雲母復合材料
⑴ 雲母的工藝特性
a、綜合利用率低:雲母的綜合利用,國外已做到工廠無廢料,原料百分之百利用。我國雲母綜合利用率約40%,還有待於擴大其應用領域。
b、應用領域較窄:近幾年來,國外雲母綜合利用領域不斷擴大,在建材、防震、潤滑、有機和無機復合材料、密封材料等領域取得了較好的應用。綜合加工的產品有10類,100多品種。我國應用領域相對較窄,如今已能生產6大類,近30個品種。 從總的趨勢看,由於人工合成雲母大晶體的成功,世界上對大片雲母的需求量將逐漸減少,因而天然大片雲母的開采量將逐年降低。然而對碎片雲母的需求則將繼續增加。世界上現有優質雲母還遠遠不能滿足需要,合成雲母的研製正在加快進行。
當前雲母的消費結構已發生變化,據估計,全世界對片雲母的需求量將以每年4.6%的速度持續下降,而對碎雲母的需求量將以平均每年1.5%的速度持續增長。
雲母綜合利用產品----雲母紙和濕磨雲母粉以及雲母深加工產品,都是國際市場上比較暢銷的產品。
如今,國內薄片雲母需求量將逐年減少,電子管投料片雲母的需要量保持平衡,電容器晶元和等外厚片雲母等基本飽和。天然片狀雲母一般為代用材料所取代。但作為雲母綜合利用的產品,雲母紙和雲母粉以及深加工產品如雲母絕緣製品、雲母紙電器等開始暢銷。
(1)雲母紙市場 機械部門早就確定電機用雲母絕緣材料主要用雲母紙代替雲母薄片。1987年我國新增發電設備能力920萬千瓦,通常按新增10萬千瓦發電能力需耗用雲母紙5噸計算,約需460噸雲母紙。我國今後能源工業是發展重點,「七五」期間,計劃達到年產1000萬千瓦的發電機組能力,每年需要雲母紙不低於500噸,共需2500噸以上。另外,1987年我國的發電裝機容量已達1億千瓦,若按20—30%的更換維修考慮,維修需用的雲母紙亦相當可觀。此外,還有眾多的工業、家用電器也需要大量的絕緣紙板等產品。國內雲母紙市場大有前途。
(2)雲母粉市場 全國電焊條生產每年需雲母粉約1.5萬噸,油氈紙用雲母粉14萬噸、消防器材用雲母粉2000噸左右,再加上新開拓的雲母粉應用領域,從發展趨勢看,雲母粉的需要量可能會進一步增長。
⑵ 什麼是復合材料
復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成內的新材料。一般定義的復合容材料需滿足以下條件:
1、 復合材料必須是人造的,是人們根據需要設計製造的材料;
2、復合材料必須由兩種或兩種以上化學、物理性質不同的材料組分,以所設計的形式、比例、分布組合而成,各組分之間有明顯的界面存在;
3、它具有結構可設計性,可進行復合結構設計;
4、復合材料不僅保持各組分材料性能的優點,而且通過各組分性能的互補和關聯可以獲得單一組成材料所不能達到的綜合性能。
(2)雲母復合材料擴展閱讀:
復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。
非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬。
樹脂基復合材料採用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
⑶ 熱塑性復合材料的性能
具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩定以及低密度、低價格等特點。
⑷ 碎雲母(Scrap Mica)
一、概述
碎雲母原是片面小於4 cm2雲母的一種商業名稱,現已列為雲母礦種的一個亞礦種,泛指具有工業意義的片雲母開采或加工過程中的邊角碎料、含雲母基岩粉碎選礦過程中回收的小粒級雲母及產於各種成因類型岩石中的小片雲母。就非金屬碎雲母礦而言則特指後者,即產於各種成因類型岩石中能夠構成工業礦床的小片雲母,以白雲母為主,個別礦床為金雲母等。在我國這種碎雲母礦床主要為區域變質類型,熱液偉晶岩型、風化型次之。
二、礦物性質
碎雲母的物理性質同白雲母。其結構分子式為:K {Al2[AlSi3O10](OH)2}。化學成分:K2O 11.8%,Al2O3 38.5%,SiO2 45.2%,H2O 4.5%。其類質同象廣泛,常見的混入物有 Ba、Na、Rb、Fe3+、Cr、V4+、Fe2+、Mg、Li、Ca、F等,故而有鋇雲母、鉻雲母、多硅白雲母等變種。礦物的晶體為單斜晶系二八面體型,多呈板狀或片狀,外形呈假六方形或菱形,有時單體呈錐形柱狀,柱面有明顯的橫紋,晶體細小者呈鱗片狀。顏色無色透明,含雜質則略帶淺黃、淺綠、淺紅、淺灰或棕褐色等,如含鋰呈玫瑰色,含鉻呈鮮綠色,含Fe2+呈淡綠色,含Fe3+和Ti時則呈紅色。礦物晶體中常含有磷鐵礦、赤鐵礦包裹體。具 {001} 完全解理,解理面珍珠光澤。{001} 面硬度為2~3,垂直 {001} 面為4。密度為2.76~3.10g/cm3。薄片具彈性。絕緣性能極好,難溶於酸。
三、用途
碎雲母在工業應用時,通常要加工成不同粒級的雲母粉。隨著科學技術的發展,雲母粉以其優越的特性作為填料廣泛用於塗料、建材、油漆、塑料、橡膠填充料和代石棉製品等。
1)塗料(油漆)、顏料和日用化妝品方面。塗料和顏料是雲母粉的主要用途。由於雲母粉具滑性,在塗料中的分散度高,有助於對塗料流動性的控制,可得到塗刷均勻的效果。雲母粉顆粒呈片狀,在塗料中趨向平行漆膜表面排列組成一層惰性堅實而又柔韌的保護層。雲母還具有絕緣、耐腐蝕、耐熱、抗拉伸、抗老化等優良的性能,廣泛應用於各種功能塗料中,如:防腐蝕塗料,防水耐風化塗料、防熱耐火塗料、防震耐磨塗料、防輻射線塗料、金屬閃光及其他裝飾塗料、船底防污塗料、航天器熱控塗料等。雲母粉用於顏料,可取得珠光效果。以雲母粉做襯底,在上面再塗一層薄薄的二氧化鈦或其他金屬氧化物,不同氧化物可產生不同的整體色彩,如氧化鈦為紅色、氧化鉻為綠色。雲母珠光顏料主要用於汽車工業,同時用於家庭住宅的內塗層。這種顏料比鹼或碳酸鉛珠光顏料更穩定,而且無毒,可用於食用器皿、玩具、化妝品等方面。雲母粉具有細膩滑潤、富彈性、白度高、光澤適宜等美化裝飾特性,還能滿足化妝品的特殊需要,超細雲母粉能與水、甘油均勻混合並呈強分散狀態,是乳液、膏霜、撲粉等化妝品的上好填料。
2)有機復合材料方面(塑料)是雲母粉的第二大用途。雲母鱗片的面積與厚度比大,鱗片平面力學性質均勻,抗彎模量高,並且絕緣、耐熱、耐潮濕、耐腐蝕。由於以上特性,雲母粉可使塑料在二維方向上力學性能極大增強,被廣泛用作增強充填劑,製成用途不同的多種復合材料。
3)以建材為主的復合材料方面。用於牆板連接的黏接劑。這種黏接劑主要用於石膏板連接,也用於水泥板連接。雲母陶瓷,又稱雲母玻璃。加工工藝是,將雲母粉與特種玻璃粉和其他無機粉料按一定比例混合經壓坯、焙燒、成型、退火等工序製成。其成品兼有雲母、陶瓷、塑料三者的優點,是一種多功能的材料。主要在電器設備中做絕緣器件及消弧器,在郵電、無線電、通信、宇航等行業中廣泛應用。雲母粉作為防護塗層、潤滑劑和撒粉,使油毛氈表面光滑,防止瀝青表面互相粘連。
4)絕緣材料方面。雲母具有電阻率高、電解質損耗低、電弧穩定等特點,可使前述的有機和無機復合材料具不同程度的絕緣性能。此外,碎雲母還可用於製作雲母紙和還原雲母、雲母帶、雲母板、膨脹雲母等多種專用絕緣材料。
5)石油鑽井泥漿方面。雲母粉顆粒的片狀特點對堵塞鑽孔孔隙防止泥漿漏失,效果十分顯著。由於雲母粉分散性好,能形成良好的懸浮狀態,有利於克服泥漿不正常循環。由於雲母有耐高溫性、耐磨性、潤滑性及化學穩定性,在深井鑽探中可作抗高溫泥漿和抗磨損劑。
