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非石棉的成分
為滿足健康與環(huán)保的嚴(yán)格要求,傳統(tǒng)的壓縮石棉纖維增強(qiáng)的密封材料已逐漸被非石棉纖維增強(qiáng)的無石棉墊片密封材料所替代[1]。當(dāng)前,國外無石棉墊片密封材料以有機(jī)或(和)無機(jī)纖維增強(qiáng)橡膠材料為主,其增強(qiáng)纖維包括芳綸(Kevlar)漿粕、碳或石墨纖維及玻璃纖維等,并以芳綸漿粕居多。以它們?yōu)樵鰪?qiáng)纖維生產(chǎn)的無石棉密封材料具有較好的綜合性能,在某些方面甚至已超過傳統(tǒng)的石棉橡膠板,但由于受所用纖維性能的制約,其應(yīng)用具有一定的局限性,而且一般價格較高,難以在國內(nèi)普遍使用[1,2]。文中以國產(chǎn)芳砜綸纖維的綜合性能為基礎(chǔ),探討了它取代石棉纖維的可行性,并采用橡膠模壓工藝,以其為增強(qiáng)纖維研制了無石棉橡膠板,利用正交試驗設(shè)計法研究了影響材料基本性能的主要因素,確定了較好的材料組成和工藝條件。
無石棉墊片密封材料通常由各種非石棉纖維增強(qiáng)橡膠制成,其組成包括增強(qiáng)用非石棉纖維(或漿粕)、彈性粘接劑(橡膠)、填料和其它少量化學(xué)品,其中以非石棉纖維(或漿粕)和橡膠對材料的性能影響較大[3]。
1.1 非石棉纖維
非石棉纖維是無石棉密封材料的重要組成部分,在材料中主要起耐熱和增強(qiáng)作用,其物理化學(xué)特性直接影響密封材料的*終性能和產(chǎn)品成本。就傳統(tǒng)石棉橡膠板而言,由于石棉纖維具有優(yōu)異的耐熱性、耐溶劑性、耐化學(xué)腐蝕性及較高的機(jī)械強(qiáng)度和低廉的價格,確保了石棉橡膠板優(yōu)異的綜合性能。目前還沒有一種單一的材料能*替代石棉,這使大量非石棉纖維被用作石棉替代物,包括非石棉無機(jī)纖維、有機(jī)合成纖維和天然植物纖維等。一般非石綿纖維的選用應(yīng)根據(jù)材料的技術(shù)性能要求,綜合考慮纖維的耐熱性、單絲長度、纖維長徑比、耐介質(zhì)性、與橡膠的親和性、可處理性及纖維的性能價格比,同時應(yīng)考慮到纖維的來源。
芳砜綸(又稱聚砜酰胺,PSA)纖維(Polysulfonamide)是我國自行研制開發(fā),并且已有一定生產(chǎn)規(guī)模的芳香族聚酰胺纖維,它是由二氨基二苯砜與對苯二甲酰氯在二甲基乙酰胺溶液中通過低溫縮聚而成,其化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有芳環(huán)、砜基及酰胺基等有機(jī)官能團(tuán)。因此它不僅具有良好的物理力學(xué)性能和耐熱性、電絕緣性、耐腐蝕性、耐輻射性、耐燃及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點,而且抗熱氧化性能優(yōu)于芳綸1313(Nomex)和芳綸1414,價格則低于芳綸。其產(chǎn)品已在我國電力、冶金、宇航工業(yè)、能源及環(huán)境保護(hù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用,并收到了較好的實效[4]。不同芳香族聚酰胺纖維的主要性能見表1。通過比較幾種常用工業(yè)纖維的物理性能[5],聚芳酰胺纖維具有較好的綜合性能,是一類較為適合的代石棉有機(jī)纖維,其中芳砜綸纖維的性能與蘇砜-T(CyЛЪФOH-T)十分相似,而強(qiáng)度和模量則比Nomex略低,但其高溫下強(qiáng)度保持率高于Nomex,分解溫度也略高于Nomex。在化學(xué)穩(wěn)定性上,芳砜綸纖維的抗酸性較抗堿性更強(qiáng)。纖維經(jīng)80℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸、鹽酸及硝酸處理后,除硝酸使纖維強(qiáng)力稍下降外,其余均無明顯的影響。而在同樣的條件下,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaOH水溶液處理后,纖維強(qiáng)力損失達(dá)60%以上,芳砜綸在抗有機(jī)溶劑方面,除幾種強(qiáng)極性溶劑,如DMAC、DMF、DNSO、六、N-甲基吡烷酮以及濃硫酸外,對其它化學(xué)品均能保持良好的穩(wěn)定性,因此,本研究中筆者采用芳砜綸纖維作為增強(qiáng)纖維來替代石棉纖維。
