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静态混合技术制备橡胶输送带用喷涂聚氨酯(脲)弹性体的研制,研制适合橡胶输送带使用的喷涂聚氨酯(脲)弹性体,中国机械网,okmao.com
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静态混合技术制备橡胶输送带用喷涂聚氨酯(脲)弹性体的研制,研制适合橡胶输送带使用的喷涂聚氨酯(脲)弹性体
2020年03月12日    阅读量:873    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

0 前 言

近年来,橡胶输送带的市场需求因电力、港口、铁煤、纺织、食品型材加工等领域的经济增长而呈现出逐年增加的趋势,主要应用于矿山、冶金、钢铁、煤炭、水电、化工、粮食等企业的固体物料输送。这种采用橡胶输送带的新型输送方式代替了传统的人力输送,从而对橡胶输送带有了更高的性能要求。


然而在实际应用过程中,橡胶输送带容易出现划裂、磨损等不同损伤,所以,维修人员需要对输送带的损伤部位及时进行修复,目前橡胶输送带的修补技术分为冷补和热补中国机械网okmao.com


采用冷补技术,橡胶输送带不但会有比较明显的接痕,而且具有比较大的强度损失;热补技术能克服以上缺点,但是它对设备的要求比较高,一定要在硫化机上进行,修补周期长,所占的空间范围大。


喷涂聚氨酯(脲)弹性体作为一种新型无溶剂、无污染的绿色技术,其优异的性能和快速固化的特点与喷涂技术相结合形成的喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术自诞生之日起,就广泛应用于各个领域,而且在工程应用中有着十分突出的优越性。


聚氨酯(脲)涂层柔韧有余、刚性十足、色彩丰富,它致密、连续、无接缝,完全隔绝空气中的水分和氧气的渗入,防腐与防护性能无与伦比,同时,它具有耐磨、防水、抗冲击、抗疲劳、耐老化、耐高温、耐核辐射等多种功能。喷涂聚氨酯(脲)弹性体可以制得硬度从邵氏A 60到邵氏D 90极宽的范围,而且耐磨性能好,是天然橡胶的3~5倍。本文旨在研究喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术应用在橡胶输送带的可行性。


喷涂聚氨酯(脲)弹性体包括A、B两组分,施工时通常采用高温高压撞击式混合喷涂设备。在实际应用过程中,使用高温高压撞击式混合喷涂设备(自重达25 kg左右),不但运输、搬运不方便,同时增加了运输成本;


1台设备的运行需要2人以上,无形中也增加了成本;喷涂管道长度至少18 m,管道中存料至少需要10 kg,对于小面积修补,造成原料浪费;最后,喷枪输出量较大,喷涂时压力高,对于小面积施工,涂层厚度难以控制。这种喷涂技术不仅在橡胶输送带的修补上,还是其他领域的局部修补中都是不可取的。


为了克服以上缺点,扩大喷涂聚氨酯(脲)弹性体的应用范围,我们对便携式静态混合技术制备喷涂聚氨酯(脲)弹性体进行了研究。这种静态混合设备用料少,携带方便,可实现一人操作,可行性高。


本实验选择了异氰酸酯(二苯基甲烷二异氰酸酯,MDI-50)与聚醚多元醇反应合成的异氰酸酯预聚物为A组分,搭配不同胺基扩链剂和聚醚多元醇,制备了橡胶输送带用的喷涂聚氨酯(脲)弹性体,研究了异氰酸酯含量、聚醚多元醇、扩链剂种类与用量等对喷涂聚氨酯(脲)材料性能的影响,测试了产品的力学性能及耐介质性能。


1 实验部分

1.1 主要原料

所用主要原料见表1所示。

实验原料 Table 1 Experiment Materials

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1.2 性能测试

使用TY8000系列电子式万能试验机(江苏江都天源试验机械有限公司),参照GB/T 528—1998,测试聚氨酯(脲)弹性体的拉伸强度和断裂伸长率;参照GB/T529—1999,测试其撕裂强度;参照GB/T 2791—1995剥离法,测试橡胶底材与聚氨酯(脲)弹性体之间的附着力;参照GB/T 23446—2009,测试其酸碱盐溶液浸泡后的力学性能。

