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        基于SEM與FTIR研究改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的熱氧老化機(jī)理

        2022-12-05 11:20:48韓偉勝程崢明范威威龍紅明劉自民張貴文
        光譜學(xué)與光譜分析 2022年12期
        關(guān)鍵詞:熱氧交聯(lián)密度微粉

        張 浩,韓偉勝,程崢明,范威威,龍紅明,劉自民,張貴文

        1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032 2.冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽工業(yè)大學(xué)),安徽 馬鞍山 243002 3.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,河北 唐山 063200 4.馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽 馬鞍山 243003 5.江蘇華安橡膠科技有限公司,江蘇 宿遷 223600

        引 言

        防水卷材是屋面防水系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的因素,如果質(zhì)量較差,即使屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再合理,施工水平再好也是無(wú)用之舉[1-2]。高分子橡膠防水卷材作為屋面防水工程最常使用的防水卷材,其需具備良好的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、耐久性能等。但是隨著區(qū)域環(huán)境條件的改變會(huì)長(zhǎng)期承受不同程度上的日曬、雨林等惡劣天氣的侵襲以及底部結(jié)構(gòu)層變化所產(chǎn)生的影響[3-5]。為此,近年來(lái)研究工作者探索利用性質(zhì)穩(wěn)定且價(jià)格低廉的冶金固廢經(jīng)改性、助磨后制備橡膠復(fù)合材料[6-8],以提高其作為防水卷材的導(dǎo)熱性能與耐久性能,具有重要意義。

        以熱悶渣、電爐渣和風(fēng)淬渣研發(fā)改性鋼渣微粉,并且將改性鋼渣微粉與復(fù)合橡膠進(jìn)行復(fù)合制備改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料。依據(jù)《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)》(GB/T3512—2014)對(duì)改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料進(jìn)行熱氧老化處理,采用平衡溶脹法測(cè)定改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的交聯(lián)密度,掃描電子顯微鏡(SEM)、熱重分析儀(TGA)和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(FTIR)分別測(cè)試其微觀形貌、失重率和結(jié)構(gòu)組成,從微觀層面闡述改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的熱氧老化機(jī)理。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料與試劑

        北區(qū)熱悶渣與南區(qū)熱悶渣,其工藝為利用行車將渣罐中的液態(tài)鋼渣傾入熱悶池中,再將熱悶池封閉起來(lái),熱悶期間不斷噴水使鋼渣冷卻;電爐渣,其工藝為電爐精煉過(guò)程,其化學(xué)組成和一般的高爐渣和轉(zhuǎn)爐渣相近,只是在含量上有所差別;風(fēng)淬渣,其工藝為以壓縮空氣為介質(zhì),形成的超音速氣流的破碎分離能力極強(qiáng),液態(tài)鋼渣受到高速氣流的沖擊作用瞬間形成大量的細(xì)小珠狀鋼液;上述鋼渣化學(xué)成分見(jiàn)表1,均來(lái)自馬鋼(集團(tuán))控股有限公司。復(fù)合橡膠,為順丁橡膠、丁苯橡膠與天然橡膠混煉混合物,上海正村橡塑工業(yè)有限公司;炭黑N220,江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰?;硫磺,臨沂市羅莊新安化工廠;促進(jìn)劑(二硫化二苯并噻唑),山東尚舜化工有限公司;氧化鋅(ZnO),安徽含山錦華氧化鋅廠;硬脂酸(CH3(CH2)16COOH),濟(jì)南鑫冉化工有限公司;鋼渣助磨改性協(xié)同劑,為乙二醇、三乙醇胺和無(wú)水乙醇混合物,自制。

        表1 鋼渣的化學(xué)成分(W%)

        1.2 儀器

        采用JSM-6490LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)(日本電子株式會(huì)社),TGA PT1000型熱重分析儀(TGA)(林賽斯(上海)科學(xué)儀器有限公司),F(xiàn)rontier型傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(FTIR)(美國(guó)PE公司)。

