改性辉绿岩纤维生产及其在前盘式刹车片中的应用
孙宝珑
(来安三和工程纤维厂,来安 239205)
摘 要 用辉绿岩矿石作主要原料生产辉绿岩原纤(Diabase Fibres) ,经化学物理双改性,成为改性辉绿岩纤维(纳凯夫 NACF) ,它作为摩擦材料增强纤维的最为关键的性能:吸附性能、分散性能可提高到接近 6-10 石棉纤维水平,是目前国内替代石棉纤维生产非石棉摩擦材料制品,性价比最具竞争力的新型非石棉纤维。
关键词 辉绿岩纤维 改性 纳凯夫(NACF) 应用
Preparation of Modified Diabase Fibres & Its Application in Front Plate Brake-block
Sun Baolong
(Sanhe Engineering Fibre Plant of Laian County,Laian 239205)
Abstract Diabase fibres,produced by diabase as raw material ,were modified chemicophysically. This modified diabasefibre(NACF) ,used as re-inforced fibre of friction material ,has the same properties,such as absorbability,dispersivity as asbestos fibre 6-10 from Mangya ,and became the new suitable fibre to produce economically non2asbestosfriction material.
Key words dia base fibre modification NACF application
我国目前大部分岩棉厂都是采用玄武岩矿石和高炉矿渣作原料,生产岩棉或矿渣棉,用于建筑工程和绝热工程。因为玄武岩棉和矿渣棉化学稳定性差 ,纤维直径粗、脆性大且扎手,纤维(束)表面光滑吸附性差、难于分散 ,用其作为摩擦材料增强纤维制成的摩擦材料制品 ,其摩擦磨损性能波动甚大 ,而且工艺性能差。诸如 ,压塑料配制时粉尘大;配制好的压塑料有结团现象;预成型性能达不到大生产的要求;制品磨制后表面可见纤维斑迹等。辉绿岩矿石属于岩浆岩中的基性岩矿石,可不添加配料而直接熔制成纤维。荷兰LAPINUS公司向我国推荐的摩擦材料用纤维 ,就是用辉绿岩矿石作原料制成的。作者通过大量的对比试验和生产实践,于2000 年初用地产辉绿岩矿石作原料,以少量的白云石作酸度调节剂,设计相应的配方和工艺参数,对生产玄武岩棉的生产装置略加改造,成功地生产出辉绿岩原纤(Diabase Fibres) 。这种纤维经过化学、物理双改性,可开发出一种吸附性能、分散性能十分接近 6210 石棉纤维的新型非石棉纤维,其商品名称为纳凯夫 (NACF)。目前定型生产的,有NACF68#、NACF18#、NACF28#。经国内外多家摩擦材料厂的实际使用 ,受到广泛好评。本文为辉绿岩原纤的工业化生产、改性研究及改性辉绿岩纤维在金龙客车前盘式刹车片中应用的小结。
1 辉绿岩纤维工业化生产及化学改性
1.1 主要原辅材料及其技术指标
辉绿岩矿石 ,其化学组成 ( %) : SiO2,46. 84;Al2O3,19. 82;CaO ,9. 47;MgO ,6. 86; TiO2 ,0. 32;
K2O ,0.29;Na2O ,2.45。结构呈隐晶和微晶状。
白云石矿 ,作为配方中酸度调节剂 ,白云石矿中CaO 和 MgO 的质量比为 2∶1。
高碳焦 ,其固定碳含量大于 80 %,发热量大于26000kJ/ kg ,灰分小于 15 %,水分 <1.0 %。
辉绿岩、白云石的粒度控制在 20～80mm ,粒径<10mm及 > 100mm 者 ,应不超过 10 %;高碳焦粒度为 60～120mm。
1.2 生产工艺过程及工艺参数确定
1.2.1 工艺过程:目前 ,国内玄武岩棉和矿渣棉生产主要有三种方法 ,即吹制法、离心法、多辊离心热风吹制法。我们采用的是电阻炉熔料,多辊离心热风吹制法。此法优点是环保条件比冲天炉优越;制成的纤维细而长 ,渣球含量低。主要工艺过程:原料 →称量 →料斗 →喂料机 →熔炉 →熔体流槽 →离心机 →(喷化学试剂)纤维沉降釜→纤维输送带 →纤维短化 →膨化 →NACF →除渣→成品 →包装 →入库。具体步骤为: ①合格的原辅材料按配方比例称重后 ,分别放入专用的加料桶内待用。②按工艺规定的加料顺序 ,向已达规定温度的电阻炉内加料。③物料在熔炉内熔融,待熔体达到一定的“积量”时 ,熔体通过熔炉流口进入活动流槽而流入四辊离心机;由于离心机离心力的作用,特定黏度的熔体碎裂为无数的熔体质点,并向辊轮表面以细流状态飞出,被拉伸固化而形成纤维,再被高压热风吹入设有网带输送机的纤维沉降室,由于沉降室的负压作用 ,纤维被均匀地降落在网带上而被搜集。④在物料由熔融体形成纤维的过程中,将含有羟基的化学试剂(湿酚醛树脂与有机硅的混合物) 雾化后 ,用专用装置由高速气流带动喷射到纤维(束) 表面 ,在纤维表面裹覆一层约 0.1μm 的化学膜 ,形成化学处理后的辉绿岩原纤其表面亲和力得到改善。⑤再将化学改性后的辉绿岩原纤进行短化、膨化处理 ,即制得成品纳凯夫(NACF)纤维。辉绿岩纤维、NACF纤维及玄武岩纤维的XRD分析,见图 1。
