復合膠壓延硫化海綿膠板的質量分析

周瑜     王大展

(東莞市能者橡膠制品有限公司    Dongguan Nzrubber co.LTD)

 

摘要：圍繞環保與產品質量的目標，本文通過材料選擇、配方設計及生產工藝等程序，分析影響海綿膠質量的相關因素，從中找到復合膠硫化與發泡的最佳配合點，保證了制品生產的連續性，又成功獲得了RoHS與REACH的質量認證。

關鍵詞：復合膠；壓延；烘箱連續硫化；起泡率；粘合

 

復合型天然膠通過壓延、烘箱連續硫化制造海綿板是一項創新工藝，圖1是海綿膠板生產全過程的照片。本工藝有兩個特點：一是海綿膠連續生產。制品的最大寬度為1200毫米，厚度在0.5毫米至20毫米范圍內可以隨意選取，而構成大面積的海綿板材；二是海綿膠能與布或織物有效粘合，制成任意長度的貼布海綿膠板。此特點拓展了制品的應用空間，受到了歐美國家的重視，紛紛出臺并實施環保法規、指令，給產品驗明正身。

本文介紹用復合型天然膠制作的海綿膠是通過各個生產的要素的綜合分析和過程控制，有效地解決了影響制品質量與環保的相關因素，是獲得RoHS與REACH質量認證的一個成功范例。                                        

                      圖1  海綿膠板生產全過程照片

 

 

 

1. 復合膠性能控制

1.1復合膠組成

為了滿足綠色、環保的要求，選擇天然膠作為海綿膠的基體，而關注到海綿的特性，采用復合材料對天然膠進行改性，以利于對海綿膠的質量進行有效的控制。

•  復合材料

復合材料是經過處理的硫化橡膠粉。通過對《硫化橡膠粉》GB/T19208-2008新標準中對有毒有害項目的檢測，基本上能滿足RoHS法規中對產品重金屬、多溴聯苯、多溴二苯醚的限定要求（見附資料1：按RoHS要求的檢驗報告）。

•  復合型天然橡膠

經處理的硫化橡膠粉與天然膠的結合，構成復合型天然橡膠，不僅能降低成本，節約生膠，而且還能改善膠料的加工性能。本文除了對硫化橡膠粉的品種有要求外，還強調60目粒子為基準。美國利哈伊技術公司研究表明：較小顆粒尺寸的橡膠粒子對物理性質起到很強的正面效應。業已發現，由復合材料組成的天然膠膠料，可提高配合劑的分散性。

1.2復合膠性能控制

    海綿橡膠制品由于其內部具有多孔性，不可能采用密實橡膠制品的力學性能來表征其質量，因此海綿橡膠通常采用硬度、彈性和視密度等項目來衡量。用復合型天然膠制造海綿膠就是遵循上述各項目性能要求展開對產品質量的掌控。

•  視密度、表觀密度

視密度是衡量海綿膠發孔情況的重要指標之一。而海綿橡膠的視密度可通過下列公式進行計算：     

               

  ρs= W/V* 10³

 

 式中：ρs              視密度（Mg/m³）

    W               稱得試樣在空氣中的質理（g）

        V               試樣體積(mm³)

 

通過多次隨機抽檢表明，用復合型天然膠制造海綿膠板，視密度控制在0.35Mg/m³，基本達到產品性能要求。

⑵ 硬度與柔軟性

從視覺與外觀評判海綿膠板的質量，重要的是突出產品的低硬度和柔軟性。

圖2     海綿膠板表面狀態照片

 

海綿膠板的硬度測量是使用“LX-C型橡塑微孔硬度計”直接量得出讀數結果。本復合型天然膠制造的海綿膠板的硬度控制在18-22度范圍內，當用手撫模產品，就有平滑細膩的觸感（見圖2，海綿膠板表面狀態照片），取得好買相、贏得客戶認同。

⑶ 泡孔尺寸與彈性

泡孔尺寸大小是影響海綿橡膠壓縮變形的重要因素之一，而壓縮變形是衡量海綿橡膠彈性的一項重要指標。

海綿橡膠彈性的檢驗方法是用外力將圓柱體壓入試樣，觀察解除外力后試樣變形的復原程度。按下列公式計算測試結果：

 

               θ= (h1-h2)/h2*100%

                        

式中 θ         海綿橡膠的彈性,%

 h1         在負荷壓力作用下，圓柱體沉入試樣的深度，mm

      h2         除去負荷壓力后圓柱體沉入試樣的深度，mm

 

