TPU回收料的添加量對(duì)注塑金剛石繩鋸串珠固定性能的影響

羅 濤

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西特種礦物材料技術(shù)創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

0 引言

在石材大板加工制造中,金剛石組合繩鋸是花崗巖和硬度高、材質(zhì)差異大等奢石類荒料的有效加工方式之一。根據(jù)金剛石串珠制備方式的不同,金剛石繩鋸主要分為燒結(jié)型、電鍍型、釬焊型等。由于金剛石繩鋸在切割過程中,金剛石串珠會(huì)受到較大的軸向沖擊力,制備中便需要將其牢固的固定于鋼絲繩上。而固結(jié)金剛石串珠于鋼絲繩上的主要材料有橡膠、塑料和彈簧三大類[1],注膠金剛石繩鋸多用于礦山荒料開采,注塑金剛石繩鋸多用于荒料大板加工。注塑金剛石繩鋸用塑料除用作金剛石串珠固定材料以外,還可起到包裹鋼絲繩的作用,防止鋼絲繩直接與水和空氣接觸致其腐蝕氧化[2]。

注塑所用塑料主要為熱塑性聚氨酯彈性體材料(TPU),TPU由二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)、甲苯二異氰酸酯(TDI)和大分子多元醇、擴(kuò)鏈劑共同反應(yīng)聚合而成的高分子材料,具有硬度范圍廣、耐磨性好、機(jī)械強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。在工業(yè)領(lǐng)域,聚氨酯廢棄物的回收處理方式主要有物理法、化學(xué)法和焚燒處理等,以直接回收利用為好,但制品的性能會(huì)較差[4]。由于在繩鋸注塑過程中,射空腔操作和模具流道內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生二次塑料,而TPU新料市價(jià)較高,如果能將一部分二次塑料加以回收利用,便能相應(yīng)地降低注塑金剛石繩鋸的生產(chǎn)成本,產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)效益。但是,如果添加了回收料的塑料注塑后強(qiáng)度偏低,可能無法將金剛石串珠牢固地固定于鋼絲繩上時(shí),在實(shí)際切割使用過程中便容易發(fā)生竄珠和松動(dòng)現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致金剛石繩鋸斷繩失去切割作用。

試驗(yàn)探究了注塑塑料中TPU回收料的添加量對(duì)注塑金剛石繩鋸串珠固定性能的影響,并進(jìn)行了初步的理論分析,為提高TPU回收料在金剛石繩鋸注塑生產(chǎn)中的利用率提供了一定指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用熱塑性聚氨酯彈性體材料(TPU)的主要參數(shù)見表1,金剛石繩鋸所用鋼絲繩的主要參數(shù)見表2。

表1 熱塑性聚氨酯彈性體的主要技術(shù)參數(shù)

表2 鋼絲繩參數(shù)

試驗(yàn)使用的主要設(shè)備有:120 T立式注塑機(jī)、烘箱、邵氏硬度計(jì)、AI-7000-M伺服控制拉力試驗(yàn)機(jī)。

1.2 注塑金剛石繩鋸的制備

注塑金剛石繩鋸制造工藝過程主要包括金剛石串珠制備、將金剛石串珠穿入鋼絲繩內(nèi)進(jìn)行編繩、注塑等幾大工序。金剛石串珠的制備又主要包括有冷壓、燒結(jié)和擴(kuò)孔攻絲等三個(gè)工序,冷壓是混合有金剛石微粉的粉料與基體在外加壓力下形成機(jī)械齒合的過程,燒結(jié)是冷壓胎體致密化的過程,擴(kuò)孔攻絲是對(duì)燒結(jié)后的基體內(nèi)孔進(jìn)行擴(kuò)大以利于后期串珠穿入鋼絲繩中[5]。試驗(yàn)所用基體及擴(kuò)孔攻絲后的主要參數(shù)見表3,試驗(yàn)所用金剛石串珠規(guī)格參數(shù)見表4。

表3 基體及擴(kuò)孔攻絲后的主要參數(shù)

表4 金剛石串珠主要參數(shù)

注塑工序是本次試驗(yàn)的核心工序,試驗(yàn)所用注塑機(jī)主要注塑工藝參數(shù)見表5。

表5 注塑工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

為規(guī)避額外的干擾因素,試驗(yàn)所用TPU回收料必須盡量潔凈且無雜質(zhì)。由于TPU吸水性好易受潮解,在注塑前必須進(jìn)行足夠長時(shí)間烘干處理,本試驗(yàn)回收料烘干溫度及時(shí)間設(shè)定為90℃×6 h。添加回收料后的樣品應(yīng)當(dāng)混合充分、均勻。

如表6所示,TPU回收料添加量設(shè)定為5個(gè)試驗(yàn)編號(hào),添加比例依次遞增,注塑后測(cè)試不同回收料比例樣片拉伸強(qiáng)度和繩鋸串珠固定力。

