螯合劑對石棉膠乳抄取板抗張強度的影響

2010-11-27 02:42:04郭娜娜夏新興陳務平

中國造紙 2010年3期

郭娜娜夏新興陳務平

(1.陜西科技大學,陜西西安,710021;2.南京林業大學,江蘇南京,210037)

螯合劑對石棉膠乳抄取板抗張強度的影響

郭娜娜1夏新興1陳務平2

(1.陜西科技大學,陜西西安,710021;2.南京林業大學,江蘇南京,210037)

為了減少水相體系中金屬離子對膠乳在石棉纖維上吸附性能的影響,增強陰離子膠乳與纖維的結合,研究了螯合劑對石棉膠乳抄取板抗張強度的影響,在石棉纖維打漿后加入不同的螯合劑,采用抗張強度表征纖維與膠乳的結合強度。實驗結果表明,乙二胺四乙酸、檸檬酸、檸檬酸鈉均可提高抄取板的強度,但又降低了紙料的濾水性能。其中,檸檬酸鈉對濾水性能的影響最小,是一種理想的螯合劑,最佳用量為 1.1%,此時抗張指數達到 6.18 N·m/g。

螯合劑;抗張強度;金屬離子

膠乳黏結劑是石棉膠乳抄取板中除石棉纖維外的另一主要組分[1],它使各組分有機結合在一起,并將填料顆粒和石棉纖維黏結在一起。同時,膠乳黏結劑為石棉膠乳抄取板提供了作為密封材料所必需的耐流體性質和壓縮回彈性能。因此,膠乳黏結劑是影響石棉膠乳抄取板耐熱、耐介質及使用性能的重要因素。

石棉膠乳抄取板中纖維和膠乳的結合強度對材料性能有很大影響,兩者之間的界面結合強度是決定纖維增強效果的關鍵因素。由于膠乳的抗張強度遠低于石棉纖維,在抗張實驗中,試樣斷裂意味著膠黏劑與纖維間的剝離,故一般可用抗張強度表征纖維與膠乳的結合強度,纖維與膠乳的結合強度好,則抗張強度相應較高[2]。

溫石棉,分子式為Mg6[Si4O10](OH)8,是由硅氧 (SiO2)四面體和氫氧化鎂石[Mg(OH)2]八面體組成的雙層型結構的三八面體硅酸鹽礦物,如圖1所示[3],由于四面體層與八面體層之間不協調,形成具有卷曲狀圓柱形的結構。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,從而使石棉纖維帶正電性。在打漿過程中,石棉纖維中的使石棉纖維帶正電性的雜質,隨著石棉纖維的不斷分絲,這些物質不斷從石棉纖維中溶出,使石棉纖維的正電性逐漸下降。因此,當陰離子膠乳加入到打漿后的石棉纖維懸浮液中后,由于受到這些高價金屬離子的作用,會產生相互的絮聚,形成大的膠乳顆粒,俗稱膠豆,從而影響了膠乳在石棉纖維上良好均勻的吸附[4]。因此,本課題研究了減少金屬離子對膠乳在石棉纖維上吸附的影響的方法,以提高石棉膠乳抄取板的強度。

圖1 溫石棉的雙層型結構示意圖

1 實驗

1.1 實驗材料

石棉纖維:五級蛇紋石石棉 (即溫石棉),取自煙臺石川密封墊板有限公司;丁腈-26膠乳:乳白色,固含量 45%;檸檬酸鈉:分析純;檸檬酸:分析純;乙二胺四乙酸:分析純;其他均為橡膠工業常用硫化配合劑。

基本配方:丁腈-26膠乳用量 17%,填料碳酸鈣用量 15%,硫化配合劑用量 1.7%,陽離子聚丙烯酰胺用量 0.08%,膨潤土用量 0.25%。以上用量均為相對于石棉纖維。

