温州飞龙聚氨酯设备工程有限公司

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摘要：介绍浇注型聚氨酯弹性体（CPU）胶辊的主要性能及用途。生产技术和工艺过程及所需用的主要设备的结构要求。

(飞龙聚氨酯公司 - 3组份弹性体浇注机)

一、 概况：

1、 聚氨酯胶辊的特点和类型

浇注型聚氨酯胶辊是由液体聚氨酯橡胶通过浇注的方法制造的一种胶辊，它与普通橡胶辊相比，具有较高的机械强度（为天然橡胶的2~3倍）；卓越的耐磨性（为天然橡胶5~10倍）；突出的抗压缩性；硬度范围广，且在高硬度下仍具有高弹性（这是其他胶种所没有的特性）；表面光洁度高；机械加工性能优越；与金属粘结性也比普通橡胶高得多。比较适合一定线速和高压力下使用。

目前聚氨酯胶辊发展很快，原来使用的大量普通橡胶辊已被新型聚氨酯胶辊所取代。

浇注型聚氨酯胶辊大体分为聚酯型、聚醚型和聚已内酯型三种（指柔性链段的主要构成原料）。一般来说，聚酯型多用在高、中硬度的胶辊中，其物理机械性能高，耐溶剂性能较好，常用作钢铁行业中彩涂辊。聚醚型多用在高转速、高硬度的胶辊中，它的耐水性能佳，耐低温性优越，工艺性能好掌握，常用来制造拉丝辊、印花辊等。聚已内酯型综合性能优越，耐低温性能及耐水解性能好，常用作压榨辊及要求较高的胶辊。

（聚氨酯胶辊图片1）

2、 胶辊对聚氨酯材料的基本要求：

（1） 必须满足各种胶辊所要求的物理机械性能指标；

（2） 必须和辊芯有良好粘合性，以适应粘合成型的工艺要求；

（3） 胶辊硬度应符合要求，辊面硬度应均匀一致；

（4） 表面无气泡、杂质及机械损伤。

3、 胶辊的主要技术性能

（1） 硬度：各种胶辊的硬度参考值

（2） 表面要求：根据具体的用途而定，有的要求表面光洁或需经特殊加工或处理。

（3） 中高率：胶辊中心部直径和端边部直径之差。其作用是弥补较细长的胶辊在运转中的挠度变形，胶辊的中高率随胶辊的长度而增加。

1、 金属辊芯预处理：

（1） 认真进行辊芯的表面清洗，去除油污，润滑剂及金属缔合生成的有机物质。清洗液可用通常的清洗溶剂或三氯乙烯等。

（2） 认真清除辊芯表面锈迹或氧化物。常用喷砂处理：对碳钢质辊芯，推荐用80~100目氧化铝磨料；对铝质辊芯，宜用140~320目磨料进行湿喷砂处理，喷砂后，应使用溶剂将表面残留粉尘清除干净。为获得良好的粘接效果，碳钢辊芯要在喷砂后4小时内完成粘接；铝质辊芯可在喷砂后72小时内完成粘结处理。

（3） 认真涂敷适宜的粘合剂（如NA-1，chemlock-218，Thixon422等），涂敷粘合剂后，辊芯应在干燥空气中干燥20分钟，并在90±10℃下处理1小时，然后进行CPU浇注操作。

（聚氨酯胶辊图片2）

一、 胶辊生产技术及工艺

1、 胶料制备及浇注工艺过程简图（以聚酯—TDI—MOCA为例）

2、 胶辊用浇注型聚氨酯弹性体主要性能：

* 测试条件：70℃×22h，压缩率25%

3、 生产工艺

（1） 予聚体制备举例

（聚氨酯原料图）

① 聚酯多元醇脱水（在脱水釜中进行）：用Mn.2000（羟值53~59，mgKOH/g，溶点40~50℃）的聚酯，加热熔化后在带搅拌的不锈钢或搪瓷釜中，脱水温度100~140℃（聚醚100~110℃），以余压5mmHg进行真空脱水30~60分钟，使其含水量＜0.05%（从视镜可观察脱水情况）。为使罐内液体充分脱气，可间歇开停搅拌装置，抽一段时间真空后，可停止反应罐加热，使料温降至70~80℃。