表6 金剛石繩鋸注塑用塑料中TPU回收料的添加量

拉伸強(qiáng)度測(cè)試:參照GB/T 16421—1996,將添加回收料后的樣品通過注塑機(jī)注塑成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀試樣片,室溫放置48 h后,測(cè)試其在20 ℃環(huán)境溫度下的拉伸強(qiáng)度。

串珠固定力測(cè)試:參照GB/T 30470—2013,將下端串珠固定,模擬實(shí)際使用過程中串珠所受沖擊方向,拉拔上端串珠直至其發(fā)生明顯位移,測(cè)量在20 ℃環(huán)境溫度下的串珠發(fā)生位移過程所受最大力。

串珠固定力測(cè)試示意圖如圖1所示[2],首先,固定金剛石繩鋸下端鋼絲繩于下夾具中,注意下夾具鎖緊的必須是裸露鋼絲繩,而不是注塑后包裹有塑料的鋼絲繩,否則測(cè)試時(shí)便可能發(fā)生相對(duì)位移。然后用卡具卡住待測(cè)串珠,使其預(yù)受力25～50 N,清零力量值及位移,再用2 mm/min的拉力速度對(duì)串珠進(jìn)行拔離測(cè)試,直到拉力達(dá)到最大值后并逐步下降,此拉力峰值即為該粒串珠所受固定力大小。

圖1 金剛石串珠、塑料與鋼絲繩間的固定力測(cè)試示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用回收料與新塑料的混合料作為注塑金剛石繩鋸的固定材料,將注塑樣片和金剛石繩鋸在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和串珠固定力測(cè)試,所得結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同回收料添加比例的樣片拉伸強(qiáng)度

圖3 不同回收料添加比例的串珠固定力

2.1 樣片拉伸強(qiáng)度

由圖2可知,相比于新塑料,添加有回收料的混合塑料,其拉伸強(qiáng)度均有不同程度的降低。樣片拉伸強(qiáng)度大小與回收料的添加量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,回收料添加比例在30%之前,樣片拉伸強(qiáng)度下降速率較緩;回收料添加比例超過30%之后,樣片拉伸強(qiáng)度下降速率降低明顯?；厥樟弦呀?jīng)歷過一次注塑,而注塑溫度又必然要求其處于TPU黏流溫度和分解溫度之間,從部分回收料發(fā)黃的情況來看,極有可能因在料筒內(nèi)局部區(qū)域所受溫度偏高而產(chǎn)生降解,從而產(chǎn)生不同程度的化學(xué)鍵的破壞。另一方面,回收料化學(xué)結(jié)構(gòu)的破壞便會(huì)引起制品力學(xué)和機(jī)械性能的降低。

2.2 串珠固定強(qiáng)度

同樣,由圖3可知,相比于新塑料,添加有回收料的混合塑料,其串珠固定力也均有不同程度的降低。串珠固定力大小與回收料的添加量同樣呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,回收料添加比例在30%之前,串珠固定力下降速率較緩;回收料添加比例超過30%之后,串珠固定力下降速率降低明顯。金剛石串珠拉拔時(shí)所受固定力的來源主要有以下幾個(gè)方面:一是塑料本身的機(jī)械強(qiáng)度,串珠發(fā)生位移時(shí)同樣需要破壞包裹塑料的結(jié)構(gòu),使之產(chǎn)生形變。機(jī)械強(qiáng)度高,產(chǎn)生形變所需外力也會(huì)增加。二是塑料與鋼絲繩股與股之間的摩擦力,由于鋼絲繩股絲之間同樣存在間隙,注塑時(shí)熔融塑料便會(huì)滲入進(jìn)去,最后與鋼絲繩形成連接結(jié)構(gòu)。若要迫使串珠發(fā)生明顯位移,便需要克服塑料與鋼絲繩股絲之間的摩擦阻力。使用回收料注塑的金剛石繩鋸串珠固定強(qiáng)度的下降應(yīng)該主要還是與其本身機(jī)械強(qiáng)度的降低有關(guān)。

3 結(jié)論

(1)添加有回收料的注塑樣片,其拉伸強(qiáng)度均有不同程度的降低。

(2)回收料添加比例低于30%,樣片拉伸強(qiáng)度下降速率較緩;回收料添加比例超過30%,樣片拉伸強(qiáng)度下降速率加快。

(3)添加有回收料的注塑金剛石繩鋸,其串珠固定強(qiáng)度均有不同程度的降低。

(4)回收料添加比例在30%之前,注塑金剛石繩鋸串珠的固定強(qiáng)度下降速率較緩;回收料添加比例超過30%,串珠固定強(qiáng)度下降速率加快。

(5)注塑金剛石繩鋸串珠固定強(qiáng)度與注塑樣片拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同,表明注塑用塑料本身的力學(xué)性能會(huì)直接影響到串珠固定力的大小。