压延微晶玻璃粘结易脱落问题的研究

贾锡永,张绍金,郭成明

(1.安徽华慧晶甲微晶材料有限公司,明光 239400;2.中冶焦耐工程技术有限公司,大连 116000; 3.上海裕项防水装饰材料有限公司,上海 200942)

压延微晶玻璃粘结易脱落问题的研究

贾锡永1,张绍金2,郭成明3

(1.安徽华慧晶甲微晶材料有限公司,明光 239400;2.中冶焦耐工程技术有限公司,大连 116000; 3.上海裕项防水装饰材料有限公司,上海 200942)

笔者通过多年的系统研究,不但解决了压延微晶板表面的玻璃相问题,而且在微晶板表面形成了“粗糙”层。由胶泥的粘接机理中的“机械啮合力”的启发,攻关生产出带“沟槽纹”的压延微晶板,显著的提高了微晶板与胶泥的粘结强度,这是解决压延微晶板脱落系统工程研究中的一个重要环节。

粗糙度; 棚堵; 水膜层; 压延微晶板

压延法生产的矿渣微晶玻璃,作为工业防护材料得到了广泛的应用,如在煤炭、发电、焦化、水泥、钢铁等领域,成效越来越显著。这是因为矿渣微晶玻璃具有独特的性能:耐磨性能好,矿渣微晶玻璃的硬度高,莫氏硬度在8以上,纳米级的晶体排列致密,析晶率高,在使用过程中其表面易形成光滑的镜面,摩擦系数小,光泽度可达120以上。

1 存在的问题

由于矿渣微晶玻璃的主成分为硅酸盐,所以其表面残留有大量的硅氧共价键和羟基键(详见图1、图2)。

当储存和运行中的物料含有水分或有极性的液体时,在微晶玻璃板的表面可化学吸附一层“水膜”,就是这层“水膜”可大大减少物料接触面的摩擦系数,不但提高了压延微晶板的使用寿命,而且还能起到物料的促流效果,解决了粉状物料容易“棚堵”的难题[1]。矿渣微晶玻璃耐腐蚀性能好,硅酸盐属于中性材料,既耐酸也耐碱,压延微晶板的内部吸水率极低,也不会产生酸、碱、盐的膨胀腐蚀,当压延微晶板表面化学吸附一层极性物质(水膜)时,就能起到对微晶板的隔离保护作用。压延法生产矿渣微晶玻璃有很好的耐热性能,微晶玻璃的晶化温度在900℃以上,从理论上讲在900℃以下长时间使用是没有问题的,只有在高于结晶温度时才可能破坏晶体结构,因此压延微晶玻璃在热冲击性能不大的工况下,可在较高温度(900℃以下)长期使用。

综上所述,作为工业防护材料能够同时具备耐磨、耐腐、耐热的性能,首选产品便是压延矿渣微晶玻璃。诚然,矿渣微晶玻璃作为工业防护材料优点较多,但是微晶板的粘结脱落也是一个亟待解决的问题。

2 增加粘结强度的几种研究方向

我公司广泛征求用户和设计院所的意见,并且长期与高校、科研院所合作联合攻关,近几年来做了系统的研究,研究成果有4个方面:1)压延微晶板表面的粘结面积和粘结面的形状结构设计;2)研究粘结压延微晶板的专用胶泥;3)根据不同使用工况设计相对应的施工工艺;4)特殊部位采用“结构件”的设计。以上4个研究方向可以比较系统、科学、可行的解决压延微晶板材的粘结脱落问题,有些方法已申请了国家专利。

该文着重论述如何提高压延微晶板表面的粘结面积和粘结面的形状结构设计问题。下面我们从粘结强度的数学表达式进行分析

式中,R粘为胶泥的粘结强度,MPa;P为破坏荷载,N;F为受力面积,mm2。

从式(1)可见,对于同一种胶泥和被粘结板材(压延微晶板材)来说,胶泥的粘结强度是一个定值。也就是说仅仅靠提高受力面积F,实现增大破坏荷载P是有限的,而且受力面积增加到一定范围以后,可能要降低压延微晶板材的其它技术指标。

3 增加粘结面积的板材表面设计

众所周知,抗拉强度是检测胶泥的粘结强度的一个指标,剪切强度与粘结强度是检测胶泥与板材的粘结性能指标的,但是它们的受力方向是不同的,剪切力平行于粘结面,而粘结强度的破坏荷载力是垂直粘结面的。一般来说,同种材料的粘结,剪切强度大于粘结强度,抗拉强度远大于剪切强度和粘结强度,压延微晶板粘贴在设备上或筒仓内,它的受力是物料给它的摩擦力和压力,可见摩擦力是与板材粘结面平行的。而物料对压延板的压力又可以分解为与压延板面平行的下滑力和垂直的正压力,由于正压力与压延板的破坏荷载力是方向相反的两个力,正压力是一个保护压延板不脱落的力,导致压延微晶板材粘结脱落的力主要是摩擦力和下滑力的合力。

