復(fù)合膠壓延硫化海綿膠板的質(zhì)量分析

周瑜     王大展

(東莞市能者橡膠制品有限公司    Dongguan Nzrubber co.LTD)

 

摘要：圍繞環(huán)保與產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)，本文通過材料選擇、配方設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝等程序，分析影響海綿膠質(zhì)量的相關(guān)因素，從中找到復(fù)合膠硫化與發(fā)泡的最佳配合點(diǎn)，保證了制品生產(chǎn)的連續(xù)性，又成功獲得了RoHS與REACH的質(zhì)量認(rèn)證。

關(guān)鍵詞：復(fù)合膠；壓延；烘箱連續(xù)硫化；起泡率；粘合

 

復(fù)合型天然膠通過壓延、烘箱連續(xù)硫化制造海綿板是一項(xiàng)創(chuàng)新工藝，圖1是海綿膠板生產(chǎn)全過程的照片。本工藝有兩個(gè)特點(diǎn)：一是海綿膠連續(xù)生產(chǎn)。制品的最大寬度為1200毫米，厚度在0.5毫米至20毫米范圍內(nèi)可以隨意選取，而構(gòu)成大面積的海綿板材；二是海綿膠能與布或織物有效粘合，制成任意長度的貼布海綿膠板。此特點(diǎn)拓展了制品的應(yīng)用空間，受到了歐美國家的重視，紛紛出臺并實(shí)施環(huán)保法規(guī)、指令，給產(chǎn)品驗(yàn)明正身。

本文介紹用復(fù)合型天然膠制作的海綿膠是通過各個(gè)生產(chǎn)的要素的綜合分析和過程控制，有效地解決了影響制品質(zhì)量與環(huán)保的相關(guān)因素，是獲得RoHS與REACH質(zhì)量認(rèn)證的一個(gè)成功范例。                                        

                      圖1  海綿膠板生產(chǎn)全過程照片

 

 

 

1. 復(fù)合膠性能控制

1.1復(fù)合膠組成

為了滿足綠色、環(huán)保的要求，選擇天然膠作為海綿膠的基體，而關(guān)注到海綿的特性，采用復(fù)合材料對天然膠進(jìn)行改性，以利于對海綿膠的質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。

•  復(fù)合材料

復(fù)合材料是經(jīng)過處理的硫化橡膠粉。通過對《硫化橡膠粉》GB/T19208-2008新標(biāo)準(zhǔn)中對有毒有害項(xiàng)目的檢測，基本上能滿足RoHS法規(guī)中對產(chǎn)品重金屬、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚的限定要求（見附資料1：按RoHS要求的檢驗(yàn)報(bào)告）。

•  復(fù)合型天然橡膠

經(jīng)處理的硫化橡膠粉與天然膠的結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合型天然橡膠，不僅能降低成本，節(jié)約生膠，而且還能改善膠料的加工性能。本文除了對硫化橡膠粉的品種有要求外，還強(qiáng)調(diào)60目粒子為基準(zhǔn)。美國利哈伊技術(shù)公司研究表明：較小顆粒尺寸的橡膠粒子對物理性質(zhì)起到很強(qiáng)的正面效應(yīng)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，由復(fù)合材料組成的天然膠膠料，可提高配合劑的分散性。

1.2復(fù)合膠性能控制

    海綿橡膠制品由于其內(nèi)部具有多孔性，不可能采用密實(shí)橡膠制品的力學(xué)性能來表征其質(zhì)量，因此海綿橡膠通常采用硬度、彈性和視密度等項(xiàng)目來衡量。用復(fù)合型天然膠制造海綿膠就是遵循上述各項(xiàng)目性能要求展開對產(chǎn)品質(zhì)量的掌控。

•  視密度、表觀密度

視密度是衡量海綿膠發(fā)孔情況的重要指標(biāo)之一。而海綿橡膠的視密度可通過下列公式進(jìn)行計(jì)算：     

               

  ρs= W/V* 10³

 

 式中：ρs              視密度（Mg/m³）

    W               稱得試樣在空氣中的質(zhì)理（g）

        V               試樣體積(mm³)

 

通過多次隨機(jī)抽檢表明，用復(fù)合型天然膠制造海綿膠板，視密度控制在0.35Mg/m³，基本達(dá)到產(chǎn)品性能要求。

⑵ 硬度與柔軟性

從視覺與外觀評判海綿膠板的質(zhì)量，重要的是突出產(chǎn)品的低硬度和柔軟性。

圖2     海綿膠板表面狀態(tài)照片

 

