張英寶1, 張 浩2(1·江南大學宜興分校,江蘇宜興214200;2·連云港職業技術學院江蘇連云港222006)
摘 要:本實驗的目的就是通過對二氧化硅的粉碎、活化,使之能在橡膠行業替代鈦白粉;對添加二氧化硅粉末橡膠的物理機械性能的分析結果表明:二氧化硅粉末在橡膠行業可以替代30%的鈦白粉。
關鍵詞:二氧化硅;粉碎;活化;替代
中圖分類號:TQ330·3 文獻標識碼:A
橡膠制品生產過程中,需要在生膠中加入硫化劑、促進劑、活性劑、防老劑、補強劑、著色劑等各種助劑。鈦白粉在橡膠工業中,除了作為著色劑外,尚有補強、防老、填充作用,不龜裂,不變色,老化慢,強度高,伸展率大,并具有耐酸和堿的性能。在硅橡膠中加入鈦白粉,還可以提高橡膠的耐熱性和穩定性[1]。
二氧化硅和鈦白粉的物理化學性質相似,是否可用二氧化硅粉末來替代鈦白粉?本實驗證明:在橡膠行業可以替代30%的鈦白粉。
1 原料的選擇
二氧化硅粉末的研制,共選用四種原料。一種是東海勞改農場的100目石英砂,約200元一噸,這種原料二氧化硅含量99·5%以上,但價格較貴。第二種是東海105礦的普通7號,其顆粒度小于100目,含硅量在99·5%以上,價格為20元一噸。以上兩種都是東海的天然石英。第三種是連云港錦屏磷礦熔融石英廠的廢料,白色塊狀物,其含量在99·5%以上但顆粒度較大,一般在10目左右,其價格不好估計。第四種是東海硅微粉廠的100目石英沙,價格為200元一噸,含硅量為99%以上。四種石英砂的二氧化硅的含量及其它雜質含量詳見表1。
2 設備及二氧化硅的粉碎加工過程
二氧化硅粉碎的主要設備是氣流粉碎機。氣流粉碎機是一種高效超細粉碎設備,目前在國內化工系統,特別是染料、技術陶瓷及制藥行業廣泛應用。其原理[2]為:壓縮空氣從氣室中經由噴嘴以接近音速或超音速的速度噴入粉碎室內,由于噴嘴安裝成一定的角度,所以較高壓力的氣流從噴嘴噴出后,在粉碎室內高速旋轉,同時用壓縮空氣把料斗中的物料吹入粉碎室中,兩種氣流在粉碎室中相遇形成渦流。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內旋轉而受離心力的作用,大粒子受離心力大被拋向外周,繼續粉碎,細粉末隨氣流走向中心,經中心管進入布袋。壓縮空氣由布袋逐步擴散到大氣中,細粉末留在布袋中。
本實驗選用的是宜興非金屬化工機械廠生產的CTM系列氣流粉碎機組中的GTM—10型和GTM—30型。對于石英砂來說,GTM—10型氣流粉碎機每小時可加工5公斤石英沙,GTM—30型氣流粉碎機每小時可加工50公斤石英沙。兩種型號的氣流粉碎機都要求原料的粒度小于100目。
因一套氣流粉碎機價格較貴,本實驗的原料的超細加工過程是在宜興非金屬化工機械廠進行的,共加工了3批原料。
第一批原料用的是東海勞改農場的100目石英沙,用GTM—10型氣流粉碎機進行加工,共加工1公斤,加工后的石英沙顏色為灰色,經測試二氧化硅的含量為97·8%,粒度為320目。
第二批原料用的是用東海硅微粉廠的100目石英沙,用GTM—10型氣流粉碎機進行粉碎加工,由于氣流粉碎機本身的故障,加工后的粉末顆粒度太大,320目只有65%,而且顏色不白,加工了兩次,粒度才達到320目。
第三批原料主要用的是連云港市錦屏磷礦熔融石英廠的廢料,這種廢料是熔融石英廠用石英砂加工熔融石英(俗稱石英玻璃)的廢料。這批原料呈現塊狀,不能直接進入氣流粉碎機,必須加工成100目的粒度才行,本實驗用鄂式破碎機先將其加工成100目,然后再用氣流粉碎機加工,結果顏色比前兩批要白。
這三批加工好的樣品送到南京大學現代分析中心,經電感耦合等離子直讀交光譜儀(ICP)分析,分析結果見表2。
從表2可以看出,經氣流粉碎機加工過的二氧化硅中的Al2O3的含量變高了,這是在加工過程中增加的。原因是氣流粉碎機粉碎室的內襯是Al2O3(俗稱剛玉)制成的,在二氧化硅顆粒粉碎的過程中,不僅存在二氧化硅顆粒與顆粒之間的碰撞、摩擦和剪切,而且存在著二氧硅顆粒與粉碎室壁之間的碰撞、摩擦和剪切,雖然這種顆粒與粉碎室壁之間的作用力要小于顆粒與顆粒之間的作用力,但這種作用的直接后果就是二氧化硅粉末中的Al2O3含量的增加。
3 酸洗與增白
因原料本身及二氧化硅粉末的加工過程中不可避免地帶有各種金屬離子雜質,影響二氧化硅粉末的色度。為提高二氧化硅粉末的色度,本實驗用鹽酸去除二氧化硅粉末中的Fe2O3等金屬離子。
取加工后的二氧化硅粉末各250克,600~800毫升1%,2%,5%,10%的鹽酸溶液中,加熱至80℃,并保持20分鐘。降溫后過濾并用去離子水洗滌濾餅至中性,烘干后冷卻至室溫。測其二氧化硅色度。各種濃度下二氧化硅的色度見圖1。
從圖1中可以看出,鹽酸的濃度達到5%以上時,即可將二氧化硅的色度提高到95以上,因此,在以后的實驗中可直接用5%的鹽酸來處理二氧化硅。
4 表面活性劑的選擇與加入
在二氧化硅粉的表面加入表面活性劑可以改善與橡膠的交聯穩定性,從而提高各種機械強度,降低了永久變形,生熱性,與水中的溶漲性,改變了動態性能。表面活性劑的種類很多,將各種表面活性劑噴涂了二氧化硅粉末的表面,在橡膠配方中使用后的機械性能可見表3。
從表3中可以看出:表面活性劑Si—69的各種能指標較好。所以本實驗選用Si—69對二氧化硅粉末進行改性處理,用量為二氧化硅粉末干基的0·2%~0·25%,用乙醇配成溶液噴涂,然后于60℃烘干。
5 結果與討論
本實驗所制備的二氧化硅粉末到底能否替代二氧化鈦,就要看二氧化硅粉末添加到橡膠中橡膠的物理機械性能是否達到普通橡膠的物理機械性能,普通橡膠的物理機械性能指標詳見表4:
如果加入二氧化硅粉末的橡膠的物理機械性能達到或超過表4的要求,就可以認為二氧化硅可以替代二氧化鈦。
為了檢驗二氧化硅粉末在實際橡膠的配方中能替代鈦白粉,本實驗將制備的二氧化硅粉末送至徐州橡膠廠中心試驗室進行性能實驗,其結果見表5、表6。
表6為用二氧化硅替代30%的鈦白粉的橡膠的物理機械性能,從表6可以看出:配方中含有30%二氧化硅的橡膠的物理機械性能指標已達到純鈦白粉配方橡膠的物理機械性能指標,由此可知320目二氧化硅粉末在橡膠行業中可以替代30%的鈦白粉。