硫化條件:硫化溫度 145℃,硫化壓力 5～7 MPa,硫化時間 30 min。

1.2 濾水性能檢測

將石棉纖維、螯合劑、丁腈-26膠乳、填料制成紙料之后,用肖氏打漿度儀測定石棉膠乳紙料的打漿度,以此表征漿料的濾水性能。

1.3 性能測試

將石棉纖維原料用水稀釋至 0.5%,加入螯合劑、丁腈-26膠乳、填料、硫化配合劑,經紙樣抄取器抄制成定量 150 g/m2的石棉膠乳抄取板,壓榨,干燥,平衡水分后測定抗張強度。

1.4 抄取板 SEM分析

將石棉纖維原料用水稀釋至 0.5%,加入螯合劑、丁腈-26膠乳、經紙樣抄取器抄制石棉膠乳抄取板,室溫自然干燥,經鍍金處理,用 JS M-6460鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行掃描分析。

2 結果與討論

2.1 不同螯合劑對石棉膠乳紙料打漿度的影響

取已打漿過的石棉纖維 (磨漿轉數為 1500 r,PFI磨漿,下同),依次加入螯合劑、膠乳、填料,充分攪拌均勻,稀釋,加入 CPAM/膨潤土,測定紙料的打漿度。其中疏解用水為去離子水,以消除水中電解質的干擾。

由圖2可見,隨著螯合劑用量的增加,石棉膠乳紙料打漿度逐漸上升,檸檬酸鈉對紙料打漿度的增加最少,加入檸檬酸時,紙料打漿度上升幅度較大。

圖2 螯合劑用量對石棉膠乳紙料打漿度的影響

由此可見,在石棉纖維打漿后,加入螯合劑使得紙料的打漿度逐漸上升,說明濾水性能越來越差。可能是由于石棉纖維帶較強的正電性,而膠乳帶弱負電性,膠乳在石棉纖維上產生吸附,加入螯合劑后,由于螯合劑帶負電性,與水相體系中的金屬離子螯合后,整個紙料體系的正電性下降,使得后續加入的膠乳吸附性能有一定的降低,形成體積較小的絮聚體,紙料的濾水性能下降。而加入的檸檬酸帶有更大的負電性,與金屬離子螯合后,整個紙料體系的正電性下降更多,膠乳絮聚能力減弱,形成的絮聚體體積更小,使紙料的濾水性能下降較多。

2.2 螯合劑種類及用量對石棉膠乳抄取板抗張強度的影響

在打漿過程中,從石棉纖維中溶出了大量的Mg2+及少量的 Al3+、Fe3+,使陰離子膠乳在加入到石棉纖維懸浮液中會產生相互絮聚,形成大的膠乳顆粒,影響了膠乳在石棉纖維上良好均勻地吸附,膠乳與石棉纖維不能得到均勻結合,從而降低了石棉膠乳抄取板的強度性能。本研究在打漿后的石棉纖維懸浮液中加入一定量的溶于水的聚羧酸及其鹽等螯合劑,與水相體系中的金屬離子螯合,從而減少金屬離子對膠乳在石棉纖維上吸附性能的影響,以提高石棉膠乳抄取板的強度。本實驗主要研究了 3種螯合劑 (檸檬酸鈉、乙二胺四乙酸、檸檬酸)及其用量對抄取板抗張強度的影響。

取已打漿過的石棉纖維 (磨漿轉數為 1500 r),依次加入螯合劑、膠乳、填料及其他硫化配合劑,充分攪拌,稀釋,加入 CPAM/膨潤土,經紙樣抄取器抄制成定量 150 g/m2的石棉膠乳抄取板,壓榨,干燥,平衡水分后測定抗張強度。

圖3 不同螯合劑用量對抄取板抗張強度的影響

圖3是螯合劑用量對抄取板抗張強度的影響曲線。由圖3可見,隨著螯合劑用量的增加,抄取板抗張強度先不斷增加,達到最高值后開始下降。檸檬酸鈉最佳用量為 1.1%,此時抄取板抗張指數達到 6.18 N·m/g;乙二胺四乙酸最佳用量為 0.9%,此時抄取板抗張指數達到 5.96 N·m/g;檸檬酸最佳用量為1.3%,此時抄取板抗張指數達到 6.21 N·m/g。