海綿膠板的硬度測量是使用“LX-C型橡塑微孔硬度計(jì)”直接量得出讀數(shù)結(jié)果。本復(fù)合型天然膠制造的海綿膠板的硬度控制在18-22度范圍內(nèi)，當(dāng)用手撫模產(chǎn)品，就有平滑細(xì)膩的觸感（見圖2，海綿膠板表面狀態(tài)照片），取得好買相、贏得客戶認(rèn)同。

⑶ 泡孔尺寸與彈性

泡孔尺寸大小是影響海綿橡膠壓縮變形的重要因素之一，而壓縮變形是衡量海綿橡膠彈性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

海綿橡膠彈性的檢驗(yàn)方法是用外力將圓柱體壓入試樣，觀察解除外力后試樣變形的復(fù)原程度。按下列公式計(jì)算測試結(jié)果：

 

               θ= (h1-h2)/h2*100%

                        

式中 θ         海綿橡膠的彈性,%

 h1         在負(fù)荷壓力作用下，圓柱體沉入試樣的深度，mm

      h2         除去負(fù)荷壓力后圓柱體沉入試樣的深度，mm

 

負(fù)荷壓力作用的時(shí)間為30秒，除去負(fù)荷壓力后停放30-60秒后測量。

實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)合膠海綿膠板的泡孔尺寸，控制在0.075mm至1.12mm范圍內(nèi)可獲得彈性為100%的制品，即是海綿膠板的壓縮變形，當(dāng)外力除去后可達(dá)到完全復(fù)原的程度。

還會(huì)表現(xiàn)出具有良好的耐曲撓性能。當(dāng)將海綿膠板彎折至180°時(shí)，觀察其表面完全沒有裂紋，也沒有氣孔的缺口與凹陷現(xiàn)象（見圖3.海綿膠板180°曲撓的照片）

 

 

圖3      海綿膠板180°曲撓的照片

 

這些優(yōu)點(diǎn)成就了復(fù)合型天然橡膠制造的海綿膠板是“瑜珈功”練習(xí)墊的理想材料（見圖4.復(fù)合膠的海綿膠板制作瑜珈功練習(xí)墊照片）。    

 

圖4     復(fù)合膠的海綿膠板制作瑜珈功練習(xí)墊照片

 

2.海綿膠板生產(chǎn)配方的控制

    配方設(shè)計(jì)，就是根據(jù)產(chǎn)品的性能要求和工藝條件合理地選用原材料，確定各種原材料的用量配比關(guān)系。

為使海綿橡膠制品的性能，成本和工藝可行性三方面取得最佳的綜合平衡，相關(guān)的資料證明，膠料的組成結(jié)構(gòu)是決定橡膠加工性能和制品的性能。所以，對生產(chǎn)配方控制要點(diǎn)，首先關(guān)注到：

2.1含膠率

制造海綿膠板的基體材料是天然膠，其在配方中對性能起主導(dǎo)作用。

⑴.確定基體材料天然膠在海綿膠板的基本配方中的百分含量，自然地就知道產(chǎn)品的基本成本了。

當(dāng)制造2mm至8mm的海綿膠板時(shí)，生產(chǎn)配方的含膠率控制在20%-28%范圍內(nèi)，可以保證這個(gè)配方的膠料能正常生產(chǎn)。

⑵.實(shí)踐表明，由天然膠基體材料制造海綿膠板，當(dāng)含膠率低于20%時(shí)，該規(guī)格的海綿膠板的起泡倍率不能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

 2.2配合劑的選擇

海綿橡膠制品對配合劑的要求是密度要小，分散好，不會(huì)使膠料硬化為原則，并且：

 ⑴滿足起泡率的要求

復(fù)合型天然膠制造海綿膠板對填充劑的用量較大，如碳酸鈣其屬親水性的填料，由于其粒子表面特性與橡膠不同，橡膠—填料界面間的親合力小，不易被橡膠浸潤，因此混煉時(shí)較難分散。應(yīng)用粒徑大而結(jié)構(gòu)性低的重質(zhì)碳酸鈣，其混入速度快，分散效果也好，制品的起泡倍率能達(dá)標(biāo)。然而，比重大，表面上似乎膠料成本降低了，但實(shí)際海綿膠板的單位重量增大了。用輕質(zhì)太酸鈣，雖然價(jià)格高于重質(zhì)碳酸鈣，但是細(xì)分散的固相粒子的存在能促進(jìn)孔胚的形成，制成的海綿膠密度小，比重輕，相比之下成本還低，自然成為優(yōu)選的填料。

