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TC型绢云母复合材料在橡胶中的应用研究

浏览次数: 日期:2010年5月4日 10:42

    摘 要:介绍了TC型绢云母粉的性能,通过试验研究探讨了其在橡胶工业中的应用。

    关键词:绢云母粉;橡胶;应用

    引 言:TC型绢云母复合材料是以某大型矿业的废料为原料,经深加工精制而成。其主要化学成份由SiO2、Al2O3、K2O、MgO、TiO2等组成,在工业应用上具有取代多种原材料的特性。因其矿物成份中绢云母是主要特征矿物,为灰白色超细粉状物质,故也简称TC型绢云母粉。

    本文的重点是在研究其物质基本特性的基础上,进而论述了TC型绢云母复合材料在管带橡胶和轮胎胎侧橡胶中的应用特性及其开发前景。

1 TC型绢云母粉的基本性能

    绢云母是白云母的一个亚种,故在化学成份和晶体结构上同属层状结构硅酸盐矿物,其与白云母的差异,在于绢云母受水化作用,使之结构单元层间的部分K离子流失和H2O的介入,以及晶体形态呈微鳞片状而有别于白云母。

    TC型绢云母由于其粒度微细且中间夹杂其他杂质,所以极难取得纯净的绢云母样品。根据本研究的相关分析并结合岩矿鉴定,该TC型绢云母化学组成的实验值一般约在(%):SiO2,48;Al2O3,32;K2O,7.0;H2O,6.0,其他杂质(Fe2O3、MgO、CaO等),6.0。因而根据综合研究的结果,TC型绢云母的含量应将其中Al2O3和K2O二者的含量结合起来判断,较为符合实际情况。

    TC型绢云母具有绢云母矿物的一般共性,如微片状、弹性、抗拉、抗压、抗剪、阻燃、耐热绝缘和化学性质稳定等,还有吸湿、吸水性;150℃左右呈吸热反应,650℃左右失去结构水,960℃左右出现晶相变化。湿水后具滑感而具粘结性和可塑性。

1.1 化学组成 

    根据绢云母粉中Al2O3和K2O的含量不同,TC型绢云母粉共分为一、二、三级三个不同级别的产品,它们的有关化学组成见表1。

                                     表1 TC型绢云母粉化学组成

 

 2.2 矿物组成 

    由于绢云母等粘土矿物和超细微粒的固有特性及其定量分析的难度,根据X射线衍射分析,并结合岩矿鉴定镜下分析,TC型绢云母粉的主要矿物组成及其含量见表2。

                      表2 TC型绢云母粉主要矿物组成

矿物组成% 一级品 二级品 三级品
绢云母 75~78 70~80 65~75
石英 14~18 20~25 22~28
绿泥石 4~6 6~8 8~10
其他(褐铁矿等) 3~5 5~8 8~10

1.3 理化性能 见表3。

1.4 泥料工艺性能 

    二级TC型绢云母粉泥料的主要工艺性能:可塑指标(含水率%),4.6(23);干燥收缩率,4.50%;烧成收缩率,13.50%;总收缩率,17.50;干燥抗折强度, 23.00kg/cm2;烧结温度,1180~1200℃。说明:作填充剂,一般多用精制2~3级粉。

    据上述,TC型绢云母粉在橡胶、塑料、造纸(包装纸)、陶瓷等领域均有广泛用途,本研究着重在管带橡胶、轮胎胎侧胶、抗生素丁基胶中的应用试验。

2 TC型绢云母粉在管带橡胶中的应用试验研究

                                   表3 TC型绢云母粉主要理化性能

 

2.1 试验 

    TC型绢云母粉据其理化特性,在橡胶中主要用作补强填充剂,而橡胶中的补强填充剂是多种橡胶制品的重要组成部分。在橡胶生产中常用的补强填充剂主要有轻钙和通用炭黑,前者价格较低,后者则昂贵,每吨达数千元。为充分发挥环保资源的资源效益和经济效益,使之在橡胶的补强、填充剂中开发应用,我们首先将TC绢云母粉的样品,送原江西南昌橡胶制品总厂进行应用试验,在胶料配方完全相同的情况下,在三组相同的J#标准胶中分别加入等量(60份)的轻钙、通用炭黑、TC型1#绢云母粉、TC型2#绢云母粉,分别进行胶料试验和性能测试。它们的试验配方,见表4;试验的四种胶料性能测试结果对比,见表5。