負荷壓力作用的時間為30秒，除去負荷壓力后停放30-60秒后測量。

實驗證明，復合膠海綿膠板的泡孔尺寸，控制在0.075mm至1.12mm范圍內可獲得彈性為100%的制品，即是海綿膠板的壓縮變形，當外力除去后可達到完全復原的程度。

還會表現出具有良好的耐曲撓性能。當將海綿膠板彎折至180°時，觀察其表面完全沒有裂紋，也沒有氣孔的缺口與凹陷現象（見圖3.海綿膠板180°曲撓的照片）

 

 

圖3      海綿膠板180°曲撓的照片

 

這些優點成就了復合型天然橡膠制造的海綿膠板是“瑜珈功”練習墊的理想材料（見圖4.復合膠的海綿膠板制作瑜珈功練習墊照片）。    

 

圖4     復合膠的海綿膠板制作瑜珈功練習墊照片

 

2.海綿膠板生產配方的控制

    配方設計，就是根據產品的性能要求和工藝條件合理地選用原材料，確定各種原材料的用量配比關系。

為使海綿橡膠制品的性能，成本和工藝可行性三方面取得最佳的綜合平衡，相關的資料證明，膠料的組成結構是決定橡膠加工性能和制品的性能。所以，對生產配方控制要點，首先關注到：

2.1含膠率

制造海綿膠板的基體材料是天然膠，其在配方中對性能起主導作用。

⑴.確定基體材料天然膠在海綿膠板的基本配方中的百分含量，自然地就知道產品的基本成本了。

當制造2mm至8mm的海綿膠板時，生產配方的含膠率控制在20%-28%范圍內，可以保證這個配方的膠料能正常生產。

⑵.實踐表明，由天然膠基體材料制造海綿膠板，當含膠率低于20%時，該規格的海綿膠板的起泡倍率不能達到企業標準。

 2.2配合劑的選擇

海綿橡膠制品對配合劑的要求是密度要小，分散好，不會使膠料硬化為原則，并且：

 ⑴滿足起泡率的要求

復合型天然膠制造海綿膠板對填充劑的用量較大，如碳酸鈣其屬親水性的填料，由于其粒子表面特性與橡膠不同，橡膠—填料界面間的親合力小，不易被橡膠浸潤，因此混煉時較難分散。應用粒徑大而結構性低的重質碳酸鈣，其混入速度快，分散效果也好，制品的起泡倍率能達標。然而，比重大，表面上似乎膠料成本降低了，但實際海綿膠板的單位重量增大了。用輕質太酸鈣，雖然價格高于重質碳酸鈣，但是細分散的固相粒子的存在能促進孔胚的形成，制成的海綿膠密度小，比重輕，相比之下成本還低，自然成為優選的填料。

⑵ 滿足海綿膠與布的粘合要求

復合型天然膠制造海綿膠板是將膠料經壓延出片后與布（或織物）粘合成型，并且在常壓狀態下通過烘箱連續硫化，制作出“貼布海綿膠板”。質量要求是海綿膠板與布實現整體粘合，貼布的板面是平滑柔順的，不允許有起皺紋與脫層現象。所以要選用增粘作用大的軟化劑，增加橡膠分子鏈的活動性來提高膠料的粘著性；同時也要適當采用補強性大的填料，增加膠料的生膠強度，從而提高膠料的自粘性（見圖5，貼布的海綿膠板照片）。

                       圖5    貼布的海綿膠板照片

⑶滿足綠色環保的要求

歐盟的“綠色“法規及指令，比較先進、嚴格且具有代表性。REACH《關于化學品注冊、評估、授權和限制的法規》，核心內容是以一套完整的關于化學品的登記、評估、授權和限制的制度來統一管理現有化學品和新化學品的生產、銷售和使用。

2005/84/EC《關于鄰苯二甲酸脂類限量的指令》將下列3種增塑劑：①.鄰苯二甲酸二丁酯（DBP），②.鄰苯二甲酸二（2—乙基己基）（DEHP）,又稱之為“鄰苯二甲二辛酯（DOP）③.鄰苯二甲酸芐基丁酯（BBP）劃分為第二類有毒物質，在用品中濃度不超過0.1%（1000mg/kg），另外三種增塑劑：④.鄰苯二甲酸二異壬酯（DINP）,⑤.鄰苯二甲酸正二辛酯（DNOP），⑥.鄰苯二甲酸二異葵酯（DIDP），用量同樣也是不得超過0.1%。

