TPU回收料的添加量对注塑金刚石绳锯串珠固定性能的影响

2023-10-07罗涛

超硬材料工程 2023年4期

罗涛

(1.桂林特邦新材料有限公司,广西桂林 541004;2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司广西超硬材料重点实验室,国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西特种矿物材料技术创新中心,广西桂林 541004)

0 引言

在石材大板加工制造中,金刚石组合绳锯是花岗岩和硬度高、材质差异大等奢石类荒料的有效加工方式之一。根据金刚石串珠制备方式的不同,金刚石绳锯主要分为烧结型、电镀型、钎焊型等。由于金刚石绳锯在切割过程中,金刚石串珠会受到较大的轴向冲击力,制备中便需要将其牢固的固定于钢丝绳上。而固结金刚石串珠于钢丝绳上的主要材料有橡胶、塑料和弹簧三大类[1],注胶金刚石绳锯多用于矿山荒料开采,注塑金刚石绳锯多用于荒料大板加工。注塑金刚石绳锯用塑料除用作金刚石串珠固定材料以外,还可起到包裹钢丝绳的作用,防止钢丝绳直接与水和空气接触致其腐蚀氧化[2]。

注塑所用塑料主要为热塑性聚氨酯弹性体材料(TPU),TPU由二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)和大分子多元醇、扩链剂共同反应聚合而成的高分子材料,具有硬度范围广、耐磨性好、机械强度高等诸多优点[3]。在工业领域,聚氨酯废弃物的回收处理方式主要有物理法、化学法和焚烧处理等,以直接回收利用为好,但制品的性能会较差[4]。由于在绳锯注塑过程中,射空腔操作和模具流道内都会产生二次塑料,而TPU新料市价较高,如果能将一部分二次塑料加以回收利用,便能相应地降低注塑金刚石绳锯的生产成本,产生额外的经济效益。但是,如果添加了回收料的塑料注塑后强度偏低,可能无法将金刚石串珠牢固地固定于钢丝绳上时,在实际切割使用过程中便容易发生窜珠和松动现象,进而导致金刚石绳锯断绳失去切割作用。

试验探究了注塑塑料中TPU回收料的添加量对注塑金刚石绳锯串珠固定性能的影响,并进行了初步的理论分析,为提高TPU回收料在金刚石绳锯注塑生产中的利用率提供了一定指导。

1 试验内容

1.1 试验准备

试验所用热塑性聚氨酯弹性体材料(TPU)的主要参数见表1,金刚石绳锯所用钢丝绳的主要参数见表2。

表1 热塑性聚氨酯弹性体的主要技术参数

表2 钢丝绳参数

试验使用的主要设备有:120 T立式注塑机、烘箱、邵氏硬度计、AI-7000-M伺服控制拉力试验机。

1.2 注塑金刚石绳锯的制备

注塑金刚石绳锯制造工艺过程主要包括金刚石串珠制备、将金刚石串珠穿入钢丝绳内进行编绳、注塑等几大工序。金刚石串珠的制备又主要包括有冷压、烧结和扩孔攻丝等三个工序,冷压是混合有金刚石微粉的粉料与基体在外加压力下形成机械齿合的过程,烧结是冷压胎体致密化的过程,扩孔攻丝是对烧结后的基体内孔进行扩大以利于后期串珠穿入钢丝绳中[5]。试验所用基体及扩孔攻丝后的主要参数见表3,试验所用金刚石串珠规格参数见表4。

表3 基体及扩孔攻丝后的主要参数

表4 金刚石串珠主要参数

注塑工序是本次试验的核心工序,试验所用注塑机主要注塑工艺参数见表5。

表5 注塑工艺参数

1.3 试验方法

为规避额外的干扰因素,试验所用TPU回收料必须尽量洁净且无杂质。由于TPU吸水性好易受潮解,在注塑前必须进行足够长时间烘干处理,本试验回收料烘干温度及时间设定为90℃×6 h。添加回收料后的样品应当混合充分、均匀。

如表6所示,TPU回收料添加量设定为5个试验编号,添加比例依次递增,注塑后测试不同回收料比例样片拉伸强度和绳锯串珠固定力。

表6 金刚石绳锯注塑用塑料中TPU回收料的添加量

拉伸强度测试:参照GB/T 16421—1996,将添加回收料后的样品通过注塑机注塑成标准哑铃状试样片,室温放置48 h后,测试其在20 ℃环境温度下的拉伸强度。

串珠固定力测试:参照GB/T 30470—2013,将下端串珠固定,模拟实际使用过程中串珠所受冲击方向,拉拔上端串珠直至其发生明显位移,测量在20 ℃环境温度下的串珠发生位移过程所受最大力。

串珠固定力测试示意图如图1所示[2],首先,固定金刚石绳锯下端钢丝绳于下夹具中,注意下夹具锁紧的必须是裸露钢丝绳,而不是注塑后包裹有塑料的钢丝绳,否则测试时便可能发生相对位移。然后用卡具卡住待测串珠,使其预受力25～50 N,清零力量值及位移,再用2 mm/min的拉力速度对串珠进行拔离测试,直到拉力达到最大值后并逐步下降,此拉力峰值即为该粒串珠所受固定力大小。

图1 金刚石串珠、塑料与钢丝绳间的固定力测试示意图

2 试验结果与分析

利用回收料与新塑料的混合料作为注塑金刚石绳锯的固定材料,将注塑样片和金刚石绳锯在拉力试验机上进行拉伸强度和串珠固定力测试,所得结果如图2、图3所示。

图2 不同回收料添加比例的样片拉伸强度

图3 不同回收料添加比例的串珠固定力

2.1 样片拉伸强度

由图2可知,相比于新塑料,添加有回收料的混合塑料,其拉伸强度均有不同程度的降低。样片拉伸强度大小与回收料的添加量呈负相关关系,回收料添加比例在30%之前,样片拉伸强度下降速率较缓;回收料添加比例超过30%之后,样片拉伸强度下降速率降低明显。回收料已经历过一次注塑,而注塑温度又必然要求其处于TPU黏流温度和分解温度之间,从部分回收料发黄的情况来看,极有可能因在料筒内局部区域所受温度偏高而产生降解,从而产生不同程度的化学键的破坏。另一方面,回收料化学结构的破坏便会引起制品力学和机械性能的降低。

2.2 串珠固定强度

同样,由图3可知,相比于新塑料,添加有回收料的混合塑料,其串珠固定力也均有不同程度的降低。串珠固定力大小与回收料的添加量同样呈负相关关系,回收料添加比例在30%之前,串珠固定力下降速率较缓;回收料添加比例超过30%之后,串珠固定力下降速率降低明显。金刚石串珠拉拔时所受固定力的来源主要有以下几个方面:一是塑料本身的机械强度,串珠发生位移时同样需要破坏包裹塑料的结构,使之产生形变。机械强度高,产生形变所需外力也会增加。二是塑料与钢丝绳股与股之间的摩擦力,由于钢丝绳股丝之间同样存在间隙,注塑时熔融塑料便会渗入进去,最后与钢丝绳形成连接结构。若要迫使串珠发生明显位移,便需要克服塑料与钢丝绳股丝之间的摩擦阻力。使用回收料注塑的金刚石绳锯串珠固定强度的下降应该主要还是与其本身机械强度的降低有关。