                       表4 TC型绢云母粉等四组应用试验胶料配方

    表4说明,TC型绢云母粉等三种补强填充剂的胶料配方相同,生产工艺相同,它们在胶料中的用量亦相同,TC型绢云母粉与轻钙、通用炭黑在胶料中的用量均为34.8%。

    TC型绢云母粉、轻钙、通用炭黑胶料的性能,经现场测试,对比结果见表5。

                   表5 四种胶料性能测试结果对比(硫化温度143℃)

2.2 讨论 

    本试验研究的四种补强填充剂的胶料配方和胶料性能测试条件均相同,据此TC型绢云母粉在管带橡胶中的应用情况可以得出以下的主要认识:①TC型绢云母粉在橡胶中的补强填充性能,如胶料硬度、扯断伸长率、伸长率、密度、定伸强度等均十分相近,可全部或部分取代轻钙或通用炭黑。②TC型绢云母粉完全可在胶料中取代轻钙,并且其性能优于轻钙,例如定伸强度高于轻钙的胶料性能,由4.3MPa提高到6.9—7.4MPa(表5),其断后形变率虽有所偏大,厂方认为这可通过调整硫化体系加以改进。③测试结果还表明,与通用炭黑相比,其性能除定伸强度外,其扯断伸长率远高于使用炭黑为补强填充剂的制品性能(表5),可见TC型绢云母胶料的某些性能可与通用炭黑胶料的相媲美,故可大部分或部分取代通用炭黑,这将不仅可提高橡胶制品性能,并且降低橡胶制品成本。

2.3 小结 

    根据应用试验的全部工艺过程和测试结果的综合分析,原南昌橡胶制品总厂的结论是:“使用TC型绢云母粉与轻钙相比,可明显提高胶料的拉伸强度,前者断后变形有所偏大,这可通过调整硫化体系加以改进。从试验结果看,TC型绢云母粉在橡胶中的补强性能可与通用炭黑相媲美,可大部分或部分取代通用炭黑”。

3 TC型绢云母粉在轮胎胎侧胶中的应用研究

    由于不同橡胶制品的胶料配方工艺不尽相同,对补强填充剂的要求也有所区别。为扩大绢云母粉的应用范围,为进一步提供TC型绢云母粉在橡胶工业应用的科学依据,我们在原南昌橡胶制品总厂应用试验的基础上,又在北京橡胶工业研究设计院进行了有关轮胎胎侧胶的应用试验。试验工作分三步进行,一是将TC型绢云母粉与轻钙相比进行胶料的应用试验,二是将绢云母粉与通用炭黑比较进行胶料的应用试验,三是进而将绢云母粉用于轮胎胎侧胶中进行应用试验。

3.1 与轻钙的对比试验 

    在TC型绢云母粉与轻钙的胶料对比试验中,天然胶为 100份,TC型绢云母粉与轻钙的用量均为100份,对比试验。配方及其胶料性能测试,见表6,对比试验证明:TC型绢云母粉的胶料性能除伸长率略低外,其扯断强度和定伸强度等重要指标均优于轻钙的胶料,见表6,这表明TC型绢云母粉取代轻钙,对提高橡胶制品的质量十分有利。

    上述应用试验与测试结果,不仅说明TC型绢云母粉可作为橡胶制品的补强填充剂,且比轻钙的性能优异。

                         表6 与轻钙的胶料配方、胶料性能测试对比

 

3.2 与炭黑的对比试验 

    调整胶料配方,进而比较TC型绢云母粉与通用炭黑的性能差异。对比试验是在相同的胶料工艺条件下,天然胶的用量均为100份,绢云母粉和通用炭黑的用量,分别为50份,对比试验配方及其胶料性能测试结果见表7。据试验结果可知:①在与通用炭黑比较的应用试验中,绢云母粉的最大优点之一是其胶料的焦烧时间(T10为6′27″)比通用炭黑的胶料焦烧时间(T10为3′22″),慢近一倍,而T90的正硫化时间也较慢约1′,这种硫化特性对提高胶料加工的安全性和粘结性十分有利,是比较通用炭黑而言最为突出的优异性能之一。②绢云母粉胶料的另一优点是其胶料伸长率,远比含通用炭黑的胶料伸长率大,TC型绢云母粉胶料伸长率615%~620%,而通用炭黑的胶料仅为530%~441%。③对比表明,绢云母粉胶料其扯断强度与通用炭黑胶料相比也较为接近,不足之处是在本试验中前者的永久变形较大,定伸强度也不及后者,但这可通过改进橡胶硫化体系工艺或绢云母粉的改性来改善这方面的性能。此外,这一试验是在TC型绢云母粉等量取代通用炭黑的前提下进行的,若部分或大部分取代通用炭黑,此一性能必将得到进一步改善。

