TPU回收料的添加量對注塑金剛石繩鋸串珠固定性能的影響

羅 濤

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司 廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西特種礦物材料技術創新中心,廣西 桂林 541004)

0 引言

在石材大板加工制造中,金剛石組合繩鋸是花崗巖和硬度高、材質差異大等奢石類荒料的有效加工方式之一。根據金剛石串珠制備方式的不同,金剛石繩鋸主要分為燒結型、電鍍型、釬焊型等。由于金剛石繩鋸在切割過程中,金剛石串珠會受到較大的軸向沖擊力,制備中便需要將其牢固的固定于鋼絲繩上。而固結金剛石串珠于鋼絲繩上的主要材料有橡膠、塑料和彈簧三大類[1],注膠金剛石繩鋸多用于礦山荒料開采,注塑金剛石繩鋸多用于荒料大板加工。注塑金剛石繩鋸用塑料除用作金剛石串珠固定材料以外,還可起到包裹鋼絲繩的作用,防止鋼絲繩直接與水和空氣接觸致其腐蝕氧化[2]。

注塑所用塑料主要為熱塑性聚氨酯彈性體材料(TPU),TPU由二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)、甲苯二異氰酸酯(TDI)和大分子多元醇、擴鏈劑共同反應聚合而成的高分子材料,具有硬度范圍廣、耐磨性好、機械強度高等諸多優點[3]。在工業領域,聚氨酯廢棄物的回收處理方式主要有物理法、化學法和焚燒處理等,以直接回收利用為好,但制品的性能會較差[4]。由于在繩鋸注塑過程中,射空腔操作和模具流道內都會產生二次塑料,而TPU新料市價較高,如果能將一部分二次塑料加以回收利用,便能相應地降低注塑金剛石繩鋸的生產成本,產生額外的經濟效益。但是,如果添加了回收料的塑料注塑后強度偏低,可能無法將金剛石串珠牢固地固定于鋼絲繩上時,在實際切割使用過程中便容易發生竄珠和松動現象,進而導致金剛石繩鋸斷繩失去切割作用。

試驗探究了注塑塑料中TPU回收料的添加量對注塑金剛石繩鋸串珠固定性能的影響,并進行了初步的理論分析,為提高TPU回收料在金剛石繩鋸注塑生產中的利用率提供了一定指導。

1 試驗內容

1.1 試驗準備

試驗所用熱塑性聚氨酯彈性體材料(TPU)的主要參數見表1,金剛石繩鋸所用鋼絲繩的主要參數見表2。

表1 熱塑性聚氨酯彈性體的主要技術參數

表2 鋼絲繩參數

試驗使用的主要設備有:120 T立式注塑機、烘箱、邵氏硬度計、AI-7000-M伺服控制拉力試驗機。

1.2 注塑金剛石繩鋸的制備

注塑金剛石繩鋸制造工藝過程主要包括金剛石串珠制備、將金剛石串珠穿入鋼絲繩內進行編繩、注塑等幾大工序。金剛石串珠的制備又主要包括有冷壓、燒結和擴孔攻絲等三個工序,冷壓是混合有金剛石微粉的粉料與基體在外加壓力下形成機械齒合的過程,燒結是冷壓胎體致密化的過程,擴孔攻絲是對燒結后的基體內孔進行擴大以利于后期串珠穿入鋼絲繩中[5]。試驗所用基體及擴孔攻絲后的主要參數見表3,試驗所用金剛石串珠規格參數見表4。

表3 基體及擴孔攻絲后的主要參數

表4 金剛石串珠主要參數

注塑工序是本次試驗的核心工序,試驗所用注塑機主要注塑工藝參數見表5。

表5 注塑工藝參數

1.3 試驗方法

為規避額外的干擾因素,試驗所用TPU回收料必須盡量潔凈且無雜質。由于TPU吸水性好易受潮解,在注塑前必須進行足夠長時間烘干處理,本試驗回收料烘干溫度及時間設定為90℃×6 h。添加回收料后的樣品應當混合充分、均勻。

