廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼復合材料

王世芬，李明俊

(1.江西省環(huán)境保護廳環(huán)境工程評估中心，330039，南昌；2.南昌航空大學環(huán)境與化學工程學院，330063，南昌)

廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼復合材料

王世芬1，李明俊2

(1.江西省環(huán)境保護廳環(huán)境工程評估中心，330039，南昌；2.南昌航空大學環(huán)境與化學工程學院，330063，南昌)

為探索對廢膠粉和鉛鋅尾礦砂再生資源化利用的新途徑，進行了用廢膠粉與鉛鋅尾礦砂制備新型阻尼材料的研究。采用正交實驗極差分析方法，研究了膠粉目數(shù)、尾礦量、DBP量對材料阻尼性能的影響。結果表明：廢膠粉/鉛鋅尾礦砂制備阻尼材料的最佳配方為：膠粉目數(shù)為50目，尾礦砂目數(shù)為800目，廢膠粉量為100 g，尾礦砂量為10 g，增塑劑DBP量為15 mL，對應阻尼損耗因子峰值為0.409 7；制備的廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼材料的阻尼峰在低溫，適合作為低溫阻尼材料使用。

鉛鋅尾礦砂；廢膠粉；新型阻尼材料

0 引言

廢橡膠屬于熱固性聚合物，廢棄后在自然界中難以降解；尾礦砂隨著礦產資源的大量開采而逐年增多，目前，我國尾礦累積堆存量大約為120多億噸[1]。廢橡膠及尾礦砂的廢棄既占用了大量的土地，還造成水土流失、水質污染等生態(tài)環(huán)境破壞。另外，我國生膠資源相對緊缺，幾乎年生膠消耗量的45%需要進口，而隨著社會的不斷發(fā)展和開發(fā)利用，礦產資源日趨減小，甚至枯竭。因此開展廢橡膠及尾砂的綜合利用，對減少環(huán)境壓力和廢棄物再生資源化意義重大。

為了尋找一種既可減少“黑色污染”和礦山固體廢棄物、又可回收利用資源而獲得新的環(huán)境功能材料的新途徑，作者曾對廢膠粉和鉛鋅尾礦砂用于制備阻尼材料的可行性進行過分析[2]，但對廢膠粉與鉛鋅尾礦砂用于制備阻尼材料的工藝方法與配方的研究未見相關的報道。本文擬研究膠粉目數(shù)、尾礦量、DBP量對材料阻尼性能的影響，以得到一種減振降噪的新型阻尼復合材料，使廢膠粉和鉛鋅尾礦砂的再生資源化利用得到進一步推廣應用。

1 廢膠粉和鉛鋅尾礦砂的研究及應用現(xiàn)狀

1.1廢膠粉

利用廢舊橡膠加工成膠粉是廢橡膠回收利用的主要途徑之一，主要應用于以下方面。

1.1.1 輪胎、膠鞋等橡膠制品 摻和膠粉制造輪胎、軍用鞋底、小件的塑膠制品、化工密封膠、各種橡膠滲合劑、防水密封材料等[3]。

1.1.2 運動場地 膠粉含有抗氧劑，將其作為粘合劑用于制作經濟性塑膠跑道，即可減緩跑道的老化，又具有彈性和柔性[4]。

1.1.3 隔音壁 膠粉可用于制造復合隔音壁，這種隔音壁不僅有良好的噪音吸收及反射性，而且對于抗風化能力也非常高。并且，在施工的過程當中，因其面積小、質量輕等特點，使其在運輸、組裝及解體方面都變得非常簡便[5]。

1.1.4 路面鋪設 在我國很多省市如江西、湖北、北京等都已進行過用膠粉來鋪設路面的實驗。實踐表明，利用膠粉進行改性過后的瀝青進行路面的鋪設不僅可以使路面的龜裂及軟化現(xiàn)象得到緩解，而且還可使路面出現(xiàn)結冰及打滑的現(xiàn)象減少，這樣不但將行駛的安全性給提高了，還使得路面的使用壽命也延長了[5-7]。

綜上所述，廢膠粉在制備阻尼材料方面的研究相關報道甚少，僅南昌航空大學李明俊教授課題組開展過相關研究。

1.2鉛鋅尾礦砂

1.2.1 鉛鋅尾礦砂再選回收 江銅集團對其含磁黃鐵礦的尾砂進行回收，獲得了品位38.77%的優(yōu)質硫精礦及含硫0.547%、鐵58.04%的合格鐵精礦[8]。

