張英寶1,　張　浩2(1·江南大學(xué)宜興分校,江蘇宜興214200;2·連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇連云港222006)

摘　要:本實(shí)驗(yàn)的目的就是通過(guò)對(duì)二氧化硅的粉碎、活化,使之能在橡膠行業(yè)替代鈦白粉;對(duì)添加二氧化硅粉末橡膠的物理機(jī)械性能的分析結(jié)果表明:二氧化硅粉末在橡膠行業(yè)可以替代30%的鈦白粉。

關(guān)鍵詞:二氧化硅;粉碎;活化;替代

中圖分類號(hào):TQ330·3　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

橡膠制品生產(chǎn)過(guò)程中,需要在生膠中加入硫化劑、促進(jìn)劑、活性劑、防老劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、著色劑等各種助劑。鈦白粉在橡膠工業(yè)中,除了作為著色劑外,尚有補(bǔ)強(qiáng)、防老、填充作用,不龜裂,不變色,老化慢,強(qiáng)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(wěn)定性[1]。

二氧化硅和鈦白粉的物理化學(xué)性質(zhì)相似,是否可用二氧化硅粉末來(lái)替代鈦白粉?本實(shí)驗(yàn)證明:在橡膠行業(yè)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(nóng)場(chǎng)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(jià)格較貴。第二種是東海105礦的普通7號(hào),其顆粒度小于100目,含硅量在99·5%以上,價(jià)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(jià)格不好估計(jì)。第四種是東海硅微粉廠的100目石英沙,價(jià)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(zhì)含量詳見(jiàn)表1。

2　設(shè)備及二氧化硅的粉碎加工過(guò)程

二氧化硅粉碎的主要設(shè)備是氣流粉碎機(jī)。氣流粉碎機(jī)是一種高效超細(xì)粉碎設(shè)備,目前在國(guó)內(nèi)化工系統(tǒng),特別是染料、技術(shù)陶瓷及制藥行業(yè)廣泛應(yīng)用。其原理[2]為:壓縮空氣從氣室中經(jīng)由噴嘴以接近音速或超音速的速度噴入粉碎室內(nèi),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(nèi)高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)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(nèi)旋轉(zhuǎn)而受離心力的作用,大粒子受離心力大被拋向外周,繼續(xù)粉碎,細(xì)粉末隨氣流走向中心,經(jīng)中心管進(jìn)入布袋。壓縮空氣由布袋逐步擴(kuò)散到大氣中,細(xì)粉末留在布袋中。

本實(shí)驗(yàn)選用的是宜興非金屬化工機(jī)械廠生產(chǎn)的CTM系列氣流粉碎機(jī)組中的GTM—10型和GTM—30型。對(duì)于石英砂來(lái)說(shuō),GTM—10型氣流粉碎機(jī)每小時(shí)可加工5公斤石英沙,GTM—30型氣流粉碎機(jī)每小時(shí)可加工50公斤石英沙。兩種型號(hào)的氣流粉碎機(jī)都要求原料的粒度小于100目。

因一套氣流粉碎機(jī)價(jià)格較貴,本實(shí)驗(yàn)的原料的超細(xì)加工過(guò)程是在宜興非金屬化工機(jī)械廠進(jìn)行的,共加工了3批原料。

第一批原料用的是東海勞改農(nóng)場(chǎng)的100目石英沙,用GTM—10型氣流粉碎機(jī)進(jìn)行加工,共加工1公斤,加工后的石英沙顏色為灰色,經(jīng)測(cè)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(jī)進(jìn)行粉碎加工,由于氣流粉碎機(jī)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(dá)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(xiàn)塊狀,不能直接進(jìn)入氣流粉碎機(jī),必須加工成100目的粒度才行,本實(shí)驗(yàn)用鄂式破碎機(jī)先將其加工成100目,然后再用氣流粉碎機(jī)加工,結(jié)果顏色比前兩批要白。

這三批加工好的樣品送到南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心,經(jīng)電感耦合等離子直讀交光譜儀(ICP)分析,分析結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出,經(jīng)氣流粉碎機(jī)加工過(guò)的二氧化硅中的Al2O3的含量變高了,這是在加工過(guò)程中增加的。原因是氣流粉碎機(jī)粉碎室的內(nèi)襯是Al2O3(俗稱剛玉)制成的,在二氧化硅顆粒粉碎的過(guò)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(guò)程中不可避免地帶有各種金屬離子雜質(zhì),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(shí)驗(yàn)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(guò)濾并用去離子水洗滌濾餅至中性,烘干后冷卻至室溫。測(cè)其二氧化硅色度。各種濃度下二氧化硅的色度見(jiàn)圖1。

從圖1中可以看出,鹽酸的濃度達(dá)到5%以上時(shí),即可將二氧化硅的色度提高到95以上,因此,在以后的實(shí)驗(yàn)中可直接用5%的鹽酸來(lái)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(lián)穩(wěn)定性,從而提高各種機(jī)械強(qiáng)度,降低了永久變形,生熱性,與水中的溶漲性,改變了動(dòng)態(tài)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(jī)械性能可見(jiàn)表3。

從表3中可以看出:表面活性劑Si—69的各種能指標(biāo)較好。所以本實(shí)驗(yàn)選用Si—69對(duì)二氧化硅粉末進(jìn)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(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)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(jī)械性能是否達(dá)到普通橡膠的物理機(jī)械性能,普通橡膠的物理機(jī)械性能指標(biāo)詳見(jiàn)表4:

如果加入二氧化硅粉末的橡膠的物理機(jī)械性能達(dá)到或超過(guò)表4的要求,就可以認(rèn)為二氧化硅可以替代二氧化鈦。

為了檢驗(yàn)二氧化硅粉末在實(shí)際橡膠的配方中能替代鈦白粉,本實(shí)驗(yàn)將制備的二氧化硅粉末送至徐州橡膠廠中心試驗(yàn)室進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn),其結(jié)果見(jiàn)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(jī)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(jī)械性能指標(biāo)已達(dá)到純鈦白粉配方橡膠的物理機(jī)械性能指標(biāo),由此可知320目二氧化硅粉末在橡膠行業(yè)中可以替代30%的鈦白粉。