⑵ 滿足海綿膠與布的粘合要求

復(fù)合型天然膠制造海綿膠板是將膠料經(jīng)壓延出片后與布（或織物）粘合成型，并且在常壓狀態(tài)下通過烘箱連續(xù)硫化，制作出“貼布海綿膠板”。質(zhì)量要求是海綿膠板與布實(shí)現(xiàn)整體粘合，貼布的板面是平滑柔順的，不允許有起皺紋與脫層現(xiàn)象。所以要選用增粘作用大的軟化劑，增加橡膠分子鏈的活動(dòng)性來提高膠料的粘著性；同時(shí)也要適當(dāng)采用補(bǔ)強(qiáng)性大的填料，增加膠料的生膠強(qiáng)度，從而提高膠料的自粘性（見圖5，貼布的海綿膠板照片）。

                       圖5    貼布的海綿膠板照片

⑶滿足綠色環(huán)保的要求

歐盟的“綠色“法規(guī)及指令，比較先進(jìn)、嚴(yán)格且具有代表性。REACH《關(guān)于化學(xué)品注冊、評估、授權(quán)和限制的法規(guī)》，核心內(nèi)容是以一套完整的關(guān)于化學(xué)品的登記、評估、授權(quán)和限制的制度來統(tǒng)一管理現(xiàn)有化學(xué)品和新化學(xué)品的生產(chǎn)、銷售和使用。

2005/84/EC《關(guān)于鄰苯二甲酸脂類限量的指令》將下列3種增塑劑：①.鄰苯二甲酸二丁酯（DBP），②.鄰苯二甲酸二（2—乙基己基）（DEHP）,又稱之為“鄰苯二甲二辛酯（DOP）③.鄰苯二甲酸芐基丁酯（BBP）劃分為第二類有毒物質(zhì)，在用品中濃度不超過0.1%（1000mg/kg），另外三種增塑劑：④.鄰苯二甲酸二異壬酯（DINP）,⑤.鄰苯二甲酸正二辛酯（DNOP），⑥.鄰苯二甲酸二異葵酯（DIDP），用量同樣也是不得超過0.1%。

用復(fù)合型天然膠制造的海綿膠板經(jīng)檢測，其上述各項(xiàng)指標(biāo)的含量均小于0.01%，完全符合REACH法規(guī)要求（詳細(xì)內(nèi)容見附資料2）。

3.海綿膠生產(chǎn)工藝的控制

3.1塑煉和混煉

天然橡膠的粘度過高，流動(dòng)困難，缺乏基本的、必需的工藝性能---良好的可塑性，對制造海綿膠不利于發(fā)泡起孔，必須進(jìn)行多段塑煉降低生膠的粘度，提高其可塑度。經(jīng)驗(yàn)證明，門尼粘度0.3，有利于混煉的順利操作。

復(fù)合型天然橡膠的膠料混煉，主要的是力求配合劑均勻分?jǐn)?shù)，防止物料結(jié)團(tuán)結(jié)塊，或者有粗粒子和雜物存在，而導(dǎo)致在其后發(fā)泡過程中，影響產(chǎn)品的平滑度或形成氣泡大的現(xiàn)象，故混煉的操作規(guī)程要求：

⑴嚴(yán)格遵守加藥順序

因炭黑造粒特性的影響，大顆粒炭黑的混入時(shí)間比小顆粒長。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)造粒的炭黑進(jìn)入混煉時(shí)，加藥順序處理不當(dāng)，在產(chǎn)品的表面就會(huì)出現(xiàn)小顆粒，影響制品的平整度，故要求執(zhí)行炭黑與塑煉膠先行混煉。

作為堿性物質(zhì)的氧化鋅，不宜與酸性硬膠酸同時(shí)加入混煉。執(zhí)行給硬脂酸先加入混煉的準(zhǔn)則。

⑵ 發(fā)泡劑與硫化體系

為了防止焦燒及對后工序發(fā)泡帶來不良的影響，要求發(fā)泡劑與硫化體系在混煉的最后階段加入，并需操作迅速。

3.2 壓延成型

壓延是將混煉膠在壓延機(jī)上制成具有規(guī)定厚度和寬度的膠片，并要求壓出的膠片厚度和收縮要均勻一致。膠片表面必須光滑平整，不允許存在皺紋。

壓延是海綿膠板成型的過程，掌握好壓延工藝是保證海綿膠板質(zhì)量的前提。

.    ⑴ 壓延成型

混煉后膠料經(jīng)過一段時(shí)間的存放后，膠片的溫度較低，在進(jìn)入壓延機(jī)之前，為使膠料具有較好的粘流性及與布（或紡織物）有較好的附著性，必須經(jīng)過熱煉，以達(dá)到一定的熱可塑性，方有利于壓延的進(jìn)行，同時(shí)還可起到補(bǔ)充混煉使配合劑進(jìn)一步分散均勻的作用，熱煉后的膠料柔軟，易于壓延的操作并成型出表面光滑平順的膠片。

