或筒倉內(nèi),它的受力是物料給它的摩擦力和壓力,可見摩擦力是與板材粘結(jié)面平行的。而物料對(duì)壓延板的壓力又可以分解為與壓延板面平行的下滑力和垂直的正壓力,由于正壓力與壓延板的破壞荷載力是方向相反的兩個(gè)力,正壓力是一個(gè)保護(hù)壓延板不脫落的力,導(dǎo)致壓延微晶板材粘結(jié)脫落的力主要是摩擦力和下滑力的合力。

由此,我們可以得出一個(gè)結(jié)論:壓延微晶板材與膠泥的粘結(jié)面的形狀結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的,在微晶板的粘接面壓成平行的“溝槽紋”,而且“溝槽紋”的方向與物料流動(dòng)方向垂直。這是為了增加粘結(jié)面的機(jī)械嚙合力,而且這種機(jī)械嚙合力[2]將成為最主要的粘結(jié)力,因?yàn)樗四z泥與板材粘結(jié)力、剪切力和膠泥的抗拉力(抗拉強(qiáng)度的單位面積受力),從實(shí)驗(yàn)數(shù)椐可得出,增加的粘結(jié)力遠(yuǎn)大于增加粘結(jié)面積的百分比值(粘結(jié)面積僅增加20%左右,剪切強(qiáng)度增加了50%～70%)。

為了證明這個(gè)結(jié)論,我們做了多種方案的試驗(yàn)研究,如:增加壓延微晶板材粘結(jié)面的粗糙度、“井”字型的凹槽和等距離的平行溝紋槽。對(duì)這3種粘結(jié)面的結(jié)構(gòu)形狀分別做了實(shí)驗(yàn),在做壓延微晶板膠泥粘結(jié)的剪切力試驗(yàn)時(shí),我們模擬壓延微晶板材在使用過程中,受到物料的壓應(yīng)力,等距離的平行溝紋槽的壓延板,溝紋槽的方向與受力方向成垂直角度,檢測(cè)的剪切強(qiáng)度比其它指標(biāo)高出50%～70%(見表1)。隨著壓應(yīng)力的增加剪切強(qiáng)度成指數(shù)級(jí)增加,直到膠泥凸出部分被剪切掉時(shí),剪切強(qiáng)度增加到兩倍以上,這也說明了機(jī)械嚙合力起到主要作用。

其它試驗(yàn)也都有利于粘結(jié)強(qiáng)度的提高,比如壓延微晶板材表面粗糙度可以疊加在等距離的平行溝紋槽的壓延板上。工藝過程是這樣來實(shí)現(xiàn)的:礦渣微晶玻璃是用壓延法進(jìn)行生產(chǎn),其中壓延輥需要經(jīng)冷卻水充分冷卻后才能實(shí)現(xiàn)玻璃液的壓延定型,尤其是生產(chǎn)16 mm以上厚度的壓延微晶板材時(shí),冷卻強(qiáng)度要更大才能實(shí)現(xiàn)壓延后玻璃板定型(玻璃板不再變形),這樣一來必然導(dǎo)致壓延玻璃板表面過冷卻,將產(chǎn)生1～2 mm的玻璃相(鑄石澆注生產(chǎn)靠模具一面也被過冷卻,有1～2 mm的玻璃相),就是因?yàn)榫Ш藙┰谶^冷卻時(shí)被“凍死”。我們?cè)诠に嚿喜扇×烁倪M(jìn),增加晶核劑的用量,延長均熱帶的時(shí)間(核化區(qū)前面的溫度區(qū)),使得被“凍死”的晶核劑再蘇醒過來。這樣不但解決了壓延微晶板材表面玻璃相的問題,而且還提高了微晶玻璃板表面粗糙度,更重要的是提高了壓延微晶板材的理化技術(shù)指標(biāo)[3]。

表1 壓延微晶板的粘結(jié)試驗(yàn)檢測(cè)表

進(jìn)一步的研究,通過正交試驗(yàn)分析建立了數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化出等距離的平行溝紋槽的壓延板的結(jié)構(gòu)參數(shù),槽間距離12～15 mm,槽深3～4 mm,壓延微晶板材與膠泥的粘結(jié)強(qiáng)度可提高50%～70%,剪切強(qiáng)度可提高130%～170%。對(duì)試驗(yàn)數(shù)椐分析發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象,等距離的平行溝紋槽的凹槽和凸頂部分,是弧形過度比棱角過度更有利于粘結(jié)強(qiáng)度的提高,是否是因?yàn)榘疾酆屯鬼數(shù)睦饨遣焕谀z泥的潤濕和吸附(關(guān)于膠泥與壓延微晶板材的潤濕和吸附,也是影響膠泥粘結(jié)強(qiáng)度的因素,在壓延微晶板材專用膠泥的研究中得出的結(jié)論)仍有待進(jìn)一步的研究和探索。

4 結(jié) 語

壓延微晶板材作為《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦應(yīng)用的內(nèi)襯材料,它不僅僅是起到保護(hù)鋼筋混凝土筒倉不受酸性液體和酸性氣體的“碳化”侵蝕[4]的作用,同時(shí)更能解決物料尤其是含水分的細(xì)顆粒物料的“棚堵”問題,這些都是與壓延礦渣微晶玻璃獨(dú)特的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)分不開的,在很多工程案例中也充分證明了這點(diǎn)。至于在解決物料的“棚堵”問題,以及在鋼廠腐蝕、磨損與高溫等因素共存的惡劣環(huán)境下,壓延微晶板材都可稱之為量身定做的新型耐磨防腐材料。可以這么說,若解決了板材的粘結(jié)脫落問題,壓延礦渣微晶板有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 周 洪.新材料—微晶鑄石在選煤廠的應(yīng)用[J].煤質(zhì)技術(shù),2002,36(5):24-25.

[2] 黃世強(qiáng),孫爭光,吳 軍.膠黏劑及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3] 賈培祥.提高壓延微晶板的粘結(jié)強(qiáng)度的實(shí)踐與研究[J].工業(yè)玻璃和特種玻璃標(biāo)準(zhǔn)化通訊,2013,18(1):17-19.

[4] 王純進(jìn),賈錫永.壓延微晶板阻隔鋼筋混凝土煤倉碳化的實(shí)踐與研究[J].能源技術(shù)與管理,2014,30(2):149-150.

Research on the Problem of the Shedding of Rolling Glass-ceremic

JIA Xi-yong1,ZHANG Shao-jin2,GUO Cheng-ming3
(1.Anhui Huahui Jingjia Microcrystalline Material Co,Ltd,Mingguang 239400,China;2.Metallurgical Coke Resistance Engineering Technology Co,Ltd,Dalian 116000,China;3.Shanghai Yuxiang Waterproof Decorative Material Co,Ltd,Shanghai 200942,China)

After many years of system research,the author has not only solved the problem of the glass phase of the glass-ceremic surface,but also formed a“rough layer”.Owing to the inspiration of the boading mechanism of“mechanical force”,we have creatively produced the rolling microcrystalline plate with trench lines,greatly improved the boading strength of the ceramic plate and cement,which is also an important step to solve the problem of the shedding of glass-ceremic in the course of construction.

roughness; blocking; blocking water layer; rolling glass-ceremic

2014-07-17.

賈錫永(1982-),工程師.E-mail:ahhuahui@vip.sina.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.015