张英宝1, 张 浩2(1·江南大学宜兴分校,江苏宜兴214200;2·连云港职业技术学院江苏连云港222006)
摘 要:本实验的目的就是通过对二氧化硅的粉碎、活化,使之能在橡胶行业替代钛白粉;对添加二氧化硅粉末橡胶的物理机械性能的分析结果表明:二氧化硅粉末在橡胶行业可以替代30%的钛白粉。
关键词:二氧化硅;粉碎;活化;替代
中图分类号:TQ330·3 文献标识码:A
橡胶制品生产过程中,需要在生胶中加入硫化剂、促进剂、活性剂、防老剂、补强剂、着色剂等各种助剂。钛白粉在橡胶工业中,除了作为着色剂外,尚有补强、防老、填充作用,不龟裂,不变色,老化慢,强度高,伸展率大,并具有耐酸和碱的性能。在硅橡胶中加入钛白粉,还可以提高橡胶的耐热性和稳定性[1]。
二氧化硅和钛白粉的物理化学性质相似,是否可用二氧化硅粉末来替代钛白粉?本实验证明:在橡胶行业可以替代30%的钛白粉。
1 原料的选择
二氧化硅粉末的研制,共选用四种原料。一种是东海劳改农场的100目石英砂,约200元一吨,这种原料二氧化硅含量99·5%以上,但价格较贵。第二种是东海105矿的普通7号,其颗粒度小于100目,含硅量在99·5%以上,价格为20元一吨。以上两种都是东海的天然石英。第三种是连云港锦屏磷矿熔融石英厂的废料,白色块状物,其含量在99·5%以上但颗粒度较大,一般在10目左右,其价格不好估计。第四种是东海硅微粉厂的100目石英沙,价格为200元一吨,含硅量为99%以上。四种石英砂的二氧化硅的含量及其它杂质含量详见表1。
2 设备及二氧化硅的粉碎加工过程
二氧化硅粉碎的主要设备是气流粉碎机。气流粉碎机是一种高效超细粉碎设备,目前在国内化工系统,特别是染料、技术陶瓷及制药行业广泛应用。其原理[2]为:压缩空气从气室中经由喷嘴以接近音速或超音速的速度喷入粉碎室内,由于喷嘴安装成一定的角度,所以较高压力的气流从喷嘴喷出后,在粉碎室内高速旋转,同时用压缩空气把料斗中的物料吹入粉碎室中,两种气流在粉碎室中相遇形成涡流。物料由于相互碰撞、摩擦和剪切而被粉碎。粉碎的物料在粉碎室内旋转而受离心力的作用,大粒子受离心力大被抛向外周,继续粉碎,细粉末随气流走向中心,经中心管进入布袋。压缩空气由布袋逐步扩散到大气中,细粉末留在布袋中。
本实验选用的是宜兴非金属化工机械厂生产的CTM系列气流粉碎机组中的GTM—10型和GTM—30型。对于石英砂来说,GTM—10型气流粉碎机每小时可加工5公斤石英沙,GTM—30型气流粉碎机每小时可加工50公斤石英沙。两种型号的气流粉碎机都要求原料的粒度小于100目。
因一套气流粉碎机价格较贵,本实验的原料的超细加工过程是在宜兴非金属化工机械厂进行的,共加工了3批原料。
第一批原料用的是东海劳改农场的100目石英沙,用GTM—10型气流粉碎机进行加工,共加工1公斤,加工后的石英沙颜色为灰色,经测试二氧化硅的含量为97·8%,粒度为320目。
第二批原料用的是用东海硅微粉厂的100目石英沙,用GTM—10型气流粉碎机进行粉碎加工,由于气流粉碎机本身的故障,加工后的粉末颗粒度太大,320目只有65%,而且颜色不白,加工了两次,粒度才达到320目。
第三批原料主要用的是连云港市锦屏磷矿熔融石英厂的废料,这种废料是熔融石英厂用石英砂加工熔融石英(俗称石英玻璃)的废料。这批原料呈现块状,不能直接进入气流粉碎机,必须加工成100目的粒度才行,本实验用鄂式破碎机先将其加工成100目,然后再用气流粉碎机加工,结果颜色比前两批要白。
这三批加工好的样品送到南京大学现代分析中心,经电感耦合等离子直读交光谱仪(ICP)分析,分析结果见表2。
从表2可以看出,经气流粉碎机加工过的二氧化硅中的Al2O3的含量变高了,这是在加工过程中增加的。原因是气流粉碎机粉碎室的内衬是Al2O3(俗称刚玉)制成的,在二氧化硅颗粒粉碎的过程中,不仅存在二氧化硅颗粒与颗粒之间的碰撞、摩擦和剪切,而且存在着二氧硅颗粒与粉碎室壁之间的碰撞、摩擦和剪切,虽然这种颗粒与粉碎室壁之间的作用力要小于颗粒与颗粒之间的作用力,但这种作用的直接后果就是二氧化硅粉末中的Al2O3含量的增加。
3 酸洗与增白
因原料本身及二氧化硅粉末的加工过程中不可避免地带有各种金属离子杂质,影响二氧化硅粉末的色度。为提高二氧化硅粉末的色度,本实验用盐酸去除二氧化硅粉末中的Fe2O3等金属离子。
取加工后的二氧化硅粉末各250克,600~800毫升1%,2%,5%,10%的盐酸溶液中,加热至80℃,并保持20分钟。降温后过滤并用去离子水洗涤滤饼至中性,烘干后冷却至室温。测其二氧化硅色度。各种浓度下二氧化硅的色度见图1。
从图1中可以看出,盐酸的浓度达到5%以上时,即可将二氧化硅的色度提高到95以上,因此,在以后的实验中可直接用5%的盐酸来处理二氧化硅。
4 表面活性剂的选择与加入
在二氧化硅粉的表面加入表面活性剂可以改善与橡胶的交联稳定性,从而提高各种机械强度,降低了永久变形,生热性,与水中的溶涨性,改变了动态性能。表面活性剂的种类很多,将各种表面活性剂喷涂了二氧化硅粉末的表面,在橡胶配方中使用后的机械性能可见表3。
从表3中可以看出:表面活性剂Si—69的各种能指标较好。所以本实验选用Si—69对二氧化硅粉末进行改性处理,用量为二氧化硅粉末干基的0·2%~0·25%,用乙醇配成溶液喷涂,然后于60℃烘干。
5 结果与讨论
本实验所制备的二氧化硅粉末到底能否替代二氧化钛,就要看二氧化硅粉末添加到橡胶中橡胶的物理机械性能是否达到普通橡胶的物理机械性能,普通橡胶的物理机械性能指标详见表4:
如果加入二氧化硅粉末的橡胶的物理机械性能达到或超过表4的要求,就可以认为二氧化硅可以替代二氧化钛。
为了检验二氧化硅粉末在实际橡胶的配方中能替代钛白粉,本实验将制备的二氧化硅粉末送至徐州橡胶厂中心试验室进行性能实验,其结果见表5、表6。
表6为用二氧化硅替代30%的钛白粉的橡胶的物理机械性能,从表6可以看出:配方中含有30%二氧化硅的橡胶的物理机械性能指标已达到纯钛白粉配方橡胶的物理机械性能指标,由此可知320目二氧化硅粉末在橡胶行业中可以替代30%的钛白粉。
