無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板的性能研究

杜 銘，侯彩紅，焦紅斌，石志剛，朱綿鵬

（1.咸陽(yáng)非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712021；2.國(guó)家非金屬礦制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，陜西 咸陽(yáng) 712021）

【試驗(yàn)研究】

無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板的性能研究

杜 銘1，侯彩紅1，焦紅斌2，石志剛2，朱綿鵬2

（1.咸陽(yáng)非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712021；2.國(guó)家非金屬礦制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，陜西 咸陽(yáng) 712021）

本文對(duì)國(guó)內(nèi)典型無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板進(jìn)行了壓縮率、回彈率、耐介質(zhì)性、熱老化性等性能的試驗(yàn)研究，旨在找到一種能夠代替石棉復(fù)合密封材料。經(jīng)過(guò)一定的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板具有較好的使用性能，能夠適應(yīng)多種使用工況，為進(jìn)一步開(kāi)展無(wú)石棉輥壓復(fù)合板的性能研究奠定了基礎(chǔ)。

無(wú)石棉；輥壓法復(fù)合板；密封

1 前言

隨著國(guó)際市場(chǎng)石棉材料被禁用，人們逐漸意識(shí)到使用石棉材料對(duì)人類自身的危害性，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)更改生產(chǎn)工藝及技術(shù)，尋找多種材料旨在能夠代替原有石棉密封產(chǎn)品的市場(chǎng)份額。石棉材料其自身具有密封性好、耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高、增強(qiáng)性能高等特點(diǎn)。目前沒(méi)有哪種單一材料能夠很好的替代，所以通過(guò)材料復(fù)合生產(chǎn)出能夠替代石棉材料并通過(guò)材料的改變研究出成本更低性、能更好的復(fù)合板，成為相關(guān)行業(yè)人員研究的方向。

無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板由內(nèi)襯金屬?zèng)_刺板(一般厚度為0.2～0.25mm的碳鋼)，用非金屬礦物纖維(纖維素纖維、芳綸纖維、海泡石等)作為增強(qiáng)材料，以天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠及其他改性橡膠作為粘合劑，采用輥壓法特制而成，具有耐溫、耐壓、耐油、優(yōu)良的氣密性和壓縮回彈性能。根據(jù)不同的使用要求，還可以?shī)A帶金屬絲或者金屬鉑片。

本研究選用金屬?zèng)_刺芯材厚度為0.20mm的輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)裝置和方法

2.1 壓縮回彈試驗(yàn)

本試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20671.2-2006[1]中規(guī)定的方法，測(cè)量室溫下三種不同密度無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板的壓縮率和回彈率。壓縮率和回彈率按式(1)和式(2)計(jì)算：

式中：H0——預(yù)壓縮載荷下的墊片厚度(mm)；

H1——總壓縮載荷下的墊片厚度(mm)；

H2——回彈至預(yù)壓縮載荷下的墊片厚度(mm)。

2.2 耐介質(zhì)性能試驗(yàn)

耐介質(zhì)性能包括：耐油性能、耐化學(xué)介質(zhì)性能和耐溶劑性能，反映了材料對(duì)介質(zhì)的抵抗性，通常用材料的厚度增加率和質(zhì)量增加率表示，直接決定材料的適用環(huán)境。耐介質(zhì)性能主要取決于材料的組成成分(如基體材料、增強(qiáng)材料、填料和加工助劑等)。

輥壓法復(fù)合板使用工況中會(huì)遭遇冷卻液，盡管在JC/T 2052-2011[2]中沒(méi)有對(duì)冷卻液中增重率、增厚率進(jìn)行規(guī)定，參考一些企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)方法我們還是進(jìn)行了驗(yàn)證，浸漬蒸餾水+乙二醇(50∶50)，恒定溫度，研究試樣增重率和增厚率與浸漬時(shí)間的關(guān)系。然后恒定浸漬時(shí)間，研究試樣增重率和增厚率與溫度的關(guān)系。增重率和增厚率按式(3)和式(4)計(jì)算：

