陶瓷纖維材料的除渣提純及干燥應(yīng)用研究*

徐子勤 楊戰(zhàn)厚 王明俊 王軍成 魏 婷

(咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽 712021)

前言

陶瓷纖維是從纖維狀結(jié)構(gòu)的礦物巖石中經(jīng)融熔、使熔體分裂、牽伸成纖維(離心法或噴吹法)，并用不同有機(jī)、無機(jī)試劑表面改性處理后制成的棉狀纖維，纖維長度多為30～250 mm，纖維表面呈光滑的圓柱形，橫截面通常是圓形，其主要化學(xué)成分為：SiO2≥51%；Al2O3≥45%；Fe2O3≤1.2%；CaO≤1.2%；Na2O+K2O≤1.2%。包括硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維、巖棉纖維、玻璃纖維等，陶瓷纖維具有強(qiáng)度高、隔熱性好、氣孔率高、抗熱沖擊性好、耐腐蝕等特點(diǎn)、廣泛用于高溫窯爐、絕熱材料、摩擦材料、密封材料等領(lǐng)域。

1 摩擦材料用增強(qiáng)纖維的基本要求

汽車、工程機(jī)械制動(dòng)、傳動(dòng)用到摩擦材料襯片是一種聚合物基復(fù)合材料，主要由填料、纖維、粘結(jié)劑3部分組成，填料是摩擦性能調(diào)節(jié)劑，無機(jī)或有機(jī)類纖維為增強(qiáng)組分材料，粘結(jié)劑是高分子化合物。摩擦材料中纖維用量大約為15%～45%，無機(jī)纖維(無石棉)作為增強(qiáng)材料是摩擦材料的骨架材料。由于纖維材料用量較大，它對摩擦材料的強(qiáng)度起至關(guān)重要的作用，同時(shí)也對其性能有著重要的影響，因此對纖維增強(qiáng)材料有嚴(yán)格的要求。摩擦材料采用無機(jī)礦物纖維，化學(xué)成分穩(wěn)定、耐熱性好、磨損小、具有良好的親和性，無團(tuán)聚顆粒，靜電團(tuán)聚力小，易分散，適合配料、混料、粘結(jié)。纖維材料所生產(chǎn)的摩擦材料襯片，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和物理性能，摩擦系數(shù)穩(wěn)定、制動(dòng)噪音小，具有環(huán)保性能，產(chǎn)品外觀均勻一致，性能穩(wěn)定。

摩擦材料用纖維主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)：

1)石棉含量0%；

2)纖維平均直徑2.0～5.0 μ m；

3)纖維燒矢量<1%(800 ℃/h)；

4)非纖維成分渣球含量<3%；

5)纖維含水量<1.5%；

6)密度<2.9 g/cm3；

7)纖維長度135±50 μ m。

摩擦材料用無機(jī)礦物纖維的渣球含量是纖維的重要指標(biāo)，一般要求100目以下渣球<3%。纖維所含渣球過多,既影響增強(qiáng)效果，使磨損率變大，且渣球顆粒會(huì)刮傷摩擦對偶，又容易產(chǎn)生制動(dòng)噪音。因此渣球含量多少會(huì)直接影響摩擦襯片的硬度、摩擦系數(shù)，使用壽命等指標(biāo)。

2 陶瓷纖維除渣球工藝

采用特選的礦石原料，經(jīng)特定的預(yù)處理、高溫熔融、成纖(離心法或噴吹法)、并經(jīng)特殊的表面處理而成的陶瓷纖維，在成纖過程中大部分熔體被牽引而成纖維狀的礦物纖維，有一部分的熔體未變成纖維而成為粒狀、塊狀物，是礦物纖維中長徑比太小的非纖維物質(zhì)，這些物質(zhì)就是纖維中的“渣球”，它不具有纖維的增強(qiáng)作用。

2.1 非纖維成分渣球的特點(diǎn)

