膨胀石墨对于无石棉垫片拉伸性能影响的研究

0 引言

密封垫片广泛应用于各行各业，而多年来，制造垫片的原材料主要来源于石棉[1]。含石棉的密封垫片适用范围较为广泛，性能较为优异。但由于石棉对环境和人体的危害，发达国家已经出台相关法令禁用石棉制品。目前国内外抄取制取非石棉密封板已经取得了长足的进步[2]，而在无石棉密封垫片的研究中，填料对于影响其垫片性能起了至关重要的作用，而且新型填料的发展日益进步，本文以膨胀石墨为例对垫片的拉伸性能影响进行研究。

作者采用均匀试验设计方法[3]，为了缩短试验周期利用胶乳抄取工艺制备非石棉垫片，并研究了其拉伸强度与膨胀石墨及其它填料之间的关系。

1 试样制备与试验方法

悬浮液制备工序为：

①碎浆。碎浆是将纤维和填料分散在水中以形成悬浮液状，碎浆的程度一方面能充分满足完全分离和分散所有的纤维和填料，另一方面满足泵送悬浮液的要求。

②精磨。精磨是指在连续的锥形或圆盘型精磨机中，依靠机械力与水力的共同作用以改变纤维的品性。此时将纤维平行移动到刀片的交接点，通过发生在刀片之间和精磨机沟纹与通道中的辊压、扭曲与拉伸作用剪应力施加在纤维上。正常的剪应力是借助混和、压溃和推/拉作用施加在汇集于飞刀与底刀表面之间的纤维聚集块上。

③加入化学助剂。为了使产品具有特殊性能并有利于抄取成张，将各种助剂加入浆料中。采用在一个细网目筛布上通过真空抽滤稀薄的悬浮液而制成湿纸的试验装置。主要设备：QZM-1型锥形磨（天津材料试验机厂）；F-0.4型分散机（武进市八方机械厂）；磁力搅拌器。将悬浮液抽滤后得到的湿纸放置在烘干机下烘干，烘干过后将得到的垫片硫化。

在无石棉密封垫片的制备过程中，所添加填料的种类与质量对于垫片的性能影响显著。实验由于变量过多，不能都作为自变量进行研究。而太多的自变量也难以确定主次，所以借助以前学者的研究[4-6]，把较为合适的工艺条件以及固定的配方作为定值，填料变化作为自变量，实验配方由8种材料组成。由表1所示。

表1 试样原料配方

填料变量取值见表2。

表2 填料取值

实验设计方案如表3所示。

表3 设计试验方案

2 试验结果与讨论

评价垫片性能的指标主要有：拉伸强度、压缩回弹率、泄漏率等，本文选取拉伸强度作为评价垫片的指标。拉伸强度表示垫片材料抵抗张力的能力，与垫片耐工作介质压力的能力直接相关[7]。

2.1 拉伸强度测试

测试拉伸强度性能的设备使用WE30型液压式万能材料试验机（济南试验机厂），并根据GB/T528-2009《硫化或热塑性—拉伸应力变性能的测定》进行测试。拉伸强度计算公式按公式（1）计算：

式中：滓—垫片抵抗拉伸强度，单位（MPa）；F—垫片断裂载荷，单位（N）；b—垫片宽度，单位（mm）；d—垫片厚度，单位（mm）。根据均匀配方测得的拉伸强度结果如表4。

表4 各组实验的拉伸强度

含膨胀石墨复合填料组分的无石棉垫片的拉伸强度范围为5.90MPa~12.01MPa，差别较大说明复合填料组分对于无石棉垫片拉伸性能影响显著。其中第1组实验中拉伸性能最小为5.90MPa，其复合填料组分所占百分比分别为高岭土7.4%、滑石粉33.43%、云母25.54%、膨胀石墨33.63%。第8组拉伸性能最大为12.01MPa，复合填料所占组分分别为高岭土44.54%、滑石粉33.33%、云母16.6%、膨胀石墨5.46%。

2.2 工艺参数与拉伸强度的回归方程及显著性检验

利用SAS进行结果数据拟合，采用多元线性回归方程进行回归分析[8]，可以得到拉伸强度-工艺条件的回归方程式。由于一共有9组实验数据，留第9组作为预留检验，对另8组数据回归得到方程如下：

公式（2）的回归模型回归模型琢=0.031（0.01<0.031<0.05），在琢=0.05下显著，因此回归方程是显著的，具有应用价值。

2.3 拉伸强度与各填料的关系

根据回归方程可以建立填料组分中某种填料对式样性能的影响，如果考察拉伸性能与其组份中高岭土含量的影响关系时，可先固定其他填料的含量，如固定X2=60，X3=19，X4=30，则可以得拉伸强度与高岭土的关系式：

以此类推可以算出其它影响条件一定时对于拉伸强度的关系式，图 1是其它条件一定时 X1，X2，X3，X4分别对于拉伸强度的影响。

2.4 试验配方的拉伸强度的预测

试验中如需预测某个配方的性能，只需将该配方数据代入回归方程计算即可得知其性能[9]。由于回归方程（1）经检验是显著的，因此可以应用它们进行性能预测。对9号式样进行预测，其预测值为：Ys=11.42通过计算得到的相对误差为0.18%。预测值与实测值相差很小，也从另一个方面说明得到的回归方程是可检验的，用此回归方程可用来预测不同复合填料组分制成材料的拉伸性能。

3 结论

①用均匀设计法，设计了均匀设计表，确定了各自变量以及在自变量范围内试验方案。比正交实验法试验次数减少了，提高了实验的整体效率。

②利用多元线性回归方程式，分析了膨胀石墨以及其它填料对拉伸性能的影响。无石棉垫片的拉伸强度受高岭土、滑石粉、云母以及膨胀石墨用料的影响。当滑石粉和云母的用量增加时无石棉垫片的拉伸性能变强，其中云母的影响最为突出。滑石粉是片状材料，故所制得的复合材料的刚性大，可改善无石棉垫片中橡胶的抗拉强度。云母因为其较强的韧性，也可增加无石棉垫片的抗拉强度。当高岭土和膨胀石墨用量增加时，无石棉垫片的拉伸性能下降，关于膨胀石墨，同样因为膨胀石墨的疏松多孔的原因，导致其所制备材料的拉伸性能不是很突出；而含高岭土的无石棉垫片强度略有提高，但随用料的提升，其成品的硬度变大而导致强度减小，弹性变低。

图1 在其他条件一定时各个变量对拉伸强度的影响

③利用得到的回归方程，对试验进行了预测，得出的回归方程的预测值与实测值相差较小，说明得到的回归方程可以用来预测非石棉垫片的性能。