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高摩擦輕型輸送帶研制及產業化

一、項目概況和必要性
　  近年來隨著科學技術的高速發展，郵政物流領域的專用設備也日新月異，其中郵政信件自動分揀系統，爬坡式輸送系統等設備在工作運行過程中速度往往高達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動中出現打滑和覆蓋層與基布分層現象，這就對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，同時具有高層間粘接性能。
　  高摩擦輕型輸送帶國內一般采用糊狀聚氯乙烯涂敷壓花技術，但是由于聚氯乙烯本身特性，無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展起來的新型高分子材料，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及使用性能、又能按熱塑性塑料進行加工和回收，它在塑料和橡膠之間架起了一座橋梁。《日本公開特許公報》報道：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），此類產品既具有熱塑性彈性體表面彈性性能，同時又能滿足帶體壓花工藝，但是此類產品通常為擠出壓延產品，不能用糊狀聚氯乙烯進行加工生產，因此無法應用于現有輕型輸送帶涂覆法生產工藝中。
　  另一方面，輸送帶在高速運轉過程中很容易出現層間分離現象。由于滌綸纖維表面結晶度高，分子間作用力大，表面形態光滑致密，再加上其本身的化學惰性，是一種難粘材料，此外在紡絲過程中附著在滌綸長絲上的油劑以及一些低分子雜質聚集物，更容易潤濕滌綸纖維表面，生成不易清除的弱界面層，因此大大降低了聚氯乙烯樹脂對滌綸基布表面潤濕性。如果只通過高分子間共價鍵，離子鍵等化學鍵進行連接，根本無法達到高剝離強度要求。國內通常采用酚醛樹脂、多甲撐多苯撐異氰酸酯混合膠粘劑或酚醛樹脂、三苯甲烷三異氰酸酯混合膠粘劑或異氰酸酯、環氧樹脂混合膠粘劑粘結滌綸纖維與聚氯乙稀塑料，但此技術因固化時間長根本無法用于輸送帶涂覆法連續生產。
　  針對此現象，本公司經過技術攻關，解決了以上兩個技術難題。創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題；另一方面本項目采用雙官能分子的材料“做媒”偶聯粘結技術，采用新的打底貼合配方。應用此技術生產的高摩擦輕型輸送帶不僅在層與層之間形成高粘接強度界面，且表面具有塑性彈性體的優良物理性能及飽滿外觀花紋。此產品突破了國外專利技術堡壘，填補了國內技術空白,改變了產品依賴進口的局面，推動了行業的技術進步和持續發展，提高了我國輕型輸送帶領域的競爭力和地位，為我國該領域的發展作出了積極貢獻。
　  
　  二、項目著重解決的技術問題
　  本項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聚氯乙烯（PVC）共有特性的混合體及高粘接強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。具體工藝流程見圖1。
　  
　  圖1 高摩擦輕型輸送帶制造工藝流程圖
　  項目技術重點研究在于：
　  1. 丁腈橡膠與糊狀聚氯乙烯共混問題
　  丁腈橡膠的強極性以及反式-1，4結構，使其結構緊密，很難與其它物質具有很好的相容性。在項目初期，嘗試性直接將丁腈橡膠加入糊狀聚氯乙烯中，結果發現丁腈橡膠根本無法與其相混合，經過研究發現橡膠增塑劑可以降低分子間作用力，使丁腈橡膠浸潤并分散均勻，經過嘗試多次物理增塑劑和化學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法充分攪拌均勻，在后期的涂覆及壓花工藝中表面將產生氣泡及針孔現象，嚴重影響其輸送帶外觀質量。本項目經過多次工藝實踐，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，再加入其它增塑劑攪拌均勻，最后加入糊狀聚氯乙烯、穩定劑及增強填充劑固體原料，經充分攪拌均勻后抽真空脫泡。具體工藝流程見圖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：該工藝流程簡便，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
　  本項目基礎配方由糊狀聚氯乙烯、丁腈橡膠、增塑劑、穩定劑、增強填充劑共混改性制成聚氯乙稀彈性體產品面層料及貼合料，其中XNBR橡膠增塑劑為6～16的比例是經過上百次的實驗。具體配方及份數如表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
　  PVC糊狀樹脂 50～90
　  PVC摻混樹脂 10～50
　  丁腈橡膠 5～30
　  增塑劑 70～150
　  穩定劑 3～7
　  增強填充劑 2～6
　  
　  通過以上基本配方，經過多次正交試驗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據對比。
　  表2 高摩擦輸送帶面層料配方方案及產品性能比較