        1.3 方法

        1.3.1 材料制備

        (1)改性鋼渣微粉的制備:首先將鋼渣依次放入磁選機(jī)、破碎機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行磁選提鐵、破碎、烘干處理;然后將鋼渣助磨改性劑與鋼渣混合后放入轉(zhuǎn)速為600 r·min-1的球磨機(jī)內(nèi)研磨,球磨時(shí)間為90 min,制得400目改性鋼渣微粉。

        (2)改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的制備:首先將復(fù)合橡膠置于開(kāi)煉機(jī)中進(jìn)行塑煉,將硬脂酸(1 g)和氧化鋅(3 g)、炭黑(30 g)和改性鋼渣微粉(20 g)、促進(jìn)劑(1 g)和硫磺(2 g)分成三個(gè)階段放入密煉機(jī)中,每個(gè)階段混煉2 min后獲得密煉膠;然后再通過(guò)開(kāi)煉機(jī)對(duì)密煉膠進(jìn)行5~7次薄通以及6次打三角包,制得生膠片;最后通過(guò)硫化測(cè)定儀測(cè)得硫化時(shí)間,利用硫化機(jī)在145 ℃下硫化30 min后放置24 h得到改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)配方見(jiàn)表2。

        表2 實(shí)驗(yàn)配方

        1.3.2 性能及表征測(cè)試

        根據(jù)《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)》(GB/T3512—2014),將改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料利用細(xì)線懸掛于溫度為100℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中,分別保持1,3,5,7,9和11 d后取出冷卻至室溫。采用平衡溶脹法測(cè)定交聯(lián)密度。采用SEM測(cè)試微觀形貌,TGA測(cè)試失重率,F(xiàn)TIR測(cè)試結(jié)構(gòu)組成。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 交聯(lián)密度分析

        將0#—4#試樣經(jīng)熱氧老化處理后,其交聯(lián)密度變化見(jiàn)表3。從表3可以看出,在熱氧老化過(guò)程中未摻改性鋼渣微粉的0#試樣交聯(lián)密度大于1#—4#試樣交聯(lián)密度,這是因?yàn)樵谙鹉z大分子交聯(lián)鍵形成過(guò)程中,改性鋼渣微粉阻礙了復(fù)合橡膠體系中新的交聯(lián)鍵形成,從而降低交聯(lián)密度[9]。進(jìn)一步從表3可以看出,1#—4#試樣在熱氧老化前期(1 d)1#—4#試樣的交聯(lián)密度快速增大、在熱氧老化中期(1~9 d)交聯(lián)密度緩慢減小、在熱氧老化后期(9~11 d)交聯(lián)密度緩慢增大,這是因?yàn)樵跓嵫趵匣捌诶匣饔迷诟男凿撛?橡膠復(fù)合材料表面,未能完全侵入橡膠復(fù)合材料內(nèi)部,其內(nèi)部以交聯(lián)鍵形成反應(yīng)為主;在熱氧老化中期老化作用已經(jīng)作用改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部,造成交聯(lián)鍵斷裂反應(yīng)速度高于交聯(lián)鍵形成反應(yīng)速度,形成大量斷裂交聯(lián)鍵;在熱氧老化后期由于改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部已經(jīng)存在形成大量斷裂交聯(lián)鍵,導(dǎo)致主鏈及交聯(lián)鍵斷裂速度降低,交聯(lián)鍵形成反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。

        表3 熱氧老化過(guò)程中改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的交聯(lián)密度(×104 mol·cm-3)