式中：m1——試樣浸液后的質(zhì)量(g)；

m2——試樣浸液前的質(zhì)量(g)。

式中：H3——試樣浸液后的厚度(mm)；

H4——試樣浸液前的厚度(mm)。

2.3 熱老化性試驗(yàn)

2.3.1 儀器設(shè)備

天平：感量≤0.001g；測(cè)厚儀：壓頭直徑6.4± 0.13mm， 試樣上的壓強(qiáng)80.3±6.9kPa；電熱干燥箱：0～200℃，精確度±2℃；干燥器。

2.3.2 試驗(yàn)步驟

(1) 制取3片40mm×40mm的試樣，將試樣放在100±2℃的烘箱內(nèi)調(diào)節(jié)1h，然后移至裝有無(wú)水氯化鈣的干燥器中冷卻至21～30℃，再開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。

(2) 準(zhǔn)確稱量試樣(精確至0.001g)，作為老化前的質(zhì)量；再在試樣邊緣的四角和中心測(cè)量五點(diǎn)。

(3) 將試樣放入140±2℃電熱干燥箱內(nèi)，保持22h。

(4) 取出試樣，在干燥器內(nèi)放置30min。

(5) 從干燥器中取出試樣，準(zhǔn)確稱量試樣(精確至0.001g)，作為老化后的質(zhì)量；在原測(cè)量點(diǎn)測(cè)量試樣的厚度。

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果

增重率和增厚率按式(5)和式(6)計(jì)算：

式中：m1——試樣老化前的質(zhì)量(g)；

m2——試樣老化后的質(zhì)量(g)；

h1——試樣老化后的厚度(mm)；

h2——試樣老化前的厚度(mm)。以試樣所測(cè)量五點(diǎn)增厚率的算術(shù)平均值為每片試樣的增厚率，并按GB/T 8170修約至一位小數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 密度對(duì)壓縮回彈性能的影響

無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板是無(wú)石棉材料與沖刺金屬板兩種材料的復(fù)合，其壓縮回彈性能一方面要受到?jīng)_刺金屬板增強(qiáng)作用的影響；另一方面，由于輥壓材料的厚度不同，也受無(wú)石棉輥壓材料本身性質(zhì)的影響，與沖刺金屬板復(fù)合得到的板材具有不同的機(jī)械性能。目前，國(guó)內(nèi)不同廠家采用的無(wú)石棉材料的厚度不完全相同。

圖1示出了當(dāng)墊片應(yīng)力不變時(shí)，不同厚度的無(wú)石棉輥壓材料與沖刺金屬薄板復(fù)合而成的墊片的壓縮率和回彈率的變化情況，隨著無(wú)石棉輥壓材料厚度的增加，壓縮率有較小幅度的減小，回彈率不斷上升，總的來(lái)說(shuō)都保持較好的壓縮及回彈性能。

圖1 厚度對(duì)壓縮回彈性能的影響

3.2 耐介質(zhì)性能

無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板多用于管道法蘭、閥門、機(jī)械設(shè)備的密封， 其密封介質(zhì)多為潤(rùn)滑油、燃料油、冷卻劑等， 因此研究其對(duì)這些介質(zhì)的抗耐性十分重要。JC/T 2052-2011[2]標(biāo)準(zhǔn)中僅僅對(duì)前兩者進(jìn)行了規(guī)定，本文針對(duì)冷卻液，以國(guó)內(nèi)某企業(yè)的1.6mm輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板為樣例做條件試驗(yàn)：浸漬時(shí)間一定(5h)，分別在100、110、120、130℃等溫度下測(cè)定輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板的增重率和增厚率，從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，隨溫度的增加，增重率也隨之增加，在130℃時(shí)增重率為最大，但是增厚率的峰值出現(xiàn)在110℃(見(jiàn)圖2)。

