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第七节 石棉(上)

浏览次数: 日期:2017-06-07

     第一节  石棉

    石棉是一种天然的,具有可纺性能矿物纤维状结构、可劈裂成极细而柔软纤维的一类硅酸盐矿物的总称。石棉具有对气候以及除强酸和强碱以外的大部份化学药品都很稳定的特性。到目前为止,尚未见到有用人工合成的方法制成石棉的报导。

    石棉是人类使用很早的一种天然的具有可纺性的的矿物纤维。在我国的最早记载见于公元前五世纪的列子书“火烷之布,烷之必投于火,布则火色,垢则布色,出火而振之,皓然疑乎雪”。在古罗马希腊的历史里,也曾提到过用石棉做的灯蕊物。1250年马可·波罗东洋见闻有“矿石纤维织布的记载”。

    十九世纪后期 ,石棉才大量开采并应用于工业。二十世纪六十年代,全世界石棉产量达200多万吨。七十年代达500多万吨。我国石棉每年产量大约20多万吨。

    全世界已经探明石棉储量为0.96亿吨。比较重要的矿山约有150个。其中大部份分布在苏联、加拿大、南非等 国家。我国的石棉储量在世界上属于最多的国家之一。

    石棉由于其具有一系列的优良的特性,如较高的机械强度、良好的耐热性和绝缘性、以及较大的表面积与较好的表面性能等。因此石棉被广泛地应用于汽车、拖拉机、航空、化工、机械制造和建筑等工业部门,特别是作为水泥、塑料、橡胶和沥青等重要产品的增强材料。石棉增强的有机合成工程材料已用于火箭、导弹等空间尖端技术领域。椐不完全的统计,目前利用石棉原料的制品已多达三千多种,这足以表明石棉对现代社会具有很重要的价值。

    石棉一般分为二类,其中一类是单一类型的石棉,然而这类石棉非常重要,它占石棉总量的95%以上,这类石棉称为温石棉。它是石棉纤维化的矿物蛇纹石。第二类石棉称为闪石棉,它包含五种类型 的石棉,但其中仅有三种石棉被开采做为商品用。一般所说的石棉,非特别指明,均指第一类即温石棉而言。

    各种石棉根椐矿脉生成状况不同,按纤维和矿脉脉壁的关系分为横脉和纵脉两类:

    ⑴ 横脉是石棉纤维与周围岩石成垂直方向生长的石棉。其中有成条状生长 和网状生长之别。网状生长的石棉质量较好,强度较高。如我国青海茫崖石棉矿与辽宁金州石棉矿的石棉。

    ⑵ 纵脉是石棉纤维与岩石平行方向生长的石棉。因此其纤维长度较长。但石棉纤维强度较逊于温石棉。如四川石棉矿和新康石棉矿所产的石棉。

    石棉具有耐热、隔热、绝缘、耐酸碱、优良的抗拉强度、很好的可劈裂性、吸附性和可纺性等性能。这些特点使石棉成为天然矿物纤维中,综上所述性能最好的一种纤维,因此石棉很早就是一种重要的工业原料之一。长期以来石棉在摩擦行业中一直是重要的增强材料。

 

材料

抗拉强度公斤/厘米2

温石棉

5600-7000

碳钢

10850

熟铁

3360

棉纤维

5110-6230

玻璃纤维

7000-14000

铁石棉

1120-6300

一、石棉的化学组成

    石棉是含水的镁硅酸盐。温石棉的理论化学式是 Mg3Si2O5 (OH)4,通常将其结构式用3MgO·2SiO2 ·2H2O表示。

 石棉的化学成份理论值为:

                       SiO2   43.35%

                       MgO 43.65%

                       H2O  13.00%

    实际上 SiO2    MgO通常部份地为FeOFe2O3AI2O3 等所代替。

    石棉内的水分可分为:结构水与化合水两种情况,一种是以(OH)根存在;另一种以结晶水方式存在于晶体构造内部。石棉还极易吸附水份,这种吸附水存在于石棉纤维表面。

 

