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温石棉纤维打浆性能及其对 抄取板强度影响研究 在密封行业，温石棉橡胶制品的生产工艺主要有造纸工艺法和混炼模压 工艺法。造纸工艺法生产效率高、产品性能稳定、污染少。至上世纪九十年 代初，国外普遍采用造纸工艺法生产温石棉和非石棉密封制品。在我国，用 造纸工艺法生产的温石棉密封产品( 即温石棉胶乳抄取板) 的性能尤其是强 度方面和国外的差距明显。因此，为了提高温石棉胶乳抄取板的抗张强度， 本文对温石棉纤维的基本性能、打浆对纤维的形态和性能影响以及温石棉胶 乳抄取板的强度配方等进行了研究。 研究了温石棉纤维基本性能后发现，未磨浆的温石棉纤维具有较高的 正电性，且随d h 值的降低，z e t a 电位也随之增大；p f i 磨浆对温石棉纤维 表面电性影响较大，随着磨浆转数的增加，z e t a 电位和电荷密度显著降低， 尤其是电荷密度降低幅度更大，当磨浆转数增至6 0 0 0 转时，电荷密度几乎 降至零。带正电和很高的比表面积使温石棉纤维对胶乳有很强的吸附能力， 但温石棉纤维对丁腈胶乳的吸附量也随着磨浆的进行而逐渐降低。 研究了打浆对纤维形态和性能的影响后发觋。水力疏解对温石棉纤维有 一定的松解分丝作用，但松解分丝程度较小，疏解以2 浆浓疏解1 0 0 0 r 为 宜。槽式打浆对温石棉纤维进行松解分丝的同时有切断作用。p f i 磨浆对温 石棉纤维具有良好的松解分丝作用，p f i 磨浆后温石棉纤维之间可以形成良 好的交织，温石棉纤维与丁腈胶乳能很好地相互作用渗透，磨浆1 4 0 0 r 左右 时抄取板的强度达到最大值。磨浆1 4 0 0 r 时，温石棉胶乳抄取板的抗张强度 比槽式打浆和标准浆料疏解器松解后抄造的提高了约8 0 。磨浆转数超过 1 4 0 0 转后，温石棉纤维开始被大量切断，抄取板强度也随之下降。 探讨化学添加剂对温石棉纤维分散作用的影响时，发现六偏磷酸钠对 温石棉纤维的分散作用最好，加入六偏磷酸钠 ( n a p o ，) 6 1 后温石棉纤维的打 浆度明显提高，温石棉纤维浆料取得良好的分散效果，但经六偏磷酸钠分散 后抄制的温石棉胶乳抄取板的强度比未添加时反而降低。因此，需要寻求更 合适的温石棉纤维分散剂。 最后，初步探讨了温石棉胶乳抄取板的增强配方。发现添加一定量的 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 可促进温石棉胶乳抄取板湿部组分留着，提高了温石棉胶乳抄取 板的抗张强度。添加多硫化钠、钛酸酯偶联剂、醛类树脂增强剂均可提高温 石棉胶乳抄取板的抗张强度。相比之下，添加多硫化钠对板抗张强度提高的 幅度较小；添加钛酸酯偶曼俐、醛类树脂增强剂均对温石棉胶乳抄取板的抗 张强度提高幅度较大，勰主健用钛酸酯偶联剂易糊网，使用醛类树脂增强剂则 无此现象。因此，醛类树脂增强剂是一种理想的温石棉胶乳抄取板的增强助 。剂。 关键词：温石棉纤维，z e t a 电位，抄取板，湿隧积，打浆度，抗张指数 e f f e c to fb e a t 矾go np e r f o r 刚c e o fc h r y s o ，i - ：皿a s b e s t o sf i b e r a n db e a t e ra d d i t i o np r o d u c t a b s t r a c t k i ns e a l i n gi n d u s t r yt h em a i nm e t h o d so fp r o d u c i n ga s b e s t o sl a t e xp r o d u c t a r eb e a t e ra d d i t i o np r o c e s sa n dc o m p r e s s e dp r o c e s s b e a t e ra d d i t i o np r o c e s sh a s a d v a n t a g ei nh i 曲p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , s t e a d yp r o d u c tp e r f o r m a n c ea n dl e s s p o l l u t i o n s i n c ee a r l y9 0 协i nl a s tc e n t u r yb e a t e ra d d i t i o np r o c e s sh a db e e n a p p l i e dt op r o d u c tc h r y s o t i l ea s b e s t o sa n dn o n a s b e s t o ss e a l i n gm a t e r i a l b e a t e r a d d i t i o np r o d u c tm a d e i nd o m e s t i cf a c t o r yh a v eb a dp e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yi n s t r e n g t