圖2 溫度對(duì)質(zhì)量和厚度的影響

將試驗(yàn)溫度一定(130℃)，浸漬的時(shí)間分別為9、15h來(lái)測(cè)定輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板的增重率和增厚率，由于材質(zhì)的原因，在浸漬9h和15h輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板的表面均已起泡(見(jiàn)圖3)。根據(jù)ASTM F146[3]所規(guī)定的5h耐介質(zhì)試驗(yàn)，無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板能夠反映密封材料的耐介質(zhì)能力，無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板在介質(zhì)中基本性能的變化主要取決于其厚度以及浸漬時(shí)間。

圖3 輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板起泡

3.3 熱老化性能

通過(guò)對(duì)無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板的高溫性能作的基礎(chǔ)性研究， 初步確定了測(cè)定無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板的熱老化性能的試驗(yàn)方法。通過(guò)研究，最終得到熱老化—時(shí)間、熱老化—溫度間的關(guān)系，從而得出無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板熱的衰變情況。

以國(guó)內(nèi)某企業(yè)的1.6mm輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板為樣例做條件試驗(yàn)：老化時(shí)間一定(22h)，分別在100、120、140、160℃等溫度下測(cè)定輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板的增重率和增厚率(見(jiàn)圖4)。從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，160℃時(shí)增重率最大，而增厚率的峰值出現(xiàn)在140℃。

但在160℃輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板表面有明顯的裂紋(見(jiàn)圖5)。綜合考慮，將熱老化性試驗(yàn)條件定為140 ±2℃(22h)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所研究的無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板的壓縮回彈率、耐介質(zhì)性能及耐老化性能，在無(wú)石棉輥壓材料相同時(shí)，其性能主要受到材料厚度及沖刺鋼板厚度的影響。

圖4 溫度對(duì)增重率和增厚率的影響

圖5 輥壓法無(wú)石棉復(fù)合板表面裂紋

無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板與傳統(tǒng)的石棉輥壓材料復(fù)合板相比，壓縮率一般，回彈率大，耐各種介質(zhì)和耐老化性能好，其綜合性能十分優(yōu)越，可替代石棉輥壓材料復(fù)合板廣泛應(yīng)用于管道法蘭、閥門、熱交換器、壓力容器、機(jī)械設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)等工業(yè)設(shè)備的密封。

迄今為止，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有無(wú)石棉輥壓材料復(fù)合板的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品使用性能爭(zhēng)議性比較大的幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，旨在通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌蚍从巢糠之a(chǎn)品的性能，為下一步制定相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)做一些基礎(chǔ)的驗(yàn)證。

[1]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 20671.2-2006 非金屬墊片材料分類體系及試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.JC/T 2052-2011 輥壓法無(wú)石棉纖維墊片材料[S].北京：建材工業(yè)出版社，2011.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 27793-2011 抄取法無(wú)石棉纖維墊片材料[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4]美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì). ASTM F146 Standard test methods for fluid resistance of gasket materials[S]. America: ASTM, 2004.

Research on the Properties of Non-asbestos Rolling Composite Panel

DU Ming1, HOU Cai-hong1, JIAO Hong-bin2, SHI Zhi-gang2, ZHU Mian-peng2
(1. Xianyang Research & Design Institute of Non-metallic Minerals Co., Ltd., Xianyang 712021, China; 2. China National Nonmetallic Mineral Products Quality Inspection Test Center, Xianyang 712021, China)

This article is an experimental research on the properties including compression resilience ratio, medium resistance and thermal ageing of the domestic typical composite panel made from non-asbestos rolling materials.Aimed at finding a way to replace asbestos composite sealing material, after a certain validation tests, the results showed that the composite panel made from nonasbetos rolling materials has better performance, are able to adapt to a variety of using conditions, this test laid a solid foundation for the further study on the properties of non-asbestos rolling composite panel.

non-asbestos; rolling composite panels; seal

TU551.31；TQ336.45

A

1007-9386(2015)02-0013-03

2014-11-14