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胶辊胶圈的应用与研究

  1 研究背景  

  纺纱胶辊胶圈是纺纱机械必要的关键性牵伸器材,其性能的优劣对成纱质量、生产稳定性与工人的劳动强度具有十分重要的影响。胶辊胶圈材料的选择以及生产工艺的研发,不仅可以降低生产成本,又可以提高企业的经济效益。传统的环锭纺细纱前罗拉线速度约为 20 m / min~30m / min ,前胶辊转速一般小于 500r / min ,粗纱与细纱之间的牵伸倍数较大,对胶辊胶圈的耐磨、耐热和耐压性均有一定的要求。  

  但是近年来,随着新型纺纱设备的发展与应用,对胶辊胶圈性能又提出了新的挑战。新型纺纱技术如涡流纺的出现,使纺纱速度有了大幅度地提升,最高可达 400m / min~500m / min ,前胶辊转速高达约 1800r / min 。胶辊的高速运转会产生大量的热量,使胶辊的温度急剧上升;另外,由于棉条定量大于粗纱,在牵伸过程中需要更大的握持力,纺纱过程中对胶辊的加压要大于环锭纺中胶辊承受的压力。因此急需新一代性能更加全面、操作维修简单、节能环保、性价比高的胶辊胶圈,以满足“重定量,大牵伸,高速度,重加压暠的要求。然而,与国际先进水平相比,国内胶辊胶圈的质量、适纺性、稳定性以及使用寿命等方面还存有一定差距。 

  一直以来,国内普遍认为丁腈橡胶能满足纺纱工艺对纺纱胶辊的需求,广泛地采用丁腈橡胶作为其主体材料,以硫磺作为交联剂,并辅以各类添加剂而制得纺纱用胶辊胶圈 。但是,国产丁腈胶辊在新型纺纱机上使用寿命有限,往往在短时间内即会出现磨损、裂纹和中凹等现象,从而导致纺纱质量不稳定。目前,普通国产丁腈胶辊已越来越难以满足高速纺纱的需要,对新型纺纱用胶辊胶圈材料的开发要求日益迫切。国内生产企业大力展开了对高端胶辊胶圈的研发,在一定程度上缩小了与国际先进企业的差距,许多产品已可替代进口胶辊胶圈,但是仍需努力追赶国外先进生产技术。  

  2 丁腈橡胶  

  丁腈橡胶又名丁腈胶(简称 NBR ),是由丁二烯( CH₂ =CH — CH=CH₂)和 丙 烯 腈 ( CH₂ =CH — CN )单体经乳液聚合而得的共聚物。主要采用低温乳液聚合法生产制备而成,耐油性极好,耐磨性较高,耐热性较好。其缺点是耐臭氧性差、耐低温性差、弹性稍低等。 

  2.1 丙烯腈含量  

  NBR 的丙烯腈含量通常为 15%~50% ,多以聚合物中结合丙烯腈量多少来分类,可分为五个系列,包括极高丙烯腈丁腈橡胶(43%< 丙烯腈含量 <50% );高丙烯腈丁腈橡胶( 30%< 丙烯腈含量 <42% );中高丙烯腈丁腈橡胶( 31%< 丙烯腈含量 <35% );中丙烯腈丁腈橡胶( 25%< 丙烯腈含量 <30% );低丙烯腈丁腈橡胶( 15%< 丙烯腈含量 <24% )。 

  丙烯腈含量的高低直接影响丁腈橡胶的性能。聚合物中丙烯腈含量越高,胶辊胶圈的硬度、强度、耐磨性、压缩永久变形性、防静电性、耐老化性与耐油性越好,但弹性、耐寒性、耐低温性、绝缘性会下降。当车间温湿度较低时,会导致丁腈胶辊胶圈表面硬涩,无法保证纺纱质量。因此,在寒冷的冬天需要严格控制纺纱车间温湿度 。  

  根据纺纱性能的要求选择不同含量的丙烯腈。通常采用丙烯腈含量(25%~30% )的丁腈橡胶来制造胶辊、胶圈。当纺化纤时,则需要特殊的高耐油、耐磨、防静电性能,可选用高丙烯腈含量(36%~42% )的丁腈橡胶。 

  2.2 添加剂 

  丁腈橡胶单用时,存在不耐磨、耐臭氧性差、易龟裂等缺点。为了提高丁腈胶辊、胶圈的综合纺纱性能,丁腈橡胶中还要采用一些添加剂。 

  2.2.1 明胶 

  明胶分子中含有氨基和羧基,具有双重组合性。明胶与丁腈橡胶并用,不仅能提高胶辊的吸湿性、表面活性及抗绕性,而且还具有良好的补强性能,可大幅度提高丁腈橡胶的拉伸强度和耐磨性能。若明胶用量过大,胶料较硬;用量过少,对改善抗绕性能作用不明显。 

  2.2.2 其他添加剂 

  (1)为了使丁腈橡胶获得必要的硬度和其他物理性能,丁腈橡胶常配合一定硫化剂和促进剂,硫化剂常用硫磺,无机促进剂常用氧化镁。当制造硬度较高的胶辊时,应适当选用防焦剂,如水杨酸、安息香醇或防焦剂 CTP 等。为调节胶辊的硬度及加工性能,常配合适当的白炭黑、钛白粉。 