6)電焊條工業方面。主要用於焊條的助熔塗層,在焊接中形成一個焊渣層,使金屬敷上能抵禦大氣氧化的表皮。
7)消防器材方面。用於干火滅火劑,可防堵塞、防結塊,延長保存期,增強滅火劑噴出的流動性,提高滅火效果。
8)橡膠工業方面。常以160~325目雲母粉做橡膠製品的填料,生產各種特種橡膠製品。
9)造紙工業方面。用作紙張的填充和表面塗層,提高紙張的留著率和印刷書寫效果。雲母鱗片結構適合用做銅版紙的表面塗層。
10)冶金工業方面。作為耐火材料,堵封煉鐵高爐爐口。此外雲母粉還用於金屬處理中的退火劑。
11)其他方面。用作可防震的多種震動阻尼材料的填充;用作電纜包裹層上的撒粉劑(8~20目),防止絕緣橡膠在外包皮硬化中電纜心相粘連;用於控制植物蟲害的蔓延,將雲母粉撒在莊稼上,雲母鱗片反射陽光使害蟲迷失方向。另外,還用作消毒劑和炸葯的吸收劑。
四、地質特徵
我國已發現的碎雲母礦床主要為區域變質混合岩化成因礦床,該類型礦床規模大,礦石質量好,是我國當前主要的開采對象。其他如熱液偉晶岩型碎雲母礦床等規模普遍較小。我國區域變質混合岩化碎雲母礦床有如下地質特徵:
1)礦床賦存於白雲母鉀長片麻岩、白雲母石英片岩和條紋、條帶狀混合岩等變質岩系中,變質岩原岩為一套富鉀高鋁低硅貧鈣鎂的粘土質砂質岩石。礦床具有明顯的層控特徵。
2)礦體多位於地層向斜的核部構造薄弱帶,沿變質岩片麻理方向分布,次級小褶曲及混合岩脈發育。構造薄弱帶內熱流值高且易集中,有利於熱液活動和成礦作用,也是導礦和容礦空間。
3)多期成礦作用明顯。在變質作用形成白雲母鉀長片麻岩、白雲母石英片岩的過程中,白雲母普遍形成,有的局部集中。後期持續的混合岩化作用過程中經過礦物間的水解作用、重結晶作用、注入交代或滲透交代作用等多重成礦作用使白雲母大量生成並富集成礦。
河北省靈壽縣山門口碎雲母礦床是我國目前唯一進行過詳細地質勘查工作的礦山。該礦床地質特徵簡介如下。礦區處於阜平穹褶束東部崗南-口頭復式向斜的核部。區內出露地層主要為太古屆阜平群,是一套中—厚深變質片麻岩和混合岩系。含礦層位於灣子組第一段,主要岩性為巨厚層狀白雲母鉀長片麻岩,夾中—粗粒淺粒岩、黑雲斜長片麻岩、花崗質混合岩等。碎雲母礦體賦存於白雲母鉀長片麻岩中。因受倒轉復向斜的影響,碎雲母礦體多次重復產出。在三度空間內礦體呈層狀、似層狀產出,存在分枝復合膨大的現象。礦區內共圈出37個礦體,單個礦體厚度一般1~5 m,最厚達20 m,長度100~1000 m。礦體產狀與圍岩一致。礦床層控特性明顯。礦石呈純白色,濕時微帶綠色。鱗片變晶結構,片狀、似片狀構造。礦石礦物主要為白雲母,含量40%~80%,脈石礦物有石英及少量鉀長石,副礦物有磁鐵礦、褐鐵礦、鋯石、磷灰石等。白雲母呈片狀,片徑一般2~15mm,厚度0.1~1.0mm。碎雲母單礦物化學全分析結果:SiO2大於44%,Al2O3大於30%,Fe2O3大於4%,與標准白雲母的化學成分相比,其中Al2O3含量偏低,Fe2O3含量偏高,屬鐵白雲母。礦石分混合岩化偉晶岩型、片麻岩型及片岩型三種自然類型。其中混合岩化偉晶岩型為礦區內主要的礦石類型,該類型礦石含碎雲母一般為60%~80%,高者可達95%,是目前主要的開采對象。該礦床各類型礦石均屬易選,礦石加工技術性能良好。該礦床的工業指標由原河北省建築材料工業局下達。其工業指標如下:① 邊界品位(碎雲母含礦率) 30%;② 最低工業品位(碎雲母含礦率) 40%;③ 最小可采厚度1 m;④ 最小夾石剔除厚度1m。
五、礦床分布
世界雲母礦床資源分布廣泛,已知有17個國家年產雲母1000 t以上,其中俄羅斯、中國、美國、韓國、加拿大和法國是世界六大雲母生產國,合計產量佔全世界總產量的90%左右。我國和美國是碎雲母生產大國。美國2004年碎雲母產量為7.9×104t,主要從偉晶岩和粘土選礦中獲得,其他國家的碎雲母多來自熱液偉晶岩型片雲母礦床開采加工過程中的邊角碎料。我國的碎雲母年產量已達13×104t,均采自於區域變質型碎雲母礦床。
從已有的地質勘查工作成果看,我國碎雲母礦產資源主要分布在河北,新疆、河南、山西、內蒙古等地也有分布。此外,安徽大別山南麓有礦化報道。
河北省碎雲母礦產資源集中分布在冀西南靈壽、行唐、曲陽一帶。這一帶廣泛裸露著太古宇阜平群灣子組變質岩系,存在有良好的碎雲母成礦地質條件。自1994年完成靈壽山門口碎雲母礦床詳細地質勘查工作以來,國家及河北省政府加大了對這一帶碎雲母礦產資源的地質勘查工作力度,先後安排資金立項對行唐大漢子山、蘇家莊,平山偏梁,靈壽大文山、正峪、魯柏山,曲陽曉琳至程東旺,唐縣西口底、南伏城等礦區進行了地質踏勘—普查評價工作,大致查明了這一區域碎雲母礦床成礦的地質條件、礦體分布規律,推斷預測了這些礦床的礦物資源量。
六、可供資源
世界各國對片雲母礦資源地質研究工作程度普遍較深,對碎雲母礦的地質研究工作較淺。我國是最早對非金屬碎雲母礦進行詳查地質工作的國家,已陸續對有成礦遠景的成礦區段開展地質踏勘—普查至詳查評價工作,目前僅在河北省查明碎雲母礦床11處,獲得礦物資源總量2732 多萬噸,其中,控制的177×104t,推斷的1496×104t,推測的1059×104t。查明礦物資源量分布情況見表2-20-1。
表2-20-1 查明碎雲母礦物資源的分布情況
由於片雲母資源日益枯竭和利用碎雲母技術的日益發展,世界雲母消費趨勢是片狀雲母消費量逐年下降,降幅達年4.5%,碎雲母消費量逐年上升,升幅為年2%以上,我國碎雲母年需求增速達6%。1996年世界碎雲母需求量為35×104t,到2000年已達38×104t,預測2010年、2015年需求量將分別達到46×104t和51×104t。按照現有碎雲母礦物資源預測,我國碎雲母資源量能夠保證今後30年的需求,資源保證程度高。從世界雲母工業格局看,片狀雲母產品的黃金時代成為過去,雲母工業的發展方向已經導向碎雲母產業鏈。
我國碎雲母資源豐富,分布集中,但產品應用和深加工工藝比較落後,礦山開采技術較低,資源浪費嚴重。加強碎雲母產品應用研究,提高產品深加工技術,改進礦山開采水平是發揮我國碎雲母資源優勢、解決現存問題的重要途徑。
⑸ 雲母粉的用途領域
雲母粉是粉末狀雲母的形態,是一種非金屬礦物,含有多種成分,其中專主要有SiO2,含量屬一般在49%左右,Al2O3含量在30%左右。雲母粉具有良好的彈性、韌性。絕緣性、耐高溫、耐酸鹼、耐腐蝕、附著力強等特性,是一種優良的添加劑。
雲母粉被廣泛用於無線電工業、航空工業、電機製造,它還廣泛用於塗料、油漆、塑料、油氈、造紙、油田鑽井、裝飾化妝等行業,在油漆中可減少紫外線或其它光和熱對漆膜的破壞,增加塗層的耐酸、鹼和電絕緣性能,提高塗層的抗凍性、抗腐蝕性、堅韌性和密實性、降低塗層的透氣性,防止斑點和龜裂。 雲母粉還可用在屋面材料中,起防雨保暖、 隔熱等,雲母粉與礦棉樹脂塗料混合,可做混凝土、石材、磚砌外牆的裝飾作用,雲母碎用於油氈,管道砂漿,膠結劑;在橡膠製品中,雲母粉可做潤滑劑、脫膜劑,以及做高強度的電絕緣和耐熱、耐酸鹼製品的填充劑。雲母還可做雲母紙,雲母板、雲母陶瓷,珠光雲母顏料、雲母熔鑄製品等。
⑹ 復合材料都包括哪些方面,哪方面比較好
概念
復合材料(Composite materials),是以一種材料為基體(Matrix),另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。
