王世芬，李明俊

(1.江西省環(huán)境保護(hù)廳環(huán)境工程評(píng)估中心，330039，南昌；2.南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，330063，南昌)

廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼復(fù)合材料

王世芬1，李明俊2

(1.江西省環(huán)境保護(hù)廳環(huán)境工程評(píng)估中心，330039，南昌；2.南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，330063，南昌)

為探索對(duì)廢膠粉和鉛鋅尾礦砂再生資源化利用的新途徑，進(jìn)行了用廢膠粉與鉛鋅尾礦砂制備新型阻尼材料的研究。采用正交實(shí)驗(yàn)極差分析方法，研究了膠粉目數(shù)、尾礦量、DBP量對(duì)材料阻尼性能的影響。結(jié)果表明：廢膠粉/鉛鋅尾礦砂制備阻尼材料的最佳配方為：膠粉目數(shù)為50目，尾礦砂目數(shù)為800目，廢膠粉量為100 g，尾礦砂量為10 g，增塑劑DBP量為15 mL，對(duì)應(yīng)阻尼損耗因子峰值為0.409 7；制備的廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼材料的阻尼峰在低溫，適合作為低溫阻尼材料使用。

鉛鋅尾礦砂；廢膠粉；新型阻尼材料

0 引言

廢橡膠屬于熱固性聚合物，廢棄后在自然界中難以降解；尾礦砂隨著礦產(chǎn)資源的大量開(kāi)采而逐年增多，目前，我國(guó)尾礦累積堆存量大約為120多億噸[1]。廢橡膠及尾礦砂的廢棄既占用了大量的土地，還造成水土流失、水質(zhì)污染等生態(tài)環(huán)境破壞。另外，我國(guó)生膠資源相對(duì)緊缺，幾乎年生膠消耗量的45%需要進(jìn)口，而隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和開(kāi)發(fā)利用，礦產(chǎn)資源日趨減小，甚至枯竭。因此開(kāi)展廢橡膠及尾砂的綜合利用，對(duì)減少環(huán)境壓力和廢棄物再生資源化意義重大。

為了尋找一種既可減少“黑色污染”和礦山固體廢棄物、又可回收利用資源而獲得新的環(huán)境功能材料的新途徑，作者曾對(duì)廢膠粉和鉛鋅尾礦砂用于制備阻尼材料的可行性進(jìn)行過(guò)分析[2]，但對(duì)廢膠粉與鉛鋅尾礦砂用于制備阻尼材料的工藝方法與配方的研究未見(jiàn)相關(guān)的報(bào)道。本文擬研究膠粉目數(shù)、尾礦量、DBP量對(duì)材料阻尼性能的影響，以得到一種減振降噪的新型阻尼復(fù)合材料，使廢膠粉和鉛鋅尾礦砂的再生資源化利用得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 廢膠粉和鉛鋅尾礦砂的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1廢膠粉

利用廢舊橡膠加工成膠粉是廢橡膠回收利用的主要途徑之一，主要應(yīng)用于以下方面。

1.1.1 輪胎、膠鞋等橡膠制品 摻和膠粉制造輪胎、軍用鞋底、小件的塑膠制品、化工密封膠、各種橡膠滲合劑、防水密封材料等[3]。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地 膠粉含有抗氧劑，將其作為粘合劑用于制作經(jīng)濟(jì)性塑膠跑道，即可減緩跑道的老化，又具有彈性和柔性[4]。

1.1.3 隔音壁 膠粉可用于制造復(fù)合隔音壁，這種隔音壁不僅有良好的噪音吸收及反射性，而且對(duì)于抗風(fēng)化能力也非常高。并且，在施工的過(guò)程當(dāng)中，因其面積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，使其在運(yùn)輸、組裝及解體方面都變得非常簡(jiǎn)便[5]。

1.1.4 路面鋪設(shè) 在我國(guó)很多省市如江西、湖北、北京等都已進(jìn)行過(guò)用膠粉來(lái)鋪設(shè)路面的實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明，利用膠粉進(jìn)行改性過(guò)后的瀝青進(jìn)行路面的鋪設(shè)不僅可以使路面的龜裂及軟化現(xiàn)象得到緩解，而且還可使路面出現(xiàn)結(jié)冰及打滑的現(xiàn)象減少，這樣不但將行駛的安全性給提高了，還使得路面的使用壽命也延長(zhǎng)了[5-7]。

綜上所述，廢膠粉在制備阻尼材料方面的研究相關(guān)報(bào)道甚少，僅南昌航空大學(xué)李明俊教授課題組開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。

1.2鉛鋅尾礦砂

1.2.1 鉛鋅尾礦砂再選回收 江銅集團(tuán)對(duì)其含磁黃鐵礦的尾砂進(jìn)行回收，獲得了品位38.77%的優(yōu)質(zhì)硫精礦及含硫0.547%、鐵58.04%的合格鐵精礦[8]。