    温石棉的外观为灰白色或黄绿色,比重2.4-2.6,莫氏硬度2.5 ,熔点1520℃,导热系数0.13千卡/米·小时·℃。抗张强度高、弹性模量为1.624×106公斤/厘米2,纤维成极细管状结构,质柔软,导电性很弱,为很好的热和电的绝缘体,耐碱性强,耐酸性弱。

 

加工形式和时间

断裂强度

弯曲强度

受压强度

剪切强度

碾压5 分钟

184

429

588

538

加一次开解

264

728

709

618

加二次开解

380

738

717

566

  温石棉在摩擦材料中的应用特性

    温石棉纤维具有较高的强度,这是它的一项宝贵性能。由于石棉是石棉型摩擦材料的主要增强组份。其用量要占制品中总量的35%以上。因此石棉纤维强度是构成石棉系列摩擦材料强度的基础。

但温石棉的原矿纤维实际上是石棉的纤维束,所以使用前对石棉还要进行机械加工,即所谓原棉处理。处理的主要目的是,使选 过的石棉能达到摩擦材料行业的使用要求。使石棉纤维束变得较细而柔软,纤维中含砂量较低。但是石棉纤维在碾压、开松等加工处理过程中,石棉纤维虽然被不断撕裂开,成为极细的石棉纤维束,但与此同时,在机械外力作用下,纤维被不断弯折、扭转而发生变形,受到破坏,致使石棉纤维的强度下降。例 如采用碾压办法把石棉纤维束开解时,碾压时间及碾压后再进行开解,对石棉样品强度的影响结果如下:                            

                          试件的物理机械试验结果   

石棉品种

芒-5

新疆-5

吕粱-5

涞源-5

川-5

康-5

陕南-5

抗冲击强度 dj/cm2

0.48

0.42

0.43

0.38

0.39

0.33

0.34

 我国某石棉矿的石棉,原矿石棉纤维强度未经开解时在300公斤左右,而经过机械加工进行开解选 棉之后,强度急剧下降了数百倍,强度只有3 公斤左右。加拿大产的石棉处理一次,强度也下降数倍。因此对石棉的处理,即要做到石棉纤维开解得越细越好,又要做到石棉纤维的强度损失越小越好。同时,理论又证明,石棉是永远不可能被开解成单纤维的矿物。因此对石棉的处理,必须要选择适宜的工艺方法及处理设备。 石棉纤维中含有的砂石等杂质,会影响其制品的摩擦性能以及机械强度。所以在处理石棉纤维的过程中,也要同时除去这些砂石,即所谓的除杂。

    在石棉摩擦材料生产过程中,对石棉与树脂、填料进行混料操作时,在混料机搅拌桨叶的高速搅拌作用下,石棉纤维也会受到不同程度的损伤,搅拌时间越长,损伤也越重,即制品的抗冲击强度和其它机械强度(抗拉强度、弯曲强度)降低。

由上述可知,在温石棉原棉加工处理过程中,以及生产摩擦材料的过程中,都要注意机械处理对石棉纤维造成损伤的问题,即要做到符合原棉加工要求,混料均匀,又要尽量减少和避免纤维损伤和制品强度降低的情况。    

    石棉品种、纤维长度、用量对制品性能的影响

    我国的石棉品种主要有芒崖、四川、新康、涞源、新疆、日照、陕南等矿种。不同的石棉品种,其制品性能也有所不同。同一等级不同品种的石棉纤维强度是不相同的,硬结构和半硬结构石棉的强度要高于软结构石棉,用它所做的摩擦材料制品的冲击强度也有明显的差别。下面是使用同样五级石棉的刹车片的抗冲击强度比较:

因此我们可以根椐不同制品的性能要求,选取择使用不同品种的石棉。

    石棉纤维长度,其摩擦材料制品的冲击韧性增大,抗冲击强度高,四级石棉的纤维长度长于五级和六级石棉,前者的制品抗冲击强度高于后者。但因四级石棉价格较高,故仅少量用于制造离合器面片,一般不用于刹车片中,刹车片使用的石棉主要为五、六级。