復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代,因航空工業的需要,發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼),從此出現了復合材料這一名稱。50年代以後,陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合,構成各具特色的復合材料。
[編輯本段]分類
復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為:①纖維復合材料。將各種纖維增強體置於基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄;芯材質輕、強度低,但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布於基體中,如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜於一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比,其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高,並具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內/層間混雜和超混雜復合材料。
60年代,為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要,先後研製和生產了以高性能纖維(如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等)為增強材料的復合材料,其比強度大於4×106厘米(cm),比模量大於4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂復合材料相區別,將這種復合材料稱為先進復合材料。按基體材料不同,先進復合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料。其使用溫度分別達250~350℃、350~1200℃和1200℃以上。先進復合材料除作為結構材料外,還可用作功能材料,如梯度復合材料(材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續梯變的功能復合材料)、機敏復合材料(具有感覺、處理和執行功能,能適應環境變化的功能復合材料)、仿生復合材料、隱身復合材料等。
[編輯本段]性能
復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環氧樹脂復合的材料,其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍,還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復合可得到膨脹系數幾乎等於零的材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性,因此可按製件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料,在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合,不但鈦的耐熱性提高,且耐磨損,可用作發動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復合,使用溫度可達1500℃,比超合金渦輪葉片的使用溫度(1100℃)高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨,構成耐燒蝕材料,已用於航天器、火箭導彈和原子能反應堆中。非金屬基復合材料由於密度小,用於汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合製成的復合材料片彈簧,其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。
[編輯本段]成型方法
復合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復合材料的成型方法較多,有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成型、反應注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。金屬基復合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低於基體熔點溫度下,通過施加壓力實現成型,包括擴散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。後者是將基體熔化後,充填到增強體材料中,包括傳統鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基復合材料的成型方法主要有固相燒結、化學氣相浸滲成型、化學氣相沉積成型等。
[編輯本段]應用
復合材料的主要應用領域有:①航空航天領域。由於復合材料熱穩定性好,比強度、比剛度高,可用於製造飛機機翼和前機身、衛星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的殼體、發動機殼體、太空梭結構件等。②汽車工業。由於復合材料具有特殊的振動阻尼特性,可減振和降低雜訊、抗疲勞性能好,損傷後易修理,便於整體成形,故可用於製造汽車車身、受力構件、傳動軸、發動機架及其內部構件。③化工、紡織和機械製造領域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復合而成的材料,可用於製造化工設備、紡織機、造紙機、復印機、高速機床、精密儀器等。④醫學領域。碳纖維復合材料具有優異的力學性能和不吸收X射線特性,可用於製造醫用X光機和矯形支架等。碳纖維復合材料還具有生物組織相容性和血液相容性,生物環境下穩定性好,也用作生物醫學材料。此外,復合材料還用於製造體育運動器件和用作建築材料等。
復合材料的發展和應用
復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料,它可以發揮各種材料的優點,克服單一材料的缺陷,擴大材料的應用范圍。由於復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點,已逐步取代木材及金屬合金,廣泛應用於航空航天、汽車、電子電氣、建築、健身器材等領域,在近幾年更是得到了飛速發展。
