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高摩擦輕型輸送帶研制及產(chǎn)業(yè)化

一、項(xiàng)目概況和必要性
　  近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，郵政物流領(lǐng)域的專用設(shè)備也日新月異，其中郵政信件自動(dòng)分揀系統(tǒng)，爬坡式輸送系統(tǒng)等設(shè)備在工作運(yùn)行過(guò)程中速度往往高達(dá)50米/分鐘以上，且輸送角度在15°～45°之間，為了防止輸送帶在高速運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)打滑和覆蓋層與基布分層現(xiàn)象，這就對(duì)其重要組成部件輸送帶提出了更高要求，不僅要求帶體表面具有良好的彈性模量，耐磨性和高摩擦系數(shù)，同時(shí)具有高層間粘接性能。
　  高摩擦輕型輸送帶國(guó)內(nèi)一般采用糊狀聚氯乙烯涂敷壓花技術(shù)，但是由于聚氯乙烯本身特性，無(wú)法滿足表面高彈性模量，低壓縮變形要求。熱塑性彈性體是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型高分子材料，它是一種兼具橡膠和熱塑性塑料特性的材料。在正常使用溫度下，一相為流體(使溫度高于它的Tg─玻璃化溫度)，另一相為固體(使溫度低于它的Tg或等于Tg)，并且兩相之間存在相互作用，即在常溫下顯示橡膠彈性，高溫下又能塑化成型的高分子材料，具有類似于橡膠的力學(xué)及使用性能、又能按熱塑性塑料進(jìn)行加工和回收，它在塑料和橡膠之間架起了一座橋梁。《日本公開(kāi)特許公報(bào)》報(bào)道：日本三菱孟山都公司首次研制出聚氯乙烯熱塑性彈性體（PVC-TPEE），此類產(chǎn)品既具有熱塑性彈性體表面彈性性能，同時(shí)又能滿足帶體壓花工藝，但是此類產(chǎn)品通常為擠出壓延產(chǎn)品，不能用糊狀聚氯乙烯進(jìn)行加工生產(chǎn)，因此無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)有輕型輸送帶涂覆法生產(chǎn)工藝中。
　  另一方面，輸送帶在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中很容易出現(xiàn)層間分離現(xiàn)象。由于滌綸纖維表面結(jié)晶度高，分子間作用力大，表面形態(tài)光滑致密，再加上其本身的化學(xué)惰性，是一種難粘材料，此外在紡絲過(guò)程中附著在滌綸長(zhǎng)絲上的油劑以及一些低分子雜質(zhì)聚集物，更容易潤(rùn)濕滌綸纖維表面，生成不易清除的弱界面層，因此大大降低了聚氯乙烯樹(shù)脂對(duì)滌綸基布表面潤(rùn)濕性。如果只通過(guò)高分子間共價(jià)鍵，離子鍵等化學(xué)鍵進(jìn)行連接，根本無(wú)法達(dá)到高剝離強(qiáng)度要求。國(guó)內(nèi)通常采用酚醛樹(shù)脂、多甲撐多苯撐異氰酸酯混合膠粘劑或酚醛樹(shù)脂、三苯甲烷三異氰酸酯混合膠粘劑或異氰酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂混合膠粘劑粘結(jié)滌綸纖維與聚氯乙稀塑料，但此技術(shù)因固化時(shí)間長(zhǎng)根本無(wú)法用于輸送帶涂覆法連續(xù)生產(chǎn)。
　  針對(duì)此現(xiàn)象，本公司經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，解決了以上兩個(gè)技術(shù)難題。創(chuàng)造性采用聚氯乙烯與彈性體共混改性配方，研制出糊狀聚氯乙烯熱塑性彈性體，解決其表面高摩擦問(wèn)題；另一方面本項(xiàng)目采用雙官能分子的材料“做媒”偶聯(lián)粘結(jié)技術(shù)，采用新的打底貼合配方。應(yīng)用此技術(shù)生產(chǎn)的高摩擦輕型輸送帶不僅在層與層之間形成高粘接強(qiáng)度界面，且表面具有塑性彈性體的優(yōu)良物理性能及飽滿外觀花紋。此產(chǎn)品突破了國(guó)外專利技術(shù)堡壘，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白,改變了產(chǎn)品依賴進(jìn)口的局面，推動(dòng)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和持續(xù)發(fā)展，提高了我國(guó)輕型輸送帶領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力和地位，為我國(guó)該領(lǐng)域的發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。