表1 不同芳香族聚酰胺纖維性能比較
性能 | 芳砜綸(濕紡) | 蘇砜-T(濕紡) | Nomex(干紡) |
斷裂強(qiáng)度/g.d-1 | 3.5~5.0 | 4.0~4.5 | 5.5 |
濕強(qiáng)力/% | 85~90 | 85~87 | 60~80 |
環(huán)扣強(qiáng)度/MPa | 80左右 | 70~75 | 90 |
斷裂伸長率/% | 20~25 | 16~18 | 15~17 |
濕態(tài)伸長/% | 25~30 | 15~17 | 21.5 |
彈性模量/MPa | 7600 | 6000 | 17500 |
20℃回潮率/% | 6.28 | 5.40 | 4.50~5.00 |
密度/kg.m-3 | 1416 | 1450~1460 | 1370~1880 |
200℃強(qiáng)度保持率/% | 50 | - | 40 |
500℃失重率/% | 12.4 | - | 15.7 |
分解溫度/℃ | 422 | - | 414 |
1.2 彈性粘接劑 橡膠是無石棉密封板材的主要彈性粘結(jié)劑,它使各組分有機(jī)地粘合在一起,特別是將填料粒子和增強(qiáng)纖維粘在一起成為彈性網(wǎng)膜,提供密封材料的抗流體性能及壓縮回彈性能,是影響密封材料機(jī)械行為和耐熱、耐溶劑及密封性能的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)各類橡膠特性,為滿足研制密封材料的耐熱、耐油、抗拉強(qiáng)度以及產(chǎn)品成本等方面的要求,選用丁腈橡膠作為主要彈性粘結(jié)劑。 1.3 填料及配合劑 構(gòu)成無石棉密封材料的主要成分除非石棉增強(qiáng)纖維和彈性粘結(jié)劑外,就是填料和橡膠配合劑。橡膠配合劑和填料不但便于工藝操作,降低產(chǎn)品成本,而且可以改變材料的性能,使制品滿足一定的技術(shù)要求,例如,達(dá)到一定的密度、彈性、抗張力、耐壓和耐熱性能等。為此采用具有較好綜合性能的低硫配方體系,同時添加一些無機(jī)礦物材料來調(diào)節(jié)材料性能,提高材料的性能價格比。 2 材料制備工藝選擇 |
圖1 模壓法生產(chǎn)工藝流程 表2 無石棉密封材料3種制備工藝特點 |
項目 | 模壓法 | 壓縮法 | 造紙法 |
工藝復(fù)雜程度 | 低 | 中 | 高 |
設(shè)備投資 | 少 | 高 | 高 |
污染程度 | 小 | 大 | 小 |
纖維損傷 | 大 | 小 | 小 |
纖維分散性 | 可 | 較好 | 好 |
性能均勻性 | 可 | 較好 | 好 |
材料綜合性能 | 可 | 好 | 好 |
3 配方材料和工藝條件正交試驗設(shè)計 為了確定一個較為合理的原料配方和工藝條件,采用正交試驗法研究材料的主要組分和硫化工藝條件等因素對材料性能的影響。所選擇的試驗因素和水平見表3,正交試驗分析見表4。 表3 正交試驗因素和水平 |
水平 | 因素 | ||||
橡膠A/% | PSA漿粕B/% | 白炭黑C/% | 硫化溫度D/℃ | 硫化時間E/min | |
1 | 15 | 10 | 5 | 125 | 10 |
2 | 18 | 15 | 8 | 135 | 18 |
3 | 20 | 20 | 10 | 145 | 24 |
4 | 25 | 25 | 15 | 155 | 30 |
表4 正交試驗分析 |
列號 | A/% | B/% | C/% | D/℃ | E/min | 橫向拉伸 強(qiáng)度/MPa |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 6.44 |
2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 9.01 |
3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 7.05 |
4 | 1 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5.98 |