隨著科技的發展,樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步,生產廠家的製造能力普遍提高,使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受,但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此,碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世,使高分子復合材料家族更加完備,已經成為眾多產業的必備材料。目前全世界復合材料的年產量已達550多萬噸,年產值達1300億美元以上,若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入,其產值將更為驚人。從全球范圍看,世界復合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產需均持續增長,而亞洲的日本則因經濟不景氣,發展較為緩慢,但中國尤其是中國內地的市場發展迅速。據世界主要復合材料生產商PPG公司統計,2000年歐洲的復合材料全球佔有率約為32%,年產量約200萬噸。與此同時,美國復合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍,達到4%~6%。2000年,美國復合材料的年產量達170萬噸左右。特別是汽車用復合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發展情況與政治經濟的整體變化密切相關,各國的佔有率變化很大。總體而言,亞洲的復合材料仍將繼續增長,2000年的總產量約為145萬噸,預計2005年總產量將達180萬噸。
從應用上看,復合材料在美國和歐洲主要用於航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸,歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本,復合材料主要用於住宅建設,如衛浴設備等,此類產品在2000年的用量達7.5萬噸,汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看,汽車工業是復合材料最大的用戶,今後發展潛力仍十分巨大,目前還有許多新技術正在開發中。例如,為降低發動機雜訊,增加轎車的舒適性,正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板;為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求,發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求,必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車製造業中。與此同時,隨著近年來人們對環保問題的日益重視,高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如,用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料,在北美已被大量用作托盤和包裝箱,用以替代木製產品;而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。
另外,納米技術逐漸引起人們的關注,納米復合材料的研究開發也成為新的熱點。以納米改性塑料,可使塑料的聚集態及結晶形態發生改變,從而使之具有新的性能,在克服傳統材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時,大大提高了材料的綜合性能。
樹脂基復合材料的增強材料
樹脂基復合材料採用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用於高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由於高強度玻璃纖維性價比較高,因此增長率也比較快,年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面,近年來民用產品也有廣泛應用,如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫製品以及近期報道的性能優異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬於耐高溫的玻璃纖維,是比較理想的耐熱防火材料,用其增強酚醛樹脂可製成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件,大量應用於火箭、導彈的防熱材料。迄今為止,我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中,只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平,且擁有自主知識產權,形成了小規模的產業,現階段年產可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能,首先在航空航天領域得到廣泛應用,近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛採用。據預測,土木建築、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模採用工業級碳纖維。1997~2000年間,宇航用碳纖維的年增長率估計為31%,而工業用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低,相當於國外七十年代中、末期水平,與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來,荷蘭、日本、前蘇聯也先後開展了芳綸纖維的研製開發工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場,年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高,因此被廣泛應用於航空航天領域的高性能復合材料零部件(如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、整流罩、方向舵等)、艦船(如航空母艦、核潛艇、遊艇、救生艇等)、汽車(如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等)以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一,尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性,許多國家已用它來製造艦艇的高頻聲納導流罩,大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域,在汽車製造、船舶製造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發達國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基復合材料
熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體,以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料製成的復合材料。環氧樹脂的特點是具有優良的化學穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度,廣泛應用於化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領域。1993年世界環氧樹脂生產能力為130萬噸,1996年遞增到143萬噸,1997年為148萬噸,1999年150萬噸,2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環氧樹脂,據不完全統計,目前我國環氧樹脂生產企業約有170多家,總生產能力為50多萬噸,設備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優異、低發煙性和耐酸性優異等特點,因而在復合材料產業的各個領域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹脂的產量為300萬噸,其中美國為164萬噸。我國的產量為18萬噸,進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年代發展起來的一類新型熱固性樹脂,其特點是耐腐蝕性好,耐溶劑性好,機械強度高,延伸率大,與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結性能好,耐疲勞性能好,電性能佳,耐熱老化,固化收縮率低,可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂,已廣泛用於貯罐、容器、管道等,有的品種還能用於防水和熱壓成型。南京聚隆復合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產乙烯基酯樹脂。
1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業主要是軍工產品,70年代後開始轉向民用。從1987年起,各地大量引進國外先進技術如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產線及各種牌號的聚酯樹脂(美、德、荷、英、意、日)和環氧樹脂(日、德)生產技術;在成型工藝方面,引進了纏繞管、罐生產線、拉擠工藝生產線、SMC生產線、連續制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術、樹脂注射成型技術及漁竿生產線等,形成了從研究、設計、生產及原材料配套的完整的工業體系,截止2000年底,我國熱固性樹脂基復合材料生產企業達3000多家,已有51家通過ISO9000質量體系認證,產品品種3000多種,總產量達73萬噸/年,居世界第二位。產品主要用於建築、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業領域。在建築方面,有內外牆板、透明瓦、冷卻塔、空調罩、風機、玻璃鋼水箱、衛生潔具、凈化槽等;在石油化工方面,主要用於管道及貯罐;在交通運輸方面,汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件,火車上有車廂板、門窗、座椅等,船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等;在機械及電器領域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產品都具有相當的規模;在航空航天及軍事領域,輕型飛機、尾翼、衛星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
熱塑性樹脂基復合材料
熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年代發展起來的,主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同,樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料,纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復合材料技術的不斷成熟以及可回收利用的優勢,該品種的復合材料發展較快,歐美發達國家熱塑性樹脂基復合材料已經佔到樹脂基復合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多,基體以PP、PA為主。產品有管件(彎頭、三通、法蘭)、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓製品(如吉普車座椅支架)、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖系統、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性。滑石粉增強PP在車內裝飾方面有著重要的應用,如用作通風系統零部件,儀表盤和自動剎車控制杠等,例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP製成的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
雲母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩定以及低密度、低價格等特點,利用雲母/聚丙烯復合材料可製作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件,利用該材料的阻尼性可製作音響零件,利用其屏蔽性可製作蓄電池箱等。
我國的熱塑性樹脂基復合材料的研究開始於20世紀80年代末期,近十年來取得了快速發展,2000年產量達到12萬噸,約占樹脂基復合材料總產量的17%,,所用的基體材料仍以PP、PA為主,增強材料以玻璃纖維為主,少量為碳纖維,在熱塑性復合材料方面未能有重大突破,與發達國家尚有差距。
我國復合材料的發展潛力和熱點
我國復合材料發展潛力很大,但須處理好以下熱點問題。
1、復合材料創新
復合材料創新包括復合材料的技術發展、復合材料的工藝發展、復合材料的產品發展和復合材料的應用,具體要抓住樹脂基體發展創新、增強材料發展創新、生產工藝發展創新和產品應用發展創新。到2007年,亞洲佔世界復合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%,目前亞洲人均消費量僅為0.29kg,而美國為6.8kg,亞洲地區具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發展
我國碳纖維工業發展緩慢,從CF發展回顧、特點、國內碳纖維發展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、「十五」科技攻關情況看,發展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結構調整
我國玻璃纖維70%以上用於增強基材,在國際市場上具有成本優勢,但在品種規格和質量上與先進國家尚有差距,必須改進和發展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈,推進玻纖與玻鋼兩行業密切合作,促進玻璃纖維增強材料的新發展。
4、開發能源、交通用復合材料市場