　  
　  二、項(xiàng)目著重解決的技術(shù)問(wèn)題
　  本項(xiàng)目研制的高摩擦輕型輸送帶采用一種兼具熱塑性彈性體與軟質(zhì)聚氯乙烯（PVC）共有特性的混合體及高粘接強(qiáng)度打底料材料研制而成，并采用多層基布與混合體改體聚氯乙烯貼合，最后表面壓花成型。具體工藝流程見(jiàn)圖1。
　  
　  圖1 高摩擦輕型輸送帶制造工藝流程圖
　  項(xiàng)目技術(shù)重點(diǎn)研究在于：
　  1. 丁腈橡膠與糊狀聚氯乙烯共混問(wèn)題
　  丁腈橡膠的強(qiáng)極性以及反式-1，4結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)緊密，很難與其它物質(zhì)具有很好的相容性。在項(xiàng)目初期，嘗試性直接將丁腈橡膠加入糊狀聚氯乙烯中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丁腈橡膠根本無(wú)法與其相混合，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)橡膠增塑劑可以降低分子間作用力，使丁腈橡膠浸潤(rùn)并分散均勻，經(jīng)過(guò)嘗試多次物理增塑劑和化學(xué)增塑劑及各種工藝方法，最終采用液體橡膠增塑劑（XNBR）以及特殊的工藝處理方法，使其與糊狀聚氯乙烯具有良好的相容性。
　  由于丁腈橡膠為淺黃色粘稠性彈性體，如果直接與糊狀聚氯乙烯相混合則無(wú)法充分?jǐn)嚢杈鶆颍诤笃诘耐扛布皦夯üに囍斜砻鎸a(chǎn)生氣泡及針孔現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其輸送帶外觀質(zhì)量。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多次工藝實(shí)踐，采用先將丁腈橡膠與XNBR液體橡膠增塑劑混合后溶漲24小時(shí)，再加入其它增塑劑攪拌均勻，最后加入糊狀聚氯乙烯、穩(wěn)定劑及增強(qiáng)填充劑固體原料，經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟪檎婵彰撆荨＞唧w工藝流程見(jiàn)圖2。
　  
　  圖2 糊狀聚氯乙烯熱塑性彈性體配置工藝流程圖
　  由圖2可見(jiàn)：該工藝流程簡(jiǎn)便，快捷，將丁腈橡膠充分溶于XNBR液體橡膠增塑劑中使得在與糊狀聚氯乙烯攪拌過(guò)程中充分混合，不僅解決了丁腈橡膠難于加工的特性，且不易產(chǎn)生較多氣泡。
　  2.糊狀聚氯乙烯熱塑性彈性體配方的研制
　  本項(xiàng)目基礎(chǔ)配方由糊狀聚氯乙烯、丁腈橡膠、增塑劑、穩(wěn)定劑、增強(qiáng)填充劑共混改性制成聚氯乙稀彈性體產(chǎn)品面層料及貼合料，其中XNBR橡膠增塑劑為6～16的比例是經(jīng)過(guò)上百次的實(shí)驗(yàn)。具體配方及份數(shù)如表1：
　  表1 糊狀聚氯乙烯熱塑性彈性體基本配方
　  配方組成 配方份數(shù)
　  PVC糊狀樹(shù)脂 50～90
　  PVC摻混樹(shù)脂 10～50
　  丁腈橡膠 5～30
　  增塑劑 70～150
　  穩(wěn)定劑 3～7
　  增強(qiáng)填充劑 2～6
　  
　  通過(guò)以上基本配方，經(jīng)過(guò)多次正交試驗(yàn)方法得到糊狀聚氯乙烯與丁腈橡膠的最佳配比方案。表2為面層貼合料各配比方案及由該配方所得高摩擦輸送帶的物理性能數(shù)據(jù)對(duì)比。
　  表2 高摩擦輸送帶面層料配方方案及產(chǎn)品性能比較
　  配方原料/產(chǎn)品性能 單位 配方1 配方2 配方3 配方4 配方5