1.2.2 鉛鋅尾礦砂用于建筑板材 江西銅業(yè)公司銀山鉛鋅礦利用該礦的尾礦生產(chǎn)蒸壓硅酸鹽磚，并已建成一個(gè)年產(chǎn)1 000萬(wàn)塊磚的尾礦磚廠[9]。西南科技大學(xué)固體廢棄物處理與資源化教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馮啟明以青海某鉛鋅礦尾礦作骨料，適量水泥作膠結(jié)料，石灰作激發(fā)劑，分別加入混凝土發(fā)泡劑和廢棄聚苯泡沫粒作預(yù)孔劑，通過(guò)澆注、搗打成型、養(yǎng)護(hù)等工藝制備輕質(zhì)免燒磚[10]。

1.2.3 鉛鋅尾礦砂用于水泥生產(chǎn) 浙江金圓水泥有限公司趙堅(jiān)志用鉛鋅尾礦部分代替粘土作硅質(zhì)原料，電石渣部分替代石灰石，銅渣作為鐵質(zhì)原料，用礦渣或粉煤灰作為鋁質(zhì)校正料進(jìn)行配料，在1 450 ℃下燒制硅酸鹽水泥熟料，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到GB/T21372-2008《硅酸鹽水泥熟料》要求[11]。

1.2.4 鉛鋅尾礦砂制玻璃 株洲玻璃廠用鉛鋅尾礦作為生產(chǎn)平板玻璃、壓花玻璃和玻璃球的重要原料之一，我國(guó)在直接利用尾礦生產(chǎn)微晶玻璃花崗巖的研究已嶄露頭角[12]。

1.2.5 鉛鋅尾礦砂作采空區(qū)回填材料 礦山采空區(qū)的回填是直接利用尾礦最有效的途徑之一，其充填費(fèi)僅為碎石水力充填費(fèi)用的1/4～1/10[13]。目前，凡口鉛鋅礦的尾礦未經(jīng)再選就直接分離出毫米粒級(jí)進(jìn)行采空區(qū)填充，對(duì)減少尾礦產(chǎn)出，減輕尾礦壩的庫(kù)存起到了重要作用[14]。

綜上所述，鉛鋅尾礦砂用于制備阻尼材料的工藝方法及配方的研究未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

2 材料制備與試驗(yàn)方法

鑒于廢膠粉本身所具備的交聯(lián)結(jié)構(gòu)、且易成為分散相；而磨成細(xì)小顆粒的鉛鋅尾礦為無(wú)機(jī)填料，不與膠粉改性劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，作為填料加入后可提高阻尼材料內(nèi)摩擦等特性，進(jìn)行阻尼材料制備。該新型阻尼材料制備的原則定位為具有較好阻尼性能且盡可能工藝簡(jiǎn)單、成本低。

2.1試驗(yàn)原料

鉛鋅尾礦砂：江西德興鉛鋅礦提供。

膠粉：河南濮陽(yáng)市金利化工有限公司利用廢輪胎生產(chǎn)制取。

2.2試樣制備與工藝方法

項(xiàng)目各原料試劑按照試驗(yàn)方案的要求，用電子天平進(jìn)行稱(chēng)量后，利用青島華隆橡膠機(jī)械有限公司生產(chǎn)的XK-160，φ160×320型開(kāi)放式煉膠機(jī)將各種填料及配合劑加入廢膠粉中，以制成混煉膠?；鞜捁に囃瓿芍螅瑢⒒鞜捘z置于陰暗、溫度比較低的地方靜置3 h，使得混煉過(guò)程中生產(chǎn)的氣泡慢慢滲出；經(jīng)工藝反復(fù)摸索，得到其硫化溫度為140 ℃、硫化時(shí)間為5 min、硫化壓力為10 Mpa。

2.3正交試驗(yàn)方案

在選定尾礦規(guī)格為+800目，廢膠粉為100 g，膠粉改性助劑及助劑量為：古馬隆 3 g、硬脂酸 0.8 g、氧化鋅5 g、TMTM 1 g、DM 0.5 g、硫黃0.5 g、DCP 1 g、防焦劑1 g、防老劑1 g的基礎(chǔ)上，考慮膠粉規(guī)格、尾礦量及影響填料是否均勻分布的增塑劑DBP的量對(duì)阻尼性能的影響，而進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 廢膠粉/尾礦砂阻尼材料制備的正交試驗(yàn)表

2.4測(cè)試方法

該阻尼材料的阻尼性能在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)上進(jìn)行測(cè)試，夾具為剪切夾具，采用多頻控制應(yīng)變模式，應(yīng)變?yōu)?.05%，頻率掃描時(shí)，溫度為25 ℃，頻率范圍為1～200 Hz，在該頻率范圍內(nèi)采用50點(diǎn)掃描；溫度掃描時(shí)，頻率為125 Hz，溫度范圍為-60～100 ℃，升溫速度為3 ℃/min。

