螯合剂对石棉胶乳抄取板抗张强度的影响

郭娜娜 夏新兴 陈务平

(1.陕西科技大学,陕西西安,710021;2.南京林业大学,江苏南京,210037)

螯合剂对石棉胶乳抄取板抗张强度的影响

郭娜娜1夏新兴1陈务平2

(1.陕西科技大学,陕西西安,710021;2.南京林业大学,江苏南京,210037)

为了减少水相体系中金属离子对胶乳在石棉纤维上吸附性能的影响,增强阴离子胶乳与纤维的结合,研究了螯合剂对石棉胶乳抄取板抗张强度的影响,在石棉纤维打浆后加入不同的螯合剂,采用抗张强度表征纤维与胶乳的结合强度。实验结果表明,乙二胺四乙酸、柠檬酸、柠檬酸钠均可提高抄取板的强度,但又降低了纸料的滤水性能。其中,柠檬酸钠对滤水性能的影响最小,是一种理想的螯合剂,最佳用量为 1.1%,此时抗张指数达到 6.18 N·m/g。

螯合剂;抗张强度;金属离子

胶乳黏结剂是石棉胶乳抄取板中除石棉纤维外的另一主要组分[1],它使各组分有机结合在一起,并将填料颗粒和石棉纤维黏结在一起。同时,胶乳黏结剂为石棉胶乳抄取板提供了作为密封材料所必需的耐流体性质和压缩回弹性能。因此,胶乳黏结剂是影响石棉胶乳抄取板耐热、耐介质及使用性能的重要因素。

石棉胶乳抄取板中纤维和胶乳的结合强度对材料性能有很大影响,两者之间的界面结合强度是决定纤维增强效果的关键因素。由于胶乳的抗张强度远低于石棉纤维,在抗张实验中,试样断裂意味着胶黏剂与纤维间的剥离,故一般可用抗张强度表征纤维与胶乳的结合强度,纤维与胶乳的结合强度好,则抗张强度相应较高[2]。

温石棉,分子式为Mg6[Si4O10](OH)8,是由硅氧 (SiO2)四面体和氢氧化镁石[Mg(OH)2]八面体组成的双层型结构的三八面体硅酸盐矿物,如图1所示[3],由于四面体层与八面体层之间不协调,形成具有卷曲状圆柱形的结构。石棉纤维中常含有 FeO、Fe2O3、Al2O3、CaO、MnO2、Cr2O3等杂质,这些杂质有些直接进入晶格,取代结构中的部分Mg,形成类质同相混合物,有些是机械混合物,分布于石棉纤维中,从而使石棉纤维带正电性。在打浆过程中,石棉纤维中的使石棉纤维带正电性的杂质,随着石棉纤维的不断分丝,这些物质不断从石棉纤维中溶出,使石棉纤维的正电性逐渐下降。因此,当阴离子胶乳加入到打浆后的石棉纤维悬浮液中后,由于受到这些高价金属离子的作用,会产生相互的絮聚,形成大的胶乳颗粒,俗称胶豆,从而影响了胶乳在石棉纤维上良好均匀的吸附[4]。因此,本课题研究了减少金属离子对胶乳在石棉纤维上吸附的影响的方法,以提高石棉胶乳抄取板的强度。

图1 温石棉的双层型结构示意图

1 实 验

1.1 实验材料

石棉纤维:五级蛇纹石石棉 (即温石棉),取自烟台石川密封垫板有限公司;丁腈-26胶乳:乳白色,固含量 45%;柠檬酸钠:分析纯;柠檬酸:分析纯;乙二胺四乙酸:分析纯;其他均为橡胶工业常用硫化配合剂。

基本配方:丁腈-26胶乳用量 17%,填料碳酸钙用量 15%,硫化配合剂用量 1.7%,阳离子聚丙烯酰胺用量 0.08%,膨润土用量 0.25%。以上用量均为相对于石棉纤维。

硫化条件:硫化温度 145℃,硫化压力 5～7 MPa,硫化时间 30 min。

1.2 滤水性能检测

将石棉纤维、螯合剂、丁腈-26胶乳、填料制成纸料之后,用肖氏打浆度仪测定石棉胶乳纸料的打浆度,以此表征浆料的滤水性能。

1.3 性能测试

将石棉纤维原料用水稀释至 0.5%,加入螯合剂、丁腈-26胶乳、填料、硫化配合剂,经纸样抄取器抄制成定量 150 g/m2的石棉胶乳抄取板,压榨,干燥,平衡水分后测定抗张强度。

1.4 抄取板 SEM分析

将石棉纤维原料用水稀释至 0.5%,加入螯合剂、丁腈-26胶乳、经纸样抄取器抄制石棉胶乳抄取板,室温自然干燥,经镀金处理,用 JS M-6460钨灯丝扫描电子显微镜进行扫描分析。

2 结果与讨论

2.1 不同螯合剂对石棉胶乳纸料打浆度的影响

取已打浆过的石棉纤维 (磨浆转数为 1500 r,PFI磨浆,下同),依次加入螯合剂、胶乳、填料,充分搅拌均匀,稀释,加入 CPAM/膨润土,测定纸料的打浆度。其中疏解用水为去离子水,以消除水中电解质的干扰。

