2022年09月10日 12:23:59 来源：慈溪嘉钰密封材料有限公司 >> 进入该公司展台 阅读量：32
非石棉的成分
为满足健康与环保的严格要求，传统的压缩石棉纤维增强的密封材料已逐渐被非石棉纤维增强的无石棉垫片密封材料所替代［1］。当前，国外无石棉垫片密封材料以有机或(和)无机纤维增强橡胶材料为主，其增强纤维包括芳纶(Kevlar)浆粕、碳或石墨纤维及玻璃纤维等，并以芳纶浆粕居多。以它们为增强纤维生产的无石棉密封材料具有较好的综合性能，在某些方面甚至已超过传统的石棉橡胶板，但由于受所用纤维性能的制约，其应用具有一定的局限性，而且一般价格较高，难以在国内普遍使用［1，2］。文中以国产芳砜纶纤维的综合性能为基础，探讨了它取代石棉纤维的可行性，并采用橡胶模压工艺，以其为增强纤维研制了无石棉橡胶板，利用正交试验设计法研究了影响材料基本性能的主要因素，确定了较好的材料组成和工艺条件。
无石棉垫片密封材料通常由各种非石棉纤维增强橡胶制成，其组成包括增强用非石棉纤维(或浆粕)、弹性粘接剂(橡胶)、填料和其它少量化学品，其中以非石棉纤维(或浆粕)和橡胶对材料的性能影响较大［3］。
1.1 非石棉纤维
非石棉纤维是无石棉密封材料的重要组成部分，在材料中主要起耐热和增强作用，其物理化学特性直接影响密封材料的*终性能和产品成本。就传统石棉橡胶板而言，由于石棉纤维具有优异的耐热性、耐溶剂性、耐化学腐蚀性及较高的机械强度和低廉的价格，确保了石棉橡胶板优异的综合性能。目前还没有一种单一的材料能*替代石棉，这使大量非石棉纤维被用作石棉替代物，包括非石棉无机纤维、有机合成纤维和天然植物纤维等。一般非石绵纤维的选用应根据材料的技术性能要求，综合考虑纤维的耐热性、单丝长度、纤维长径比、耐介质性、与橡胶的亲和性、可处理性及纤维的性能价格比，同时应考虑到纤维的来源。
芳砜纶(又称聚砜酰胺，PSA)纤维(Polysulfonamide)是我国自行研制开发，并且已有一定生产规模的芳香族聚酰胺纤维，它是由二氨基二苯砜与对苯二甲酰氯在二甲基乙酰胺溶液中通过低温缩聚而成，其化学结构中含有芳环、砜基及酰胺基等有机官能团。因此它不仅具有良好的物理力学性能和耐热性、电绝缘性、耐腐蚀性、耐辐射性、耐燃及尺寸稳定性等优点，而且抗热氧化性能优于芳纶1313(Nomex)和芳纶1414，价格则低于芳纶。其产品已在我国电力、冶金、宇航工业、能源及环境保护等方面得到了广泛的应用，并收到了较好的实效［4］。不同芳香族聚酰胺纤维的主要性能见表1。通过比较几种常用工业纤维的物理性能［5］，聚芳酰胺纤维具有较好的综合性能，是一类较为适合的代石棉有机纤维，其中芳砜纶纤维的性能与苏砜-T(CyЛЪФOH-T)十分相似，而强度和模量则比Nomex略低，但其高温下强度保持率高于Nomex，分解温度也略高于Nomex。在化学稳定性上，芳砜纶纤维的抗酸性较抗碱性更强。纤维经80℃、质量分数为30%的硫酸、盐酸及硝酸处理后，除硝酸使纤维强力稍下降外，其余均无明显的影响。而在同样的条件下，用质量分数20%的NaOH水溶液处理后，纤维强力损失达60%以上，芳砜纶在抗有机溶剂方面，除几种强极性溶剂，如DMAC、DMF、DNSO、六、N-甲基吡烷酮以及浓硫酸外，对其它化学品均能保持良好的稳定性，因此，本研究中笔者采用芳砜纶纤维作为增强纤维来替代石棉纤维。
表1 不同芳香族聚酰胺纤维性能比较
| 性能 | 芳砜纶(湿纺) | 苏砜-T(湿纺) | Nomex(干纺) |
| 断裂强度/g.d-1 | 3.5～5.0 | 4.0～4.5 | 5.5 |
| 湿强力/% | 85～90 | 85～87 | 60～80 |
| 环扣强度/MPa | 80左右 | 70～75 | 90 |
| 断裂伸长率/% | 20～25 | 16～18 | 15～17 |
| 湿态伸长/% | 25～30 | 15～17 | 21.5 |