1)形狀：主要有粒狀、片(塊)狀及棒狀；也有部分是“鏈球”狀，前端是纖維，末端是渣球。

2)粒度：形狀各異,其粒度大小很不均勻。

3)化學(xué)成分：渣球和纖維都是由礦石原料熔融而來，化學(xué)成分與纖維一致。

4)物理性能：渣球表面攜帶“負(fù)電荷”，與纖維相同，莫氏硬度高。

5)渣球含量：初步制成的纖維里只有60%的純凈纖維，其他為“非纖維物”渣球。

2.2 陶瓷纖維除渣球的工藝

陶瓷纖維除渣球工藝一般分為2類：即干法除渣球和濕法除渣球。干法除渣球以空氣為介質(zhì)，按密度不同進(jìn)行分選，因空氣的密度小，松解的陶瓷纖維由于靜電吸附力的作用，其分選效率較低。生產(chǎn)工作環(huán)境的空氣中粉塵濃度容易超過安全允許濃度0.8 f/ml(PC-TWA)，既環(huán)境中每毫升大于0.8根纖維，或短時(shí)間(15 min)接觸超過3倍的濃度(PC-STEL)，既2.4根纖維量。由于呼入針狀纖維沉積在人體肺部不易排出，會(huì)造成生物活細(xì)胞的病變，對人體有一定的危害，是職業(yè)病產(chǎn)生的源頭。干法除渣球生產(chǎn)具有配套設(shè)備少、成本低、操作簡單等特點(diǎn)，生產(chǎn)過程中有粉塵、存在除渣球除不凈、環(huán)境污染大等幾大問題。

濕法除渣球是通過以水為介質(zhì)，消除靜電吸附力，離心分選原理去除陶瓷纖維中的渣球雜質(zhì)，利用循環(huán)水，將容重較小的陶瓷纖維與比重較大的渣球、雜質(zhì)分離，濕法除渣球過程中可對陶瓷纖維進(jìn)行改性處理，在濕法除渣球表面處理過程中，不僅去除表面沉積物，進(jìn)行偶聯(lián)劑處理，使其呈現(xiàn)親液性，增加陶瓷纖維表面與粘結(jié)劑的親和力，濕法消除纖維間靜電吸附力，除渣球效率高，不產(chǎn)生粉塵。表面改性處理后的陶瓷纖維用于摩擦密封材料中，增強(qiáng)纖維與其他填料、有機(jī)粘結(jié)劑易融合，提高了纖維的增強(qiáng)綜合性能，降低有機(jī)粘結(jié)劑用量，提升了陶瓷纖維的附加值。

2.3 濕法除渣球的特點(diǎn)

1)分離率高：陶瓷纖維與渣球以“共生”狀態(tài)存在，纖維之間的“搭橋”現(xiàn)象嚴(yán)重。濕法除渣球利用渣球和纖維在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的重力和阻力的差異，使渣球和纖維得到徹底分離。

2)消除靜電吸附力：渣球因靜電吸附作用而附于纖維表面。通過在水介質(zhì)中消除纖維和渣球上的靜電，破壞它們之間的吸附作用。

3)凈化處理后，纖維表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理，增加纖維與粘結(jié)劑的親和力。

4)技術(shù)水平：渣球含量高低反映出陶瓷纖維生產(chǎn)的技術(shù)水平，同樣產(chǎn)品渣球含量越低其售價(jià)越高。渣球較低的陶瓷纖維產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程中工序較多，濕法除渣球需要用到大量的水，需循環(huán)水池，改性處理、纖維脫水、干燥處理，其成本也相對更高，渣球含量低的陶瓷纖維產(chǎn)品必須經(jīng)過濕法生產(chǎn)處理才能完成。

3 陶瓷纖維的干燥

3.1 干燥工藝參數(shù)的選擇

回轉(zhuǎn)滾筒干燥機(jī)干燥脫水陶瓷纖維，熱風(fēng)入口溫度在260～290℃之間，干燥時(shí)間在15min以上，纖維在干燥、松解中易被拆斷變短，產(chǎn)生粉塵。另外，陶瓷纖維材料有較強(qiáng)的隔熱性，導(dǎo)熱系數(shù)小，水分蒸發(fā)速度較慢。因此，選擇最佳干燥溫度、干燥時(shí)間，可節(jié)約能源，提高干燥效率，控制陶瓷纖維含水量<1.5%。

3.2 干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究

干燥系統(tǒng)的工藝流程為： 脫水纖維 輸送 給料機(jī) 回轉(zhuǎn)干燥機(jī) 收集 輸送 包裝 ，干燥系統(tǒng)設(shè)備布置見圖1。

