无石棉密封垫片材料论文

复旦大学
硕士学位论文
汽车用无石棉密封垫片材料的研究
姓名：吴筑人
申请学位级别：硕士
专业：化学工程
指导教师：杜强国
20070520
图２．９各种纤维增强材料的蠕变松弛率
我们可以看到各种纤维的抗应力松弛性能和他们对材料拉伸强度的贡献基本一致，芳纶纤维和纤维素纤维的表现更好，当含量不高时，由于芳纶浆泊包覆基体的能力更强，所以基本能与纤维素纤维的数值抗衡，而当纤维含量较高时，纤维素纤维所体现的抗应力型变的能力是最好的；玻璃纤维和碳纤维虽然自身的强度很高，但和基体结合的能力有限，所以对材料整体的贡献也有限。

我们这里还能够看到，当碳纤维含量很高时，起的是反作用，由于无法将碳纤维在浆体中有效分散，反而使整体材料的抗应力松弛性能下降。

２．３．１．４各种纤维增强材料的耐温性
由于汽车排气垫片最低工作温度是１８０。

Ｃ～２２０＂Ｃ，而最高工作温度是３５０＂Ｃ～４００＂Ｃ，所以考察密封材料在高温下的力学性能是非常重要的，以下我们通过把各种纤维放在不同温度的马伏炉中保温２小时，取出后测试材料的纵向拉伸强度（纤维含量都在２０％左右），具体数值见下表：
图２．１０各种纤维增强材料的耐温性
我们看到在２２０℃以下时，纤维素纤维增强材料的强度最高，这和常温时一致，超过２５０＂Ｃ后强度急剧下降，这是由于纤维素纤维开始分解，到４００＂Ｃ时它的强度最低，这是已经基本分解完毕，由此得出纤维素纤维的耐高温能力最弱。

碳纤维和玻璃纤维的表现整体平稳，碳纤维部分氧化，但整体骨架还在，所以４００℃以内只比玻纤稍底。

芳纶纤维的整体表现最好特别实在高温下，下降幅度并不大，因而从耐温的角度看，芳纶纤维是最理想的增强材料。

根据各种纤维在抄取的工艺下对增强材料各种性能的影响，我们做一个小结，芳纶浆泊对材料的强度，抗蠕变性和耐温性的贡献都很大，压缩回弹性的控制也在要求范围之内，应该说是最理想的材料，但价格很高。

我们分析现用于别克凯越汽车排气垫的材料，由美国ＡＲＭＳＴＲＯＮＧ公司生产Ｎ８０９２，其中的增强材料也基本是芳纶纤维，但它价格十分昂贵。

纤维素纤维对强度和抗蠕变性的贡献最大，但是耐温性不够，特别是当达到４００＂Ｃ高温时，几乎就已经消失，不过他对材料的抄取成型十分有利，所以它还是在考虑的范畴。

玻纤对材料强度和抗蠕变都有一定的贡献，而且提高材料的刚性，对提高材料的回弹性十分有益，在高温下依然能保持一定的强度，但是玻纤的比例过高对于抄取的工艺有负面影响，因为它包覆橡胶和基体的能力较差，这是需要考虑的重要因素。

碳纤维的耐
可以看出配方三的得率最高，因为该种配方的芳纶浆泊和纤维素的总含量最高，配方一虽然芳纶浆泊和纤维素的总含量与配方三相同，但得率稍低，可以看出芳纶浆泊对填料的包覆能力比纤维素纤维更强，而玻璃纤维是最弱的。

２．３．２。

２不同混合纤维体系增强材料的拉伸强度
将前面秤重后的材料一部分做横向和纵向的拉伸强度测试，所得数据如下
图２．１２不同混合纤维配比增强材料的横向和纵向拉伸强度
我们可以看出芳纶纤维和纤维素纤维的含量对强度的贡献最大，特别是在纵向上纤维素纤维起着决定性的作用，而配方二由于玻纤含量最好，所以它的各向异性最明显。

２．３．３．３不同混合纤维体系增强材料的压缩回弹性
将秤完重的材料一部分做压缩回弹性试验，试验的方法与单一纤维增强材料测试方法相同，具体数据如下：
图２．１３不同混合纤维配比增强材料的压缩回弹性可以看出玻纤和纤维素纤维的含量对材料的压缩回弹率影响较大，玻纤含量较高会降低材料的压缩率，提高材料的回弹率。

纤维素纤维和芳纶浆泊相比剐性更强，而芳纶浆泊则增加材料的弹性，它更加柔软，综合看配方一的效果最好，能够达到２０％的压缩率和５０％以上的回弹率，这符合通用汽车对压缩回弹率要求的范围，材料具有最佳的密封效果。