  (2)增塑剂以邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯和磷酸酯类最为常用。 

  (3)常用的着色剂为酞菁蓝、酞菁绿、炭黑和氧化铁红等。 

  (4)采用防老剂、稳定剂提高胶辊胶圈的耐老化性能。其中与氯磺化聚乙烯并用可提高胶辊胶圈耐臭氧、耐老化、耐龟裂性能。 

  (5)与聚氯乙烯并用可提高胶辊胶圈的耐油、耐磨和防静电性。 

  (6)为提高胶辊胶圈的耐寒性、耐高低温性、抗腐蚀性和弹性持久性等,丁腈橡胶可与氯醋树酯、丁吡橡胶、氯醇橡胶、顺丁橡胶和硅橡胶等并用。 

  2.3 丁腈橡胶胶辊胶圈技术瓶颈 

  丁腈橡胶分子链上有双键,使胶辊胶圈不耐紫外线以及臭氧作用,在高速纺纱条件下,胶辊高速转动产生的热量容易使其交联老化,从而产生硬化现象。丁腈橡胶表面摩擦因数大,并且易形成水膜使其表面黏性增加,容易黏附棉蜡等产生绕花现象。而美国阿姆斯壮胶辊的弹性好,抗绕性能优,硬度不易变化,寿命更长,质量长期稳定,国产丁腈橡胶胶辊胶圈仍存在明显差距。分析发现国内外差距主要体现在以下两个方面。 

  (1 )在生产过程中无法严格控制配方、用量、工艺以及反应时间。 

  (2 )制造设备自动化程度较低,生产率偏低,成胶质量受到人工因素影响较大。 

    

  

  在同等工艺条件下对比国内外胶辊可以发现,进口胶辊的弹性使用寿命、硬度变化、吸放湿性能、防静电性等均优于国产胶辊。 

  3 聚氨酯橡胶 

  聚氨酯橡胶(简称 UR )实为聚氨基甲酸酯橡胶,为聚合物主链上含有较多的氨基甲酸酯基团的系列弹性体材料,由聚酯(或聚醚)与二异氰胺脂类化合物聚合而成。聚氨酯橡胶随使用原料和配比、反应方式和条件等的不同,形成不同的结构和品种类型。聚氨酯橡胶因其分子结构中含有不同数目的官能团和不同类型的官能基而具有较大的差异。 

  聚氨酯同其他合成橡胶相比具有以下优点:耐磨性能极好;高弹性;耐化学腐蚀、耐高压、耐辐射、耐油、耐低温等。然而,聚氨酯胶辊胶圈遇水会出现降解、分解现象。若可以控制纺纱车间中的相对湿度,可以避免此类问题的发生。由此可以看出,聚氨酯橡胶可以凭借其良好的物理与化学性能,替代丁腈橡胶作为主体材料制造纺纱用胶辊胶圈。首先,聚氨酯橡胶具有优良的耐磨性能和弹性,抗污能力强,适纺性和稳定性较好,在纺纱过程中胶辊胶圈的变形极小,牵伸胶辊可以保证较强的握持力,有利于改善纺纱成纱质量。其次,在聚氨酯弹性体材料中可以添加抗静电剂,提高胶辊胶圈的抗绕性能;可加入防护体系材料避免聚氨酯橡胶在受光线照射后的变色现象。 

  然而,聚氨酯橡胶的耐热性能略差于丁腈胶辊,因此提高聚氨酯胶辊胶圈耐热性能的方法需要进一步研究。 

  4 对胶辊胶圈的新要求 

  胶辊弹性是衡量胶辊性能的重要指标,弹性的变化会受到使用时间、承受压力情况、高速摩擦与空气接触氧化等影响,表面会产生硬化龟裂现象,导致弹性逐渐消失。弹性好的胶辊可在牵伸部位对纤维产生良好的控制力与握持力,有利改善纱线的条干及毛羽。针对现有丁腈、聚氨酯橡胶胶辊胶圈存在的问题,可以通过以下方面展开研究。 

  4.1 丁腈橡胶研究方向 

  (1 )丁腈橡胶在提高耐磨的前提下,保证弹性不影响纺纱条干水平。 

  (2 )适应高速纺纱产生的热量,提高耐热性。 

  (3 )增加使用寿命,防止因摩擦、高压、高温产生的表面硬化龟裂。 

  (4 )在牵伸部位的胶辊提高其弹性,增强对纤维的控制力以及握持力。 

  4.2 聚氨酯橡胶研究方向 

  (1 )从聚氨酯物理、化学及分子结构的机理出发,对制备配方与工艺进行优化,保证胶辊表面极其细腻,无任何气孔及其杂质,粗糙度稳定。 

  (2 )通过增加添加剂、涂层或打磨胶辊胶圈表面的方法提高其耐热性。 

  5 结束语 

  纺纱用胶辊胶圈的不断研发与进步是呼应新型纺纱技术的结果,胶辊胶圈质量与纺纱质量一脉相承。虽然国内胶辊胶圈技术与国外仍存在一定差距,但是通过在设备、工艺、配方等方面的自主创新研发,国产高性能胶辊胶圈将指日可待。高性能胶辊胶圈不仅需要满足新型纺纱机械的高速工作,而且还需要保证在高速条件下具有良好的抗卷绕、耐高压、耐热、弹性稳定、长寿命等。 

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