hp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i 廿1p r o d u c tm a d ei no v e r s e a s # a c e f o rt h e s a k e o fi m p r o v i n gt h et e n s i l es t r e n g t ho fb e a t e ra d d i t i o np r o d u c t ，t h e f u n d a m e n t a lp e r f o r m a n c eo fc h r y s o t i l ea s b e s t o s ，e f f e c to fb e a t i n g0 1 1f i b e r s s h a p ea n dp e r f o r m a n c ea n da d d i t i o nl e v e lo fs t r e n g t h e n i n ga g e n t sw e r es t u d i e d i nt h i sp a p e r b ys t u d y i n gf u n d a m e n t a lp e r f o r m a n c eo fc h r y s o t i l ea s b e s t o s ，i tw a sf o u n d t h a tc h r y s o t i l ea s b e s t o sw a sw i t hh i g hp o s i t i v ec h a r g e ，a n dt h ep o s i t i v ez e t a p o t e n t i a lo fc h r y s o t i l ea s b e s t o si n c r e a s e dw h i l ep h v a l u ed r o p p e d p f ir e f i n i n g i n f l u e n c e dt h ec h a r g ec o n d i t i o no fc h r y s o t i l ea s b e s t o sg r e a t l ya n dt h ep o s i t i v e z e t ap o t e n t i a ld e c r e a s e dw h i l er e f m i n gi n c r e a s e d a n dt h ee l e c t r i cc h a r g ed e n s i t y o fc h r y s o t i l ea s b e s t o sd r o p p e dq u i c k l ya sr e f i n i n gi n c r e a s e d w h e nr e f i n i n g r e v o l u t i o nw a s6 0 0 0 r ，t h ee l e c t r i c i t yc h a r g ed e n s i t yd r o p p e dt oz e r on e a r l y c h r y s o t i l ea s b e s t o sf i b e r sh a dg r e a ta b s o r p t i o na b i l i t yt ol a t e xb e c a u s eo fh i 曲 p o s i t i v ec h a r g ea n ds p e c i f i cs u r f a c ea r e a , a n dt h ea b i l i t yd e c r e a s e d w h i l er e f i n i n g i n c r e a s e d b ys t u d y i n gt h ee f f e c to fb e a t i n go nf i b e r ss h a p ea n dp e r f o r m a n c e ，i tw a s f o u n dt h a tc h r y s o t i l ea s b e s t o sf i b e r sc o u l db ed e f i b e r e dt oac e r t a i nw i t h w a t e r p o w e ro n l yb u tt h ea b i l i t yw a sl i m i t e d a n dt h es u i t a b l ep r o c e s sw a s2 c o n c e n t r a t i o na n ds e p a r a t i o n1 0 0 0 r w i t hv a l l e yb e a t e r sb e a t i n gc h r y s o t i l e a s b e s t o sf i b e r sw e r ec u td o w nw h i l ed e f i b e r e dt oac e r t a i n c h r y s o t i l ea s b e s t o s 1 1 1 f i b e r sw e r ed e f i b e r e de f f