② 予聚体合成（在反应釜中进行）：制品的性能取决于所用的原材料及其配比和加工工艺。先按性能要求，如温度、机械性能和接触介质及釜中寿命等选择合适的原材料。再按要求硬度选定合适配比及工艺条件（如混合温度、浇注和脱模时间及硫化条件等）。为保证予聚体的质量，聚酯脱水及予聚体合成可在同一釜中进行，予聚体合成反应在干燥氮气保护下进行。为防止反应剧烈、温升过快，须备有冷却装置。如反应剧烈，可分次加入，使反应过程平稳，反应温度容易控制，合成的予聚体中游离异氰酸酯单体含量较低，结构较规整。使其保持在80±5℃，反应1~2小时，分析异氰酸酯基含量。在可能条件下也可购买符合要求的国内外品牌的予聚体。

③ 予聚体脱气（可在予聚体合成反应釜或浇注机的A料罐中进行）：在85±5℃及余压5mmHg下脱泡30~60分钟。

（2） 浇注机浇注：

（飞龙聚氨酯公司 - 3组份弹性体浇注机）

① 技术关键：浇注机是浇注型聚氨酯弹性体（CPU）生产中的关键设备，其主要技术要求如下：

a、 配比精确，计量稳定：采用耐温耐压的高精度计量泵及精密传动，调节和显示装置，其计量精度达±0.5%。

b、 混合均匀，不产生气泡：采用特殊结构的高速混合头，当两组分原液粘度及配比相差很大时，亦能保证混合均匀，使生产的制品宏观无气泡，且调节灵活、操作方便。

c、 温度稳定，准确可靠：原液的温度变化会影响原液的粘度、压力、计量精度及混合比，使制品质量无法稳定。尤其是B组分（MOCA）常温下为固体，若料温太低则会结死而无法操作，料温太高则易变色而影响制品质量。常用电加热的导热油循环系统，加热原液，计量泵及浇注头，由智能型时间比例式数显温控仪进行恒温自控。

d、 成品宏观无气泡：通过真空脱泡，确保予聚体中无气泡，保证浇注头中二个组份混合时不会产生气泡（和混合头的型式及浇注头的密闭性有关）采用适当的浇注方式做到混合料浇注不会发生机械冲击气泡。

② 浇注工艺：在B料罐中加入MOCA（熔化温度＞110℃）启动各组分的加热系统，使A、B料均达到要求温度并各自循环，A料如需要可先进行真空脱气，以达到予聚体中无气泡。按配方要求通过调节计量泵的转速和排量，使A、B料达到要求的混合比。启动浇注按钮，则A、B料在浇注头的混合腔中通过高速的混合头搅拌使之混合均匀，当排出的混合料在透明软管中不含气泡时即可往模具中浇注（模具及辊芯已经预处理，并预热至90~110℃）。当两次浇注相隔时间较长时（超过釜中寿命¹/₂）需用清洗剂（二氯甲烷或三氯乙烯）对混合腔及混合头进行自动清洗使其洗净吹干（由电脑程控器自动控制）。每当浇注停止时，A、B原液即自动转为各自循环状态，回到各自料罐中。

（3） 熟化及后处理：

① 成型硫化（模型硫化），胶辊在脱模前在模具中硫化过程，其温度可选择在其化学结构不发生破坏的前提下，尽可能高一些，以加快扩链交联反应，缩短脱模时间，提高模具和设备利用率，常以100~120℃，30~120min为宜。