1.2.2 鉛鋅尾礦砂用于建筑板材 江西銅業(yè)公司銀山鉛鋅礦利用該礦的尾礦生產蒸壓硅酸鹽磚，并已建成一個年產1 000萬塊磚的尾礦磚廠[9]。西南科技大學固體廢棄物處理與資源化教育重點實驗室馮啟明以青海某鉛鋅礦尾礦作骨料，適量水泥作膠結料，石灰作激發(fā)劑，分別加入混凝土發(fā)泡劑和廢棄聚苯泡沫粒作預孔劑，通過澆注、搗打成型、養(yǎng)護等工藝制備輕質免燒磚[10]。

1.2.3 鉛鋅尾礦砂用于水泥生產 浙江金圓水泥有限公司趙堅志用鉛鋅尾礦部分代替粘土作硅質原料，電石渣部分替代石灰石，銅渣作為鐵質原料，用礦渣或粉煤灰作為鋁質校正料進行配料，在1 450 ℃下燒制硅酸鹽水泥熟料，各項技術指標達到GB/T21372-2008《硅酸鹽水泥熟料》要求[11]。

1.2.4 鉛鋅尾礦砂制玻璃 株洲玻璃廠用鉛鋅尾礦作為生產平板玻璃、壓花玻璃和玻璃球的重要原料之一，我國在直接利用尾礦生產微晶玻璃花崗巖的研究已嶄露頭角[12]。

1.2.5 鉛鋅尾礦砂作采空區(qū)回填材料 礦山采空區(qū)的回填是直接利用尾礦最有效的途徑之一，其充填費僅為碎石水力充填費用的1/4～1/10[13]。目前，凡口鉛鋅礦的尾礦未經再選就直接分離出毫米粒級進行采空區(qū)填充，對減少尾礦產出，減輕尾礦壩的庫存起到了重要作用[14]。

綜上所述，鉛鋅尾礦砂用于制備阻尼材料的工藝方法及配方的研究未見相關報道。

2 材料制備與試驗方法

鑒于廢膠粉本身所具備的交聯(lián)結構、且易成為分散相；而磨成細小顆粒的鉛鋅尾礦為無機填料，不與膠粉改性劑發(fā)生化學反應，作為填料加入后可提高阻尼材料內摩擦等特性，進行阻尼材料制備。該新型阻尼材料制備的原則定位為具有較好阻尼性能且盡可能工藝簡單、成本低。

2.1試驗原料

鉛鋅尾礦砂：江西德興鉛鋅礦提供。

膠粉：河南濮陽市金利化工有限公司利用廢輪胎生產制取。

2.2試樣制備與工藝方法

項目各原料試劑按照試驗方案的要求，用電子天平進行稱量后，利用青島華隆橡膠機械有限公司生產的XK-160，φ160×320型開放式煉膠機將各種填料及配合劑加入廢膠粉中，以制成混煉膠?；鞜捁に囃瓿芍?，將混煉膠置于陰暗、溫度比較低的地方靜置3 h，使得混煉過程中生產的氣泡慢慢滲出；經工藝反復摸索，得到其硫化溫度為140 ℃、硫化時間為5 min、硫化壓力為10 Mpa。

2.3正交試驗方案

在選定尾礦規(guī)格為+800目，廢膠粉為100 g，膠粉改性助劑及助劑量為：古馬隆 3 g、硬脂酸 0.8 g、氧化鋅5 g、TMTM 1 g、DM 0.5 g、硫黃0.5 g、DCP 1 g、防焦劑1 g、防老劑1 g的基礎上，考慮膠粉規(guī)格、尾礦量及影響填料是否均勻分布的增塑劑DBP的量對阻尼性能的影響，而進行正交試驗，正交試驗方案見表1。

表1 廢膠粉/尾礦砂阻尼材料制備的正交試驗表

2.4測試方法

該阻尼材料的阻尼性能在動態(tài)熱機械分析儀(DMA)上進行測試，夾具為剪切夾具，采用多頻控制應變模式，應變?yōu)?.05%，頻率掃描時，溫度為25 ℃，頻率范圍為1～200 Hz，在該頻率范圍內采用50點掃描；溫度掃描時，頻率為125 Hz，溫度范圍為-60～100 ℃，升溫速度為3 ℃/min。