i c i e n t l ymap f ii n i l l a l t e rp f ir e f i n i n gt h e e n t a n g l e m e n to ff i b e r sw e r eb e t t e rw h e nf o r m i n ga n df i b e r se f f e c t e dl a t e xw e l l 1 1 1 et e n s i l es t r e n g t ho ft h eb e a t e ra d d i t i o np r o d u c tr e a c h e dm a x i m u mw h e nt h e r e v o l u t i o ni s1 4 0 0o fp f i a n di nt h i ss i t u a t i o nt h et e n s i l es t r e n g t he n h a n c e d a b o u t8 0 b e t t e rt h a nv a l l e yr e f i n i n g sa n dw a t e r p o w e rr e f i n i n g s a f t e r1 4 0 0 r t h ef i b e r sw e r ec u tt of r a g m e n t ss e r i o u s l y ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t hb e g a nt od r o p w h e n s t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo fa g e n t s0 1 1c h r y s o t i l ea s b e s t o sf i b e r s ，i tw a s f o u n dt h a ts o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t e 0 q l p 0 3 mh a dt h eb e s ts e p a r a t i n ga b i l t i t y t of i b e r s t h e b e a t i n gd e g r e e i n c r e a s e d d i s t i n c t l yb ya d d i n g s o d i u m h e x a m e t a p h o s p h a t e ，a n dt h ec h r y s o t i l ea s b e s t o sf i b e r sw e r es e p a r a t e de f f i c i e n t l y t h o u g h ，t h es t r e n g t ho fb e a t e ra d d i t i o np r o d u c tw i t hs o d i u l nh e x a m e t a p h o s p h a t e w a sl o w e rt h a nt h a tw i t h o u ts o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t e a sar e s u l t , ( n a p 0 3 ) 6 w a sn o ts u i t a b l e ，a n dw es h o u l dl o o kf o rab e t t e ra g e n tt od e a lw i t hc h r y s o f i l e a s b e s t o sf i b e r s f i n a l l y , t h ep r o c e s so fs t r e 哩啦l e n i i l ga g e n t so nb e a t e ra d d i t i o np r o d u c tw a s s t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h ea d d i t i o no fa l u mi nw e te n dh a ds o m er e t e n t i o n e f f e c t0 1 1f i n e sa n dc h e m i c a la d d i t i v e s ，s ot h et e n s i l es t r e n g t ho fb e a t e ra d d i t i o n p r o d u c ti m p r o v e d 1 1 1 ea d d i t i o no ft h ec h e m i c a l s 。