用復合型天然膠制造的海綿膠板經檢測，其上述各項指標的含量均小于0.01%，完全符合REACH法規要求（詳細內容見附資料2）。

3.海綿膠生產工藝的控制

3.1塑煉和混煉

天然橡膠的粘度過高，流動困難，缺乏基本的、必需的工藝性能---良好的可塑性，對制造海綿膠不利于發泡起孔，必須進行多段塑煉降低生膠的粘度，提高其可塑度。經驗證明，門尼粘度0.3，有利于混煉的順利操作。

復合型天然橡膠的膠料混煉，主要的是力求配合劑均勻分數，防止物料結團結塊，或者有粗粒子和雜物存在，而導致在其后發泡過程中，影響產品的平滑度或形成氣泡大的現象，故混煉的操作規程要求：

⑴嚴格遵守加藥順序

因炭黑造粒特性的影響，大顆粒炭黑的混入時間比小顆粒長。在生產過程中發現造粒的炭黑進入混煉時，加藥順序處理不當，在產品的表面就會出現小顆粒，影響制品的平整度，故要求執行炭黑與塑煉膠先行混煉。

作為堿性物質的氧化鋅，不宜與酸性硬膠酸同時加入混煉。執行給硬脂酸先加入混煉的準則。

⑵ 發泡劑與硫化體系

為了防止焦燒及對后工序發泡帶來不良的影響，要求發泡劑與硫化體系在混煉的最后階段加入，并需操作迅速。

3.2 壓延成型

壓延是將混煉膠在壓延機上制成具有規定厚度和寬度的膠片，并要求壓出的膠片厚度和收縮要均勻一致。膠片表面必須光滑平整，不允許存在皺紋。

壓延是海綿膠板成型的過程，掌握好壓延工藝是保證海綿膠板質量的前提。

.    ⑴ 壓延成型

混煉后膠料經過一段時間的存放后，膠片的溫度較低，在進入壓延機之前，為使膠料具有較好的粘流性及與布（或紡織物）有較好的附著性，必須經過熱煉，以達到一定的熱可塑性，方有利于壓延的進行，同時還可起到補充混煉使配合劑進一步分散均勻的作用，熱煉后的膠料柔軟，易于壓延的操作并成型出表面光滑平順的膠片。

⑵輥溫與輥距

適當的輥溫是保證壓片順利進行的首要條件，在膠料可塑度不變情況下，操作者把握輥筒溫度是觀察膠片脫離輥瞬時是否趨于一致，即在1200mm長的輥筒表面（Ⅴ3與Ⅴ4接觸面）壓出的膠片保持在同一水平線上為宜（見圖6）

         并執行定時定位置測定出片的厚度，以波動較大的一側為重點做個記號，檢查膠片通過烘箱后形成海綿膠板的厚度是否同步增減來確定出片所需的厚度。

同時觀察Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅴ3輥筒堆積膠的情況，對輥距進行適當的調整至穩定的供膠，保證在1200mm寬度出片的厚度一致。

當通過烘箱連續硫化制得第一板海綿膠時，立即檢查不同部位海綿膠板的厚度，處于公差范圍內為合格品。

⑴烘箱加溫與承托網輸送速度

烘箱導熱連續硫化是海綿膠板制造的最后工序，是決定海綿膠板質量的關口，理由是：

①.能最直接知道壓延出片后在常壓下經烘箱導熱，連續硫化制造出海綿膠板的成功率。

②.能最有效驗證利用烘箱導熱連續硫化實現復合膠硫化與發泡的最佳結合。

有資料介紹，硫化過程與發泡的關系如圖所示，圖中將硫化曲線分為四段，A點以前為焦燒時間，AB段為熱硫化前期，BC段為熱硫化的中期，CD段為熱硫化的后期，D點以后為正硫化點。

 

圖7   硫化過程與發泡的關系

參照圖7，恰好可以將60米長的導熱烘箱的加溫區域按ABCD設置4個測溫點，對生產過程的加溫硫化進行連續監控。實踐證明：將A區溫度控制在90度到100度，將B區溫度控制在130度到135度，將C區溫度控制在150度到155度，將D區溫度控制在160度到165度，能正常生產出2mm至4mm厚度的海綿膠板。

承托網輸送速度是可控的，根據海綿膠板的厚度變化作適當的調整，滿足硫化過程與發泡速度同步的需要。

4.結語

4.1  要以最低的成本可靠的實現產品的必需的功能，確實是頗具挑戰性的課題，現正在生產實踐中尋求兩者之間的最佳結合。

4.2  貼布海綿膠板供應對象是客戶而不是消費者，抓好產品質量是第一要務。新工藝帶來很多新問題，對質量的分析很膚淺或者有偏差，今后仍需努力。

 

 

參考文獻

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