5 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 7.03 |
6 | 2 | 2 | 1 | 4 | 3 | 5.54 |
7 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 7.61 |
8 | 2 | 4 | 3 | 2 | 1 | 6.17 |
9 | 3 | 1 | 3 | 4 | 2 | 6.07 |
10 | 3 | 2 | 4 | 3 | 1 | 9.03 |
11 | 3 | 3 | 1 | 2 | 4 | 6.12 |
12 | 3 | 4 | 2 | 1 | 3 | 7.10 |
13 | 4 | 1 | 4 | 2 | 3 | 6.56 |
14 | 4 | 2 | 3 | 1 | 4 | 6.20 |
15 | 4 | 3 | 2 | 4 | 1 | 4.62 |
16 | 4 | 4 | 1 | 3 | 2 | 3.46 |
K1 | 28.32 | 26.10 | 21.56 | 27.35 | 26.24 | |
K2 | 26.35 | 29.78 | 27.76 | 27.86 | 26.15 | |
K3 | 28.48 | 22.71 | 29.18 | 22.21 | 25.33 | |
K4 | 20.84 | 22.71 | 29.18 | 22.21 | 25.33 | |
極差 | 7.64 | 7.07 | 7.62 | 5.65 | 0.92 | |
S1 | 2141.8 | 2728.9 | 2736.7 | 2723.5 | 3704.1 | |
S1/4 | 685.44 | 682.24 | 684.17 | 680.86 | 676.02 |
注:Ki--某因素第i水平對應(yīng)指標(biāo)的平均值(i=1,2,3,4)。 極差--Ki中*大值與*小值之差,反映同一因素不同水平對指標(biāo)作用大小。SI--Ki的平方和。
表5 研制材料基本組成(質(zhì)量%)和硫化工藝 由表4得到材料的*優(yōu)組成為A3B2C4D2E3[7,8],在綜合考慮材料的加工工藝性、材料性能和成本后,確定了本材料的基本組成、配比以及較好的硫化工藝(表5)。研制的無石棉墊片密封板材性能見表6,表中數(shù)據(jù)取自1.6mm板材。 |
丁腈橡膠/% | 芳砜綸纖維/% | 白炭黑/% | 其它填料及配合劑/% | 硫化溫度/℃ | 硫化時間/min | 硫化壓力/MPa |
20 | 15 | 15 | 50 | 135 | 25 | 15 |
由表6可以看出,模壓法研制無石棉密封板材的綜合性能良好,已達(dá)到普通石棉橡膠板XB30的基本要求,可以在某些場合替代石棉橡膠板使用。 表6 研制材料性能 |
性能 | 1 | 2 | 3 | 4 | 試驗標(biāo)準(zhǔn) |
橫向拉伸/MPa | 9.3 | 13.5 | 17.2 | 9.0 | ASTM F152 |
蠕變松馳率/% | 20.3 | 21.7 | 25.2 | ≤50.0 | ASTM F38 |
密度/kg.m-3 | 1600 | 1730 | 1760 | 1600-2000 | GB/T 541 |
邵氏硬度 | 87 | 90 | 85 | - | GB 531 |
柔軟性 | 無裂紋 | 無裂紋 | 無裂紋 | 無裂紋 | GB/T 3985 |
壓縮率/% | 13.0 | 11.4 | 14.2 | 12±5 | ASTM F36 |
回彈率/% | 73.5 | 83.3 | 61.0 | ≥40.0 | |
ASTM質(zhì)量增加率/% | 1.14 | 1.07 | 4.20 | - | ASTM F146 |
3號油厚度增加率/% | 2.05 | 1.72 | 9.00 | - | |
ASTM質(zhì)量增加率/% | -1.60 | 1.03 | 5.60 | - | |
B號油厚度增加率/% | 1.75 | 0.39 | 8.30 | - | |
*大泄漏率(氮?dú)鈨?nèi)壓0.2MPa,墊片載荷20.7MPa)ml.min-1 | 0.57 | 0.68 | 1.00 | - | GB 12385 |
注:1為模壓法研制的無石棉密封板材,2為壓縮法研制的無石棉密封板材,3為進(jìn)口無石棉密封板材,4為普通石棉橡膠板XB300。 |
1 原材料選用