s u c ha ss o d i u mp o l y s u l f i d e ， t i t a n a t ec o u p l i n ga g e n ta n da l d e h y d er e s i ns t r e n g t h e n h n ga g e n t , c o u l di m p r o v e t h e s h e e t st e n s i l e s t r e n g m t i t a n a t ec o u p l i n ga g e n ta n da l d e h y d er e s i n 曲r e n l ；吐妃n i n ga g e n th a dk 啦e re f f e c to nt e n s i l es t m g t h ，b u tw i t ht i ：t a n a t e c o u p l i n ga g e n tt h es h e e t se a s i l ya d h e r e dt ow e t a l d e h y d er e s i ns t r e n g t h e n i n g a g e n th a dt h eb e s te f f e c t s oi tw a st h es u i t a b l ea g e n tt oi m p r o v et h et e n s i l e s t r e n g t ho f b e a t e ra d d i t i o np r o d u c t k e y w o r d s ：c h r y s o t i l ea s b e s t o sf i b e r , z e t ap o t e n t i a l ，b e a t e ra d d i t i o np r o d u c t w e tv o l u m e ，b e a t i n gd e g r e e ，s t r e n g t hi n d e x 温石棉纤维打浆性能及其对抄取板强度影响研究 1 文献综述 1 1 温石棉 石棉是天然纤维状矿物的集合体，可劈分成细而柔韧的纤维川。按成分、结构的差 异一般将石棉分为温石棉( 也称蛇纹石石棉) 、角闪石石棉( 碱性角闪石石棉也统称青 石棉) 、水镁石石棉等。其中温石棉产量最大，分布最广，占总产量9 8 以上；角闪石 石棉、水镁石石棉产量小。中国温石棉资源丰富，已探明保有温石棉矿物总量为9 0 6 1 万t ，仅次于加拿大、俄罗斯，居世界第3 位删。 温石棉纤维按长度可分为若干级别，如表卜l 所示m 。适合于造纸法使用的是v 级 温石棉，平均长度为2 5 m m ，因此，本研究采用的是v 级温石棉作为试验原料。 表1 f f i ! 温石棉纤维的分类 1 1 1 温石棉纤维化学结构及其基本性能 温石棉为蛇纹石石棉的统称，蛇纹石分子式为m 9 6 s h o l 0 ( o h ) 8 ，是由硅氧( s i 0 2 ) 四面体和氢氧化镁石 m g ( o n ) 2 八面体组成的双层型结构的三八面体硅酸盐矿物，如 图卜1 所示脚。由于四面体层和八面体层之间不协调，形成具有卷曲状圆柱形结构的纤 蛇纹石。在自然界纤蛇纹石矿物产出广泛，而且由于温石棉分子链具有化学和几何结构 的规整性，因此温石棉纤维的结晶程度一般较高。温石棉的理论化学成分：s i 0 24 3 3 6 、 m g o4 3 6 4 、n 2 01 3 。但是，温石棉纤维中常含有f e 2 0 3 、f e o 、t i 0 2 、a 1 2 0 3 、m n o 、 c a o 、k 2 0 、n a 2 0 、c r 2 0 3 、v 2 0 5 、n i 2 0 、f 、c i 。等杂质，表明混有磁铁矿、方解石、 自云石、菱镁矿、水滑石、石英、水镁石、铬尖晶石等杂质矿物或元素的类质同象取代。 在温石棉的双层型结构中，硅氧四面体片系由处于同一平面的硅氧四面体的三个顶 点氧与相邻的硅氧四面体共用而连结成一系列近似六方环网格的硅氧片，如图卜2 所示； 氢氧化镁石八面体是以镁为中心原子，并与彼此顶点相对的四面体片的四个氧处于同一 平面的两个羟基构成六配位的镁氧( 氢氧) 八面体，这些八面体彼此借0 和( o h ) 与相 邻八面体中心原子配位相连组成镁氧( 氢氧) 八面体片，如图卜3 所示f q 。 温石棉的电子显微像多为空心管状，其外径d l 一般为2 0 5 0 n m ，内径d 2 为6 8 n m ， 霉 陕西科技大学硕士学位论文 图卜1 温石棉的双层型结构示意图 f i g 1 - 1t h ec o n f i g u r a t i o ns k e t c hm a p o f d o u b l el a y e r so f c h r y s o t i l e8 s b e s t o s 图卜2 硅氧( s i 0 2 ) 四面体片 f i g 1 - 2t h es i 0 2 t e t r a h e d r a ll a y e r 如图l 一4 所示。在温石棉的理想晶体结构中，硅氧四面体片在二维方向上无限延展，其 八面体片中的m g o h 键为离子键。硅氧四面体片与八面体片之间以离子键连结，形成 l ：l 型结构层，在层的二维延展方向上具有共价键和离子键化学键链；结构层之间仅靠 分子键一范德华力相连结，即在垂直于层的方向上只有弱分子键链。温石棉纤维由彼 此平行的硅酸盐链组成。由于这种纤维束状的结构，导致在链与链之间的相互作用相对 较弱。