　  PVC糊狀樹(shù)脂 phr 60 60 55 50 90
　  PVC摻混樹(shù)脂 phr 40 40 45 50 10
　  液體丁腈橡膠 phr - 86 86 5 3
　  XNBR橡膠增塑劑 phr - 16 12 10 6
　  DOP增塑劑 phr 40 40 60 60 50
　  DNP增塑劑 phr 10 10 - 5 5
　  BBP增塑劑 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
　  納米級(jí)粘土 phr 3 3 - 3 -
　  納米級(jí)活性陶土 phr － - 3 - 5
　  硬度 ShoreA 40 60 50 55 65
　  拉伸強(qiáng)度 Mpa 8 9.8 10.6 11 10
　  伸長(zhǎng)率 % 280 380 420 400 390
　  壓縮永久變化率 % 50 40 40 45 46
　  磨耗量 cm3 0.20 0.10 0.08 0.09 0.11
　  配方1為未加入丁腈橡膠的原始配方；配方2為在原始配方的基礎(chǔ)上加入丁腈橡膠及XNBR液體橡膠增塑劑；配方3、配方4、配方5是在配方2基礎(chǔ)上進(jìn)行的調(diào)整。從表2中可以看出，未加入丁腈橡膠的原始配方所制造的輸送帶帶體表面硬度偏軟，因此表面磨耗量最大，耐磨性能差，且不具有橡膠彈性，拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都較低。配方2為在配方1基礎(chǔ)上加入丁腈橡膠及XNBR液體橡膠增塑劑，與配方1相比，表面磨耗量明顯減小，耐磨性能增強(qiáng)；拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率也有所增強(qiáng)。在配方2的基礎(chǔ)上，又對(duì)其配比進(jìn)行了局部調(diào)整，得到了性能更加優(yōu)越的配方。
　  用該系列配方所制造的輸送帶在相同的硬度下，其拉伸強(qiáng)度雖然比不上熱塑性聚氨酯，但高于其他熱塑性彈性體；壓縮永久變形和熱變形率小于軟質(zhì)PVC，與橡膠接近，回彈性提高；耐熱耐寒性優(yōu)于軟質(zhì)PVC，高溫時(shí)的形狀保持性好，硬度對(duì)溫度的依賴關(guān)系也小于軟質(zhì)PVC；其彎曲疲勞性優(yōu)于一般軟質(zhì)PVC，硬度低的類型更為優(yōu)良；具有良好的表面特性、粘結(jié)性、涂裝性、耐磨性和消光性。這些優(yōu)越的性能全是塑料輸送帶質(zhì)量特性需要的。
　  3.解決高粘接強(qiáng)度界面技術(shù)難題
　  針對(duì)滌綸長(zhǎng)絲織物與糊狀聚氯乙烯熱塑性彈性體粘接要求的高強(qiáng)度，研制了打底貼合配方。具體配方及份數(shù)如表3。
　  表3 高粘接強(qiáng)度打底貼合配方
　  配方組成 配方份數(shù)
　  聚氯乙稀樹(shù)脂 100
　  VP膠粘劑 3～8
　  合成橡膠 4～20
　  增塑劑 55～100
　  穩(wěn)定劑 3～6
　  本項(xiàng)目進(jìn)行了百種配比小試實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種小試數(shù)據(jù)進(jìn)行排列分析，選取了下表四種具有代表性的配方進(jìn)行中試試驗(yàn)，各配方的物理機(jī)械性見(jiàn)表4。
　  表4 增強(qiáng)型打底料配方方案及產(chǎn)品物理性能比較
　  原料 單位 配方1 配方2 配方3 配方4
　  聚氯乙稀糊狀樹(shù)脂 phr 100 100 100 100
　  脂環(huán)族粘結(jié)劑（VP） phr 3 5 8 8
　  液態(tài)氯丁膠 phr 4 — 12 20
　  無(wú)規(guī)羧基液態(tài)丁腈膠 phr — 5 — —
　  液體橡膠增塑劑 phr 8 10 24 40
　  聚酯增塑劑 phr — 10 — 10
　  鄰苯二甲酸二辛酯 phr 36 42 46 35
　  鄰苯二甲酸二壬酯 phr 8 — 8 —
　  鄰苯二甲酸丁芐酯 phr — 8 — 10
　  環(huán)氧大豆油 phr 3 4 — 5
　  鈣鋅復(fù)合物 phr — — 3 3
　  鋇鋅復(fù)合物 phr 1 1 1 2
