填料并用体系对无石棉胶乳抄取板性能的影响

熊 浩，夏新兴

(陕西科技大学造纸工程学院，陕西 西安 710021)

填料并用体系对无石棉胶乳抄取板性能的影响

熊 浩，夏新兴

(陕西科技大学造纸工程学院，陕西 西安 710021)

添加一定量的硫酸铝溶液能够改善填料与纤维和胶乳的结合。随着硫酸铝用量的增加，浆料的Zeta电位、pH值和打浆度都逐渐降低，最佳的硫酸铝用量为9%。对于添加了填料碳酸钙/炭黑和凹凸棒粉/炭黑的两种无石棉胶乳抄取板而言，随着炭黑用量的增加，两种板材的抗张指数逐渐增加，压缩率则呈缓慢下降的趋势，回弹率变化不大，而蠕变松弛率则主要受板材紧度影响，紧度越大蠕变松弛率越小。

填料；硫酸铝；无石棉胶乳抄取板

无石棉胶乳抄取板是一种重要的密封材料，主要用于汽车、飞机、摩托车发动机以及各种管道连接的密封等。目前无石棉胶乳抄取板的生产制备工艺主要有三种：橡胶混炼模压工艺法(也称模压法)、压缩成张工艺法(也称压缩法)和抄取工艺法(也称造纸法)。造纸法是在改善前两种制备方法缺陷的基础上出现的一种新型的生产工艺，即将水、胶乳、纤维、填料和化学辅料混合成含水的分散体系，在纸机上抄造成密封板材[1]。该方法的优点在于所制备的板材柔软，产品尺寸和性能比较稳定，强度性能好，且生产过程基本是连续的。废水可以循环利用，是当前无石棉胶乳板制备方法中最为环保、最为理想的生产工艺。

在造纸法生产无石棉胶乳抄取板时，所用的填料主要分为两种类型：惰性填料和补强型填料。惰性填料又称增容填料，其主要作用在于增容，降低生产成本。此外，增容填料也可不同程度改善制品的机械性能和密封性能。而补强填料是指可提高基体材料本身的机械性能和耐热性能的填充剂。本试验选取了两种惰性填料碳酸钙和凹凸棒粉以及补强性填料炭黑，来研究他们的配合使用对抄取板性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

芳纶1313纤维：国内某公司；植物纤维：漂白针叶木浆板，新疆博湖苇业股份公司；矿物纤维：海泡石纤维，国内某公司；丁苯胶乳：乳白色，固含量48%；填料：碳酸钙、凹凸棒粉和炭黑，国内某公司；硫酸铝：0.25%浓度；阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)：0.01%浓度。

1.2 主要仪器和设备

纸样抄取器：ZQJ1-B型；肖式打浆度仪：ZJ1-100型；摆锤式抗张试验机：J-KZ3000型，四川长江造纸仪器有限公司；密封试验机：XYM-A型，咸阳新益摩擦密封材料研究所；压缩回弹试验机：SX-A型，咸阳新益摩擦密封材料研究所；应力松弛测试仪：FY-1型，咸阳新益摩擦密封材料研究所。

1.3 试验方法

(1) 抄取工艺。

将各种原料和药品依次按照混合纤维、填料、硫酸铝、胶乳和CPAM的顺序添加，每次添加后都疏解800r。疏解完后经抄片器抄成定量150g/m2纸片和定量1 300g/m2纸板。

(2) 性能测试。

用抗张试验仪测定定量为150g/m2纸片的抗张强度；用压缩回弹试验机和应力松弛仪分别测定定量为1 300g/m2纸板的压缩率、回弹率和蠕变松弛率。

2 结果与讨论

2.1 Al2(SO4)3溶液对填料与纤维和胶乳结合性能的影响

矾土[(Al2(SO4)3·18H2O)]溶液的重要组成是硫酸根(SO42-)和具有6个水分子的三价水合铝离子[Al(H2O)6]3+。在无石棉胶乳抄取板领域，填料、纤维及胶乳都带负电荷，它们之间的电荷相互排斥会影响填料与纤维和胶乳的结合。本试验通过添加不同量的硫酸铝溶液来讨论硫酸铝对填料与纤维和胶乳结合性能的影响。