脫水后的陶瓷纖維經(jīng)給料機(jī)均勻送入回轉(zhuǎn)滾筒干燥機(jī)，遇到熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱風(fēng)順流干燥，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)滾筒干燥機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)，并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速控制干燥筒內(nèi)的脫水陶瓷纖維停留時(shí)間；轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁設(shè)計(jì)安裝有環(huán)形抄板，抄板多次翻動(dòng)和分散松解脫水陶瓷纖維，使纖維物料處于良好的流態(tài)化狀態(tài)，與熱空氣充分接觸，干燥筒內(nèi)溫度波動(dòng)小，干燥時(shí)間容易調(diào)節(jié)控制，產(chǎn)品含水率穩(wěn)定。順流干燥的纖維到達(dá)干燥機(jī)尾部后排出，含纖維的尾氣經(jīng)布袋除塵器分離，纖維從除塵器下部回轉(zhuǎn)下料器排出，含水率合格的干燥陶瓷纖維經(jīng)輸送系統(tǒng)進(jìn)入成品庫包裝，凈化后的尾氣經(jīng)由引風(fēng)機(jī)管道排出。

1-配風(fēng)器 2-熱風(fēng)爐 3-給料機(jī) 4-回轉(zhuǎn)滾筒干燥機(jī) 5-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 6-布袋除塵器 7-引風(fēng)機(jī) 8-控制系統(tǒng)圖1 干燥系統(tǒng)設(shè)備布置圖

3.3 干燥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

干燥機(jī)尾部設(shè)計(jì)有擋流板，調(diào)節(jié)擋流板角度，可改變干燥筒內(nèi)的風(fēng)速，目的是調(diào)節(jié)控制纖維物料在干燥筒體內(nèi)的滯留時(shí)間，達(dá)到控制干燥物料的含水率。干燥機(jī)筒體的頭部、尾部都設(shè)有密封裝置，工作時(shí)筒內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，當(dāng)引風(fēng)機(jī)風(fēng)門關(guān)小，筒內(nèi)風(fēng)速降低，致使干燥機(jī)頭部處于正壓時(shí)，直接影響給料機(jī)給料。因此調(diào)節(jié)時(shí)，須保持干燥機(jī)頭部給料處于微負(fù)壓狀態(tài)，系統(tǒng)才能正常連續(xù)工作，無纖維粉塵泄露。

3.4 干燥機(jī)的密封

干燥機(jī)的滾筒與機(jī)頭、機(jī)尾采用迷宮式密封，易產(chǎn)生較大的縫隙漏風(fēng)、漏塵，會(huì)污染生產(chǎn)工作環(huán)境。對此，在機(jī)頭、機(jī)尾部設(shè)計(jì)安裝有環(huán)形鱗片密封帶，密封帶設(shè)有自動(dòng)張緊密封機(jī)構(gòu)，改善回轉(zhuǎn)筒體的密封性，減小漏風(fēng)。

3.5 控制系統(tǒng)及安全保護(hù)措施

熱風(fēng)爐爐膛、干燥機(jī)的機(jī)頭、機(jī)尾處安裝有溫度監(jiān)控儀，熱風(fēng)爐的燃燒器設(shè)有熄火斷氣保護(hù)，燃燒器自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料供給及配風(fēng)，同時(shí)在干燥機(jī)的機(jī)頭、機(jī)尾安裝有壓力監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生堵料時(shí)可發(fā)出報(bào)警，進(jìn)行人工干預(yù)處理。在引風(fēng)機(jī)管道口安裝有比例調(diào)節(jié)閥，依據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟大小，控制調(diào)節(jié)排風(fēng)溫度，確保干燥礦物纖維的含水率。

4 結(jié)語

研究濕法陶瓷纖維除渣球、干燥系統(tǒng)，選用的設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)方便，工藝流程短、生產(chǎn)效率高、工作環(huán)境清潔安全、符合環(huán)保要求。陶瓷纖維材料除渣球改性后性能穩(wěn)定，高效利用陶瓷纖維材料，拓寬了產(chǎn)品應(yīng)用范圍，提升產(chǎn)品附加值，推動(dòng)摩擦材料品質(zhì)的提升，符合行業(yè)發(fā)展要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，市場前景廣闊。