高摩擦轻型输送带研制及产业化

一、项目概况和必要性
　  近年来随着科学技术的高速发展，邮政物流领域的专用设备也日新月异，其中邮政信件自动分拣系统，爬坡式输送系统等设备在工作运行过程中速度往往高达50米/分钟以上，且输送角度在15°～45°之间，为了防止输送带在高速运动中出现打滑和覆盖层与基布分层现象，这就对其重要组成部件输送带提出了更高要求，不仅要求带体表面具有良好的弹性模量，耐磨性和高摩擦系数，同时具有高层间粘接性能。
　  高摩擦轻型输送带国内一般采用糊状聚氯乙烯涂敷压花技术，但是由于聚氯乙烯本身特性，无法满足表面高弹性模量，低压缩变形要求。热塑性弹性体是近几年发展起来的新型高分子材料，它是一种兼具橡胶和热塑性塑料特性的材料。在正常使用温度下，一相为流体(使温度高于它的Tg─玻璃化温度)，另一相为固体(使温度低于它的Tg或等于Tg)，并且两相之间存在相互作用，即在常温下显示橡胶弹性，高温下又能塑化成型的高分子材料，具有类似于橡胶的力学及使用性能、又能按热塑性塑料进行加工和回收，它在塑料和橡胶之间架起了一座桥梁。《日本公开特许公报》报道：日本三菱孟山都公司首次研制出聚氯乙烯热塑性弹性体（PVC-TPEE），此类产品既具有热塑性弹性体表面弹性性能，同时又能满足带体压花工艺，但是此类产品通常为挤出压延产品，不能用糊状聚氯乙烯进行加工生产，因此无法应用于现有轻型输送带涂覆法生产工艺中。
　  另一方面，输送带在高速运转过程中很容易出现层间分离现象。由于涤纶纤维表面结晶度高，分子间作用力大，表面形态光滑致密，再加上其本身的化学惰性，是一种难粘材料，此外在纺丝过程中附着在涤纶长丝上的油剂以及一些低分子杂质聚集物，更容易润湿涤纶纤维表面，生成不易清除的弱界面层，因此大大降低了聚氯乙烯树脂对涤纶基布表面润湿性。如果只通过高分子间共价键，离子键等化学键进行连接，根本无法达到高剥离强度要求。国内通常采用酚醛树脂、多甲撑多苯撑异氰酸酯混合胶粘剂或酚醛树脂、三苯甲烷三异氰酸酯混合胶粘剂或异氰酸酯、环氧树脂混合胶粘剂粘结涤纶纤维与聚氯乙稀塑料，但此技术因固化时间长根本无法用于输送带涂覆法连续生产。
　  针对此现象，本公司经过技术攻关，解决了以上两个技术难题。创造性采用聚氯乙烯与弹性体共混改性配方，研制出糊状聚氯乙烯热塑性弹性体，解决其表面高摩擦问题；另一方面本项目采用双官能分子的材料“做媒”偶联粘结技术，采用新的打底贴合配方。应用此技术生产的高摩擦轻型输送带不仅在层与层之间形成高粘接强度界面，且表面具有塑性弹性体的优良物理性能及饱满外观花纹。此产品突破了国外专利技术堡垒，填补了国内技术空白,改变了产品依赖进口的局面，推动了行业的技术进步和持续发展，提高了我国轻型输送带领域的竞争力和地位，为我国该领域的发展作出了积极贡献。
　  
　  二、项目着重解决的技术问题
　  本项目研制的高摩擦轻型输送带采用一种兼具热塑性弹性体与软质聚氯乙烯（PVC）共有特性的混合体及高粘接强度打底料材料研制而成，并采用多层基布与混合体改体聚氯乙烯贴合，最后表面压花成型。具体工艺流程见图1。
　  
　  图1 高摩擦轻型输送带制造工艺流程图
　  项目技术重点研究在于：
　  1. 丁腈橡胶与糊状聚氯乙烯共混问题
　  丁腈橡胶的强极性以及反式-1，4结构，使其结构紧密，很难与其它物质具有很好的相容性。在项目初期，尝试性直接将丁腈橡胶加入糊状聚氯乙烯中，结果发现丁腈橡胶根本无法与其相混合，经过研究发现橡胶增塑剂可以降低分子间作用力，使丁腈橡胶浸润并分散均匀，经过尝试多次物理增塑剂和化学增塑剂及各种工艺方法，最终采用液体橡胶增塑剂（XNBR）以及特殊的工艺处理方法，使其与糊状聚氯乙烯具有良好的相容性。