3 結(jié)果與分析

3.1正交試驗(yàn)結(jié)果及極差數(shù)據(jù)分析

各正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)歸納結(jié)果如表2所示。根據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析，可以得到最佳試驗(yàn)方案：膠粉目數(shù)為50目，尾礦量為10 g，DBP為15 mL，即為試驗(yàn)號(hào)4。但從表2中可知，試驗(yàn)號(hào)6制得的試件在低頻時(shí)與高頻時(shí)的阻尼性能與試件4相差不大，因此通過(guò)溫度掃描來(lái)比較2個(gè)試件的阻尼性能。頻譜圖和溫譜圖如圖1和圖2所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。測(cè)試結(jié)果用頻率掃描時(shí)，選了頻率為50 Hz和150 Hz的損耗因子；溫度掃描時(shí)，用室溫下試件的損耗因子、最大損耗因子，以及損耗因子大于某一值時(shí)的溫度范圍進(jìn)行表征。

表2 廢膠粉/鉛鋅尾礦砂阻尼材料制備的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果

表3 試件4與試件6的測(cè)試結(jié)果

圖1 試件4與試件6的阻尼損耗因子頻譜圖

圖2 試件4與試件6的阻尼損耗因子溫譜圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，試件4的最大損耗因子比試件6的大而且tanδ≥0.3的溫度范圍更寬，因此試件4的阻尼性能更好，為正交試驗(yàn)中的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案。制備的廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼材料的阻尼峰在低溫，故其適合作為低溫阻尼材料使用，常溫使用時(shí)雖不是峰值阻尼但也有較好的阻尼值(0.178 3)。從圖2還可知，尾礦砂和DBP用量變化可小幅度改變?cè)撟枘岵牧献枘岱逯祵?duì)應(yīng)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。

3.2尾礦砂量對(duì)材料阻尼性能的影響分析

尾礦砂的加入目的是作為填料降低成本且增加強(qiáng)度。在最優(yōu)試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，考慮尾礦砂量分別為0 g、1 g、3 g、5 g和10 g時(shí)對(duì)材料阻尼性能的影響。圖3表明，隨著頻率的增大，尾礦砂的量越少，阻尼材料的損耗因子就越大。尾礦砂的量為1 g、3 g時(shí)與不加入尾礦砂時(shí)的橡膠阻尼材料隨著頻率的增加，損耗因子相差不大。溫度掃描時(shí)，頻率為125 Hz，溫度范圍為-45～100 ℃。

從圖4可知，不加尾礦砂的阻尼材料最高損耗因子最大，且溫度范圍更寬。加入尾礦砂后隨著量的增加，最大損耗因子逐漸降低，損耗因子大于0.3的溫度范圍也越來(lái)越小，即材料的阻尼性能隨著尾礦砂量的增加而減小。但是材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度隨著尾礦砂量的增加而略有升高。

圖3 廢膠粉/鉛鋅尾礦砂阻尼材料損耗因子頻譜圖

圖4 廢膠粉/鉛鋅尾礦砂阻尼材料損耗因子溫譜圖

4 結(jié)論

1)廢膠粉/鉛鋅尾礦砂制備阻尼材料的最佳配方為：膠粉目數(shù)為50目，尾礦砂目數(shù)為800目，廢膠粉量為100 g，尾礦砂量為10 g，DBP為15 mL。對(duì)應(yīng)阻尼峰值為0.409 7。

2)制備的廢膠粉/鉛鋅尾礦砂新型阻尼材料的阻尼峰在低溫，故其適合作為低溫阻尼材料使用，常溫使用時(shí)雖不是峰值阻尼但也有較好的阻尼值(0.178 3)。

3)尾礦砂和DBP用量變化可小幅度改變?cè)撟枘岵牧献枘岱逯祵?duì)應(yīng)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。

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TheNewDampingMaterialwithWasteRubberPowderandLead-zincMineTailings

WANG Shifen1,LI Mingjun2

(1.Jiangxi Appraisal Center for Environment and Engineering,330039,Nangchang,PRC;2.Nanchang Hangkong University.Department of Environmental and Chemical Engineering,330063,Nanchang,PRC)

To explore the new way of resource utilization on the regeneration of waste rubber powder and lead zinc mine tailings,studied the new damping material with waste rubber and lead-zinc mine tailings.Using orthogonal experiment range analysis method,studied the effect of crumb rubber particle size,quantity of tailings and DBP on the damping properties of materials.The results show that the best formula of damping material with waste rubber powder/lead-zinc mine tailings,the crumb rubber particle size is 50 mesh,the tailings size is 800 mesh,the quality of waste rubber powder is 100 g ,the quality of tailings is 10 g,the quality of DBP that is plasticizer is 15 mL,the corresponding to the peak of damping loss factor is 0.409 7;the damping peak of new damping material with waste rubber powder/lead-zinc mine tailings at low temperature,so it is suitable for use as a low damping meterials.

lead-zinc mine tailings;waste rubber powder;damping material

2014-07-16;

2014-08-25

王世芬(1983-)，女，碩士研究生，工程師，研究方向：固體廢棄物再生利用與環(huán)境工程。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.023

X705

A

1001-3679(2014)05-0685-05