温石棉纤维具有一种很大的活性，在温石棉纤维两端的端面上，可能存在不饱和 的o s i - o 、s i o s i 、m g - o 键，特别是暴露的0 厶具有很强的活性；在温石棉纤维的柱面 上还有活性较强的o i - u ，- , 0 1 。 2 温石棉纤维打浆性能及其对抄取板强度影响研究 图卜3 氢氧化镁石【m g ( o h ) 2 】八面体 f 蟾1 - 3t h em g ( o i - i ) 2o c t a h e d r a ll a y e r 在温石棉中，由于结构层卷曲呈管状，所以，在沿管轴一维方向上存在共价键和离 子键两种强化学键连接，而在垂直于管轴的任意方向上，仅为分子键连接，因此，沿纤 维轴方向的键力比垂直于纤维轴方向的键力强得多，故纤蛇纹石石棉纤维表现出很高的 抗拉强度。 图1 - 4 温石棉纤维束示意图 f i g 1 - 4t h ec o n f i g u r a t i o ns k e t c hm a po f c h r y s o t i l ea s b e s t o sb u n d l e s 温石棉具有多种优良的物理化学性质。图1 - 4 为温石棉纤维束的示意图，由图1 - 4 可见，温石棉是由很多细小的温石棉纤维通过弱的范德华力连接在一起的纤维束。因此， 陕西科技大学硕士学位论文 其劈分性能优良，劈分直径最小为1 2 i t m 。工业利用以比表面积为衡量指标，一般在 5 5 0m 2 g 。 温石棉纤维束结构兼有硅酸盐和氢氧化镁耐高温的特点，耐高温性能好，这也是温 石棉作为绝热材料的本质原因。由于温石棉分子链具有化学和几何结构的规整性，因此 温石棉纤维的结晶程度一般较高。机械强度高，抗张强度值为1 2 03 5 0 ( 单位 9 8 1 0 6 p a ) 。其中：高强度纤维大于3 5 0 ，正常强度纤维小于3 5 0 、大于2 5 0 ，中等强度 纤维小于2 5 0 、大于1 5 0 ，低强度纤维小于1 5 0 。温石棉纤维强度优于角闪石类石棉及人 造碳纤维，与硼纤维和玻璃纤维接近。耐热性能良好，工业利用温度可达5 0 0 c ( 热失 重率小于l ) 。温石棉耐碱腐蚀性强，碱蚀量为0 4 6 0 7 4 ，耐酸腐蚀性差，不如 角闪石石棉，酸蚀量一般为5 5 5 8 。隔热性能好，导热系数一般为o 1 2 1 0 2 2 7 w ( m k ) 。电绝缘性良好，电阻率p 一般为0 6 x 1 0 8 4 x 1 0 8 f l c m 。 温石棉纤维还具有过滤性( 透过系数为1 5 6 0 ，阻力为0 4 9 8 1 3 9 x 9 8 p a ) 、成膜打浆性、磁性( 双磁化系数为6 1 0 。6 1 0 1 0 4 c m g ) 、动电电位( 一般e 2 0 m v ) 等。 1 1 2 温石棉的健康问题 由于石棉粉尘的吸入可能引起肺部疾病，石棉的使用一直存在争议。国际反石棉人 士一直把由于对闪石类石棉的认识不足和错误使用而在过去2 0 年前出现的问题，与危 害不大的温石棉纤维混为一谈。对于温石棉的危害，既缺乏证据，也缺乏客观地分析。 事实上，在2 0 0 4 年8 月份召开的“温石棉安全使用( 北京) 国际研讨会”上，来 自加拿大、俄罗斯等国的病理学和毒性学专家公布了他们分别进行的超常规试验结果。 试验结果证明，吸入温石棉纤维的动物肺部，纤维被迅速消除，没有发炎和病变迹象。 虽然鹿特丹公约第十次会议通过，闪石类石棉( 青石棉、铁石棉、阳起石、直 闪石、透闪石) 列入危险化学品清单。但2 0 0 5 年九月份的日内瓦会议并未将温石棉列 入危险化学品清单中。所以，目前普遍认为温石棉无毒，温石棉也将继续为人类服务。 1 2 温石棉纤维的应用状况 温石棉纤维的优良特性决定了温石棉制品被广泛用于各工业部门。其中较为重要的 是汽车、拖拉机、化工、电器设备等制造部门。 1 2 1 温石棉制品的分类 现根据制品的制造工艺及用途不同，将石棉制品划分为八大类，分别介绍如下： a 温石棉水泥制品 4 温石棉纤维打浆性能及其对抄取板强度影响研究 这一类制品的种类繁多，常见的如温石棉水泥管、温石棉水泥瓦、温石棉水泥板 和各种温石棉复合板等。这类制品的温石棉用量占温石棉总消耗量的7 5 以上。 温石棉水泥管可用于煤气管、下水管、烟道、油管、通风管、井管及地下电缆保 护管，可节省大量钢材，延长使用寿命，节约电力等。 温石棉水泥瓦适应于防火条件要求比较高的厂房，仓库等建筑物，具有成本低， 屋面轻，旌工方便、快捷等优点。随着涂料工业的发展，各种彩色石棉瓦、彩色温石 棉板等将为建筑行业提供更优质的材料。 温石棉板用于建筑物的隔热、隔音墙板等。生产石棉水泥制品一般选用硬结构 的针状棉，级别要求不甚高，4 5 级棉即可满足使用要求。 b 温石棉纺织制品 温石棉纤维质地柔软，机械强度高，可纺织成各种规格的石棉纱，而后捻线、搓 绳、织布、织带，再制成各种制品。 但是温石棉纤维的表面平直光滑，不易纺成纱，因此需掺合一定数量的植物纤维 ( 如棉花等) 混合纺织。不过这类纤维也不能掺得太多，以免影响制品性能。近年来 发展起来的无尘湿式纺纱，采用纯温石棉。 石棉纱纺制品一般都用温石棉制造，防酸制品则用青石棉。所用石棉的等级一般 为块棉及长纤维。 主要的石棉纺织制品有温石棉布、温石棉绳。温石棉布的主要用途，除了制造各 种耐热、防腐、耐酸、碱等材料外，还利用它做化工过滤材料及电解工业电解槽上的 隔膜材料以及锅炉、气包、机件的保温隔热材料，在特殊场合用它做防火幕。