　  由于丁腈橡胶为浅黄色粘稠性弹性体，如果直接与糊状聚氯乙烯相混合则无法充分搅拌均匀，在后期的涂覆及压花工艺中表面将产生气泡及针孔现象，严重影响其输送带外观质量。本项目经过多次工艺实践，采用先将丁腈橡胶与XNBR液体橡胶增塑剂混合后溶涨24小时，再加入其它增塑剂搅拌均匀，最后加入糊状聚氯乙烯、稳定剂及增强填充剂固体原料，经充分搅拌均匀后抽真空脱泡。具体工艺流程见图2。
　  
　  图2 糊状聚氯乙烯热塑性弹性体配置工艺流程图
　  由图2可见：该工艺流程简便，快捷，将丁腈橡胶充分溶于XNBR液体橡胶增塑剂中使得在与糊状聚氯乙烯搅拌过程中充分混合，不仅解决了丁腈橡胶难于加工的特性，且不易产生较多气泡。
　  2.糊状聚氯乙烯热塑性弹性体配方的研制
　  本项目基础配方由糊状聚氯乙烯、丁腈橡胶、增塑剂、稳定剂、增强填充剂共混改性制成聚氯乙稀弹性体产品面层料及贴合料，其中XNBR橡胶增塑剂为6～16的比例是经过上百次的实验。具体配方及份数如表1：
　  表1 糊状聚氯乙烯热塑性弹性体基本配方
　  配方组成 配方份数
　  PVC糊状树脂 50～90
　  PVC掺混树脂 10～50
　  丁腈橡胶 5～30
　  增塑剂 70～150
　  稳定剂 3～7
　  增强填充剂 2～6
　  
　  通过以上基本配方，经过多次正交试验方法得到糊状聚氯乙烯与丁腈橡胶的最佳配比方案。表2为面层贴合料各配比方案及由该配方所得高摩擦输送带的物理性能数据对比。
　  表2 高摩擦输送带面层料配方方案及产品性能比较
　  配方原料/产品性能 单位 配方1 配方2 配方3 配方4 配方5
　  PVC糊状树脂 phr 60 60 55 50 90
　  PVC掺混树脂 phr 40 40 45 50 10
　  液体丁腈橡胶 phr - 86 86 5 3
　  XNBR橡胶增塑剂 phr - 16 12 10 6
　  DOP增塑剂 phr 40 40 60 60 50
　  DNP增塑剂 phr 10 10 - 5 5
　  BBP增塑剂 phr 15 15 8 5 10
　  DNODP phr 8 8 - 3 -
　  ESO phr 5 5 5 4 4
　  CZ phr 2 2 1 - 1
　  BZ phr 3 3 4 4 4
　  纳米级粘土 phr 3 3 - 3 -
　  纳米级活性陶土 phr － - 3 - 5
　  硬度 ShoreA 40 60 50 55 65
　  拉伸强度 Mpa 8 9.8 10.6 11 10
　  伸长率 % 280 380 420 400 390
　  压缩永久变化率 % 50 40 40 45 46
　  磨耗量 cm3 0.20 0.10 0.08 0.09 0.11
　  配方1为未加入丁腈橡胶的原始配方；配方2为在原始配方的基础上加入丁腈橡胶及XNBR液体橡胶增塑剂；配方3、配方4、配方5是在配方2基础上进行的调整。从表2中可以看出，未加入丁腈橡胶的原始配方所制造的输送带带体表面硬度偏软，因此表面磨耗量最大，耐磨性能差，且不具有橡胶弹性，拉伸强度和伸长率都较低。配方2为在配方1基础上加入丁腈橡胶及XNBR液体橡胶增塑剂，与配方1相比，表面磨耗量明显减小，耐磨性能增强；拉伸强度和伸长率也有所增强。在配方2的基础上，又对其配比进行了局部调整，得到了性能更加优越的配方。
　  用该系列配方所制造的输送带在相同的硬度下，其拉伸强度虽然比不上热塑性聚氨酯，但高于其他热塑性弹性体；压缩永久变形和热变形率小于软质PVC，与橡胶接近，回弹性提高；耐热耐寒性优于软质PVC，高温时的形状保持性好，硬度对温度的依赖关系也小于软质PVC；其弯曲疲劳性优于一般软质PVC，硬度低的类型更为优良；具有良好的表面特性、粘结性、涂装性、耐磨性和消光性。这些优越的性能全是塑料输送带质量特性需要的。
　  3.解决高粘接强度界面技术难题