| 弹性模量/MPa | 7600 | 6000 | 17500 |
| 20℃回潮率/% | 6.28 | 5.40 | 4.50～5.00 |
| 密度/kg.m-3 | 1416 | 1450～1460 | 1370～1880 |
| 200℃强度保持率/% | 50 | － | 40 |
| 500℃失重率/% | 12.4 | － | 15.7 |
| 分解温度/℃ | 422 | － | 414 |
| 1.2 弹性粘接剂 橡胶是无石棉密封板材的主要弹性粘结剂，它使各组分有机地粘合在一起，特别是将填料粒子和增强纤维粘在一起成为弹性网膜，提供密封材料的抗流体性能及压缩回弹性能，是影响密封材料机械行为和耐热、耐溶剂及密封性能的关键因素之一。根据各类橡胶特性，为满足研制密封材料的耐热、耐油、抗拉强度以及产品成本等方面的要求，选用丁腈橡胶作为主要弹性粘结剂。 1.3 填料及配合剂 构成无石棉密封材料的主要成分除非石棉增强纤维和弹性粘结剂外，就是填料和橡胶配合剂。橡胶配合剂和填料不但便于工艺操作，降低产品成本，而且可以改变材料的性能，使制品满足一定的技术要求，例如，达到一定的密度、弹性、抗张力、耐压和耐热性能等。为此采用具有较好综合性能的低硫配方体系，同时添加一些无机矿物材料来调节材料性能，提高材料的性能价格比。 2 材料制备工艺选择 |
图1 模压法生产工艺流程 表2 无石棉密封材料3种制备工艺特点 |
| 项目 | 模压法 | 压缩法 | 造纸法 |
| 工艺复杂程度 | 低 | 中 | 高 |
| 设备投资 | 少 | 高 | 高 |
| 污染程度 | 小 | 大 | 小 |
| 纤维损伤 | 大 | 小 | 小 |
| 纤维分散性 | 可 | 较好 | 好 |
| 性能均匀性 | 可 | 较好 | 好 |
| 材料综合性能 | 可 | 好 | 好 |
| 3 配方材料和工艺条件正交试验设计 为了确定一个较为合理的原料配方和工艺条件，采用正交试验法研究材料的主要组分和硫化工艺条件等因素对材料性能的影响。所选择的试验因素和水平见表3，正交试验分析见表4。 表3 正交试验因素和水平 |
| 水平 | 因素 | ||||
| 橡胶A/% | PSA浆粕B/% | 白炭黑C/% | 硫化温度D/℃ | 硫化时间E/min | |
| 1 | 15 | 10 | 5 | 125 | 10 |
| 2 | 18 | 15 | 8 | 135 | 18 |
| 3 | 20 | 20 | 10 | 145 | 24 |
| 4 | 25 | 25 | 15 | 155 | 30 |
表4 正交试验分析 |
| 列号 | A/% | B/% | C/% | D/℃ | E/min | 横向拉伸 强度/MPa |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 6.44 |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 9.01 |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 7.05 |
| 4 | 1 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5.98 |
| 5 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 7.03 |
| 6 | 2 | 2 | 1 | 4 | 3 | 5.54 |
| 7 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 7.61 |
| 8 | 2 | 4 | 3 | 2 | 1 | 6.17 |
| 9 | 3 | 1 | 3 | 4 | 2 | 6.07 |
| 10 | 3 | 2 | 4 | 3 | 1 | 9.03 |
