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蛭石粉体的减震功能及理化性能

来源:嘉誉矿产   日期:2014-10-10 16:58:09

蛭石粉体的减震功能及理化性能

田 敏 李洪潮 张颖新 张成强 张红新

( 中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所,河南 郑州 450006 )

摘 要 根据蛭石粉体的基本特性,研究了蛭石粉体作为填料在减震橡胶中的应用原理和减震效应。结果表明,蛭石粉体与云母粉体的减震性能相同。该研究开辟了蛭石粉体在减震橡胶中的应用领域。

关键词 蛭石粉体 改性 减震橡胶

中图分类号:TD985;TQ330.3 文献标识码:A 文章编号:1000-8098(2009)04-0046-03

Cushioning Function and Chemi-physical Properties of Vermiculite Powder

Tian Min Li Hongchao Zhang Yingxin Zhang Chengqiang Zhang Hongxin

( Zhengzhou Institute of Multi-purpose Utilization of Mineral Resources, CAGS, Zhengzhou 450006 )

Abstract According to basic characteristics of vermiculite powder, the application principle and cushioning effect of vermiculite powder as

stuffi ng in yielding rubber are researched in this experiment. Result shows that vermiculite powder has properties as same as mica powder. The research

opens a new application domain for vermiculite powder in yielding rubber industry.

Key words vermiculite powder modifi cation yielding rubber

       震动产生的冲击波对各种固体物质产生的影响是显而易见的,世界各国对阻碍这种冲击波的影响展开了大量的研究工作。对于橡胶材料而言,震动一方面损害了橡胶的使用寿命,另一方面对周围的物体产生力量传递,使其它物体同时产生运动和噪音。因此,如果橡胶本身具有一定的减震性能,既能降低橡胶本身的损害,又能对周围物体产生保护。减震橡胶中的填充物是起减震效应的重要组成部分,尤其是层状填料更能在橡胶中产生良好的减震效果。因为橡胶与层状填料表面产生物理和化学吸附后,当受到外力冲击时,片状填料能使聚合物的链段运动受到束缚,改变附近分子链的构象和取向,加宽构象分布。另外,在聚合物与片状填料表面吸附不牢的地方,会产生高分子链和片状填料粒子相对滑移,可增加体系的阻尼性能。目前,常用阻尼填料主要为云母粉,而同为层状结构的蛭石矿物还未在减震橡胶中进行研究探索。因此,本项目对蛭石粉体在橡胶中的减震性能进行了研究,并对多项减震参数进行理论分析。

1 蛭石特性

       蛭石是一种化学成分复杂的含水铝硅酸盐矿物,化学分子式为(Mg,Fe,Al)3[(Si,Al)4O16](OH)2 ·4H2O,常变化不定。蛭石的外形呈鳞片状、片状,鳞片重叠,在一英寸厚度内可叠加100 万片。蛭石属单斜晶系,三八面体型。蛭石的晶体结构与滑石结构层基本相同,由于在四次配位位置常存在有Al 代替Si,所以蛭石的结构层内会出现负电荷,常由分布到结构层与结构层之间的阳离子来促使其电价达到平衡。此外,在蛭石结构层间存在水分子,含量较为固定,最高可出现两层水分子,每个水分子以氢键与结构层表面的一个氧相联结,在同一个水分子层内又以弱的氢键相连。因此,当遇到800~1000℃的高温焙烧时,层间水分可以迅速逃逸出来,水分子变成蒸汽时,所产生的压力使结构层迅速撑开,形成细小的层状空间隔层,原来的矿物体积迅速膨胀增大至8~25 倍。膨胀蛭石的外观呈弯曲呈水蛭状,由许多粘接、叠合的蛭石鳞片组成,片间有许多蜂窝状的微细孔隙,其微片厚度在100~300nm,薄片具挠性,有时微具弹性。


2 实验

2.1 试验样品的物化性能   试验样品采自新疆巴洲膨胀蛭石矿,线膨胀倍数为19~24。该膨胀蛭石经过实验室超细加工,制得超细蛭石粉体。试样蛭石粉体的化学成分(wt%) 为:SiO2,41.20;MgO,24.22;Al2O3,12.68;Fe2O3,5.59;K2O,4.65;H2O,6.45。试样蛭石粉体的粒度分布见表1。