　  针对涤纶长丝织物与糊状聚氯乙烯热塑性弹性体粘接要求的高强度，研制了打底贴合配方。具体配方及份数如表3。
　  表3 高粘接强度打底贴合配方
　  配方组成 配方份数
　  聚氯乙稀树脂 100
　  VP胶粘剂 3～8
　  合成橡胶 4～20
　  增塑剂 55～100
　  稳定剂 3～6
　  本项目进行了百种配比小试实验，对各种小试数据进行排列分析，选取了下表四种具有代表性的配方进行中试试验，各配方的物理机械性见表4。
　  表4 增强型打底料配方方案及产品物理性能比较
　  原料 单位 配方1 配方2 配方3 配方4
　  聚氯乙稀糊状树脂 phr 100 100 100 100
　  脂环族粘结剂（VP） phr 3 5 8 8
　  液态氯丁胶 phr 4 — 12 20
　  无规羧基液态丁腈胶 phr — 5 — —
　  液体橡胶增塑剂 phr 8 10 24 40
　  聚酯增塑剂 phr — 10 — 10
　  邻苯二甲酸二辛酯 phr 36 42 46 35
　  邻苯二甲酸二壬酯 phr 8 — 8 —
　  邻苯二甲酸丁苄酯 phr — 8 — 10
　  环氧大豆油 phr 3 4 — 5
　  钙锌复合物 phr — — 3 3
　  钡锌复合物 phr 1 1 1 2
　  钡镉锌复合物 phr 2 2.5 — —
　  环氧树脂酸盐 phr — 1 0.5 1
　  剥离强度 N/mm 5.1 5.0 6.5 8.6
　  拉断强度 MPa 10.2 12.6 10.8 11.6
　  层间界面开始明显损伤的运转圈数 万圈
　  58 70 62 68
　  层间界面运行损伤的强度 N/mm/万圈 0.08 0.04 0.06 0.05
　  由表4的试验结果可知，本项目所制备的输送带打底贴合料的粘结强度不仅远远高于国际标准ISO/FDIS14890，而且也高于现有的同类产品，且本项目所制备的输送带打底贴合料韧性好、拉伸强度高，曲挠疲劳损伤小，使用寿命长达到国际领先水平。
　  4.带体面层压花的设计
　  带体面层压花是输送带稳定传送物品的必备条件。本项目的面层花纹按照牛顿－莱布尼茨（Newton-Leibniz）动能，惯量，质心二阶矩的原函数定理计算，针对物流高低斜坡输送专门设计研发了高摩擦直线草型，中摩擦直线型，波浪草型花纹。该系列花纹设计符合斜坡输送方式，摩擦系数大大提高，且在高速的斜坡运行过程中，带体上物品紧紧附于带体表面，不会产生打滑和掉落的现象。具体花纹结构见图2。
　  
　  a 高摩擦直线草型 b 中摩擦M120
　  
　  c 格子花纹
　  图2 花纹结构图
　  表5为各系列花纹稳定输送物品的摩擦系数比较。
　  表5 各花纹摩擦系数比较
　  花纹结构 摩擦系数
　  高摩擦直线草型 0.783
　  中摩擦M120 0.689
　  格子花纹 0.756
　  无花纹平带 0.105
　  
　  三、项目产业化实施 
　  从前期的研发工作到后期的工业化生产，我公司历时2年时间完成了全部工作。
　  （1）2005年2月，我公司立足于市场，进行市场调研，发现物流领域输送带具有很大的发展前景。
　  （2）2005年3月-2005年5月，我公司针对物流领域输送带使用性能要求，在国内外进行了技术查新和专利检索，发现物流领域输送带技术国内外都处于空白状态，因此我公司经过详细的技术准备，制定了“高摩擦输送带”项目。
　  （3）2005年6月-2005年12月，我公司进行了大量的实验室小样工作，小试成功后，在国内申请了“高摩擦输送带材料”， “一种输送带打底贴合材料及其制备方法和用途”两项发明专利。
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