由此,我们可以得出一个结论:压延微晶板材与胶泥的粘结面的形状结构是至关重要的,在微晶板的粘接面压成平行的“沟槽纹”,而且“沟槽纹”的方向与物料流动方向垂直。这是为了增加粘结面的机械啮合力,而且这种机械啮合力[2]将成为最主要的粘结力,因为它包含了胶泥与板材粘结力、剪切力和胶泥的抗拉力(抗拉强度的单位面积受力),从实验数椐可得出,增加的粘结力远大于增加粘结面积的百分比值(粘结面积仅增加20%左右,剪切强度增加了50%～70%)。

为了证明这个结论,我们做了多种方案的试验研究,如:增加压延微晶板材粘结面的粗糙度、“井”字型的凹槽和等距离的平行沟纹槽。对这3种粘结面的结构形状分别做了实验,在做压延微晶板胶泥粘结的剪切力试验时,我们模拟压延微晶板材在使用过程中,受到物料的压应力,等距离的平行沟纹槽的压延板,沟纹槽的方向与受力方向成垂直角度,检测的剪切强度比其它指标高出50%～70%(见表1)。随着压应力的增加剪切强度成指数级增加,直到胶泥凸出部分被剪切掉时,剪切强度增加到两倍以上,这也说明了机械啮合力起到主要作用。

其它试验也都有利于粘结强度的提高,比如压延微晶板材表面粗糙度可以叠加在等距离的平行沟纹槽的压延板上。工艺过程是这样来实现的:矿渣微晶玻璃是用压延法进行生产,其中压延辊需要经冷却水充分冷却后才能实现玻璃液的压延定型,尤其是生产16 mm以上厚度的压延微晶板材时,冷却强度要更大才能实现压延后玻璃板定型(玻璃板不再变形),这样一来必然导致压延玻璃板表面过冷却,将产生1～2 mm的玻璃相(铸石浇注生产靠模具一面也被过冷却,有1～2 mm的玻璃相),就是因为晶核剂在过冷却时被“冻死”。我们在工艺上采取了改进,增加晶核剂的用量,延长均热带的时间(核化区前面的温度区),使得被“冻死”的晶核剂再苏醒过来。这样不但解决了压延微晶板材表面玻璃相的问题,而且还提高了微晶玻璃板表面粗糙度,更重要的是提高了压延微晶板材的理化技术指标[3]。

表1 压延微晶板的粘结试验检测表

进一步的研究,通过正交试验分析建立了数学模型,优化出等距离的平行沟纹槽的压延板的结构参数,槽间距离12～15 mm,槽深3～4 mm,压延微晶板材与胶泥的粘结强度可提高50%～70%,剪切强度可提高130%～170%。对试验数椐分析发现一种现象,等距离的平行沟纹槽的凹槽和凸顶部分,是弧形过度比棱角过度更有利于粘结强度的提高,是否是因为凹槽和凸顶的棱角不利于胶泥的润湿和吸附(关于胶泥与压延微晶板材的润湿和吸附,也是影响胶泥粘结强度的因素,在压延微晶板材专用胶泥的研究中得出的结论)仍有待进一步的研究和探索。

4 结 语

压延微晶板材作为《钢筋混凝土筒仓设计规范》推荐应用的内衬材料,它不仅仅是起到保护钢筋混凝土筒仓不受酸性液体和酸性气体的“碳化”侵蚀[4]的作用,同时更能解决物料尤其是含水分的细颗粒物料的“棚堵”问题,这些都是与压延矿渣微晶玻璃独特的物理化学结构分不开的,在很多工程案例中也充分证明了这点。至于在解决物料的“棚堵”问题,以及在钢厂腐蚀、磨损与高温等因素共存的恶劣环境下,压延微晶板材都可称之为量身定做的新型耐磨防腐材料。可以这么说,若解决了板材的粘结脱落问题,压延矿渣微晶板有广阔的应用前景。

[1] 周 洪.新材料—微晶铸石在选煤厂的应用[J].煤质技术,2002,36(5):24-25.

[2] 黄世强,孙争光,吴 军.胶黏剂及其应用[M].北京:机械工业出版社,2011.

[3] 贾培祥.提高压延微晶板的粘结强度的实践与研究[J].工业玻璃和特种玻璃标准化通讯,2013,18(1):17-19.

[4] 王纯进,贾锡永.压延微晶板阻隔钢筋混凝土煤仓碳化的实践与研究[J].能源技术与管理,2014,30(2):149-150.

Research on the Problem of the Shedding of Rolling Glass-ceremic

JIA Xi-yong1,ZHANG Shao-jin2,GUO Cheng-ming3
(1.Anhui Huahui Jingjia Microcrystalline Material Co,Ltd,Mingguang 239400,China;2.Metallurgical Coke Resistance Engineering Technology Co,Ltd,Dalian 116000,China;3.Shanghai Yuxiang Waterproof Decorative Material Co,Ltd,Shanghai 200942,China)

After many years of system research,the author has not only solved the problem of the glass phase of the glass-ceremic surface,but also formed a“rough layer”.Owing to the inspiration of the boading mechanism of“mechanical force”,we have creatively produced the rolling microcrystalline plate with trench lines,greatly improved the boading strength of the ceramic plate and cement,which is also an important step to solve the problem of the shedding of glass-ceremic in the course of construction.

roughness; blocking; blocking water layer; rolling glass-ceremic

2014-07-17.

贾锡永(1982-),工程师.E-mail:ahhuahui@vip.sina.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.015