硫酸铝对浆料Zeta电位的影响见图1。

由图1知，无论是添加碳酸钙/炭黑，还是添加凹凸棒粉/炭黑，随着硫酸铝用量的增加，两种浆料的Zeta电位都逐渐增大，并向等电点靠近。这一现象可以由吸附架桥理论来解释。Al2(SO4)3在水中能够离解产生三价水合铝离子[Al(H2O)6]3+，它具有与一般阴离子络合的倾向。当其吸附在带负电荷的纤维表面后，能使其表面局部电荷由负电变为带正电，这样就能与其他带负电的填料和胶乳相结合。三价水合铝离子[Al(H2O)6]3+的这种架桥作用使纤维、填料和胶乳能很好的粘结在一起，从而使浆料的Zeta电位增大。

硫酸铝对浆料pH值的影响见图2。

由图2知，随着Al2(SO4)3用量的增加，两种浆料的pH值都不断减小。这是因为水合铝离子呈弱酸性，随着Al2(SO4)3不断的加入，浆料的pH值将逐渐由碱性向酸性方向变化。

图3是Al2(SO4)3对两种浆料体系滤水性能的影响情况。随着Al2(SO4)3加入量的增加，两种浆料的打浆度都逐渐降低。这是由于添加Al2(SO4)3后，改善了填料与纤维和胶乳的结合，使其能形成絮聚团，这样便提高了浆料的滤水性能，从而降低了打浆度。同时从图3可以看出，对于同一添加量的Al2(SO4)3，碳酸钙/炭黑浆料的打浆度明显低于凹凸棒粉/炭黑浆料的打浆度。这说明碳酸钙填料与凹凸棒粉相比能更好的与纤维和胶乳结合，形成絮聚物。

2.2 填料对无石棉胶乳抄取板性能影响

本试验固定填料在抄取板中的总含量，仅改变填料中碳酸钙(或凹凸棒粉)与炭黑的相对含量来研究其对抄取板性能的影响。试验的基本配方如表1。

表1 试验配方

取已打过浆的针叶木纤维(打浆度60SR°)、芳纶纤维和海泡石纤维按一定比例配成混合纤维加入疏解机中疏解，然后依次加入碳酸钙/炭黑(或凹凸棒粉/炭黑)、硫酸铝、胶乳、阳离子聚丙烯酰胺充分疏解搅拌均匀。将疏解好的浆料稀释后分别抄成150g/m2纸片和1 300g/m2纸板来测定其抗张强度、压缩率、回弹率和蠕变松弛率，见表2、表3。

表2 填料碳酸钙/炭黑对无石棉胶乳抄取板性能影响

表3 填料凹凸棒粉/炭黑对无石棉胶乳抄取板性能影响

由表2、表3知，两种填料体系的抗张指数都随着炭黑用量的增加而增大。这是由于炭黑的粒径较碳酸钙和凹凸棒粉而言更小，同时炭黑的准石墨化晶体边缘碳原子的缺陷有特别大的“活性点”，可以与胶乳相互作用，另外，炭黑表面的氢原子、含氧基团和自由基也可以与胶乳发生作用来提高板材强度。同时，从表2、表3中还可以看出，与碳酸钙/炭黑填料体系相比，凹凸棒粉/炭黑填料体系的抗张指数较小，这是由于凹凸棒粉表面含有极性的SiOH，它和丁苯胶乳分子的非极性表面亲和性较差的缘故。