如表6所示,TPU回收料添加量設定為5個試驗編號,添加比例依次遞增,注塑后測試不同回收料比例樣片拉伸強度和繩鋸串珠固定力。

表6 金剛石繩鋸注塑用塑料中TPU回收料的添加量

拉伸強度測試:參照GB/T 16421—1996,將添加回收料后的樣品通過注塑機注塑成標準啞鈴狀試樣片,室溫放置48 h后,測試其在20 ℃環境溫度下的拉伸強度。

串珠固定力測試:參照GB/T 30470—2013,將下端串珠固定,模擬實際使用過程中串珠所受沖擊方向,拉拔上端串珠直至其發生明顯位移,測量在20 ℃環境溫度下的串珠發生位移過程所受最大力。

串珠固定力測試示意圖如圖1所示[2],首先,固定金剛石繩鋸下端鋼絲繩于下夾具中,注意下夾具鎖緊的必須是裸露鋼絲繩,而不是注塑后包裹有塑料的鋼絲繩,否則測試時便可能發生相對位移。然后用卡具卡住待測串珠,使其預受力25～50 N,清零力量值及位移,再用2 mm/min的拉力速度對串珠進行拔離測試,直到拉力達到最大值后并逐步下降,此拉力峰值即為該粒串珠所受固定力大小。

圖1 金剛石串珠、塑料與鋼絲繩間的固定力測試示意圖

2 試驗結果與分析

利用回收料與新塑料的混合料作為注塑金剛石繩鋸的固定材料,將注塑樣片和金剛石繩鋸在拉力試驗機上進行拉伸強度和串珠固定力測試,所得結果如圖2、圖3所示。

圖2 不同回收料添加比例的樣片拉伸強度

圖3 不同回收料添加比例的串珠固定力

2.1 樣片拉伸強度

由圖2可知,相比于新塑料,添加有回收料的混合塑料,其拉伸強度均有不同程度的降低。樣片拉伸強度大小與回收料的添加量呈負相關關系,回收料添加比例在30%之前,樣片拉伸強度下降速率較緩;回收料添加比例超過30%之后,樣片拉伸強度下降速率降低明顯。回收料已經歷過一次注塑,而注塑溫度又必然要求其處于TPU黏流溫度和分解溫度之間,從部分回收料發黃的情況來看,極有可能因在料筒內局部區域所受溫度偏高而產生降解,從而產生不同程度的化學鍵的破壞。另一方面,回收料化學結構的破壞便會引起制品力學和機械性能的降低。

2.2 串珠固定強度

同樣,由圖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。串珠固定力大小與回收料的添加量同樣呈負相關關系,回收料添加比例在30%之前,串珠固定力下降速率較緩;回收料添加比例超過30%之后,串珠固定力下降速率降低明顯。金剛石串珠拉拔時所受固定力的來源主要有以下幾個方面:一是塑料本身的機械強度,串珠發生位移時同樣需要破壞包裹塑料的結構,使之產生形變。機械強度高,產生形變所需外力也會增加。二是塑料與鋼絲繩股與股之間的摩擦力,由于鋼絲繩股絲之間同樣存在間隙,注塑時熔融塑料便會滲入進去,最后與鋼絲繩形成連接結構。若要迫使串珠發生明顯位移,便需要克服塑料與鋼絲繩股絲之間的摩擦阻力。使用回收料注塑的金剛石繩鋸串珠固定強度的下降應該主要還是與其本身機械強度的降低有關。

3 結論

(1)添加有回收料的注塑樣片,其拉伸強度均有不同程度的降低。

(2)回收料添加比例低于30%,樣片拉伸強度下降速率較緩;回收料添加比例超過30%,樣片拉伸強度下降速率加快。

(3)添加有回收料的注塑金剛石繩鋸,其串珠固定強度均有不同程度的降低。

(4)回收料添加比例在30%之前,注塑金剛石繩鋸串珠的固定強度下降速率較緩;回收料添加比例超過30%,串珠固定強度下降速率加快。

(5)注塑金剛石繩鋸串珠固定強度與注塑樣片拉伸強度變化趨勢相同,表明注塑用塑料本身的力學性能會直接影響到串珠固定力的大小。