② 后硫化：指胶辊脱模后继续加热硫化的过程，温度稍低于成型硫化，以90~110℃，3~10小时为宜。

③ 表面再加工：根据要求在加工设备上进行车削或磨削加工。

（4） 注意要点：

① 模具结构合理，装配可靠，分型面无漏胶可漏气。

② 温度平衡，要求模具、辊芯及胶料的温度基本相同，模具各部位温度基本一致。

③ 胶料的浇注点可在辊芯或模具边缘，应保持固定不变，以不产生气泡为宜，为防止裹挟气泡，模具可水平安置或适当倾斜使胶料沿壁而下。

④ 胶辊未达到脱模强度前，不要随便移动模具，以防产生龟裂。

⑤ 装配模具和辊芯时，尤其要注意防止涂过粘合剂的辊芯碰着模具内壁，影响胶辊的粘接质量。即模具上不得粘上粘结剂，辊芯上不得粘上脱模剂。

⑥ 硫化后胶辊，待达到要求强度后，再进行表面切削和磨光等机械精加工，以保证辊面的粗糙度和辊轴的同心度。

（5） 对CPU制品模具的基本要求：

① 材料：选择时应着重考虑：具有足够的强度；足够的耐热性和尺寸稳定性；符合使用寿命要求的耐用性；制造成本较低。当批量生产从耐久性考虑常用金属材料，单件或试制产品常用环氧树脂等非金属模具，若采用压力合模浇注则应用金属模具。

② 结构：除了保证制品的几何形状和尺寸外，还应注意浇注位置，分型面和排气，以便达到：

a、 便于制品的浇注和脱模；

b、 保证制品工作表面的质量；

c、 便于模腔中气体的排出；

d、 便于模具的制造和机械加工，降低模具成本。

（6） 影响聚氨酯胶辊性能的主要因素：

① 多元醇分子量对胶辊性能的影响：

分子量的大小决定了聚氨酯弹性体中特性基团的密度；聚酯型随分子量增大，则其物性可提高；而聚醚型随分子量增加，则提高了其柔顺性，拉伸强度和模量会有所下降。一般应控制多元醇分子量在1100~2200之间。

② 予聚体异氰酸酯基（NCO）百分含量的影响：

随NCO增加，则硬度、抗撕裂，定伸强度，拉伸强度提高，且予聚体粘度降低，易于脱泡和混合，而伸长率下降；NCO过高，则胶料固化速度过快，（釜中寿命变短），对浇注工艺极为不利。故NCO%一般在2.4~6.5%为宜。

③扩链系数的影响：

胺类固化剂（MOCA）与予聚体中NCO的当量比（^NH2/_NCO）对胶料物性影响明显，一般以0.85~0.95%为宜。

对于MOCA交联体系一般应保持NCO稍过量，可使弹性体制品具有合适的交联度，当扩链系数为0.88时，化学交联和物理交联达到较好平衡，弹性体的综合性能最佳；当到1或更大时，因MOCA的增塑效应，且化学交联和氢链的减弱，强度明显降低，且永久变形较大。（故实用为保险，则扩链系数常取0.85）。

④混合温度的影响：

由于予聚体及扩链剂的种类不同，其工艺条件（混合温度）亦不同。混合温度提高釜中寿命和凝胶时间缩短；过低的混合温度为固体扩链剂所不允许，虽有利于延长釜中寿命和提高物理性能，但不易脱泡和均匀混合（因粘度变大），以扩链剂在予聚体中不析出为宜，如MOCA则以110~120℃为宜。

⑤釜中寿命：

当CPU的两种液体原料混合相遇后，会发生反应——扩链并高分子化——混合物会逐渐失去流动性，通常将两种原料从混合开始，到混合物基本失去流动的这段时间，称为釜中寿命，（可操作时间）在MOCA中加入予聚体重量约5~15%MMA（甲基丙烯酸甲酯）可延缓凝胶时间（即延长釜中寿命）改善工艺性能。

三、 主要设备：

1、 反应釜：作多元醇脱水和予聚体合成及脱泡之用。

（飞龙聚氨酯公司 - 反应釜）

可采用不锈钢内胆，附加热或冷却夹套二层结构反应釜，附有锚式搅拌、电加热的导热油循环及控温系统，真空缓冲罐及真空泵系统。釜上应备有进料、出料、观察、测温、测压力及真空、安全放空及抽真空等工艺管孔，其容积由要求的产量而定，常用容积和尺寸：80L（φ400×500）；120L（φ500×500）；200L（φ600×700）等，常用真空泵为双级旋片式，抽气量为8或15升/秒。）为了节能和迅速加温或降温，应备有冷油柜、热交换器、热油柜及真空缓冲罐真空泵（2X-8A或2X-15A）等附属设备。

