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将掺混固废的阻尼材料制备成中空纤维可有效提高其阻尼性能,为进一步降低原材料成本和固废的再资源化利用提供新途径。本文将铁尾矿砂或铝灰等固体废弃物分别掺混到新型中空纤维阻尼材料的制备中,经实验探索获得了以微纳化和溶剂选择为特征的相容且掺混均匀的铸膜液制备工艺;选用丁腈橡胶为主体材料,分别以铝灰和微纳铁尾矿砂为掺混料,采用正交实验法探讨了固废含量、铸膜液浓度、孔径和壁厚等四因素对掺混固废中空纤维阻尼性能的影响主次,探明了影响其中空纤维阻尼性能的参数调制机理;通过极差分析得到了掺混的优化配方并再次获得了其实验验证,根据最优配方对前两个主要因素做了其变化影响分析;在前述研究的基础上,进一步通过实验对比分析了与三种不同主体材料(丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)和丙烯酸酯橡胶(ACM))掺混时的阻尼性能;还以玻璃纤维管为内芯材料,纺制了内芯增强中空纤维阻尼材料,采用正交实验法探讨了主体材料、铸膜液浓度、内芯孔径、壁厚对该内芯增强中空纤维的阻尼性能的主次影响,得到了最优配方并对前两个主要因素做了其变化影响分析。为了掌握铁尾矿砂不同状态下自身的阻尼特性,还借助3D打印技术制备了专用测试盒,实测获得了原铁尾矿砂、水溶剂纳米碾磨铁尾矿砂及DMAc溶剂纳米碾磨铁尾矿砂自身的阻尼性能。通过上述实验研究,得出以下主要结论:
(1)通过红外光谱测试实验结果和纺制纤维的铸膜液均混效果可知,在碾磨选用主体系溶剂的前提下,掺入微纳化固废(中位粒径200nm)对与NBR/PVC、HNBR/PVC和ACM/PVC体系的相容性均未产生影响,固废微纳米化和纳米碾磨溶剂选择是制备相容且掺混均匀的铸膜液的技术关键。
(2)由掺混铝灰中空纤维阻尼材料的正交实验分析结果可知,铝灰含量、铸膜液浓度、中空纤维壁厚和中空纤维孔径对掺混铝灰中空纤维阻尼性能影响主次关系为:铸膜液浓度>孔径>铝灰含量>壁厚,通过实验验证可知其最优方案为铝灰5%、铸膜液浓度18%、膜厚0.45mm和孔径0.9mm,而且对于其中空纤维阻尼而言,铸膜液浓度为18%优于20%和22%,孔径为0.9mm优于孔径0.7mm和1.2mm。
(3)由掺混微纳铁尾矿砂中空纤维阻尼材料正交实验分析结果可知,微纳铁尾矿砂含量、铸膜液浓度、中空纤维壁厚和中空纤维孔径对掺混微纳铁尾矿砂中空纤维阻尼性能影响主次关系为:铸膜液浓度>孔径>微纳铁尾矿砂含量>壁厚,值得指出的是微纳铁尾矿砂含量的影响权重也比较高。通过实验验证可知其最优方案为微纳铁尾矿砂10%、铸膜液浓度18%、膜厚0.45mm、孔径0.9mm,而且铸膜液浓度为18%优于20%和22%,孔径为0.9优于孔径0.7mm和1.2mm。
(4)通过对比三种不同主体材料(NBR,HNBR和ACM)分别掺混铝灰和微纳铁尾矿砂中空纤维和平板膜阻尼性能可知,掺混这两种固废的中空纤维阻尼性能明显优于掺混这两种固废的平板膜的阻尼性能,再次证明将材料制备成中空纤维可有效提高其阻尼值。
(5)根据内芯增强中空纤维阻尼材料影响因素正交实验分析结果可知,不同主体材料、铸膜液浓度、中空纤维壁厚和内芯材料孔径对内芯增强中空纤维阻尼材料影响主次关系为:不同主体材料>铸膜液浓度>内芯孔径>壁厚,通过实验验证可知其最优方案为主体材料为ACM、铸膜液浓度22%、壁厚0.45mm、内芯材料直径1.0mm,并且主体材料为ACM的内芯增强中空纤维其阻尼优于主体材料为NBR和HNBR的内芯增强中空纤维。
(6)由盒砂测试法测得的阻尼结果可知,固废铁尾矿砂在不同状态下自身的阻尼谱图和峰值有所不同,粒径大小会直接影响其阻尼性能;微纳铁尾矿砂的阻尼峰值稍有增加,故可作为阻尼材料的掺混料。
(1)通过红外光谱测试实验结果和纺制纤维的铸膜液均混效果可知,在碾磨选用主体系溶剂的前提下,掺入微纳化固废(中位粒径200nm)对与NBR/PVC、HNBR/PVC和ACM/PVC体系的相容性均未产生影响,固废微纳米化和纳米碾磨溶剂选择是制备相容且掺混均匀的铸膜液的技术关键。
(2)由掺混铝灰中空纤维阻尼材料的正交实验分析结果可知,铝灰含量、铸膜液浓度、中空纤维壁厚和中空纤维孔径对掺混铝灰中空纤维阻尼性能影响主次关系为:铸膜液浓度>孔径>铝灰含量>壁厚,通过实验验证可知其最优方案为铝灰5%、铸膜液浓度18%、膜厚0.45mm和孔径0.9mm,而且对于其中空纤维阻尼而言,铸膜液浓度为18%优于20%和22%,孔径为0.9mm优于孔径0.7mm和1.2mm。
(3)由掺混微纳铁尾矿砂中空纤维阻尼材料正交实验分析结果可知,微纳铁尾矿砂含量、铸膜液浓度、中空纤维壁厚和中空纤维孔径对掺混微纳铁尾矿砂中空纤维阻尼性能影响主次关系为:铸膜液浓度>孔径>微纳铁尾矿砂含量>壁厚,值得指出的是微纳铁尾矿砂含量的影响权重也比较高。通过实验验证可知其最优方案为微纳铁尾矿砂10%、铸膜液浓度18%、膜厚0.45mm、孔径0.9mm,而且铸膜液浓度为18%优于20%和22%,孔径为0.9优于孔径0.7mm和1.2mm。
(4)通过对比三种不同主体材料(NBR,HNBR和ACM)分别掺混铝灰和微纳铁尾矿砂中空纤维和平板膜阻尼性能可知,掺混这两种固废的中空纤维阻尼性能明显优于掺混这两种固废的平板膜的阻尼性能,再次证明将材料制备成中空纤维可有效提高其阻尼值。
(5)根据内芯增强中空纤维阻尼材料影响因素正交实验分析结果可知,不同主体材料、铸膜液浓度、中空纤维壁厚和内芯材料孔径对内芯增强中空纤维阻尼材料影响主次关系为:不同主体材料>铸膜液浓度>内芯孔径>壁厚,通过实验验证可知其最优方案为主体材料为ACM、铸膜液浓度22%、壁厚0.45mm、内芯材料直径1.0mm,并且主体材料为ACM的内芯增强中空纤维其阻尼优于主体材料为NBR和HNBR的内芯增强中空纤维。
(6)由盒砂测试法测得的阻尼结果可知,固废铁尾矿砂在不同状态下自身的阻尼谱图和峰值有所不同,粒径大小会直接影响其阻尼性能;微纳铁尾矿砂的阻尼峰值稍有增加,故可作为阻尼材料的掺混料。