在冶金 厂、玻璃厂、渗炭厂、化工厂等都需要用温石棉布做成温石棉衣、温石棉手套、温石 棉靴等劳保用品，防止高温火花及有毒液体对人的损害。 c 温石棉保温隔热制品 在一般蒸汽锅炉的外壁和蒸汽导管中的热能，因辐射和传导作用，在输送过程中 热能损失很大，蒸汽热效率降低很多。因此在锅炉外壁和导管上常用石棉制作保温层， 这种保温层能提高锅炉的热效率，降低热能损耗。此外，由于对蒸汽设备隔热，降低 了车间的温度，改善了劳动条件。对于石油精炼等易燃、易爆部门亦可减少事故。冷 藏设备采用石棉隔热，可以提高冷藏效果。用于车、船等交通工具的锅炉室隔热，将 不致提高车厢或船舱的温度。 为了充分利用短纤维温石棉和低质量温石棉以降低成本，把石棉和其它材料配合 制成以下保温材料用于有关设备中。如碳酸镁石棉粉、硅藻土石棉泥、碳酸钙温石棉 粉、陶土温石棉粉等都是比较廉价的温石棉保温材料。近年来，国内又开发出了一种 比较高级的温石棉保温材料一泡沫温石棉，该产品导热系数低、保温性能好、节能效 陕西科技大学硬士学位论文 果显著，而且装卸方便，正在全国迅速推广。 d 温石棉橡胶制品 温石棉橡胶制品主要用于各种设备的密封、衬垫。主要品种包括温石棉盘根、温 石棉橡胶板、耐油板，温石棉胶乳抄取板等。生产量最大的是普通石棉橡胶板( 高、 中、低压) 及耐油板，其各品种的性能如表卜2 所示。石棉橡胶板一般用温石棉制造， 根据使用条件不同选择不同牌号。 表卜2 各种温石棉橡胶板的性能 t a b l e1 - 2t h ep e r f o m m c eo f as e r i e so f a s b e s t o sl a t e xs h e e t s 温石棉橡胶板是用混炼模压工艺法生产，而用造纸工艺法生产的温石棉胶乳抄取板 的生产效率远远高于混炼模压工艺法，因此国外的温石棉橡胶制品大多是造纸工艺法制 成。但至今，由于各种原因国内温石棉胶乳抄取板在温石棉橡胶制品中的比例还非常小。 e 温石棉制动( 传动) 制品 温石棉传动和制动制品是任何传动机械和现代交通工具所不可缺少的，这是因为温 石棉有较高的机械强度和耐热性，有良好的摩擦性能。 a 制动产品：有制动带、制动片或叫刹车带、刹车片。国产刹车带现有三种类型： 一是温石棉编制刹车带，分树脂和油浸两种，多用于矿山机械和拖拉机：二是橡胶温石 棉布刹车带，多用于城市汽车制动：三是温石棉纤维橡胶刹车带，多用于轻型机械的制 动。国产刹车片主要用温石棉为增强材料，以酚醛树脂为粘合剂，以填料为摩擦性能 调节剂，经膜塑而制成的三元复合材料，主要用于载重汽车的制动刹车。另外，还有人 工合成的火车闸瓦，钻机闸瓦等，也属于制动产品。 b 传动制品：主要用于各种机动车辆和工程机械的动力传动。主要品种为各种规格 的离合器片、阻尼片等。石棉离合器的主要成分与刹车片相近。石棉制动材料对石棉的 要求不很高，只要温石棉纤维充分松解，5 、6 级石棉已能满足制品性能要求。 f 温石棉电工材料 利用温石棉纤维与酚醛树脂塑合而制成各种电工绝缘材料。在电工上做高压器材的 6 温石棉纤维打浆性能及其对抄取板强度影响研究 底板，高压开关把手，电话耳机柄及其军用器材以及配电盘、配电板、仪表板等。 在造纸机上，用精选的温石棉制成厚度为0 2 m 以下的绝缘石棉纸，是用在电机线 圈的一种绝缘材料。 温石棉用于制造电工绝缘材料时，必须充分注意纤维中所含铁的存在形式。这种铁 若是以磁铁矿细粒分散在纤维中，则其制品的绝缘性显著降低，甚至不能做电工制品。 因此，必须经过特殊处理除去此类杂质，方可用于制造电绝缘制品。涞源温石棉矿属碳 酸盐岩型石棉矿床，含铁量少，绝缘性能极佳，最适宜制造温石棉电工材料。 g 温石棉沥青制品 温石棉纤维掺合在天然沥青或人造沥青中便可制成温石棉沥青制品，温石棉纤维在 沥青中可以提高沥青的软化温度及降低其在低温下的脆性。 温石棉沥青制品有很多种，如薄型的温石棉沥青板、温石棉沥青布( 温石棉油毡) 、 温石棉沥青纸、温石棉沥青砖、液态的温石棉漆和软性嵌填水泥路面及膨胀用的油灰等， 作为高级建筑物的防水、保温、防潮、嵌填、绝缘、耐碱等材料。它是现代交通和建筑 业不可缺少的材料。如在筑路用的沥青中掺入2 9 6 的短纤维温石棉即可提高路面质量，使 之冬天不龟裂，夏天不变软。 温石棉沥青制品对温石棉的要求不高，甚至不需任何加工而直接加入沥青中使用， 所以成本低廉，很有发展前途。 h 温石棉的新用途 随着现代技术的发展，温石棉的国防工业上的应用越来越广泛，并出现了许多新用 途。如温石棉与陶瓷纤维制成的复合绝缘材料，用于火箭的燃烧室。温石棉与石墨的复 合材料，用作导弹喷管的喉部和导弹发动机机体的封闭绝缘材料。温石棉与金属复合材 料用于高温防护，它可以避免火箭发动机火舌和高速飞行时由于高温引起的破坏作用。 温石棉与玻璃纤维、尼龙纤维交织制成的复合材料也用于火箭和导弹工业。 1 2 2 温石棉密封材料 在摩擦密封行业，温石棉纤维与各种橡胶( 或胶s l ) 混合制成的橡胶板，广泛用作 各种机动车、石油化工管道等的静密封材料。 据中国摩擦密封材料协会统计1 ( 如表卜3 所示) ：2 0 0 3 年到2 0 0 4 年密封材料生 产量稳步增长，到2 0 0 4 年密封材料的年生产量达到了4 8 8 5 5 1 吨，较2 0 0 3 年增长了 9 2 ，但抄取板产量仅占3 2 7 6 2 吨，相对总产量仅7 左右，说明国内密封材料还是以 混炼模压工艺法为主。