表1 蛭石粉体的粒度分布

粒级/μm-2-5-10-20平均粒径/μm比表面积/(cm2/g
含量/wt%82.0  97.3  99.3  1001.2119335



2.2蛭石粉体的改性试验 由于蛭石粉体填料与橡胶的表面或界面性质不同,相容性较差,因而难以在基质中均匀分散,直接或过多地填充往往容易导致材料的某些力学性能下降以及易脆化等。因此,必须对无机粉体填料表面进行改性,以改善其表面的物理化学特性,增强其与基质,即橡胶的相容性和在有机基质中的分散性,以充分发挥蛭石粉体的特性。本次试验采用硅烷作为改性剂,改性用量0.5%,改性时间30min,改性温度110℃。蛭石粉体的改性流程为:蛭石粉体→搅拌→偶联剂处理→反应→改性产品。

3 橡胶减震试验

3.1 橡胶制片

3.1.1 配方:试验配方见表2。

表2 橡胶制片配方


原料天然橡胶炭黑   促进剂   氧化锌硬脂酸 硫磺防老剂  阻尼填料
份数100502.5522.02.5 变量

注:阻尼填料为地矿所研制

3.1.2   炼胶设备及工艺:

       炼胶设备:XK-160 开放式炼胶机。

       炼胶工艺:采用薄通和打三角包操作方法进行塑炼30 遍。混炼加料顺序为:天然橡胶+ 填料(炭黑、阻尼填料)+ 小料(氧化锌、硬脂酸、防老剂)+ 硫磺,混炼温度为50~60℃。混炼均匀后下片冷却,停放4h后出片。

3.1.3 试样硫化设备:25t 电加热平板硫化机。硫化压力为4.5~5.0MPa。硫化温度和时间为150℃×20min。

3.2 橡胶减震试验检测条件及检测结果 橡胶减震试验检测是在兵器工业非金属材料理化检测中心进行,传统的减震试验检测测定方法有动态扭摆法、受迫共振法、受迫振动非共振动(动态粘弹法)。其中动态粘弹法最为常用,因为它能直接给出E''-T、 E'-T 和tgδ 曲线。因此本次试验的动态力学性能测定方法采用动态粘弹法,利用DDV-Ⅱ动态粘弹谱仪同时给出E"-T、 E'-T 和tgδ 三条动态曲线。动态力学性能的测定条件见表3。云母粉体橡胶减震检测图见图1,蛭石粉体橡胶减震检测图见图2。


表3 橡胶减震试验条件

检测条件变形模式  温度频率  振幅 最大动态力
检测参数拉伸 -70~60􀋆,5􀋆/min 1Hz1002.5


3.3 结论与讨论 橡胶的阻尼作用是在受到外力振动而本身产生高的共振振幅之前,先将振动能的一部分消耗在自身之中,以达到减小振幅和降低振动能的目的。利用DDV-Ⅱ动态粘弹谱仪可同时给出储能模量E"-T、 损耗模量E'-T 和损耗因子tgδ-T 三条动态曲线,它们可定性地表征材料的减震阻尼性能。储能模量E" 又称实数模量,它反映材料形变时能量储存的大小即回弹能力。损耗模量E' 又称虚数模量,它反映材料形变时能量损耗的大小。损耗因子tgδ 也称阻尼因子,是阻尼材料的重要技术指标,它可代替E' 表示吸收或损耗的能量。相对而言,动态力学谱图上损耗因子tgδ-T 曲线越平缓、tgδ 峰值越高、T 温度范围越宽,则材料的阻尼性能越好。

       目前,常用于橡胶材料作减震功能的填料以云母为主,其它矿物用于该领域的不多。因此,此次蛭石粉体橡胶的减震试验是与同等量的云母粉体橡胶的减震试验平行进行。由图1、图2 来看,云母填料的橡胶材料反映的阻尼曲线显示,损耗因子范围在0.079~0.466之间,最大损耗因子的峰温为-57.2℃,峰值是0.4661。蛭石填料的橡胶材料反映的阻尼曲线显示,损耗因子范围在0.081~0.447,最大损耗因子的峰温为-55.9℃,峰值为0.4467。由两者的数据对比分析说明,蛭石填料的橡胶材料与云母填料的橡胶材料的减震阻尼效果基本接近。因此,蛭石填料与云母填料一样同样具有对橡胶材料的减震性能。