一是清潔、可再生能源用復合材料,包括風力發電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器;二是汽車、城市軌道交通用復合材料,包括汽車車身、構架和車體外覆蓋件,軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等;三是民航客機用復合材料,主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約佔10%,主要產品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架,將形成民航客機的大產業,復合材料可建成新產業與之相配套;四是船艇用復合材料,主要為遊艇和漁船,遊艇作為高級娛樂耐用消費品在歐美有很大市場,由於我國魚類資源的減少、漁船雖發展緩慢,但復合材料特有的優點仍有發展的空間。
5、纖維復合材料基礎設施應用
國內外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛,與傳統材料相比有很多優點,特別是在橋樑上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。
6、復合材料綜合處理與再生
重點發展物理回收(粉碎回收)、化學回收(熱裂解)和能量回收,加強技術路線、綜合處理技術研究,示範生產線建設,再生利用研究,大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠製品中的應用以及在SMC/BMC模壓製品中的應用和典型產品中的應用。
21世紀的高性能樹脂基復合材料技術是賦予復合材料自修復性、自分解性、自診斷性、自製功能等為一體的智能化材料。以開發高剛度、高強度、高濕熱環境下使用的復合材料為重點,構築材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料系統。組織系統上將是聯盟和集團化,這將更充分的利用各方面的資源(技術資源、物質資源),緊密聯系各方面的優勢,以推動復合材料工業的進一步發展。
⑺ 雲母的綜合利用
礦山開采出來的雲母原礦,經第一次手選選出工業原料雲母,再經多次加工,分選成各類規格的成品雲母片,整個加工過程中,產生大量雲母邊角料。以白雲母為例,從礦山開采雲母原礦經第一次加工,只能選出約30%的工業原料雲母(≥4cm2),其餘的便成為雲母渣和其他廢料。這些工業原料雲母經第二次加工,只能選出15%左右的厚片雲母。再進一步剝離成薄片,加工成各種零件,還有大量的損失。從雲母開採到加工成各種類雲母成品,總的利用率不超過3%~10%。其餘90%以上都是雲母碎渣。
在我國,雲母加工廠中剝片後的雲母廢渣,以及雲母零件加工後的雲母邊角料,除了一部分用於造紙和制雲母粉外,一部分被廢棄。長期堆積,資源浪費,還造成環境污染。
在雲母工業中,所謂綜合利用,是指除使用大片雲母以外,還充分利用開采出來的一切細碎雲母,還包括合成雲母中的細碎雲母,以提高企業的經濟效益。雲母綜合利用的途徑非常多,歸納起來主要有以下幾個方面:①生產雲母紙;②生產雲母粉;③生產雲母陶瓷;④生產雲母熔融製品;⑤生產雲母珠光顏料;⑥生產雲母增強塑料。
由於綜合利用途徑的擴大,以及各種雲母製品品種的增加,雲母企業的產品結構從過去以生產大片雲母為主的產品結構,已逐漸轉移到現在以加工碎雲母為主要產品的產品結構。如雲母紙的大量生產,在大型電機中已大量取代了雲母薄片產品。產品結構轉變的另一個特點是生產電氣材料轉向生產非電氣應用材料。
一、生產雲母紙及其製品
長期以來,雲母一直是電氣工業中不可缺少的絕緣材料。例如10萬千瓦,10千伏級的兩極汽輪發電機,要用1000kg雲母帶,其中雲母約佔450kg。目前,雖已出現很多新材料,但還沒有任何一種絕緣材料能夠取代雲母。隨著電氣工業的發展,對雲母的需求量不斷增加。但雲母開采困難,剝製片雲母全憑手工操作,出成率極低,解決這一矛盾的有效途徑就是雲母紙的製造與利用。
雲母紙首先由法國研製成功,於1947年投入生產並取得專利權。雲母紙製造技術與大規模集成電路、高溫塑料、光導纖維並駕齊驅,在國外被譽為對當代電氣、電子工業作出重要貢獻的四大技術之一。可見雲母紙的製造在現代化技術中的重要作用。
我國自20世紀60年代後,依靠本國的技術力量,也研製成功了粉雲母紙,70年代後又先後研製成功大鱗片雲母紙、合成雲母紙等新型材料。目前在大電機上幾乎全部用粉雲母紙做主絕緣體。
(一)雲母紙的生產工藝
雲母紙的整個生產工藝過程及設備同其他類紙相比,最大的差別在於制漿工藝不同。雲母紙的生產工藝如下:
製造雲母紙漿→雲母紙抄造→成品整理→膠粘劑→補強材料→雲母紙製品
(二)雲母紙漿的製造
將厚度為毫米級的碎雲母破碎成厚度為微米級以下的細小雲母鱗片,然後將適合於製造雲母紙的雲母鱗片分選出來,並與一定數量的水混勻的過程,就是雲母紙漿的製造過程。
雲母紙是由多層雲母鱗片之間的吸引力(范德華力等)結合在一起而形成的。因此,面積越大,厚度越薄的雲母鱗片,製成的雲母紙性能就越好。為了保證雲母紙的質量,雲母紙漿鱗片應符合如下要求:薄片厚度為微米級;鱗片厚度比50~100以上;鱗片面積大小均勻;表面缺陷少;表面清潔純凈,未受污染。
雲母紙漿的製造方法一般採用煅燒化學制漿法、水力制漿法等。
1.煅燒化學制漿法
將精選的雲母碎片經高溫煅燒脫去雲母結構中的結構水,使雲母碎片沿垂直於解理面的方向膨脹,質地變軟,再用化學處理,使雲母片充分地解理分裂,再洗滌、攪拌,這種方法叫煅燒化學製造法,俗稱熟法。抄造成的雲母紙叫熟雲母紙,又叫粉雲母紙,工藝流程如下:
非金屬礦產加工與開發利用
化學處理法又分為:
(1)酸鹼法
將煅燒雲母不經冷卻就放入濃度為2%~10%的Na2CO3溶液中浸泡5~30分鍾,再加入濃度為2%~3%的HCl或H2SO4,使其發生中和反應,產生大量的CO2氣體,促使已初步膨脹的雲母片進一步膨脹破裂,然後經機械攪拌,加水清洗成雲母漿。
(2)碳酸銨法
將煅燒後的雲母熟料浸沒在碳酸銨溶液中,然後將吸泡了碳酸銨溶液的熟料在反應釜中加熱到100~400℃,(NH4)2CO3就分解成CO2和NH3,雲母層被進一步撐開破裂,攪拌成漿。
(3)酸處理
將雲母熟料浸沒在2%~5%的稀酸中,加熱處理成漿,處理條件為:固∶溶液為1∶8~1∶12,處理溫度為90~100℃,時間為30~60分鍾。
2.水力制漿法
在特製的腔體內,用高壓噴射水流將雲母片剝離破碎成細小鱗片,然後用選礦方法將適合造紙的雲母鱗片分選出來的方法。其過程為:
雲母碎料→分選→水洗→水力制漿→水力旋流分級→脫水濃縮
(三)雲母紙的抄造工藝
雲母紙的整個生產工藝過程及設備同生產其他類型的紙相比,最大的差別在於制漿工藝不同。雲母紙的抄造工藝及設備,從整體看與其他各類紙和紙板的製造工藝和設備相同。
造紙機的構成:網部、壓榨部、烘幹部、整飾部、卷取部、傳動部等。漿料池中的2%~3%濃度的雲母漿用水稀釋到0.3%~0.7%的濃度。放入順流溢漿式網槽內。圓網籠一轉入網槽漿液中,就開始對漿液的過濾作用,即漿體水分漏過篩網,雲母片就濾在網籠上,當漿液流速與網籠的線速度一致時,就能夠均勻上漿,形成均勻的雲母紙胎。
雲母紙胎隨著圓網籠在網槽內不停的轉動而連續成型,成型的紙胎在伏輥的作用下,由無端環形毛毯包繞而過,由於毛毯的比表面積遠遠大於圓籠的比表面積,所成的濕胎紙就被轉附在毛毯上,被毛毯托住,經真空吸水箱、壓榨部進一步脫水,在此抄造過程中,網部脫去的水分約為95%~98%,在毛毯的保護下,傳送到蒸汽烘缸部分乾燥,再送到卷紙部分卷取,即為雲母紙的抄造成型過程。