图 1 X射线衍射分析纤维的横断面
纤维:1—辉绿岩;2—纳凯夫(NACF) ;3—玄武岩
1.2.2 工艺参数确定:在年产 5000t 的玄武岩棉生产装置上生产辉绿岩纤维 ,主要工艺参数如下: ①熔融体酸度系数 ,1. 2～1. 4; ②物料熔融温度 1450～1500 ℃,熔体流股温度 1350～1400 ℃; ③四辊离心机第四辊转速在 9000r/ min 以上; ④雾化气流气压为 0.6～0.8MPa ,喷吹风压为 6～10MPa。
2 实验结果与讨论
玄武岩棉与改性辉绿岩纤维 NACF28# 的性能对比试验 ,结果如下。
2.1 吸附性能对比试验
2.1.1 试验配方 :A组 ,未改性玄武岩棉100gBaSO4 20g;B 组 ,改性辉绿岩纤维 NACF28# 100g ,BaSO4 20g。
2.1.2 试验操作:将 A ,B 两组物料按配方质量比称重后 ,分别加入 3L 捏和机内。捏和机主轴转速为700r/ min ,搅拌 3min 后出料 ,然后用 100 目筛筛析(振动 30s,振幅 5cm) ,称量筛下物料质量。
2.1.3 计算:
筛下物料质量:A 组配方 ,16g;B 组配方 ,8g。
物料的吸附率:A 组 ,(20 - 16/100) ×100 % =4.0 %;B 组 ,(20 - 8/100) ×100 %=12.0 %。
2.2 分散特性对比试验
2.2.1 试验配方:A 组 ,酚醛树脂 7. 5kg ,玄武岩棉17.5kg ,BaSO4 25g;B 组 ,酚醛树脂 7.5kg ,改性辉绿岩纤维 NACF28# 17.5kg ,BaSO4 25g。
2.2.2 试验操作:按配方将 A、B 两组物料分别称重后,加入 400L 捏和机内。捏和机主轴转速为700r/ min,混合 8min 后取出物料,观察两组物料混合均匀性,并将其压制成 CA1512R 型刹车片,然后对其外弧进行磨制。
2.2.3 结果比较:A 组物料有结团现象 ,磨制后的CA1512-R外弧表面有黄色玄武岩棉斑点;而B 组物料在配制时粉尘少 ,压塑料松散 ,预成型性能优良 ,能满足大生产要求。
3 改性辉绿岩纤维 NACF28#在6800型金龙客车盘式刹车片中的应用
3.1 6800 型金龙客车盘式刹车片 DB-P-2 配方(质量份)酚醛树脂(200目以下)8 ,NACF28# 35 ,钢纤维(IM-29C) 10 ,BaSO4 (325 目以下) 20 ,摩擦粉(20～80)目8,合成石墨(20～80)目8, MoS2(工业级)2, CuS2 (工业级)4,石油焦炭5,自制耐磨粒子 (弹性体 ,硬度与美国洛克产 40X相当) 4。
3.2 主要工艺参数①干法配料,高速捏合机主轴转速700r/ min;装料系数为85 %; ②冷压成型 ,单位压力 17. 6 MPa; ③热压温度 ,165 ±5 ℃,单位压力19.6～21.7MPa; ④热处理最高温度为 200 ℃,周期10h 以上。
3.3 DB-P-2 配方制品的摩擦磨损性能D-MS试验机检测数据,见表 1。
表 1 D-MS试验机检测数据
道路试验情况:试验车型 ,金龙 6800 型客车;试验路线 ,南京至通州金沙;行驶 50km 后拆卸检查,衬片磨损约 5. 0mm ,衬片表面无贯穿性裂纹、无烧焦现象 ,衬片表面可见明显的“摩擦膜”,对偶磨损正常 ,制动平稳。
4 综合分析 辉绿岩化学组成稳定,SiO2 含量较玄武岩稍高 ,K2O、Na2O含量较玄武岩少,含有微量 TiO2,稍加碱性调节辅料 ,酸度系数就可达到成纤要求。因此,熔体质量纯,制得的纤维化学稳定性好。辉绿岩矿石含碱量较玄武岩矿石少,熔体黏度相对较低,离心机转速比生产玄武岩棉时高出2000r/ min ,所以 ,生产出的纤维较细 ,一般可控制在5～7μm 范围 ,抗拉强度较高。单纤直径与抗拉强度曲线 ,见图 2。
图 2 纤维直径与强度的关系
辉绿岩纤维化学稳定性好。在保留其耐热性能的前提下,对其进行化学物理双改性 ,有效地改善了纤维(束)表面状况和界面力学性能 ,其吸附性能、分散性能以及亲和性能,均达到了作为摩擦材料增强纤维的基本要求 ,从而制造出全新的改性辉绿岩纤维 NACF系列纤维。
5 结论
纤维的热性能、吸附性能、分散性能 ,是评价其能否作为摩擦材料增强纤维的最重要、最基本的技术尺度;纤维的性价比 ,是评价纤维能否进行工业化应用的经济尺度。改性辉绿岩纤维 NACF系列纤维 ,是人造非晶无机纤维中完全具备上述特征的全新非石棉纤维 ,是目前替代石棉纤维制造各类非石棉摩擦材料制品时 ,技术指标最接近 6-10 石棉纤维的,是经济指标最具竞争力的环保纤维。 |
