玻璃纖維抄取密封墊片的制備及配方優(yōu)化

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(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引 言

密封材料作為一種消耗性材料，廣泛應(yīng)用于交通工具、工程機(jī)械以及能源、化工、冶金等行業(yè)。長期以來，石棉類密封材料因具有優(yōu)良的耐熱性能、耐堿和耐酸腐蝕能力等而一直在密封材料領(lǐng)域占有非常重要的地位[1]。然而，20世紀(jì)70年代后，因發(fā)現(xiàn)石棉纖維會對人體健康造成很大的傷害，世界各國相繼對石棉纖維的使用進(jìn)行了嚴(yán)格的限制[2]，因此開發(fā)新型無石棉密封材料來替代傳統(tǒng)石棉密封材料已成為近年來的一個研究熱點。抄取法是制備密封墊片的一種常見工藝方法，其工藝參數(shù)、墊片配方、外界環(huán)境等直接影響墊片的性能，其中對墊片性能起決定作用的因素是墊片配方。密封墊片材料是一種復(fù)合材料，主要由增強(qiáng)纖維、彈性黏結(jié)劑、填料及少許配合劑構(gòu)成。目前，墊片配方中代替石棉纖維的材料主要包括礦物棉纖維、植物纖維、海泡石纖維、芳綸纖維、碳纖維等，這些纖維的價格高低不一，對此，學(xué)者也進(jìn)行了很多相關(guān)研究[3-5]。玻璃纖維是目前應(yīng)用最為廣泛的一種工業(yè)纖維材料，具有來源豐富、價格低廉，且能顯著提高制品的剛性和熱變形溫度等優(yōu)點，但作為制備無石棉密封墊片的原材料卻少有報道，這主要由于玻璃纖維較難分散，混料攪拌時易結(jié)團(tuán)，且與黏結(jié)劑及填料的相容性差。隨著材料表面處理技術(shù)的日益成熟[6]，玻璃纖維在摩擦、密封材料中的應(yīng)用變得越來越廣，市場前景很好[7]。因此，作者將經(jīng)過表面處理的玻璃纖維代替石棉纖維，采用膠乳抄取工藝制備了不同配方的密封墊片，對其壓縮率、回彈率、拉伸強(qiáng)度、密度進(jìn)行了測試，采用多元回歸方程研究了墊片配方與其性能的關(guān)系，并通過多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)對墊片配方進(jìn)行了優(yōu)化。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

紙漿纖維取自于加拿大昆河針葉機(jī)械木漿，直徑為5～25 μm，單纖維長度為1.5～5.0 mm，由山東道欣新材料有限公司生產(chǎn)；QY復(fù)合棉纖維的直徑為8～20 μm，平均長度約為3 mm，由咸陽密封材料研究所研制；JF-F-2型芳綸漿粕纖維的平均直徑為12 μm，平均長度為1.0～1.5 mm，密度為1.44 g·cm-3，由蘇州恒富密封摩擦材料有限公司生產(chǎn)；玻璃纖維，A級，無堿，平均長度約為3 mm，由濱州市安潤化纖繩網(wǎng)有限公司生產(chǎn)；J-26丁腈膠乳的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，由靖江市通高化工有限公司生產(chǎn)；高嶺土由天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同)為45%二氧化硅、38%三氧化二鋁和17%水；滑石粉由天津市鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn)，其主要化學(xué)成分為63.47%二氧化硅、31.68%氧化鎂、4.75%水和0.1%雜質(zhì)；云母由靈壽縣百豐礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)，其主要化學(xué)成分為49%二氧化硅、20%三氧化二鋁、10%氧化鉀、4%三氧化二鐵、16.87%氧化鎂、0.13%水；其他配合劑為硫、硫化促進(jìn)劑TMTD、氧化鋅、KH550硅烷偶聯(lián)劑、聚氧化乙烯(PEO)、濃硫酸等，其中硫和氧化鋅的純度均為99%，PEO的相對分子質(zhì)量為2×106。

將4種纖維在PL28-00型立式標(biāo)準(zhǔn)疏解器中進(jìn)行疏解，其中紙漿纖維、芳綸漿粕纖維、QY復(fù)合棉纖維的疏解轉(zhuǎn)數(shù)為2.5萬轉(zhuǎn)左右，玻璃纖維的疏解轉(zhuǎn)數(shù)為3萬轉(zhuǎn)，以保證纖維充分分散；其次將疏解后的纖維和填料一同倒入PL12-2型水力碎漿機(jī)中，攪拌7 min，隨后加入質(zhì)量濃度為0.012 g·mL-1的硫酸鋁溶液500 mL，攪拌4 min后將稀釋后的丁腈膠乳倒入其中，再次攪拌17 min，然后加入氫氧化鉀、消泡劑(聚二甲基硅氧烷)及絮凝劑(聚丙烯酰胺)，得到懸浮液。將懸浮液倒入PL6-D型紙樣抄取器中進(jìn)行抄取，然后將抄取好的試樣放入WGXX-0300型高溫?fù)Q氣老化試驗箱中，加熱至100 ℃干燥4 h，再在XLB-Q4004002平板硫化機(jī)中進(jìn)行硫化，硫化溫度為140 ℃，硫化時間為5 min，硫化壓力為10 MPa。