        2.2 SEM分析

        圖1為未熱氧老化的改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料SEM測(cè)試結(jié)果、圖2為熱氧老化11 d的改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料SEM測(cè)試結(jié)果。從圖1與圖2可以看出,未熱氧老化與熱氧老化11 d的0#試樣表面平整且無(wú)孔洞產(chǎn)生;未熱氧老化1#—4#試樣的表面較為平整且有少量因改性鋼渣微粉脫落而產(chǎn)生的孔洞。熱氧老化11 d的0#試樣,其表面生產(chǎn)大量細(xì)密孔隙;熱氧老化11 d的1#和2#試樣,其表面呈現(xiàn)密密麻麻網(wǎng)狀的孔洞,部分孔洞貫通形成貫通縫;熱氧老化11 d的3#和4#試樣,其表面轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)膠著狀。這是因?yàn)?#和2#試樣中改性鋼渣微粉以熱悶渣(SiO2含量高)為原料,有利于改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部形成聚合物大分子鏈貫穿炭黑網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),提高綜合性能,尤其是物理機(jī)械性與滯后性;3#和4#試樣中以電爐渣、風(fēng)淬渣(Fe2O3含量高)制備改性鋼渣微粉,有利于改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)性能的改善,不僅提高改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的耐熱性,而且提高其硬度與脆性。

        2.3 TGA分析

        圖3為熱氧老化前后的改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料TGA測(cè)試結(jié)果。從圖3可以看出,對(duì)比1#—4#試樣未熱氧老化的TGA曲線,1#—4#試樣熱氧老化11 d的TGA曲線明顯偏移,即1#—4#試樣熱氧老化11d的起始分解溫度(失重率為5%)分別為376.65,387.56,328.31和382.86 ℃,比未熱氧老化的分解溫度分別降低了26.63,16.67,77.02和21.48 ℃,說(shuō)明熱氧老化作用會(huì)導(dǎo)致改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的熱穩(wěn)定降低。進(jìn)一步從圖3可以看出,對(duì)比1#—4#試樣未熱氧老化與熱氧老化11 d的800 ℃殘?zhí)柯?,?#—4#試樣熱氧老化11 d的殘?zhí)柯时任礋嵫趵匣臍執(zhí)柯史謩e降低了3.81%,0.86%,5.66%和12.77%,這是因?yàn)闅執(zhí)渴怯筛男凿撛?橡膠復(fù)合材料內(nèi)部不穩(wěn)定炭層的二次燃燒所形成,不穩(wěn)定炭層與北區(qū)熱悶渣、南區(qū)熱悶渣、電爐渣、風(fēng)淬渣的性質(zhì)相關(guān);同時(shí)結(jié)合前期相關(guān)文獻(xiàn)[10-12]可以看出,改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的殘?zhí)柯逝c其阻燃性能密切相關(guān)。

        圖1 未熱氧老化的改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料SEM測(cè)試結(jié)果

        圖2 熱氧老化11 d的改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料SEM測(cè)試結(jié)果

        圖3 熱氧老化前后的1#—4#改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料TGA測(cè)試結(jié)果

        2.4 FTIR分析

        圖4 熱氧老化前后的0#—4#改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料FTIR測(cè)試結(jié)果

        3 結(jié) 論

        (1)在熱氧老化前期老化作用在改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料表面,其內(nèi)部以交聯(lián)鍵形成反應(yīng)為主;在熱氧老化中期老化作用在改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部,交聯(lián)鍵斷裂反應(yīng)速度高于交聯(lián)鍵形成反應(yīng)速度,形成大量斷裂交聯(lián)鍵;在熱氧老化后期由于改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部已存在大量斷裂交聯(lián)鍵,導(dǎo)致主鏈及交聯(lián)鍵斷裂速度降低,交聯(lián)鍵形成反占優(yōu)勢(shì)。

        (2)改性鋼渣微粉以熱悶渣(SiO2含量高)為原料,有利于改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部形成聚合物大分子鏈貫穿炭黑網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),提高綜合性能,尤其是物理機(jī)械性與滯后性;以電爐渣、風(fēng)淬渣(Fe2O3含量高)制備改性鋼渣微粉,有利于改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)性能的改善,不僅提高改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料的耐熱性,而且提高其硬度與脆性。

        (3)在熱氧老化過(guò)程中改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部在橡膠分子鏈α-H上發(fā)生了不同程度的氧化反應(yīng),并在橡膠分子鏈周圍生成羥基、羧基和醇類化合物,雙鍵烯氫含量降低。以風(fēng)淬渣制備的改性鋼渣/橡膠復(fù)合材料內(nèi)部主鏈發(fā)生斷裂作用,導(dǎo)致甲基、亞甲基的含量增多。

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