由此可見,在石棉纖維打漿后加入螯合劑,可以提高抄取板的抗張強度,這是由于螯合劑與水相體系中的金屬離子螯合,減少了金屬離子對膠乳在石棉纖維上吸附的影響。加入陰離子膠乳時,在剪切力作用下,膠乳會吸附到仍帶正電性的石棉纖維上,有效減少膠乳形成大的膠乳顆粒,膠乳在石棉纖維上均勻沉積,增強了陰離子膠乳與纖維的結合,提高了抄取板的抗張強度。螯合劑用量過多時,帶負電的螯合劑不利于膠乳與石棉纖維的緊密結合,使得抄取板強度降低。

2.3 抄取板掃描電鏡分析

從圖4可見,陰離子膠乳加入到石棉纖維懸浮液后會產生相互的絮聚,形成大的膠乳顆粒,膠乳在石棉纖維上吸附不均勻;在石棉纖維打漿后加入螯合劑檸檬酸鈉,陰離子膠乳在石棉纖維上均勻沉積,形成體積較小的絮聚體,膠乳在石棉纖維上的分布得到改善。

3 結論

3.1 在石棉纖維打漿后,加入螯合劑,利用螯合劑與水相體系中的多價金屬離子螯合,可以減少金屬離子對膠乳在石棉纖維上吸附性能的影響。隨著螯合劑用量的增加,石棉膠乳紙料濾水性能逐漸下降,當加入檸檬酸時,濾水性能下降較多,而檸檬酸鈉對紙料濾水性能影響較小。

圖4 螯合劑對石棉膠乳抄取板影響的電鏡圖

3.2 隨著螯合劑用量的不斷增加,石棉膠乳抄取板抗張強度先不斷增加,達到最高值后開始下降。螯合劑乙二胺四乙酸的最佳用量為 0.9%,此時石棉膠乳抄取板抗張指數達到 5.96 N·m/g,紙料的打漿度為47.8°SR;檸檬酸最佳用量為 1.3%,此時石棉膠乳抄取板抗張指數達到 6.21 N·m/g,紙料的打漿度為61.2°SR;檸檬酸鈉最佳用量為 1.1%時,此時石棉膠乳抄取板抗張指數達到 6.18 N·m/g,紙料的打漿度為 45.1°SR。因此,在實驗條件下,檸檬酸鈉是一種理想的螯合劑。

3.3 掃描電鏡分析結果進一步表明,加入螯合劑可有效減少膠乳形成大的膠乳顆粒,陰離子膠乳在石棉纖維上的吸附得到改善,增強了陰離子膠乳與纖維的結合,提高了抄取板的抗張強度。

[1] 張殿榮,辛振祥.現代橡膠配方設計[M].北京:化學工業出版社,2005.

[2] 王作齡.短纖維及其橡膠復合體[J].世界橡膠工業,1998(1):21.

[3] Kumzerov Yu A.Thermal Conductivity of Crystalline Chrysotile Asbestos[J].Physics of the solid state,2003(1):57.

[4] 夏新興,張瑞寧,鄭君熹.石棉纖維打漿性能及對石棉膠板強度的影響[J].中國造紙,2005,24(2):20.

The Effect of Sequestrant on the Tensile Strength of AsbestosLatex Sheet

GUO Na-na1,＊X IA Xin-xing1CHEN Wu-ping2
(1.Shaanxi University of Science&Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021;2.Nanjing Forest University,Nanjing,Jiangsu Province,210037)

By adding different sequestrants to the slurry of asbestos fiber after beating,sequestrants can decrease the effect of metallic ions presented in water on the absorbability of latex onto the asbestos,and enhance the bonding between anion latex and fiber.The bonding strength is characterized by tensile strength.The results showed that ethylene diamine tetra-acetic acid,citrate acid and sodium citrate can improve the tensile strength of asbestos latex sheet while increase the beating degree of the slurry.Min imal increasing of beating degree is achieved when sodium citrate is used among the sequestrants,therefore,sodium citrate is an ideal sequestrant,and the tensile index reaches 6.18 N·m/gwhen the opt imal dosage 1.1%is used.

sequestrant;tensile strength;metallic ions

TS727+.2

0254-508X(2010)03-0024-03