                      表7 与通用炭黑的胶料配方、胶料性能测试对比

    综合研究结果得出的结论是:TC型绢云母粉可在橡胶胶料中大部分或部分取代通用炭黑,其胶料性能可得到改善,并可降低制品成本。

3.3 TC型绢云母粉在轮胎胎侧胶中的应用试验

    综合上述,TC型绢云母粉与轻钙、通用炭黑在橡胶胶料中的应用对比试验,说明TC型绢云母粉具有优于轻钙而接近通用炭黑的补强性能,故可以考虑部分取代通用炭黑而用于轮胎胎侧胶中。因此,本试验在配方工艺完全相同的条件下分三组对比进行:第一组(编号Y-5),通用炭黑20份;第二组(编号Y-6),通用炭黑与1#绢云母粉用量各为10份;第三组(编号Y-7),全部用TC绢云母粉(20份)取代通用炭黑(20份),然后对比这三组轮胎胎侧胶料的性能。对比结果见表8.结果表明:①综合各项测试结果来看,全部取代和部分(50%)取代通用炭黑,效果相当接近,没有本质差别,仅在某些相关工艺指标上各有所偏高或偏低,如全部取代炭黑的胶料其定伸强度偏低等。②以TC型绢云母粉作补强填充剂的轮胎胎侧胶性能的最大优点之一是:胶料的重要工艺性能———耐屈挠龟裂性能有大幅度提高,含通用炭黑的胶料其胎胶屈龟裂。转数为37.5万次,而含TC型绢云母粉的胶料(不论是全部取代或50%取代),它们的耐转数均达46.5万次,即后者比前者高出近1万转次,这是轮胎胎侧胶所要求的重要性能。③与通用炭黑料相比,TC型绢云母粉的胎侧胶料的其他性能也有许多优点,如胶料的硫化特性较好,弹性、扯断强度、伸长率等都有一定程度的提高,其他性能也较接近,仅老化后有的性能偏低,可在日后应用开发中不断完善改善。

    综合以上轮胎胎侧胶的性能测试结果,TC型绢云母粉作为轮胎胎侧胶的补强填充剂不仅可全部取代轻钙,还可取代(或部分取代)通用炭黑,并可在日后的应用中不断调整工艺配方,使TC型绢云母粉的优异性能进一步得以开发。既可提高制品性能、改善生产工艺,又可降低生产成本。

                            表8 轮胎胎侧胶配方及其性能测试对比

4 研究探讨

    1、TC型绢云母粉是一种成份多型,颗粒细微,浅色的新型橡胶补强填充剂。其补强性高于轻钙,并较接近通用炭黑。通过,本研究,它在管带橡胶、轮胎胎侧橡胶的应用性能表明,可替代补强填充剂原料,并可提高制品的性能,取得明显经济效益。

    2、TC型绢云母粉对胶料的焦烧性、弹性、强伸性能有好的影响,特别是对耐屈挠龟裂性有大幅度提高。

    3、TC型绢云母粉对胶料的磨耗、老化等,有一定的不利影响。但在应用中应扬长避短,并可从原料制造、改性及胶料配方设计方面加以调整改进。

    4、据TC型绢云母粉特性和我们的有关研究表明:该绢云母粉不仅具有良好的补强、填充特性,还具有耐热、耐酸、耐碱、高绝缘和耐透气性等特点。故其,不仅可用于一般的橡胶制品和轮胎胎侧胶制品中,随着开发应用的深入,这种新材料,将在轮胎内胎、电缆、防腐性橡胶产品以及作为橡胶行业的隔离剂、脱模剂等方面,亦有进一步开发应用的前景。

    5、TC型绢云母粉由大型矿山的废料中直接深加工精制而成,故为一种资源丰富、价格低廉、性能稳定、开发应用前景喜人的环保资源产品,也是 一种集经济效益、环保效益、资源效益与社会效益于一体的新型复合原料,它的问世无疑将对橡胶等行业的生产增添新的血液。

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