２，３。

３。

４不同混合纤维体系增强材料的耐温性
将秤重后的各种材料在２２０℃和４００。

Ｃ下的保温２小时，取出后冷去到常温来测试他们的纵向拉伸强度，数值见图３．１４。

图２．１４混合纤维的增强密封材料的耐温性
可以看出在２２０℃时，纤维素纤维基本还在，它对材料的强度影响最大，芳纶其次，因而这两种纤维的总含量决定复合材料的强度。

当达到４００＂Ｃ时，纤维素纤维几乎消失，这时芳纶纤维对复合材料强度的贡献最大，说明芳纶纤维在高温下对材料的作用最大，是最好的耐温增强材料。

２．３．３不同纤维增强体系的的微观形态
从图２．１５和图２．１６可以看到，石棉纤维增强密封材料中含有大量石棉，石棉纤维具有良好的连续性，在某些部位存在一定的缠结，但同时也具有一定的分散性，在纤维表面粘结了橡胶，说明石棉纤维和橡胶基体具有相当的结合能力，从而保证了基体板材的强度。

对于芳纶浆粕，可以看出是所有纤维中与基体连接最好的，它有相当高的缠绕性，同时也分布比较均匀，当橡胶失去作用时板材依然具有一定的残余强度。

图２．１５石棉纤维增强材料照片图２．１６芳纶浆粕增强材料照片
对于玻璃纤维，必要的表面处理是相当重要的，我们可以从两张对比照片中看出处理和未处理过的玻璃纤维表面黏着橡胶的程度。

图２．１７未处理玻纤增强材料照片图２．１８处理后玻纤增强材料照片
对于纤维素纤维，打浆的程度决定着它在橡胶基体里所起的作用，在造纸工业中这道步序Ⅱｑ做盘磨，盘磨机的牙齿的结构是相当重要的，它要求把纤维素纤维充分支化，形成爪牙状来结合橡胶，这是抄取法的关键，但不希望把纤维切断的过多。

因为这样会影响道材料整体的强度，从两张对比图可以看到打浆程度不同所形成的微观形态。

图２．１９纤维素纤维增强材料照片
（初步打浆后）图２．２０纤维素纤维增强材料照片
（充分打浆后）
图２．２１是芳纶浆粕，纤维素纤维和玻璃纤维三种纤维由抄取法制得的照片，可以看出内部纤维分数比较均匀，纤维保持率比较高，与橡胶基体的结合也比较好。

图２．２１混合纤维增强材料照片
２．４本章小结
１．从材料的性能，成本以及成型工艺的可操作性来看，单一非石棉纤维增强很难满足最终要求，因而我们考虑用纺纶纤维，纤维素纤维和玻璃纤维以一定的比例添加作为增强体系，起到了理想的效果。

这三种纤维基本确定的比例为ｌ：２：１。

２．ＰＦＳ的抗拉强度、抗蠕变松弛性能和压缩回弹性能随非石棉纤维的含量和种类而不同。

一般来说，纤维素纤维对材料的强度贡献最大，他的抗蠕变能力最强；芳纶纤维对材料包覆能力最强，即对材料的成型最有益，同时他的高温性能最好，在４００＂Ｃ时几乎是整体材料的唯一支撑；玻璃纤维在表面处理后对于材料的纵向拉伸强度和回弹性都有很大的帮助，但鉴于他的取向性，不易添加过多。

３．试验研究了非石棉纤维对ＰＦＳ材料热老化性能的影响，表明了非石棉纤维可以在一定程度上提高ＰＦＳ的耐老化性能。

３，２实验部分
３．２．１实验原材料
原材料为自制的非石棉密封垫片材料，由抄取工艺制备，流程见绪论部分的图２，在第二章中，我们用分步法来模拟抄取法进行纤维配方的实验，为的是操作的方便和快捷，但得出的数据只能作为配方制定的参考。

在这一章节，实验所用的非石棉密封垫片材料是由正规的抄取机通过连续成型工艺完成。

我们将各种纤维的比例保持在１：２：１，改变纤维与橡胶的比例，观察材料的性能变化，基本配方如下；
表一连续抄取成型非石棉密封垫片材料的配方
增强纤维黏结剂无机填料助剂纺纶纤维纤维素纤维玻璃纤维丁腈橡胶高岭土等硫磺等ｌ９％１８％９％１２％４９％３％
２８％１６％８％１６％４７％５％
３７％１４％７％２０％４６％６％
４６％１２％６％２４％４５％７％下图是我１＇ｆｉｎ备的无石棉密封垫片材料的外观
图３．１无石棉密封垫片材料的外观
图７汽缸垫片
图８进气歧管垫片
对于汽缸垫片和进气歧管垫片，由于中间有金属复齿钢架，要求材料质地柔软，这样在成型时才能和金属复齿钢架有良好的结合，材料的强度主要由钢架提供，而由于使用环境的恶劣，对材料的密封性，压缩回弹性和耐油性要求较高，所以我们选用橡胶含量较高的配方来满足他们的要求。

图９摩托车全车密封垫片
摩托车垫片一般都是密封材料单独使用，他的要求比汽车低，许多密封的环节，密封面非常小，密封面：ａｉ－ｒ的并不是十分光洁，螺栓的扭力较大，因而他要求密封材料有较高的强度和回弹性，我们选用纤维含量较高的材料来满足他的要求。

３．使用于ＰＦＳ的短期耐热试验和耐油试验不能完全反映出真实的情况，必须通过较长的试验时间才能得到附和实际的结果。