⑵輥溫與輥距

適當(dāng)?shù)妮仠厥潜ＷC壓片順利進(jìn)行的首要條件，在膠料可塑度不變情況下，操作者把握輥筒溫度是觀察膠片脫離輥瞬時(shí)是否趨于一致，即在1200mm長的輥筒表面（Ⅴ3與Ⅴ4接觸面）壓出的膠片保持在同一水平線上為宜（見圖6）

         并執(zhí)行定時(shí)定位置測定出片的厚度，以波動(dòng)較大的一側(cè)為重點(diǎn)做個(gè)記號，檢查膠片通過烘箱后形成海綿膠板的厚度是否同步增減來確定出片所需的厚度。

同時(shí)觀察Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅴ3輥筒堆積膠的情況，對輥距進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整至穩(wěn)定的供膠，保證在1200mm寬度出片的厚度一致。

當(dāng)通過烘箱連續(xù)硫化制得第一板海綿膠時(shí)，立即檢查不同部位海綿膠板的厚度，處于公差范圍內(nèi)為合格品。

⑴烘箱加溫與承托網(wǎng)輸送速度

烘箱導(dǎo)熱連續(xù)硫化是海綿膠板制造的最后工序，是決定海綿膠板質(zhì)量的關(guān)口，理由是：

①.能最直接知道壓延出片后在常壓下經(jīng)烘箱導(dǎo)熱，連續(xù)硫化制造出海綿膠板的成功率。

②.能最有效驗(yàn)證利用烘箱導(dǎo)熱連續(xù)硫化實(shí)現(xiàn)復(fù)合膠硫化與發(fā)泡的最佳結(jié)合。

有資料介紹，硫化過程與發(fā)泡的關(guān)系如圖所示，圖中將硫化曲線分為四段，A點(diǎn)以前為焦燒時(shí)間，AB段為熱硫化前期，BC段為熱硫化的中期，CD段為熱硫化的后期，D點(diǎn)以后為正硫化點(diǎn)。

 

圖7   硫化過程與發(fā)泡的關(guān)系

參照圖7，恰好可以將60米長的導(dǎo)熱烘箱的加溫區(qū)域按ABCD設(shè)置4個(gè)測溫點(diǎn)，對生產(chǎn)過程的加溫硫化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。實(shí)踐證明：將A區(qū)溫度控制在90度到100度，將B區(qū)溫度控制在130度到135度，將C區(qū)溫度控制在150度到155度，將D區(qū)溫度控制在160度到165度，能正常生產(chǎn)出2mm至4mm厚度的海綿膠板。

承托網(wǎng)輸送速度是可控的，根據(jù)海綿膠板的厚度變化作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，滿足硫化過程與發(fā)泡速度同步的需要。

4.結(jié)語

4.1  要以最低的成本可靠的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的必需的功能，確實(shí)是頗具挑戰(zhàn)性的課題，現(xiàn)正在生產(chǎn)實(shí)踐中尋求兩者之間的最佳結(jié)合。

4.2  貼布海綿膠板供應(yīng)對象是客戶而不是消費(fèi)者，抓好產(chǎn)品質(zhì)量是第一要?jiǎng)?wù)。新工藝帶來很多新問題，對質(zhì)量的分析很膚淺或者有偏差，今后仍需努力。

 

 

參考文獻(xiàn)

[1]呂百齡等  實(shí)用橡膠手冊      北京化學(xué)工業(yè)出版社          2010.4

[2]張殿榮等  現(xiàn)代橡膠設(shè)計(jì)配方  北京化學(xué)工業(yè)出版社          1996.6

[3]韋邦風(fēng)等  橡膠壓延成型      北京化學(xué)工業(yè)出版社          2006.5

[4]楊清芝等  試述橡膠與環(huán)保    特種橡膠制品                2008.4 

[5]梁明華 崔彥章 歐盟環(huán)保堡壘對我國橡膠行業(yè)的影響  論文集  2008.12

[6]吳向東也談?wù)勏鹉z海綿的制造  廣東橡膠                   2011.3