3 結果與分析

3.1正交試驗結果及極差數(shù)據(jù)分析

各正交試驗的數(shù)據(jù)歸納結果如表2所示。根據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)的極差分析，可以得到最佳試驗方案：膠粉目數(shù)為50目，尾礦量為10 g，DBP為15 mL，即為試驗號4。但從表2中可知，試驗號6制得的試件在低頻時與高頻時的阻尼性能與試件4相差不大，因此通過溫度掃描來比較2個試件的阻尼性能。頻譜圖和溫譜圖如圖1和圖2所示，測試結果見表3。測試結果用頻率掃描時，選了頻率為50 Hz和150 Hz的損耗因子；溫度掃描時，用室溫下試件的損耗因子、最大損耗因子，以及損耗因子大于某一值時的溫度范圍進行表征。

表2 廢膠粉/鉛鋅尾礦砂阻尼材料制備的正交試驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)極差分析結果

表3 試件4與試件6的測試結果

圖1 試件4與試件6的阻尼損耗因子頻譜圖

圖2 試件4與試件6的阻尼損耗因子溫譜圖

根據(jù)測試結果可知，試件4的最大損耗因子比試件6的大而且tanδ≥0.3的溫度范圍更寬，因此試件4的阻尼性能更好，為正交試驗中的最優(yōu)實驗方案。制備的廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼材料的阻尼峰在低溫，故其適合作為低溫阻尼材料使用，常溫使用時雖不是峰值阻尼但也有較好的阻尼值(0.178 3)。從圖2還可知，尾礦砂和DBP用量變化可小幅度改變該阻尼材料阻尼峰值對應的玻璃態(tài)轉變溫度。

3.2尾礦砂量對材料阻尼性能的影響分析

尾礦砂的加入目的是作為填料降低成本且增加強度。在最優(yōu)試驗方案的基礎上，考慮尾礦砂量分別為0 g、1 g、3 g、5 g和10 g時對材料阻尼性能的影響。圖3表明，隨著頻率的增大，尾礦砂的量越少，阻尼材料的損耗因子就越大。尾礦砂的量為1 g、3 g時與不加入尾礦砂時的橡膠阻尼材料隨著頻率的增加，損耗因子相差不大。溫度掃描時，頻率為125 Hz，溫度范圍為-45～100 ℃。

從圖4可知，不加尾礦砂的阻尼材料最高損耗因子最大，且溫度范圍更寬。加入尾礦砂后隨著量的增加，最大損耗因子逐漸降低，損耗因子大于0.3的溫度范圍也越來越小，即材料的阻尼性能隨著尾礦砂量的增加而減小。但是材料的玻璃態(tài)轉變溫度隨著尾礦砂量的增加而略有升高。

圖3 廢膠粉/鉛鋅尾礦砂阻尼材料損耗因子頻譜圖

圖4 廢膠粉/鉛鋅尾礦砂阻尼材料損耗因子溫譜圖

4 結論

1)廢膠粉/鉛鋅尾礦砂制備阻尼材料的最佳配方為：膠粉目數(shù)為50目，尾礦砂目數(shù)為800目，廢膠粉量為100 g，尾礦砂量為10 g，DBP為15 mL。對應阻尼峰值為0.409 7。

2)制備的廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼材料的阻尼峰在低溫，故其適合作為低溫阻尼材料使用，常溫使用時雖不是峰值阻尼但也有較好的阻尼值(0.178 3)。

3)尾礦砂和DBP用量變化可小幅度改變該阻尼材料阻尼峰值對應的玻璃態(tài)轉變溫度。

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TheNewDampingMaterialwithWasteRubberPowderandLead-zincMineTailings

WANG Shifen1,LI Mingjun2

(1.Jiangxi Appraisal Center for Environment and Engineering,330039,Nangchang,PRC;2.Nanchang Hangkong University.Department of Environmental and Chemical Engineering,330063,Nanchang,PRC)

To explore the new way of resource utilization on the regeneration of waste rubber powder and lead zinc mine tailings,studied the new damping material with waste rubber and lead-zinc mine tailings.Using orthogonal experiment range analysis method,studied the effect of crumb rubber particle size,quantity of tailings and DBP on the damping properties of materials.The results show that the best formula of damping material with waste rubber powder/lead-zinc mine tailings,the crumb rubber particle size is 50 mesh,the tailings size is 800 mesh,the quality of waste rubber powder is 100 g ,the quality of tailings is 10 g,the quality of DBP that is plasticizer is 15 mL,the corresponding to the peak of damping loss factor is 0.409 7;the damping peak of new damping material with waste rubber powder/lead-zinc mine tailings at low temperature,so it is suitable for use as a low damping meterials.

lead-zinc mine tailings;waste rubber powder;damping material

2014-07-16;

2014-08-25

王世芬(1983-)，女，碩士研究生，工程師，研究方向：固體廢棄物再生利用與環(huán)境工程。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.023

X705

A

1001-3679(2014)05-0685-05