    石棉纤维对摩擦材料制品的摩擦系数影响不大,但短纤维制品的磨耗略高于长纤维的制品。

    石棉在组份中的用量比例增加,制品机械强度也明显增高。石棉用量的增加,对摩擦系数的影响不大,而对磨耗量会有所增加。

    二、温石棉的性质

    1,耐热性

 

    石棉纤维加热到110℃,三分之二的吸附水被析出,纤维的抗拉强度降低10%左右。超过368℃时,吸附水全部的出。纤维的抗拉强度降低20%左右,此过程纤维重量损失约3-4%,不过这种变化是可逆和暂时的,石棉在正常环境温度和湿度下,经过3-4天后就能从空气中吸收水份,从而恢复原有的机械强度和水份。当加热温度超过450℃时,其结晶水开始逸出,机械强度逐渐下降。510℃以上时,以(OH)根存在的这部份结构水,逐渐全部逸出。逸出后的化合水则不可能恢复。失去水份的石棉纤维变脆。机械强度也全部失去。用手可将其搓成粉末。

   2,纤维细度

     温石棉的单纤维很细。我们通常所说的石棉纤维,实际上是指石棉纤维束的集合体。因为石棉纤维极细,只有通过电子显微镜,才能测量其单纤维直径。石棉纤维直径约为人的头发人2500分之一。石棉纤维极难加工成石棉单纤维,随着石棉纤维加工越细,其表面积也越大,吸收能力也越强,但其强度在加工过程中也常受到的损失也越大。

    石棉纤维与其它纤维的直径比较。

 

纤维种类

纤维直径(毫米)

每毫米所含纤维数

温石棉

0.000026

33400-55100

棉花

0.001

1000

玻璃纤维

0.007

143

人头发

0.04

24

羊毛

0.02

50

人造丝

0.007

130

尼龙

0.007

135

从表中可见,石棉纤维比一般天然纤维和有机纤维细得多,因而它具有很大的比表面积及吸附性。这种性质使石棉纤维在摩擦材料生产工艺中和树脂、填料混合过程中,具有很好的分散性和吸附能力。容易形成均匀混合物。

    3,可纺性

    石棉纤维性柔韧,抗拉强度较高,具有可纺性,因此可以用其纺制成石棉纱、线、绳、布带及其它石棉纺织品。但由于石棉单纤维表面比较光滑平坦,即不像棉花表面那样有好的卷曲度,也不像羊毛纤维那样表面有粗糙鳞片层,因而石棉纤维之间的摩擦力和抱合力比较小,可纺性不如棉花、麻和羊毛。所以在石棉纺织时经常加入少量棉花,以提高石棉的可纺工艺性。

    石棉纺织制品可很好的地被树脂溶液或橡胶溶液浸渍。在摩擦材料生产中,用石棉线、石棉布、带,进一步生产制成离合器面片(缠绕型和布基离合器片),工业和工程机械用的线质和布质刹车片,石棉布基刹车带,层压型和编织型石油钻机闸瓦等产品。

    石棉的质量控制

    石棉是石棉摩擦材料的主要增强组份,纤维的质量对摩擦材料制品来说至关重要。

评价石棉质量标准,一般是按石棉纤维长度进行分级评价的,在石棉的质量标准中,还有硬,半硬及软结构之别。

    硬 石棉指原矿石棉块,就是没进行加工过、未变形的石棉。

    半硬石棉指有一部份原矿石棉块和一部份纤维束,还有一部份松散的绒状石棉 。软结构石棉是指经过机械 加工过的石棉,石棉成为松散的绒状石棉纤维。

    摩擦材料制品生产中,石棉在使用前都应对其质量进行检验,检验项目包括:纤维长度、粉尘含量、砂粒含量、水分、烧失量及外观杂质等。

    石棉的等级和质量要求系依我国石棉质量标准。

    我国石棉的质量标准系根椐GB*****-2000标准进行。该标准根椐选矿方法将石棉分为手选与机选两大类石棉。

    质量控制项目具体为:

    1,石棉纤维中,不允许混有木屑、纸屑、金属、石块或其它外来杂质。

    2,石棉中水份含量不应超过2%,如若超过应将其除去后再使用。

    3,烧失量(700℃,一小时)不应大于13%

    4,石棉中不应有未松开的石棉束。砂粒和粉尘含量应符合我国家标准规定。

    5,石棉纤维长度具体等级及筛析标准应符合我国石棉分级标准。

我国石棉分级标准根椐选矿方法将石棉分为手选与机选两大类。

    ①手选石棉是用手工选出的石棉块和纤维束,通常分为五个级别,用特-1、特-2、手-1、手-2、手-3表示。

  ②机选石棉是经机械加工选出的石棉纤维,根椐其纤维形状、结构分为硬、半硬、软三种: 用选棉机械选后的石棉进行分级,一般机选石棉通常分为七个等 级,即机选一级,二级、三级、四级、五级、六级、七级石棉。

    摩擦材料行业使用的石棉是机选石棉类,主要使用三级、四级、五级、六级等石棉。

    在我国对石棉分级规定了湿式分级与干式分级两种方法,而摩擦材料行业通常使用干式分级方法 。下面介绍机选石棉的几个国家质量标准:

    我国机选石棉的质量标准

    检验方法:

    石棉的标准分级筛,筛箱尺寸为620×275×90 mm,上、下共三层筛,底部是筛底。自上而下其筛孔孔径分别为12.54.751.4mm

    检验方法是将石棉试样500克,放在标准筛的最上一层筛里,开机,使筛箱振动二分钟,在19.8mm距离内往返300次,然后分别称重并计量各层筛的筛余量。

    石棉纤维的筛余量,用二组数字表示,前一组数字表示级别,后一组数字表示最长纤维重量百分含量。标准筛检测还规定一、二级石棉用第一层筛子的筛余量表示,三、四级石棉用第二层筛子的筛余量表示。五、 六级石棉用第三层筛子的筛余量表示。例如,3-55,表示为机选三级石棉,在二层筛子纤维筛余量的重量百分数不小于55%5-60表示为机选五级石棉,在三层筛子纤维筛余量的重量百分数不小于60%

石棉摩擦材料生产中,刹车片所用的石棉主要为五级或六级石棉。离合器面片与工程机械用摩擦片经常使用的是四级或五级石棉。个别的产品也用三或六级石棉。

     加拿大和俄罗斯为世界上最大的石棉矿储量和生产国家。国际石棉协会即设在加拿大的魁北克市,魁北克石棉质量及分级标准为世界大多数国家认可和执行。加拿大的石棉的生产工艺先进,生产效率高,环境污染少。加拿大和俄罗斯石棉,被公认为质量优良,机械强度高,因而在全世界都得到了广泛应用。        

    俄罗斯石棉技术标准

    俄罗斯是世界石棉的资源、生产和出口大国,现将俄罗斯石棉的技术标准介绍如下:

 

级别

牌号

纤维长度

不小于mm

主体纤维

%

砂石含量

%

特-1

特-1

100

60

2

特-2

特-2

50

60

2.5

手选-1

手-1

18

 

7

手选-2

手-2

12

 

10

手选-3

手-3

6

 

20

纤维蛇纹石石棉技术条件

               俄罗斯国家标准ГОСТ50134-92技术标准

   一、 纤维蛇纹石石棉(以下简称石棉)是由不同长度的纤维混合物聚集成的。

    1,根椐石棉纤维长度可分为8级:012345678级。

    2,通过监控仪(即石棉检验筛)与四种筛网一定的干筛方式,根椐纤维长度组成0-6级并可分为不同型号。

    第一层筛网,筛孔尺寸为12.7mm。

    第二层筛网,筛孔尺寸为 4.8mm。

    第三层筛网,筛孔尺寸为 1.35mm。

    第四层筛网,筛孔尺寸为 0.4mm。

    第7级石棉根椐散放密集度分为不同型号。

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