由图2可见,随着螯合剂用量的增加,石棉胶乳纸料打浆度逐渐上升,柠檬酸钠对纸料打浆度的增加最少,加入柠檬酸时,纸料打浆度上升幅度较大。

图2 螯合剂用量对石棉胶乳纸料打浆度的影响

由此可见,在石棉纤维打浆后,加入螯合剂使得纸料的打浆度逐渐上升,说明滤水性能越来越差。可能是由于石棉纤维带较强的正电性,而胶乳带弱负电性,胶乳在石棉纤维上产生吸附,加入螯合剂后,由于螯合剂带负电性,与水相体系中的金属离子螯合后,整个纸料体系的正电性下降,使得后续加入的胶乳吸附性能有一定的降低,形成体积较小的絮聚体,纸料的滤水性能下降。而加入的柠檬酸带有更大的负电性,与金属离子螯合后,整个纸料体系的正电性下降更多,胶乳絮聚能力减弱,形成的絮聚体体积更小,使纸料的滤水性能下降较多。

2.2 螯合剂种类及用量对石棉胶乳抄取板抗张强度的影响

在打浆过程中,从石棉纤维中溶出了大量的Mg2+及少量的 Al3+、Fe3+,使阴离子胶乳在加入到石棉纤维悬浮液中会产生相互絮聚,形成大的胶乳颗粒,影响了胶乳在石棉纤维上良好均匀地吸附,胶乳与石棉纤维不能得到均匀结合,从而降低了石棉胶乳抄取板的强度性能。本研究在打浆后的石棉纤维悬浮液中加入一定量的溶于水的聚羧酸及其盐等螯合剂,与水相体系中的金属离子螯合,从而减少金属离子对胶乳在石棉纤维上吸附性能的影响,以提高石棉胶乳抄取板的强度。本实验主要研究了 3种螯合剂 (柠檬酸钠、乙二胺四乙酸、柠檬酸)及其用量对抄取板抗张强度的影响。

取已打浆过的石棉纤维 (磨浆转数为 1500 r),依次加入螯合剂、胶乳、填料及其他硫化配合剂,充分搅拌,稀释,加入 CPAM/膨润土,经纸样抄取器抄制成定量 150 g/m2的石棉胶乳抄取板,压榨,干燥,平衡水分后测定抗张强度。

图3 不同螯合剂用量对抄取板抗张强度的影响

图3是螯合剂用量对抄取板抗张强度的影响曲线。由图3可见,随着螯合剂用量的增加,抄取板抗张强度先不断增加,达到最高值后开始下降。柠檬酸钠最佳用量为 1.1%,此时抄取板抗张指数达到 6.18 N·m/g;乙二胺四乙酸最佳用量为 0.9%,此时抄取板抗张指数达到 5.96 N·m/g;柠檬酸最佳用量为1.3%,此时抄取板抗张指数达到 6.21 N·m/g。

由此可见,在石棉纤维打浆后加入螯合剂,可以提高抄取板的抗张强度,这是由于螯合剂与水相体系中的金属离子螯合,减少了金属离子对胶乳在石棉纤维上吸附的影响。加入阴离子胶乳时,在剪切力作用下,胶乳会吸附到仍带正电性的石棉纤维上,有效减少胶乳形成大的胶乳颗粒,胶乳在石棉纤维上均匀沉积,增强了阴离子胶乳与纤维的结合,提高了抄取板的抗张强度。螯合剂用量过多时,带负电的螯合剂不利于胶乳与石棉纤维的紧密结合,使得抄取板强度降低。

2.3 抄取板扫描电镜分析

从图4可见,阴离子胶乳加入到石棉纤维悬浮液后会产生相互的絮聚,形成大的胶乳颗粒,胶乳在石棉纤维上吸附不均匀;在石棉纤维打浆后加入螯合剂柠檬酸钠,阴离子胶乳在石棉纤维上均匀沉积,形成体积较小的絮聚体,胶乳在石棉纤维上的分布得到改善。

3 结 论

3.1 在石棉纤维打浆后,加入螯合剂,利用螯合剂与水相体系中的多价金属离子螯合,可以减少金属离子对胶乳在石棉纤维上吸附性能的影响。随着螯合剂用量的增加,石棉胶乳纸料滤水性能逐渐下降,当加入柠檬酸时,滤水性能下降较多,而柠檬酸钠对纸料滤水性能影响较小。

图4 螯合剂对石棉胶乳抄取板影响的电镜图

3.2 随着螯合剂用量的不断增加,石棉胶乳抄取板抗张强度先不断增加,达到最高值后开始下降。螯合剂乙二胺四乙酸的最佳用量为 0.9%,此时石棉胶乳抄取板抗张指数达到 5.96 N·m/g,纸料的打浆度为47.8°SR;柠檬酸最佳用量为 1.3%,此时石棉胶乳抄取板抗张指数达到 6.21 N·m/g,纸料的打浆度为61.2°SR;柠檬酸钠最佳用量为 1.1%时,此时石棉胶乳抄取板抗张指数达到 6.18 N·m/g,纸料的打浆度为 45.1°SR。因此,在实验条件下,柠檬酸钠是一种理想的螯合剂。

3.3 扫描电镜分析结果进一步表明,加入螯合剂可有效减少胶乳形成大的胶乳颗粒,阴离子胶乳在石棉纤维上的吸附得到改善,增强了阴离子胶乳与纤维的结合,提高了抄取板的抗张强度。

[1] 张殿荣,辛振祥.现代橡胶配方设计[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2] 王作龄.短纤维及其橡胶复合体[J].世界橡胶工业,1998(1):21.

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

[4] 夏新兴,张瑞宁,郑君熹.石棉纤维打浆性能及对石棉胶板强度的影响[J].中国造纸,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

A

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

郭娜娜女士,在读硕士研究生;主要从事石棉胶乳抄取板强度性能的研究。

(＊E-mail:guonana.01@163.com)

2009-10-21(修改稿)

(责任编辑:王 岩)