　  鋇鎘鋅復(fù)合物 phr 2 2.5 — —
　  環(huán)氧樹(shù)脂酸鹽 phr — 1 0.5 1
　  剝離強(qiáng)度 N/mm 5.1 5.0 6.5 8.6
　  拉斷強(qiáng)度 MPa 10.2 12.6 10.8 11.6
　  層間界面開(kāi)始明顯損傷的運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù) 萬(wàn)圈
　  58 70 62 68
　  層間界面運(yùn)行損傷的強(qiáng)度 N/mm/萬(wàn)圈 0.08 0.04 0.06 0.05
　  由表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，本項(xiàng)目所制備的輸送帶打底貼合料的粘結(jié)強(qiáng)度不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/FDIS14890，而且也高于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，且本項(xiàng)目所制備的輸送帶打底貼合料韌性好、拉伸強(qiáng)度高，曲撓疲勞損傷小，使用壽命長(zhǎng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
　  4.帶體面層壓花的設(shè)計(jì)
　  帶體面層壓花是輸送帶穩(wěn)定傳送物品的必備條件。本項(xiàng)目的面層花紋按照牛頓－萊布尼茨（Newton-Leibniz）動(dòng)能，慣量，質(zhì)心二階矩的原函數(shù)定理計(jì)算，針對(duì)物流高低斜坡輸送專門設(shè)計(jì)研發(fā)了高摩擦直線草型，中摩擦直線型，波浪草型花紋。該系列花紋設(shè)計(jì)符合斜坡輸送方式，摩擦系數(shù)大大提高，且在高速的斜坡運(yùn)行過(guò)程中，帶體上物品緊緊附于帶體表面，不會(huì)產(chǎn)生打滑和掉落的現(xiàn)象。具體花紋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
　  
　  a 高摩擦直線草型 b 中摩擦M120
　  
　  c 格子花紋
　  圖2 花紋結(jié)構(gòu)圖
　  表5為各系列花紋穩(wěn)定輸送物品的摩擦系數(shù)比較。
　  表5 各花紋摩擦系數(shù)比較
　  花紋結(jié)構(gòu) 摩擦系數(shù)
　  高摩擦直線草型 0.783
　  中摩擦M120 0.689
　  格子花紋 0.756
　  無(wú)花紋平帶 0.105
　  
　  三、項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化實(shí)施 
　  從前期的研發(fā)工作到后期的工業(yè)化生產(chǎn)，我公司歷時(shí)2年時(shí)間完成了全部工作。
　  （1）2005年2月，我公司立足于市場(chǎng)，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)物流領(lǐng)域輸送帶具有很大的發(fā)展前景。
　  （2）2005年3月-2005年5月，我公司針對(duì)物流領(lǐng)域輸送帶使用性能要求，在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了技術(shù)查新和專利檢索，發(fā)現(xiàn)物流領(lǐng)域輸送帶技術(shù)國(guó)內(nèi)外都處于空白狀態(tài)，因此我公司經(jīng)過(guò)詳細(xì)的技術(shù)準(zhǔn)備，制定了“高摩擦輸送帶”項(xiàng)目。
　  （3）2005年6月-2005年12月，我公司進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室小樣工作，小試成功后，在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了“高摩擦輸送帶材料”， “一種輸送帶打底貼合材料及其制備方法和用途”兩項(xiàng)發(fā)明專利。
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