溫石棉細小纖維性能及其對石棉膠乳抄取板質量的影響

夏新興 成艷娜

(陜西科技大學造紙工程學院,陜西西安,710021)

·石棉膠乳抄取板·

溫石棉細小纖維性能及其對石棉膠乳抄取板質量的影響

夏新興 成艷娜

(陜西科技大學造紙工程學院,陜西西安,710021)

以五級溫石棉為研究對象,通過篩分的方法,把石棉纖維分成長纖維和細小纖維兩部分,對長纖維單獨磨漿,然后與篩分收集到的細小纖維以不同比例混合后配抄,探討長纖維磨漿轉數、細小纖維含量對石棉膠乳抄取板性能的影響。結果表明,與直接對石棉原料進行磨漿相比,單獨對篩分得到的長纖維磨漿然后與細小纖維混合后配抄,可使抄取板的抗張指數提高64.5%。長纖維最佳的磨漿轉數為1500轉,當細小纖維含量為30%時,抄取板的抗張指數最大,為11.3 N·m/g。

石棉纖維;篩分;磨漿;細小纖維;抗張指數

(＊E-mail:chengyanna01@yahoo.cn)

Abstract:The asbestoswas fractionated to long fibers and fine components,the long fibers were refined separately by PFImill and mixed with the fines in various ratios to make the asbestos sheet.The influence of PEI revolution,amount of the fines on the properly of the sheet was studied.The results indicated that compared to the asbestos refined before fractionated,the long fiber component refined separately can increase the tensile index of the sheet by 64.5%.When long fibers are refined to 1500 revolution and the amountof fine is 30%,the tensile index of the sheet reaches to the maximum,11.3 N·m/g.

Key words:asbestos fiber;fractionated;beating;fines;tensile index

溫石棉是由硅氧四面體片和“氫氧鎂石”八面體片組成的結構層卷曲的管狀纖維礦物,是相關材料工業的重要多功能性原材料[1]。在密封行業,石棉橡膠制品的生產工藝主要有造紙法和混煉模壓法。造紙工藝法生產效率高、產品性能穩定、污染少[2]。但是國內利用造紙法生產的抄取板的強度指標一直不是特別理想。

石棉膠乳抄取板的主要組成部分是石棉纖維、填料、膠黏劑和各種輔料[3]。其中溫石棉纖維是石棉膠乳抄取板的重要組成部分,主要起耐熱和增強作用,并直接影響抄取板的成張工藝性,它的物理化學特性也直接決定了石棉膠乳抄取板的最終性能。一般工廠在使用前都會對石棉纖維進行打漿,以改善纖維的分絲效果,增強與各種助劑的結合能力。用于生產石棉膠乳抄取板的五級溫石棉纖維中,通過0.075 mm(即200目篩網)的細小石棉所占比例均超過50%,有的高達76%[4]。如果直接對石棉原料進行打漿處理,一方面會使長纖維被切斷,產生更多的細小纖維,另一方面會使原料中本來就存在的細小纖維變得更加細小,這將影響石棉膠乳抄取板的生產過程,造成濾水困難,助劑功效降低,產品強度差。為獲得較高強度的抄取板,本研究將溫石棉原料預先進行篩分,分別收集長纖維和細小纖維,對長纖維單獨進行打漿,然后與細小纖維以不同比例混合配抄。主要探討溫石棉長纖維磨漿轉數和細小纖維含量對漿料及石棉膠乳抄取板(以下簡稱抄取板)強度性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料與主要設備

五級溫石棉,取自西安信力石棉總廠。

篩漿機:陜西科技大學機械廠;DCS-041PT型PFI磨漿機:加拿大產;ZQJ-BT型紙樣抄取器:陜西科技大學機械廠;PCD-3膠體電荷滴定儀:德國MüTEK公司;DDJ動態濾水儀:美國造紙研究材料(PRM)公司;SZP-06型Zeta電位測定儀:德國MüTEK公司;Nano-2s型納米粒度儀及Zeta電位測定儀:英國馬爾文公司;多媒體顯微鏡:奧地利MOTI C公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 篩分

采用直徑為300 mm的篩漿機,選用200目的篩網,對經過疏解的溫石棉原料進行篩分,分別收集長纖維和細小纖維。

1.2.2 磨漿

采用PFI磨漿機對收集到的長纖維進行磨漿,磨漿轉數設定為800、1500和2500轉,磨漿濃度10%,磨漿間隙為0.2 mm。

1.2.3 抄紙

將不同磨漿轉數的溫石棉長纖維與篩分收集到的細小纖維以不同的比例充分混合均勻(細小纖維的含量:0、10%、20%、30%、40%、50%、60%),依次加入填料、膠乳、助留助濾劑,稀釋至漿濃為0.5%,然后抄片。