(四)雲母紙製品
不論是煅燒型雲母紙(熟紙)還是非煅燒型雲母紙(生紙),其機械強度都很低,一般不能直接使用。因為雲母鱗片之間全靠剩餘鍵力結合,而且雲母鱗片新鮮表面很易吸收水分、羥基以及其他類型的離子或分子氣體,這樣就影響了雲母的緊密結合,所以雲母紙需與膠粘劑、補強材料一起做成各種製品,如雲母板等,才能滿足不同用途的要求。
1.原材料及要求
1)雲母紙胎:經檢驗合格的雲母紙胎。
2)膠粘劑:應選用電氣絕緣性能好、防潮、耐水、耐葯品、熱穩定性好、膠粘能力優異、機械強度高的膠粘劑。如蟲膠,改性有機硅膠,改性有機鈦環氧膠,聚酯還氧膠,磷酸鹽,硼酸鹽等。
3)補強材料:常用無鹼玻璃布,雲母帶紙(桑皮纖維所制,高度浸漬能力,機械性能好,厚度為0.025~0.005mm,拉力大,重量輕),電話紙(不經漂白的硫酸紙漿製成),聚酯薄膜,全芳香族聚酯醯銨纖維紙等。
2.生產工藝
將雲母紙和補強材料裁成要求大小,據成品厚度搭配毛坯,塗刷膠粘劑後,在100~130℃溫度下烘熔,以10~20kg/cm2的壓力壓制5~30分鍾,冷卻至室溫後出料。工藝過程如下:
雲母紙+補強材料+膠粘劑→經熱壓固結而成。
3.常見的雲母紙製品
根據膠粘劑的種類、用量和補強材料不同,將雲母紙製品分為粉雲母帶、柔軟粉雲母板、塑型粉雲母板、耐熱粉雲母板、粉雲母箔等。
(1)粉雲母帶
如:多膠粉雲母帶:含膠35%以上,厚度0.14~0.16mm;
少膠粉雲母帶:含膠量5%左右,厚度0.14mm;
三合一粉雲母帶厚度0.14~0.16mm;
防火粉雲母帶:厚度0.1~0.15mm;
柔軟雲母板:厚度0.42mm;
粉雲母紙:厚度0.04~0.08mm。
(2)塑型粉雲母板
塑型粉雲母板在常溫下是硬質板,稍脆,加熱時變軟,有可塑性,在外力作用下可以製成不同形狀的零件,如管材等。
生產方法:先將玻璃布平鋪於工作台上,均勻地刷上配好的膠粘劑,平放粉雲母紙再刷膠粘劑。根據製品的厚度而增加粉雲母紙的張數。如果是雙面補強,則再加上一層玻纖布,而後將此制好的塑型粉雲母板坯放在鐵絲網上,140~150℃烘乾2h。將烘乾的毛坯按厚度疊成板坯,按柔軟粉雲母板相同的順序排料,而板坯張數則根據厚度要求來確定,擺平後進行壓制。壓制條件為140~160℃預熱20~40分鍾,而後在15~20kg/cm2壓力下壓制15~20分鍾。
(3)耐熱粉雲母板
改進的耐熱粉雲母板主要取決於膠粘劑。雲母本身耐熱在600℃以上,耐熱膠粘劑有無機膠粘劑、有機膠粘劑(特殊型的)和有機與無機混合膠粘劑等。如:耐熱有機硅膠、磷酸銨類、磷酸鋁類、硼酸鹽類、硅酸鹽類。
(4)粉雲母箔
由粉雲母紙、膠粘劑與補強的玻纖布或電話紙經烘熔壓制而成,它在一定溫度下具有可塑性,可做電機、電氣卷繞絕緣材料。
二、雲母陶瓷
(一)概述
雲母陶瓷可分為天然雲母陶瓷和合成雲母陶瓷,天然雲母陶瓷又稱為雲母玻璃(國外常稱glass bonded mica),合成雲母陶瓷又稱陶瓷塑料(國外稱supramica或eramoplas-tic)。英國人在1918年首先搞成熔融玻璃黏結雲母來製造板材,1921年美國獲得了用天然雲母生產雲母陶瓷的專利,我國在20世紀60年代初開始進行天然雲母陶瓷的研究,並進行了小批量生產。
雲母陶瓷的生產,通常是先將雲母粉碎,然後與特種玻璃粉或其他無機粉料按一定比例混合,經壓坯、焙燒、熱壓或注射成型、退火等工藝製成的一種復合材料。
(二)生產工藝
1.原料要求與配方
雲母陶瓷的原料組成為雲母粉、玻璃粉、少量礦化劑或助熔劑。
雲母粉:純度>98%,水分<1.5%,粒度60~100目≥60%、100~200目≤30%,-200目≤10%。
玻璃粉:選用軟化點低,浸潤性好的鉛玻璃(PbO=81.6%,B2O3=18.4%),要求粒度為-200目,800℃澄清均化,使雲母在高溫下不至於結構被破壞,從而不失去雲母原有的性質。
礦化劑:能起助熔劑作用,降低燒結溫度。礦化劑種類有K2CO3,Na2CO3,AlF3,PbF2,Na3AlF6,K3AlF6。添加量為1%~3%。
配方:通常玻璃粉質量佔30%~50%,雲母粉佔50%~70%,礦化劑佔1%~3%。
如果熱壓產品形狀復雜,可適當增加玻璃粉用量,使其≥60%,增加雲母粉細度。
如果熱壓產品形狀簡單,可適當增加雲母粉用量,雲母粒度可稍粗,這樣壓出來的產品在電性能、強度、熱穩定性等方面更為理想;注射成型工藝中,要增加玻璃粉用量。
2.熱壓成型工藝
非金屬礦產加工與開發利用
脫模後,為了消除熱應力,需要對其退火。將脫模後的產品放入隧道爐中,使入爐溫度與脫模溫度相近,並使溫度均勻降低,降溫速度為30℃/h,當出口溫度低於60℃時出爐,即得雲母陶瓷成品。
(三)雲母陶瓷的特點及用途
雲母陶瓷是一種復合物,兼有雲母、陶瓷、塑料三者的優點,即既具有塑料那樣的熱塑性,又具有雲母的優良的電氣絕緣性和可加工性,還具有陶瓷的耐高溫性,是一種具有多種性能的復合材料。
雲母陶瓷製品主要用在電氣設備中做絕緣件,在郵電、無線電、宇航等方面有其廣泛的應用。
雲母陶瓷的品種較多,除了用熔融玻璃做黏結劑的雲母陶瓷以外,還有磷酸鹽結合雲母陶瓷,熱壓純雲母陶瓷等,生產工藝均相近。
三、雲母珠光顏料
(一)概述
自古以來,珍珠與寶石一樣是貴重的裝飾品,珍珠之所以能作為裝飾品,是由於它具有珍珠光澤。人們早就盼望用人工的方法製造出珍珠光澤的裝飾品。早在17世紀中葉(1650年)巴黎的捻珠製造商從淡水魚(obeitte)的魚鱗中提取鳥嘌呤的微細晶,即具有珍珠光澤的天然珠光素,再把它分散於凝膠中,然後把這種凝膠灌入空心玻璃內,冷卻固化成型,就製成了模造珍珠。
天然珠光素(別名魚鱗)有兩個缺點:一是原料來源短缺,質量低,價格高;二是色澤鮮明度容易變化,質量不穩定。
從此以後幾百年中,在發展模造珍珠的同時,逐步發展起來了珠光顏料的人工合成生產技術。合成珠光顏料主要有鉛的化合物,如鹼式碳酸鉛2PbCO3·Pb(OH)2,主要用於陶瓷彩釉、美術、化裝用品、防銹漆、戶外用漆用珠光顏料。鉍的化合物,如鹼式碳酸鉍(BiO)2CO3H2O,用於珠光塑料的添加劑和化妝品的附著劑。由於鉛、鉍化合物具有毒性,無法在食品容皿、化妝品、玩具塗層等方面使用,因此急需尋找一種無毒、廉價的珠光顏料,於是就出現了雲母珠光顏料———雲母鈦。
幾十年前,美國杜邦公司開發了一種在鱗片雲母表面塗上一層二氧化鈦薄膜的技術,與以往的珠光顏料天然珠光素、鉛及鉍化合物相比,具有原料來源廣,價格低,無毒性,性能穩定,用途廣等優點。目前,這種雲母珠光顏料在國際上需求量很大,國內需求量也在不斷增加,這是雲母綜合利用的一個新的重要方面。
(二)雲母鈦珠光顏料的製法———水解製取法
水解製取珠光雲母的工藝過程:
白雲母原料→濕法粉碎→分級→水解鍍鈦→水洗→脫水→乾燥→焙燒→製品。
濕法粉碎得到的雲母鱗片,其表面光滑、擦痕少、性能好、珍珠光澤強,常被採用。分級是為了獲得大小合適的雲母鱗片,當薄片雲母大小為5~27μm時,所製得的珠光雲母光澤強,能發出均勻的艷光;<5μm時光澤較均勻,>40μm時光澤強,但不能發出均勻的艷光。工業生產中鍍鈦所用的鈦鹽常用TiOSO4,,TiOSO4在水解過程中,產生的一種偏鈦酸H2TiO3的物質,沉澱覆蓋在雲母鱗片上,形成一層均勻的H2TiO3薄膜,再將覆蓋有H2TiO3薄膜的雲母進行焙燒後,結晶出TiO2的晶體薄膜。其反應過程為:
非金屬礦產加工與開發利用
該反應為吸熱反應,並且伴有H+參加反應,故水解受兩個方面的影響:溫度和水解液的pH的值。溫度和pH值對水解過程的影響如下:
1.溫度
水解溫度高,鈦鹽水解率增大,水解速度快,水解產物TiO2·xH2O顆粒粗,珠光效應均勻。水解的溫度低,鈦鹽水解速度慢,生成的TiO2·xH2O顆粒細而均勻,珠光效應較強,但工業生產中,低溫下TiOSO4水解率低,浪費葯劑,成本增高。從珠光效果、生產成本綜合考慮,95℃為最佳水解溫度,既能獲得較高的水解率,又能保證珠光顏料具有較佳的珠光效應。
2.pH
當pH>4時,水解速度快,生成的TiO2·xH2O具有膠質特徵,很難覆蓋在雲母表面形成雲母鈦,同時由於水解速度快,生成的TiO2·xH2O顆粒粗,焙燒後光澤較差。當pH<1.7,將抑制TiOSO4的水解,引起水解率降低;另一方面,濃的熱硫酸對白雲母表面產生腐蝕,引起表面缺陷,粗糙度增大,使製得的雲母鈦漫反射加強,光澤降低。最適合的水解pH=2~1.7。
3.水解時間
水解時間一般3~5小時就能達到水解平衡,繼續延長反應時間,則使微細偏鈦酸凝聚,形成粗粒集合體,難於被雲母表面吸附形成雲母鈦。
焙燒的目的在於脫除偏鈦酸中的膠體水、SO42-、SO3等雜質,使TiO2結晶,增強雲母鈦的珠光效應。經試驗,800℃熔燒2~3h,就能完成TiO2的結晶和晶型轉化。
這種工藝生產的雲母鈦,表面的TiO2多為銳鈦礦晶體薄膜。
武漢工業大學北京研究生部吳一善等人研究結果認為:在水解過程中,加入晶形轉化劑AB2化合物(具有金紅石結構),可促使雲母表面的TiO2·xH2O在焙燒過程中轉化為金紅石型的TiO2,因為金紅石型結構更為穩定,物理、光學性能更為優異,是雲母鈦的理想形式。
(三)雲母珠光顏料的主要用途
1)塑料填料:化妝品,食品容器用塑料的填料,使製品具有珍珠光澤。
2)裝飾塗料填料:如丙烯酸類塑料紐扣塗層;小轎車車身塗料填料;化妝品如唇膏、指甲油的填料。
四、雲母粉的生產
(一)雲母粉的用途
>5目雲母粉主要用作石油鑽井泥漿材料;
8~20目雲母粉用作油氈屋面的材料中防粘層,防護層,電纜包裹層;
40~60目雲母粉用作電焊條葯皮原料;
60~120目雲母粉用作雲母陶瓷的基本原料;
100~-325目雲母粉在油漆、橡膠、塑料等工業中用作填料。
在油漆中使用雲母粉有如下優點:
1)雲母粉能反射光和熱能,可減少紫外線或可見光對漆膜的破壞;
2)增強塗層的耐酸、耐鹼和電絕緣性能;
3)雲母薄片能反光,珍珠光澤使塗層美觀;
4)提高塗層的耐候性、抗凍性、抗腐性、堅韌性和密實性;
5)可代替部分昂貴的油漆顏料原料鈦白粉,降低成本。
(二)雲母粉的生產方法
1.干法
干法生產雲母粉一般採用粗碎、細碎和超細粉碎三級粉碎工藝。
粗碎:排料粒度<25mm,常用錘式破碎機,主要是擠壓、劈裂作用。
細碎:排料粒度<2mm,常用萬能粉碎機,剪切力為主。
超細粉碎:進料<100目,排料粒度<325目,常用氣流粉碎機,以碰撞、摩擦、剪切力為主。
干法雲母粉特點:表面擦痕多、薄片破損嚴重、強度下降30%,但產量大、成本低。
2.濕法生產
濕法生產雲母粉一般採用輥碾機,輥碾機是一隻直徑為180~3000cm,高90~150cm的圓形鋼筒,底座襯上木塊,碾輥半徑50~76cm,碾輥的表面是木質或其他軟制材料製成。輥碾機分為雙碾輥和四碾輥兩種,碾輥公轉轉速為15~30轉/分。
生產過程是在清洗過的鱗片雲母中加入30%~45%的水,形成糊狀,放入輥碾機中,輥碾一定時間後,將輥碾機中的漿料稀釋、過篩,送到沉澱池內再稀釋,靜置一段時間,把沉澱下來的粗料重新返回輥碾機中再碾磨,細雲母粉的懸浮顆粒經輸送管打入另一隻池中沉澱36小時以上,把清水吸掉,雲母粉漿料再經壓濾或離心脫水、熱空氣乾燥,可得325目的雲母粉。
濕法雲母粉特點:雲母片擦痕少、表面光滑、對機械強度影響小,強度損失<5%,但生產工藝復雜,成本高。
五、雲母增強塑料
1.概述
雲母增強塑料是一種利用徑厚比很大的雲母鱗片,經偶聯劑處理後,與熱塑性樹脂或熱固性樹脂製成的復合材料。
1972年,加拿大多倫多大學化學工程系伍法哈姆(R.T.Woodham)教授首先利用雲母製成雲母增強塑料的復合材料。
雲母鱗片要求:徑厚比值越大,其製品的強度越高。
偶聯劑:由於雲母與塑料是兩種不同性質的物質,它們之間有很大程度上的不相容性,再加之雲母與塑料的彈性模量不一致,界面間易產生剪切應力,影響其復合材料的力學性能。偶聯劑又稱表面處理劑,它能把兩種不同性質的物質通過化學作用或物理作用結合起來,即它能把無機填料(雲母)和有機高分子基料(塑料)兩種不同性質的物質緊密地結合起來,因此,偶聯劑也是無機物和有機物界面間的橋梁。常用硅烷類偶聯劑對雲母粉進行表面改性。
2.生產工藝
雲母粉→表面改性→加入樹脂混煉→熔融→注射成型→冷卻→脫模。
要求雲母徑厚比>100,粒度分布窄,用量占工程塑料的30%~50%,最高可達70%。偶聯劑的用量為填料的0.5%~3%。
3.雲母增強塑料性能及用途
1)力學性能:強度高,與玻璃鋼相似,其特點能使塑料在二維方向增強,而不是像玻纖或石棉只沿一個方向增強。雲母增強塑料的抗拉強度、抗彎強度與玻璃鋼大致相同,熱變形溫度比玻璃鋼高,唯一的缺點是缺口沖擊強度不如玻璃鋼好,這一點可以通過添加少量玻纖而被克服。
2)熱學性能:雲母增強型塑料的熱膨脹系數、收縮率在各個方向均勻下降,而不像玻璃纖維增強塑料在不同方向有不同的收縮率。
3)電器絕緣性能:擊穿電壓高,加上硅烷聯偶劑的使用,在潮濕的環境中也能保持它的力學性能和電學性能。
4)化學穩定性好:耐酸、耐鹼以及有機溶劑,雲母不飽和樹脂,雲母環氧樹脂可做防腐塗層。
5)防輻射性能好:可防止塑料老化。
6)主要用途:小型汽車前保險杠、儀表盤、輕型飛機機翼,轎車上所用的塑料大部分為雲母工程塑料。
六、合成雲母熔鑄製品
1.概念
合成雲母熔鑄製品是採用合成雲母碎晶片作為主要原料,經配料、熔化、澆注成型、結晶退火等工序而製成的一種耐高溫、可加工、抗腐蝕的新型無機絕緣材料。
國外對合成雲母熔鑄製品的研究是從20世紀60年代後期開始的,20世紀70年代初,我國也開始了合成雲母熔鑄製品的研究和小批量生產。
2.製作工藝
(1)原料及要求
合成氟金雲母:晶體化學式為KMg3〔AlSi3O10〕Fe,使用溫度為1100℃,熔化溫度1370℃;添加劑:ZnO,Cr2O3,Be2O3,PbO,CaF2;用量為8%,其作用主要是改變製品的結晶溫度,改變晶粒的尺寸和形狀,改變材料的化學穩定性。
(2)生產工藝
原料配比→熔融→澆注→結晶→退火→製品
使原料在1420℃下呈熔融狀態,均化2~3h後,將流動的熔體注入模具內成型。板狀製品一般用重力澆注成型,管、環狀製品採用離心澆注成型;為了消除結晶過程和冷卻過程所產生的內應力,必須對其退火,一般製品退火溫度是從600℃開始的。
合成雲母熔鑄製品是一種雲母微晶聚合體,經X射線衍射分析,其結構與合成氟金雲母一致。
3.性能
1)機械加工性好:可用一般的機械加工方法進行切割、鑽孔、銑刨、磨拋,並能加工成形狀復雜的零件,其尺寸精確,表面光潔。
2)化學穩定性好:耐酸鹼、耐有色金屬及鹼土金屬熔融體的腐蝕。
3)熱穩定性好:將其加熱至800℃後立即放入冷水中,反復幾十次也不會產生爆炸。長期使用溫度1100℃。
4)電絕緣性:是很好的電絕緣材料。
5)機械強度:具有一定的韌性,但還是一種脆性材料。
4.應用
金屬熱處理行業:合成雲母熔鑄製品的加工性,耐高溫性,電絕緣性,機械強度等方面,一般材料(陶瓷,塑料)都不能與之相比,用於金屬熱處理設備中的離子氮化爐的陰極絕緣件。
有色冶金:作輸送Zn、Al合金熔體的管道材料。
國防工業:作導彈噴口喉襯材料。