目前通過硅烷偶聯(lián)劑來處理玻璃纖維的方法主要包括表面處理法、直接添加法、兼用法等，其中兼用法的效果最佳[8-10]，因此作者采用兼用法在疏解前對玻璃纖維進(jìn)行處理。將玻璃纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%的KH550硅烷偶聯(lián)劑中浸泡1 h左右，隨后將其取出常溫晾干，再將其放置在 WGXX-0300型高溫?fù)Q氣老化試驗箱中，加熱至100 ℃干燥3 h，然后在精度為0.01 g的YTNMD-200天平上稱取質(zhì)量；同時在配制膠乳溶液時，在其中加入少量的KH550硅烷偶聯(lián)劑，該偶聯(lián)劑的加入量為膠乳質(zhì)量的2%左右，從而提高玻璃纖維與膠乳的黏結(jié)效果。

為解決玻璃纖維在打漿過程中出現(xiàn)的易結(jié)團(tuán)、不易分散的問題，在玻璃纖維進(jìn)行打漿時，向其中加入適量的PEO試劑和少量的濃硫酸，使打漿液顯酸性[11]。由圖1可知：在其他因素相同的情況下，加入PEO試劑，且溶液顯酸性時，打漿后玻璃纖維的分布較均勻，分散效果較好，沒有出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；當(dāng)不做任何處理時，玻璃纖維存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，分散效果較差。

墊片配方設(shè)計是一個多因素試驗，采用傳統(tǒng)試驗設(shè)計時，試驗的次數(shù)較多，周期較長，很難滿足產(chǎn)品配方設(shè)計的要求，而均勻試驗設(shè)計則可以減少試驗次數(shù)和縮短試驗周期。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗[4]并結(jié)合該試驗的目的，在均勻設(shè)計試驗中，確定了對墊片性能影響較大的7個因素，分別為玻璃纖維、紙漿纖維、滑石粉、高嶺土、丁腈乳膠、芳綸漿粕纖維、QY復(fù)合棉纖維，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，總質(zhì)量約為70 g。將其他因素定值，其中云母的質(zhì)量為4 g，硫為0.32 g，TMTD為0.8 g，氧化鋅為0.6 g。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12]，選取了7因素12水平的均勻試驗表，其中均勻度的偏差為0.276 8。采用擬水平法得到的試驗設(shè)計方案如表2所示。

圖1 加入PEO試劑和濃硫酸與未加PEO試劑和濃硫酸下玻璃纖維的分散效果Fig.1 Dispersion effect of glass fiber with adding PEO reagent and concentrated sulfuric acid (a) and without adding PEO reagent and concentrated sulfuric acid (b)

表1 墊片配方中各組分的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Content of components in the gasketformula (mass) %

表2 原料配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Ram material formula (mass) %

1.2 試驗方法

按照GB/T 12622-1990《管法蘭墊片 壓縮率及回彈率試驗方法》在HLS-04型墊片材料壓縮回彈試驗機(jī)上測墊片的壓縮回彈性能，截取表面積為25 cm2的圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，在WGXX-0300型高溫?fù)Q氣老化試驗箱中將試樣加熱到(100±2) ℃保溫1 h，然后在無水氯化鈣干燥器中冷卻至21～30 ℃，試驗溫度為21～30 ℃，相對濕度為50%～55%。按照GB/T 528—2009《硫化或熱塑性拉伸應(yīng)力變性能的測定》在UTM4000系列電子萬能試驗機(jī)上測拉伸強(qiáng)度，試樣為啞鈴狀，狹窄部分的標(biāo)準(zhǔn)厚度為(2.0±0.2) mm，長度為(20.0±0.5) mm，試驗溫度為20 ℃左右，拉伸速度為305 mm·min-1。按照GB/T 22308—2008《密封墊板材料密度試驗方法》對密度進(jìn)行測試，試樣的尺寸和形狀不固定，但表面積均需大于25 cm2，測試前保證試樣充分干燥，將試樣放入WGXX-0300型高溫?fù)Q氣老化試驗箱中，加熱至100 ℃保溫1 h，隨后放入干燥器皿中，待冷卻后稱取質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 墊片的性能

由表3可以看出：試樣的壓縮率(YC)為13.01%～46.78%，回彈率(YR)為20.06%～55.08%，拉伸強(qiáng)度(Y)為1.64～10.33 MPa，密度(D)為0.99～1.30 g·cm-3，這表明在相同的制備工藝下，配方中各組分的含量對墊片性能的影響較大；2#試樣的綜合性能最好，其壓縮率最小，為13.01%，回彈率最大，為55.08%，拉伸強(qiáng)度為10.33 MPa，密度為1.30 g·cm-3，該試樣配方中4種纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8.1%左右、滑石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.4%、高嶺土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.1%、丁腈膠乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.2%；11#試樣的壓縮率最大，為46.78%，回彈率最小，為20.06%，拉伸強(qiáng)度最小，為1.64 MPa，密度為0.99 g·cm-3。由此可以看出：墊片的密度越大，配方中各組分的結(jié)合效果越好，墊片越不容易被壓縮、拉伸強(qiáng)度越高、回彈率越大。