由表1 - 3 还可以看出，以非石棉为原料的密封材料所占比例很小， 到2 0 0 4 年仅占1 2 4 ，说明国内密封材料还是以温石棉为主要原料。其主要原因为： ( 1 ) 中国温石棉资源丰富，已探明保有温石棉矿物总量为90 6 1 万t ，仅次于加拿 大、俄罗斯，居世界第3 位。有现成资源可以利用n “。 陕西科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于温石棉纤维具有优异的耐热性、耐溶剂性、耐化学腐蚀性及较高的机械 强度和低廉的价格，确保了温石棉橡胶板在密封行业得到广泛应用。 ( 3 ) 目前还没有一种单一的材料能完全替代温石棉 13 1 7 】。有些非石棉密封材料， 如芳纶纤维，具有较高的强度和模量，较好的剪切性能，优良的耐疲劳性能，成为代温 石棉纤维的首选，产品密封材料综合性能较好，尤其是强度、外观质量、生产和加工性 能较为理想，但其生产成本很高( 是温石棉纤维的8 1 2 倍) ，耐热性能较差( 连续使用 温度小于2 0 5 0 c ) ；而另外一些以无机非石棉纤维为增强材料的无石棉密封材料虽然具有 较好的密封性能和较低的价格，但产品的物理机械性能较差。因此，它们不能完全取代 温石棉作为密封的原材料。 表卜3 密封材料2 0 0 4 年生产统计 t a b l e1 - 3t h ep r o d u c t i o ns t 嘶蚰co f s c a l i n gm a t e r i a l si n2 0 0 4 1 3 温石棉胶乳抄取板生产及存在问爱 1 3 1 温石棉胶乳抄取板的介绍 在密封行业，温石棉橡胶制品的生产工艺主要有造纸工艺法和混炼模压工艺法吣m 】。 造纸工艺法生产出来的产品即温石棉胶乳抄取板是以温石棉纤维为原料，经打浆让其在 水中充分分散，然后添加作为温石棉纤维黏合剂的橡胶胶乳，如丁苯胶乳、丁晴胶乳， 及其他助剂( 硫化剂、促进剂、防老剂、填料等) ，经充分混合，经流送系统，在纸机 上抄造成纸板。而混炼模压工艺法工艺中橡胶粘合剂需经有机溶剂溶解，然后与温石棉 纤维、其它配合剂及填料进行混合，制成料子，然后再经双辊成张机压延而制成密封板 材。 温石棉纤维打浆性能及其对抄取板强度影响研究 图1 - 5 混炼模压工艺法， f i g 1 - 5c o m p r e s s e dp l o o $ 图1 - 6 造纸工艺法 f i g 。1 - 6 b e a t e r a d d i t i o n p r o c e s s 温石棉胶乳造纸工艺法较混炼模压工艺法生产的橡胶板有以下优势： ( 1 ) 造纸工艺法生产效率高、成本低。造纸工艺法是连续化生产，每台纸机温石棉 胶乳抄取板的生产量为l o 吨天以上；而混炼模压工艺法为间歇操作，每台模压机的生 产量仅为3 0 千克天。造纸工艺法的连续化操作降低了生产成本；而混炼模压工艺法且 在模压之前还需塑炼和混炼橡胶，工序较多，而且还需大量添加有机溶剂，生产成本高。 ( 2 ) 造纸工艺法产品性能稳定。由于混炼模压法工艺选用有机分子溶剂如苯、甲苯 等，垫片随着时间的推移会释放出( 挥发) 有机溶剂，垫片的内层结构因有机分子( 起 润滑作用) 减少而变脆变硬。从而影响到垫片的密封功能和使用周期。而造纸工艺法全 生产线以水为操作介质，不存在以上问题，且由于是连续化生产，产品性能稳定。 ( 3 ) 造纸工艺法污染少。在造纸工艺法中，温石棉的湿法机械处理解决了温石棉生 产中的粉尘问题。混炼模压法由于添加有毒的挥发性有机溶剂，生产作业都有严格要求 ( 如图卜5 所示) ，工人需戴防毒面具工作，另外在使用过程中有机溶剂的挥发也会对 人体健康产生副作用。而造纸工艺法生产线以水为操作介质，几乎没有污染，工作环境 良好( 如图卜6 所示) ，使用也安全。 所以，至上世纪九十年代初，国外开始普遍采用造纸工艺法生产温石棉和非石棉密 封制品，并且大多申请了专利【2 0w 。 1 3 2 我国温石棉胶乳抄取板的存在问题 在我国温石棉橡胶制品虽然得到广泛的应用，但我国温石棉橡胶制品还存在传统产 品单一的缺陷、中低档产品偏多，更重要的某些温石棉橡胶制品生产工艺水平落后。 抗拉强度反映了材料抵抗拉伸和断裂的能力。抗拉强度是密封材料的重要指标之 一。密封垫片抗拉强度表示材料抵抗张力强弱的能力，与垫片耐工作介质压力的能力直 接相关。抗拉强度越大，耐介质压力的能力越高，若垫片抗拉强度过小，则垫片易被介 9 陕西科技大学硕士学位论文 质压力击破，造成泄漏，严重的影响生产的连续性，不仅会漏油、漏水、漏气，甚至还 可导致恶性事故。例如震惊世界的1 9 8 6 年美国挑战者号航天飞机在发射7 4 s 后爆炸， 就是一起由于助推器尾部外壳连接间的两个密封圈失灵引起的恶性事故鲫。由此可见， 密封制品虽然在装置中所占的比重很小，但却起着十分重要的作用。 温石棉胶乳抄取板广泛用做各种机动车、石油化工管道等的静密封垫片。温石棉乳 胶抄取板的生产属于橡胶工业与造纸工业的交叉学科，由于该产品的生产方法是从混炼 模压工艺法转换至造纸工艺法，因此，目前我国该类产品的生产还属于建材行业管辖， 而建材行业对造纸工艺非常陌生。