　  配方原料/產品性能 單位 配方1 配方2 配方3 配方4 配方5
　  PVC糊狀樹脂 phr 60 60 55 50 90
　  PVC摻混樹脂 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
　  納米級粘土 phr 3 3 - 3 -
　  納米級活性陶土 phr － - 3 - 5
　  硬度 ShoreA 40 60 50 55 65
　  拉伸強度 Mpa 8 9.8 10.6 11 10
　  伸長率 % 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基礎上進行的調整。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，拉伸強度和伸長率都較低。配方2為在配方1基礎上加入丁腈橡膠及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；拉伸強度和伸長率也有所增強。在配方2的基礎上，又對其配比進行了局部調整，得到了性能更加優越的配方。
　  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PVC，與橡膠接近，回彈性提高；耐熱耐寒性優于軟質PVC，高溫時的形狀保持性好，硬度對溫度的依賴關系也小于軟質PVC；其彎曲疲勞性優于一般軟質PVC，硬度低的類型更為優良；具有良好的表面特性、粘結性、涂裝性、耐磨性和消光性。這些優越的性能全是塑料輸送帶質量特性需要的。
　  3.解決高粘接強度界面技術難題
　  針對滌綸長絲織物與糊狀聚氯乙烯熱塑性彈性體粘接要求的高強度，研制了打底貼合配方。具體配方及份數如表3。
　  表3 高粘接強度打底貼合配方
　  配方組成 配方份數
　  聚氯乙稀樹脂 100
　  VP膠粘劑 3～8
　  合成橡膠 4～20
　  增塑劑 55～100
　  穩定劑 3～6
　  本項目進行了百種配比小試實驗，對各種小試數據進行排列分析，選取了下表四種具有代表性的配方進行中試試驗，各配方的物理機械性見表4。
　  表4 增強型打底料配方方案及產品物理性能比較
　  原料 單位 配方1 配方2 配方3 配方4
　  聚氯乙稀糊狀樹脂 phr 100 100 100 100
　  脂環族粘結劑（VP） phr 3 5 8 8
　  液態氯丁膠 phr 4 — 12 20
　  無規羧基液態丁腈膠 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
　  環氧大豆油 phr 3 4 — 5
　  鈣鋅復合物 phr — — 3 3
　  鋇鋅復合物 phr 1 1 1 2
　  鋇鎘鋅復合物 phr 2 2.5 — —
　  環氧樹脂酸鹽 phr — 1 0.5 1
　  剝離強度 N/mm 5.1 5.0 6.5 8.6
　  拉斷強度 MPa 10.2 12.6 10.8 11.6
　  層間界面開始明顯損傷的運轉圈數 萬圈
　  58 70 62 68
　  層間界面運行損傷的強度 N/mm/萬圈 0.08 0.04 0.06 0.05
　  由表4的試驗結果可知，本項目所制備的輸送帶打底貼合料的粘結強度不僅遠遠高于國際標準ISO/FDIS14890，而且也高于現有的同類產品，且本項目所制備的輸送帶打底貼合料韌性好、拉伸強度高，曲撓疲勞損傷小，使用壽命長達到國際領先水平。
　  4.帶體面層壓花的設計
　  帶體面層壓花是輸送帶穩定傳送物品的必備條件。本項目的面層花紋按照牛頓－萊布尼茨（Newton-Leibniz）動能，慣量，質心二階矩的原函數定理計算，針對物流高低斜坡輸送專門設計研發了高摩擦直線草型，中摩擦直線型，波浪草型花紋。該系列花紋設計符合斜坡輸送方式，摩擦系數大大提高，且在高速的斜坡運行過程中，帶體上物品緊緊附于帶體表面，不會產生打滑和掉落的現象。具體花紋結構見圖2。
　  
　  a 高摩擦直線草型 b 中摩擦M120
　  
　  c 格子花紋
　  圖2 花紋結構圖
　  表5為各系列花紋穩定輸送物品的摩擦系數比較。
　  表5 各花紋摩擦系數比較
　  花紋結構 摩擦系數
　  高摩擦直線草型 0.783
　  中摩擦M120 0.689
　  格子花紋 0.756
　  無花紋平帶 0.105
　  
　  三、項目產業化實施 
　  從前期的研發工作到后期的工業化生產，我公司歷時2年時間完成了全部工作。
　  （1）2005年2月，我公司立足于市場，進行市場調研，發現物流領域輸送帶具有很大的發展前景。
　  （2）2005年3月-2005年5月，我公司針對物流領域輸送帶使用性能要求，在國內外進行了技術查新和專利檢索，發現物流領域輸送帶技術國內外都處于空白狀態，因此我公司經過詳細的技術準備，制定了“高摩擦輸送帶”項目。
　  （3）2005年6月-2005年12月，我公司進行了大量的實驗室小樣工作，小試成功后，在國內申請了“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”兩項發明專利。
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