2、 浇注机：由于CPU具有釜中寿命短，凝胶速度快，单件用胶量大等特点，为了生产高品质的胶辊，必须采用浇注机生产。下面介绍本公司CPU20F系列高温型聚氨酯弹性体浇注机特点：

（飞龙聚氨酯公司 - 3组份弹性体浇注机）

（1） 各系统原料循环方式：

① 原料由料罐——计量泵——浇注头切换阀——原料罐的全流量循环，可确保料温均一，流量稳定。

② 料罐可通入干燥氮气，防止水分混入使原液变质。原液循环回流口设在料罐底部，不会带入气泡。

③ 通过平衡循环——吐出压力（设有可靠的节流及精密的调压装置）提高混合比的精度和稳定吐出量。

（2） 采用高精度计量系统：

① 采用耐温、耐压、高硬度的低速精密计量泵，流量准确、稳定。

② 采用高精度机械变速或变频调速装置，调节各组份的混合比及流量。灵活、方便、可靠。

③ 由于转速调节范围较大，当吐出量较小或粘度较低时亦能保证达到要求的精度。

（3） 高效、结构先进的浇注头

① 各组分原液由循环切换到吐出时，迅速同步，不会出现超前和滞后现象。

② 设有高精度的节流和回流调节装置，可使循环和吐出压力基本平衡，以提高混合比的精度，可保证制品质量。

③ 采用专用并久经实践考验的混合头，使粘度差很大，混合比悬殊的两组分原液在极短时间内混合均匀，且不产生气泡。能快速排除混合腔内空气，故浇注初期混合液损耗较少。

④ 采用特殊设计的旋转式轴封装置，不倒料，确保润滑可靠，更换方便。

⑤ 切换阀采用经精密加工的聚四氟密封，调节方便，无热变形之虑。

⑥ 两组份分开的专用的气动清洗开关使清洗混合腔用的清洗液和压缩空气经物料吐出节流孔吐出，故永不堵塞，亦不会使混合料倒流。

（4） 控制及电器系统先进可靠、稳定：

① 采用电脑程控器控制浇注及自动清洗，操作简单、维修方便、线路清楚、故障率低。

② 采用智能型时间比例式数显温控仪及铂电阻探头（PT100）来控制A料原液；A料介质；B料原液；B料介质；B计量泵及浇注头的温度，准确可靠、直观，控制及调节非常方便。

③ 原液压力数字显示，（超压报警）流量及混合头转速均可数显。

3、 模具及辊芯加热装置

（飞龙聚氨酯公司 - 节能热风循环式烘箱）

参考模具及辊芯的大小，设计成相应的加热装置，要加温到90±10℃，常采用带控温和显示的远红外电加热器。

参考文献：

1、（英）C·海普本  聚氨酯弹性体  阎家宾译   沈阳：辽宁科学技术出版社      1985年11月

2、陈双飞等（英）帝国化学工业公司  聚氨酯手册  江苏省化工研究所情报室    1989年10月

3、李绍雄、朱吕民  聚氨酯树脂  南京：江苏科学技术出版社1992年3月

4、（德）G·厄特尔  聚氨酯手册  阎家宾、吕槊贤译  北京：中国石油化工出版社1992年9月

5、山西省化工研究所   聚氨酯弹性体手册   北京：化学工业出版社     2001年3月

作者介绍：

陈鑫实     早年在化工部北京设计院从事化工机械设计，1972年开始从事聚氨酯设备的设计、开发与研制。曾发表过：“聚氨酯连帮鞋及鞋底生产技术十八题问答”，“选购浇注型聚氨酯弹性体浇注机十一问”、“国产聚氨酯鞋底成型机的开发与展望”、“浅谈如何选择模塑聚氨酯设备”、“浅谈聚氨酯弹性体生产技术95问”等近百篇文章。现为《聚氨酯工业》及《聚氨酯及其弹性体》等专业刊物的编委。

注：本文曾在中国聚氨酯工业协会第十一次年会及第二届全国橡胶制口技术研讨会等会议发表过，得到有关专家的好评，对普及发展和提高我国聚氨酯弹性体工业起了较大作用，为赶上国际先进水平作出努力。