表3 墊片性能的測試結(jié)果Tab.3 Test results of gasket performance

2.2 墊片配方與性能之間的關(guān)系

采用SPSS軟件對上述結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[13]，同時利用多元線性回歸方程進(jìn)行分析，得到壓縮率、回彈率、拉伸強(qiáng)度、密度與墊片配方的回歸方程，見式(1)～式(4)。

式中：X1，X2，X3,…,X7分別為玻璃纖維、紙漿纖維、滑石粉、高嶺土、丁腈乳膠、芳綸漿粕纖維、QY復(fù)合棉纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

式(1)的顯著性水平為0.028，相關(guān)系數(shù)為0.968，調(diào)整的決定系數(shù)為0.827。式(2)的顯著性水平為0.024，相關(guān)系數(shù)為0.970，調(diào)整的決定系數(shù)為0.839。式(3)的顯著性水平為0.014，相關(guān)系數(shù)為0.978，調(diào)整的決定系數(shù)為0.881。式(4)的顯著性水平為0.018，相關(guān)系數(shù)為0.974，調(diào)整的決定系數(shù)為0.861。由擬合結(jié)果來看：4個回歸方程的顯著性水平均小于0.05，這說明配方中各組分對墊片性能的影響較顯著，得到的回歸方程是高度有效的；4個回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，調(diào)整的決定系數(shù)雖然沒有超過0.9，但均大于0.8，這是由于墊片在制備過程和測試過程中會存在一定的誤差。由此可見，這4個回歸方程擬合的效果較理想，具有一定的應(yīng)用價值。

根據(jù)回歸方程可以得到墊片配方中某組分的含量與其性能的關(guān)系。 在研究玻璃纖維含量與墊片性能的關(guān)系時，先固定其他組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如X2=10%，X3=30%,X4=20%,X5=10%,X6=4%，X7=6%，即可得到玻璃纖維與墊片性能的關(guān)系式為

圖2 墊片配方中其他組分含量一定時玻璃纖維含量與墊片性能的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between glass fiber content and properties of gasket with the constant content of other components in the gasket formula: (a) compressibility; (b) recovery; (c) tensile strength and (d) density

由圖2可以看出：隨著墊片配方中玻璃纖維含量的增加，壓縮率逐漸增大，回彈率、拉伸強(qiáng)度、密度逐漸減小，這表明玻璃纖維與其他組分的結(jié)合效果隨著玻璃纖維的增多而越來越差，這也與玻璃纖維表面光滑、不易與膠乳黏結(jié)等有關(guān)。各組分的結(jié)合效果差，墊片不夠密實，甚至松弛，這樣很難滿足使用要求，因此在利用玻璃纖維抄取無石棉墊片的過程中，玻璃纖維表面處理的好壞是決定墊片性能的關(guān)鍵因素。

3 墊片配方的優(yōu)化

在大多數(shù)工況下，當(dāng)密封墊片的壓縮率在7%～17%、回彈率大于50%、拉伸強(qiáng)度大于7 MPa時就能滿足使用要求，且應(yīng)保證密度盡可能大。根據(jù)試驗中墊片配方各組分的含量范圍，利用MATLAB軟件中的fgoalattain函數(shù)[14]進(jìn)行墊片配方組分的多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)值為壓縮率12%、回彈率50%、拉伸強(qiáng)度7 MPa、密度1.3 g·cm-3。由優(yōu)化得出的結(jié)果可以看出：在基本達(dá)到目標(biāo)值的情況下，墊片配方中玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、紙漿纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、高嶺土和滑石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為20%、膠乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.38%、芳綸漿粕纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、QY復(fù)合棉纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.17%。

采用同樣的工藝條件制備該優(yōu)化配方的墊片，并對其性能進(jìn)行驗證。由測試結(jié)果可知：該墊片的壓縮率為19.12%、回彈率為48.91%、拉伸強(qiáng)度為6.09 MPa、密度為1.12 g·cm-3。通過對比可以看出，壓縮率、密度的實測值與目標(biāo)值有一定的差距，其差值分別為7.12%和0.18 g·cm-3，而回彈率、拉伸強(qiáng)度的實測值與目標(biāo)值相差不大，其差值分別為1.09%和0.91 MPa。由此可見，多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)可用于優(yōu)化墊片配方。

4 結(jié) 論

(1) 在相同的制備工藝下，墊片配方中各組分的含量對墊片性能的影響較大；當(dāng)配方中4種纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8.1%左右、滑石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.4%、高嶺土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.1%、丁腈膠乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.2%時，墊片的綜合性能最好；隨著玻璃纖維含量的增加，墊片的壓縮率逐漸增加，回彈率、拉伸強(qiáng)度、密度逐漸減小。

(2) 采用fgoalattain函數(shù)對墊片配方組分進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，所得墊片性能的實測值與目標(biāo)值較接近，墊片的綜合性能較好。

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