1.2.4 分析檢測

分別檢測不同磨漿轉數和細小纖維含量下漿料的打漿度、Zeta電位。按照GB/T453—1989檢測抄取板的抗張強度。

2 結果與討論

2.1 溫石棉原料經篩分后的基本物理性能

測定溫石棉纖維篩分所收集的長纖維和細小纖維的基本性能指標,如打漿度、電荷密度、Zeta電位,結果見表1。

表1 不同篩分纖維的漿料性能對比

從表1中可以看出,溫石棉纖維為正電性,經過篩分收集的長纖維為正電性而細小纖維為弱的負電性,溫石棉長纖維的正電性和電荷密度均高于溫石棉原料。溫石棉纖維帶正電性的原因是由于溫石棉纖維中常含有FeO、Fe2O3、Al2O3、CaO、MnO2、Cr2O3等雜質。這些雜質有些直接進入晶格,取代結構中的部分Mg,形成類質同相混合物,有些是機械混合物,分布于石棉纖維中,從而使溫石棉纖維帶正電[5]。長纖維中含有較多的這些雜質,因此,帶較高的正電性。相對來說,由于細小纖維體積很小,因此包裹的這些雜質也較少,同時,由于細小纖維比表面積很大,因此,在水中時,Al3+、Fe3+、Mn4+等雜質容易從纖維表面溶出,從而使纖維帶弱負電性。

利用DDJ動態濾水儀測定溫石棉中的細小纖維含量[6],由表1可見,通過200目篩網的細小纖維在漿料中約占51.29%,可見溫石棉原料中的細小纖維含量很高,不適宜對其直接打漿。

2.2 篩分對漿料性能及抄取板強度的影響

將溫石棉原料磨漿1500轉,記為篩分前的漿料;將溫石棉原料預先篩分,然后單獨對長纖維磨漿1500轉,再與篩分收集到的細小纖維混合均勻,記為篩分后的漿料。在兩種漿料中依次加入填料、膠乳以及助留助濾劑,測定打漿度、Zeta電位,并抄片測抗張強度,結果見表2。

表2 篩分前后漿料性能及抄取板強度

由表2可見,同樣是磨漿1500轉,篩分后的漿料與未經篩分的漿料相比,打漿度降低,Zeta電位上升,而抄取板的抗張指數提高了64.5%。因此,單獨對長纖維進行打漿處理,可降低細小纖維的含量,改善濾水性能,提高抄取板的強度。

由此可見,溫石棉纖維篩分并單獨對長纖維打漿處理是一種更合理的漿料處理工藝。

2.3 長纖維和細小纖維的形態觀測

溫石棉原料經過篩漿機篩分后得到長纖維和細小纖維,其電子顯微鏡照片如圖1所示。對比可知,兩者差別明顯。長纖維呈細絲狀,縱橫交錯,比較柔軟;而細小纖維部分主要是短小的纖維和碎片,進一步證明細小纖維加入量過多時會堵塞纖維網絡,導致濾水性能變差。溫石棉長纖維中存在著大量的長纖維束,因此,在打漿過程中應將這些纖維束進行充分的疏解分絲,以提高纖維之間的交織能力,從而改善抄取板的強度。

2.4 打漿對溫石棉長纖維性能的影響

取一定量不同磨漿轉數的石棉長纖維,分散稀釋,依次加入填料、膠乳和助留助濾劑,配制成一定的漿料濃度,測定打漿度、Zeta電位,抄片測抗張強度。其結果如表3所示。

表3 打漿對溫石棉長纖維性能的影響

由表3知,隨著磨漿轉數的增加,溫石棉長纖維的打漿度迅速上升,Zeta電位下降,細小纖維含量增加,而抄取板的抗張指數先增大后減小。這是由于溫石棉纖維打漿過程中容易發生脆裂,使得細小纖維的含量增加,打漿度上升。由于在打漿過程中,隨著纖維的細纖維化,纖維中的Al3+、Fe3+、Mn4+等雜質從纖維中溶出,從而使纖維的Zeta電位不斷下降。

隨著長纖維磨漿轉數的增加,抄取板的抗張指數先增大后減小,其中磨漿轉數為1500轉時,抗張指數最大。這是因為未磨漿的長纖維中含有較多的纖維束(如圖1所示),而磨漿2500轉時細小纖維含量達到46.62%,這都會影響帶有高正電性的溫石棉長纖維與負電性的膠乳及填料之間的結合;磨漿800轉和1500轉時纖維能夠產生較好的分絲效果(見圖2),細小纖維含量相對較少,為30%到38%,此時纖維的相互交織能力較強,導致抄取板的抗張指數較高。因此溫石棉長纖維最佳的磨漿轉數為1500轉。

2.5 長纖維打漿轉數及細小纖維含量對溫石棉漿料性能和抄取板強度的影響

取溫石棉長纖維(不同磨漿轉數),依次加入篩分收集到的細小纖維(不同比例)、填料、膠乳以及助留助濾劑,利用疏解機使其分散均勻,分別測定漿料的打漿度、Zeta電位,并抄片測抗張強度,結果見圖3～圖5。