4 结语

蛭石矿属于片状矿物,薄片具挠性。根据其与云母矿相似的特点,探索蛭石粉体在减震橡胶中的应用研究。通过对等量蛭石粉体与云母粉体橡胶材料的减震测试结果比较,蛭石粉体橡胶材料的损耗因子范围在0.081~0.447,最大损耗因子的峰温为-55.9℃,峰值为0.4467。云母粉体橡胶材料的损耗因子范围在0.079~0.466之间,最大损耗因子的峰温为-57.2℃,峰值是0.4661。结果显示两种减震材图1 云母粉体橡胶减震检测图2 蛭石粉体橡胶减震检测加,单质硅的去除率随之增加,当碱浓度达到5% 以后随着碱浓度增加,单质硅除去率趋于平缓,为了尽可能地将单质硅去除干净,选择碱浓度以12% 为宜。

3.4 高温焙烧- 水溶出除游离硅 试验发现物料配比中的碱含量、焙烧温度、焙烧时间对除游离硅的去除率影响较大,而水溶出条件对游离硅去除率影响较小,因此主要进行焙烧温度、碱用量、焙烧时间的条件试验,试验结果见图6、图7、图8。


图8 焙烧时间对游离硅去除率影响

       从高温加碱焙烧除物料中游离硅试验结果可知,焙烧温度对游离硅去除率影响结果较大,焙烧温度以900℃为佳,当温度超过该温度后,可能是因为原料过度烧结、反应活性降低的原因,除硅效果变差[4]。碱用量以20% 效果较好,当焙烧时间超过2h 后,游离硅去除率急剧下降,因此焙烧时间选择1.5 h较适宜。

3.5 酸洗除铁 在完成强磁选除铁试验后,碳化硅产品中铁含量仍较高,达不到陶瓷原料对铁含量的要求,因此需进一步利用酸洗除铁,探索试验结果表明,酸种类与浓度对除铁效果影响较大,因此进行硫酸、盐酸、草酸、盐酸与草酸1∶1 比例混合酸对除铁效果的试验研究,酸洗除铁效果见图9。

       从酸洗除铁条件试验结果中发现,不同酸类型的除铁效果差异较大,以盐酸与草酸1∶1 比例混合酸除铁效果最佳,酸浓度以12% 为佳。


3.6 原料提纯效果 通过条件试验的优化,选择最佳的试验条件进行碳化硅原料除杂的综合条件试验,试验得到的产品经粒度和杂质含量检测合乎常压烧结陶瓷对原料的质量要求,提纯前后产品杂质含量结果见表1。

表1 碳化硅原料提纯效果

项 目碳化硅游离碳Fe2O3    单质硅 游离硅
原料/%    94.61.710.86   0.67  2.30
处理后/%97.8 0.220.045  0.0310.30

4 结论

1.常压烧结碳化硅陶瓷要求原料粒度较细,不允许大于10μm 的特粗颗粒;原料中杂质对产品质量的烧结性能和烧制成品质量影响较大[5],原料中铁和单质硅对陶瓷性能的影响尤其显著,游离石英和碳对产品质量也有一定的影响,因此应尽可能地提纯碳化硅陶瓷原料。

2.采用单一的方法很难达到产品质量要求,试验中利用浮选法除碳,选矿和化学处理联合方法除铁,碱常温浸出和高温烧结水溶除硅,取得了较好的效果。

3. 试验研究结果表明,当产品细度达到D50 为0.8μm 后再进行提纯效果非常差,产品质量不稳定且杂质含量常常超标,原料除杂应在超细磨前完成。

参考文献:

[1] 薛金根,龙剑峰,等. 碳化硅制备技术研究进展 [J]. 合成纤维工业,2001,24(3):41-44.

[2] 余继红,江东亮,等. 碳化硅陶瓷的发展与应用[J]. 硅酸盐学报,1998,132(3):3-11.

[3] 王零森. 特种陶瓷[M]. 中南工业大学出版社,1996:160.

[4] 赵稼祥. 碳化硅纤维及复合材料进展[J]. 飞航导弹,2001(1):60-63.

[5] 陈宇红,韩凤兰. 液体烧结碳化硅陶瓷[J]. 矿产综合利用,2003,4(2):33-37.



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