虽然在上世纪九十年代初以来，一些企业引进了由旧 纸机通过技术改造而形成的温石棉乳胶抄取板生产线，也有一些企业通过模仿自行上马 了该生产线，但由于这些厂家造纸知识贫乏，只是照搬造纸行业的生产工艺及方法，而 不了解造纸用的植物纤维和温石棉纤维的物性有很大差异，导致其生产工艺十分落后， 产品质量普遍偏低，尤其是抗拉强度方面，国内外产品差距明显。据标准j c 仃5 5 4 - 9 4 ， 国内的温石棉乳胶抄取板对未硫化板材的强度指标要求为茎2 5 m p a ，对硫化板材强度指 标要求为5 m p a ，而国外的温石棉乳胶抄取板强度指标已经超过了1 5 m p a 以上，差距 十分明显。因此，虽然进口密封橡胶板价格比国产的贵好几倍甚至数十倍，但是目前我 国轿车行业使用的密封板材几乎百分之百依赖进口。 随着汽车工业的飞速发展，抄取板的应用领域日益扩大。但国内温石棉胶乳抄取板 性能跟外国的差距明显，因此，极大限制了国内产品的使用范围。 国外专利文献表明1 2 ”，温石棉胶乳抄取板的性能很大程度上由以下两个因素决定： 胶乳的胶粒大小和胶乳粒子的表面化学；温石棉纤维在水中的分散程度。可是，至 今我国还没有人对提高温石棉胶乳抄取板的性能方面进行过系统的研究。 1 4 纤维打浆 在植物纤维造纸中，打浆是重要的环节。未经打浆的纤维太粗太长，表面光滑挺硬 而富有弹性，纤维的比表面积小又缺乏结合性能。 凡浆料中的纤维受到剪切力的作用均称为打浆。打浆是一复杂而细致的生产过程， 采用同一种浆料，随着打浆设备、打浆方式和打浆工艺与操作的不同，可以生产出多种 不同性质的纸和纸板。由于打浆对抄纸和产品质量的性能关系非常密切，它在造纸生产 中占有十分重要的地位。 1 4 1 打浆设备介绍 槽式打浆机是打浆设备的起源，它的打浆原理一直被沿用至今；盘磨则是现代发展 的逐步被造纸厂广泛采用的打浆设备 。 槽式打浆机，如图卜7 所示，由于其飞刀辊3 不停地转动以及浆槽本身有一定的坡 1 0 温石棉纤维打浆性能及其对抄取板强度影响研究 度，使受处理的浆料在槽内循环运动。当浆料经过飞刀辊3 与底刀4 之间的间隙时，浆 料受到了飞刀与底刀的机械作用，逐步处理成合乎抄纸要求的纸浆。虽然槽式打浆机与 其他打浆设备比较，有消耗功率大、占地面积大及间歇作业等缺点，但它能处理各种不 同性质的浆料，适应范围广而灵活性大。 l 一罩盖2 一山形部3 一飞刀辊4 一底刀床5 加压杠杆6 重铊 图卜7 槽式打浆机示意图 f i g 1 - 7t h es k e t c hm a po f v a l l e yb e a t e r 盘磨机，如图1 - 8 所示，为目前造纸厂较为普遍使用的双盘磨机。磨室里装有三个 圆盘，一个转盘2 和两个定盘1 、3 。转盘2 由主轴带动回转，它的两个表面均装有磨片， 与两个定盘上的磨片形成两对磨浆面。磨面间间隙的调整通过蜗轮蜗杆螺旋机构4 移动 定盘来实现，也有的磨面间隙是通过转盘来调整的。浆料进入磨室后，经由磨盘中心， 这样浆料在高速转盘的巨大离心力的作用下，从盘磨中心向圆周方向运动，在这个过程 中，纤维受到摩擦力、扭力、剪切力和水力等多种作用，因此浆料经盘磨机处理之后， 纤维的撕裂、分丝、帚化、弯曲、压溃和搓揉显著，而切断较少，特别是在高浓磨浆时 更为明显。 较槽式打浆机，盘磨机有以下优点： ( 1 ) 它是一种连续打浆设备，连续打浆容易做到质量的均一性、稳定性； ( 2 ) 占地少、效率高和电耗低； ( 3 ) 由于其结构和磨纹的不断改进和完善，并向着专业化发展，使其能适应各种 化学浆和一些特殊浆料的打浆； ( 4 ) 盘磨机有一个突出的优点，就是可以用它来实现高浓连续磨浆( 2 0 以上浓度) ， 能有效地提高磨浆质量。 陕西科技大学硕士学位论文 o l 定盘2 一转盘3 一定盘4 蜗轮蜗杆螺旋机构s 转盘主轴6 一电动机 图l - 8 双盘磨机示意图 f i g i - 8t h es k e t c hm a po f d o u b l ed i s cr e f i n e r 1 4 2 打浆工艺介绍 植物纤维打浆一般根据纤维长短采取不同的打浆工艺，长纤维游离打浆，通过降低 湿重来提高打浆度；短纤维粘状打浆，湿重尽可能少的降低，通过帚化提高打浆度。理 论上浓度高打浆利于纤维帚化、浓度低打浆纤维倾向于切断。影响浆料性质的还有打浆 比压和刀间距、打浆时间、打浆温度等。应根据产品的技术要求选择不同的打浆工艺1 3 0 。 ( 1 ) 最新打浆技术 在2 0 3 0 甚至更高浓度打浆称为高浓打浆。浆料的浓度对打浆的质量影响甚大， 高浓打浆与传统的低浓打浆相比，具有提高成浆质量，降低打浆能耗等诸多优势，是国 内外打浆发展的主要趋势之一。低浓打浆时刀片与纤维直接作用。而高浓打浆时，靠纤 维之间的相互摩擦作用进行打浆。限于各方面的原因，国内打浆大都仍使用传统的双盘 磨低浓打浆，这种打浆理论可以用诸如“有效缘角载荷”理论及“有效表面载荷”理论 解释。 高浓打浆，由于浆料的浓度高，盘磨的间隙较大，打浆作用不是靠磨盘直接与纤维 作用，而是依靠磨盘间高浓浆料的相互摩擦、挤压、揉搓、扭曲等作用，使纤维受到打 浆，与此同时产生大量的摩擦热，使浆料软化，有利于浆料的离解。所以高浓打浆与低 浓打浆相比，纤维的长度下降不大，短纤维和细小纤维碎片减少。高浓打浆，打浆度上 升较慢，浆料的滤水性能好。在纤维