| 11 | 3 | 3 | 1 | 2 | 4 | 6.12 |
| 12 | 3 | 4 | 2 | 1 | 3 | 7.10 |
| 13 | 4 | 1 | 4 | 2 | 3 | 6.56 |
| 14 | 4 | 2 | 3 | 1 | 4 | 6.20 |
| 15 | 4 | 3 | 2 | 4 | 1 | 4.62 |
| 16 | 4 | 4 | 1 | 3 | 2 | 3.46 |
| K1 | 28.32 | 26.10 | 21.56 | 27.35 | 26.24 | |
| K2 | 26.35 | 29.78 | 27.76 | 27.86 | 26.15 | |
| K3 | 28.48 | 22.71 | 29.18 | 22.21 | 25.33 | |
| K4 | 20.84 | 22.71 | 29.18 | 22.21 | 25.33 | |
| 极差 | 7.64 | 7.07 | 7.62 | 5.65 | 0.92 | |
| S1 | 2141.8 | 2728.9 | 2736.7 | 2723.5 | 3704.1 | |
| S1/4 | 685.44 | 682.24 | 684.17 | 680.86 | 676.02 |
| 注：Ki--某因素第i水平对应指标的平均值(i=1,2,3,4)。 极差--Ki中*大值与*小值之差，反映同一因素不同水平对指标作用大小。SI--Ki的平方和。
表5 研制材料基本组成(质量%)和硫化工艺 由表4得到材料的*优组成为A3B2C4D2E3［7，8］，在综合考虑材料的加工工艺性、材料性能和成本后，确定了本材料的基本组成、配比以及较好的硫化工艺(表5)。研制的无石棉垫片密封板材性能见表6，表中数据取自1.6mm板材。 |
| 丁腈橡胶/% | 芳砜纶纤维/% | 白炭黑/% | 其它填料及配合剂/% | 硫化温度/℃ | 硫化时间/min | 硫化压力/MPa |
| 20 | 15 | 15 | 50 | 135 | 25 | 15 |
| 由表6可以看出，模压法研制无石棉密封板材的综合性能良好，已达到普通石棉橡胶板XB30的基本要求，可以在某些场合替代石棉橡胶板使用。 表6 研制材料性能 |
| 性能 | 1 | 2 | 3 | 4 | 试验标准 |
| 横向拉伸/MPa | 9.3 | 13.5 | 17.2 | 9.0 | ASTM F152 |
| 蠕变松驰率/% | 20.3 | 21.7 | 25.2 | ≤50.0 | ASTM F38 |
| 密度/kg.m-3 | 1600 | 1730 | 1760 | 1600-2000 | GB/T 541 |
| 邵氏硬度 | 87 | 90 | 85 | － | GB 531 |
| 柔软性 | 无裂纹 | 无裂纹 | 无裂纹 | 无裂纹 | GB/T 3985 |
| 压缩率/% | 13.0 | 11.4 | 14.2 | 12±5 | ASTM F36 |
| 回弹率/% | 73.5 | 83.3 | 61.0 | ≥40.0 | |
| ASTM质量增加率/% | 1.14 | 1.07 | 4.20 | － | ASTM F146 |
| 3号油厚度增加率/% | 2.05 | 1.72 | 9.00 | － | |
| ASTM质量增加率/% | -1.60 | 1.03 | 5.60 | － | |
| B号油厚度增加率/% | 1.75 | 0.39 | 8.30 | － | |
| *大泄漏率(氮气内压0.2MPa,垫片载荷20.7MPa)ml.min-1 | 0.57 | 0.68 | 1.00 | － | GB 12385 |
| 注：1为模压法研制的无石棉密封板材，2为压缩法研制的无石棉密封板材，3为进口无石棉密封板材，4为普通石棉橡胶板XB300。 |
1 原材料选用