2.5.1 對打漿度的影響

由圖3可知,總體而言,隨著長纖維磨漿轉數和細小纖維含量的增加,打漿度呈現上升的趨勢。這是因為,漿料的打漿度主要受纖維分絲疏解程度和細小組分含量兩個因素的影響。溫石棉纖維是一種脆性較高的礦物纖維,其在打漿過程中產生分絲細纖維化的同時也會受到擠壓、揉搓等作用,容易發生脆裂[5],使得細小纖維的含量增加,打漿度上升。

2.5.2 對Zeta電位的影響

由圖4可見,隨著細小纖維添加量的增加,溫石棉漿料的Zeta電位呈現下降趨勢,這是因為細小纖維本身帶有負電性,當加入到呈正電性的溫石棉長纖維漿料中時,細小纖維會吸附到溫石棉長纖維表面,對纖維的雙電層的“壓縮作用”增大,使得漿料的Zeta電位下降,并且隨著細小纖維含量的增加,這種“壓縮作用”增大,造成Zeta電位逐漸下降。

由圖4還可以看出,在相同的細小纖維含量下,隨著長纖維磨漿轉數的增加,溫石棉漿料的Zeta電位下降。其板的抗張指數先增大后減小,其中磨漿轉數為1500轉時,抗張指數最大。其原因與溫石棉長纖維打漿對抗張指數的影響相同。

綜合以上實驗可知,溫石棉長纖維最佳的磨漿轉數為1500轉,當細小纖維添加量為30%時,抗張指數最大,為11.3 N·m/g。

3 結 論

3.1 溫石棉本身為正電性,經過200目篩網篩分收集的長纖維為正電性,而細小纖維為負電性。利用DDJ動態濾水儀測得通過200目篩網的細小纖維在漿料中約占51.29%。與對溫石棉原料直接進行打漿相比,單獨對篩分后的長纖維打漿,然后與細小纖維混合,可使漿料的打漿度下降,Zeta電位上升,抄取板的抗張指數提高64.5%。因此,長短纖維分開處理效果更好。

3.2 隨著磨漿轉數的增加,溫石棉長纖維中的細小纖維含量增加,打漿度迅速升高,Zeta電位下降,抗張指數先增大后減小。長纖維最佳的磨漿轉數為1500轉,此時抗張指數可達到10.2 N·m/g。

3.3 在相同的細小纖維含量下,隨著磨漿轉數的增加,長纖維與細小纖維混合后漿料的打漿度上升,Zeta電位下降;抄取板的抗張指數先增大后減小。

3.4 在相同的磨漿轉數下,隨著細小纖維含量的增加,長纖維與細小纖維混合后漿料的打漿度呈現上升趨勢,Zeta電位呈現下降趨勢,抄取板的抗張指數先增大后減小。磨漿為800轉和1500轉的石棉長纖維,當細小纖維含量為30%時抗張指數達到最大,分別為8.07和11.3 N·m/g。原因與長纖維Zeta電位隨磨漿轉數的增加而逐漸下降的原因相同。

2.5.3 對抄取板抗張強度的影響

由圖5可知,在相同的磨漿轉數下,隨著細小纖維含量的增加,抄取板的抗張指數先增大后減小。未磨漿和磨漿2500轉的漿料,當細小纖維含量為20%時抗張指數達到最大,分別為7.22和10.7 N·m/g,而磨漿后的漿料當細小纖維含量為30%時抗張指數達到最大,分別為8.07和11.3 N·m/g。這是由于細小纖維作為一種添加劑加入到溫石棉紙料中,可以與溫石棉纖維較好結合,從而使得抄取板的強度增大,但是當細小纖維含量過高時,帶有負電性的細小纖維又會影響帶有高正電性的溫石棉長纖維與負電性的膠乳以及填料之間的結合,使得抄取板的強度下降。

對比不同磨漿轉數下的抗張指數可知,在相同的細小纖維含量下,隨著長纖維磨漿轉數的增加,抄取

[1] 萬 樸.我國溫石棉-蛇紋石工業及其結構調整與發展[J].中國非金屬礦工業導刊,2002(5):8.

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[4] 夏新興,胡玉霞.石棉膠乳抄取板抄造工藝條件對強度的影響研究[J].非金屬礦,2006(6):64.

[5] 夏新興,鄭君熹,馬 娜.槽式打漿與盤磨打漿對石棉纖維松解分絲性能影響的研究[J].非金屬礦.2006,(5):39.

[6] 文 飚,何北海.動態濾水儀(DDJ)的特性及其應用[J].廣東造紙,1998(4):24.

(責任編輯:馬 忻)

The I nfluences of Ref ined Longer Fibers and Fines on Tensile Strength of the Asbestos Sheet

X IA Xin-xing CHENG Yan-na＊

(College of Paper m aking Engineering,Shaanxi University of Science&Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)

夏新興先生,博士,教授,研究生導師;主要研究方向:濕部化學及特種紙。

TS722

A

0254-508X(2010)02-0018-04

2009-07-31(修改稿)