对于压缩率，两种填料体系都是随着炭黑用量的增加而呈现缓慢减小的趋势，而回弹率则两种填料体系各自的变化不大。这可能是由于炭黑表面具有高度为2～3nm、宽度为3～5nm的尖锐棱角，称为炭黑表面的“纳米结构”，它们能相互形成不规则的倾斜叠置状区域[2]。随着炭黑用量的增加，这些具有表面纳米结构的炭黑粒子能够无规则的缠绕在线性的胶乳分子链上。当受到外力作用时，便能够通过炭黑的纳米结构，将承受的外力传递给其他胶乳分子链，共同分担外力，使应力分散，这样便限制了弹性体在外力作用下的大尺寸形变。

对于蠕变松弛性能，从表2、表3中可以看出，它与无石棉胶乳抄取板的紧度密切相关，紧度越大则蠕变松弛率越小。蠕变松弛性能按ASTM定义[3]是一种瞬时应力应变行为，在应变增加的同时，垫片上残余应力发生衰减，实际上它反映了在一定初应力和温度下，经过一段时间，板材厚度的变化情况。紧度越大的板材，在长时间的高温下，虽然胶乳会有一定程度的分解，但这些纤维和填料仍能保持一个有效的抗松弛性和适当的密封性。同时还可以看出，添加填料凹凸棒粉/炭黑的板材紧度明显小于添加填料碳酸钙/炭黑的板材紧度。我们知道，在无石棉密封材料中，一般选用粒径较大的无机填料(如碳酸钙、凹凸棒粉、陶土等)和粒径较小的炭黑或白炭黑配合使用，来减少填料粒子间的空隙，使粒子间紧密结合。而凹凸棒粉的粒径长度(0.5～5μm)相对于本试验中选用的重质碳酸钙粒径长度(10～13μm)而言小的多，这就使它与炭黑间结合的紧密程度不如碳酸钙与炭黑，另外由于凹凸棒粉是由其呈棒状、纤维状的晶体粒子聚集而成的具有层、链状结构的粒子，它与具有无规则形状的重质碳酸钙粒子相比，在受到外力作用时更容易发生滑移变形，这也在一定程度上减小了其紧度。

3 结论

(1) 添加Al2(SO4)3能够改善填料与纤维和胶乳的结合。随着Al2(SO4)3溶液用量的增加，两种填料体系浆料的Zeta电位都逐渐降低，并向等电点靠近，而pH值和打浆度则都不断减小。最佳Al2(SO4)3添加量为9%。

(2) 随着炭黑用量的增加，两种不同填料体系的无石棉胶乳抄取板的抗张指数逐渐增大，压缩率则呈现缓慢减小趋势，回弹率两种板材各自的变化不大。蠕变松弛率则主要受板材的紧度影响，紧度越大蠕变松弛率越小。同时，从两种填料体系各自板材的性能数据可以看出，填料碳酸钙与凹凸棒粉相比，它与纤维和胶乳的结合更好，更易形成絮聚物。

[1]胡宏玖,谢苏江,刘美红.无石棉垫片复合材料设计与性能[M].上海:上海大学出版社,2006.

[2]邓毅.炭黑表面的纳米结构对橡胶的补强作用[J].轮胎工业,2003,23(7):387-391.

[3]谢苏江,蔡仁良.压缩无石棉密封板材蠕变松弛性能的理论和实验研究[J].机械工程材料,2004,28(6):14-16.

Effect of Mixed Fillers on the Property of Non-asbestos Latex Sheets

XIONG Hao, XIA Xin-xing
(Shanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

Adding a certain amount of aluminum sulfate solution is able to improve the combination of fillers with fibers and latex.As the dosage of aluminum sulfate increased, the Zeta potential、pH and beating degree decreased gradually, and the optimal dosage is 9%. For the two different non-asbestos latex sheets of adding calcium carbonate/carbon black and attapulgite/carbon black, as the dosage of carbon black increased, the tensile index increases gradually and the compressibility rate reduces slowly, but the variety of recovery is not very clear. The creep-relaxation rate is mainly affected by the tightness. If the tightness increases, the creep-relaxation rate will be decline and vice versa.

fillers; aluminum sulfate; non-asbestos latex sheets

TS727.6

A

1007-9386(2010)05-0014-03

2010-08-20