使用邵A硬度计(上海六菱仪器厂),参照GB/T531.1—2008,测试其硬度。

使用Taber Industries 5155 Abraser(Polytech InstrumentsAsia Pte Limited),参照GB/T 1768—2006,测试其耐磨性能。


1.3 实验工艺简述

1.3.1 A组分的制备

将定量的聚醚多元醇加热至100~130 ℃,真空脱水1~2 h,除去所存在的湿气,在氮气保护下冷却至一定温度,然后将计量好的异氰酸酯单体(MDI-50)加入反应釜中,体系自然升温30~40 min后,缓慢加热到(80±4) ℃,反应3~4 h,取样检测—NCO含量,达到预定值后出料。整个反应要求在氮气保护下进行,生成的预聚物也必须充入氮气进行密封。


1.3.2 B组分的制备

将一定量的颜料、分子筛、助剂以及适量的聚醚多元醇在三辊机上研磨,达到一定细度要求后,再将剩余的聚醚多元醇、胺基扩链剂投入反应釜中,用高速搅拌机混合均匀,出料过程用200目筛网过滤。


1.3.3 喷涂设备及工艺参数

实验所用静态混合喷涂设备是瑞士SULZER生产的DPS1500胶枪,MFQ08-24C-12方形静态混合管(24节混合管)内径规格为3 mm,胶桶为700 mL,胶桶材质为PP玻璃纤维加强。主要工艺参数为:气源压力0.7MPa,物料温度50 ℃,两组分混合体积比为1∶1。静态混合喷涂设备如图1所示。样片喷涂在涂有脱模剂的PVC板上,喷涂厚度约为1.5 mm,室温放置7 d后进行性能测试。

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静态混合喷涂设备 Fig. 1 Static Mixing Spraying Equipment

实验所用高温高压撞击式混合喷涂设备是美国Graco公司生产的Reactor H-XP3设备和Fusion-AP喷枪。主要工艺参数为:液压压力13.79~17.24 MPa(2 000~2 500 psi),物料温度60~66 ℃,两组分混合体积比为1∶1。高温高压撞击式混合喷涂设备如图2所示。样片喷涂在涂有脱模剂的PVC板上,喷涂厚度约为1.5 mm,室温放置7 d后进行性能测试。

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高温高压撞击式混合喷涂设备 Fig. 2 High-temperature and High-pressure Impact  Mixing Spraying Equipment


2 结果与讨论

2.1 A组分中—NCO含量对体系的影响

作为橡胶输送带用的喷涂聚氨酯(脲)弹性体,首先是要保护输送带表面不受外力损伤,涂层需要具有一定的拉伸强度和断裂伸长率,还需具有良好的耐磨性能。其中A组分异氰酸酯含量对固化体系有着显著的影响。


采用MDI-50与PTMG1000聚醚二元醇合成—NCO质量分数分别为9%、11%、13%、15%、17%的异氰酸酯预聚物,与相应的B组分分别进行固化反应。表2是不同异氰酸酯含量相对应的B组分的配方,表3反映了不用异氰酸酯含量对喷涂聚氨酯(脲)弹性体物理性能的比较。


不同—NCO含量对应的B组分配方 Table 2 Formulas of Component B Corresponding to  Different —NCO Contents

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不同—NCO含量的聚氨酯(脲)弹性体的物理性能 Table 3 The Physical Property of Polyurethane-urea  Elastomer with Different —NCO Contents

从表3中看出,—NCO含量为9%和11%时,弹性体样片本身的硬度和强度都较低,断裂伸长率比较高,表现为韧性有余而刚性不足,因此在使用过程中起不到应有的保护作用;


—NCO含量在15%和17%时,弹性体样片的硬度高达邵氏A 93以上,与橡胶输送带本身硬度(邵氏A 75)差距很大,受到外力作用易开裂。综合比较,选用—NCO含量为13%的预聚物进行后续实验。


2.2 聚醚多元醇对喷涂聚氨酯(脲)弹性体性能的影响

橡胶输送带用聚氨酯(脲)弹性体对耐磨性能要求

高,因此,采用分子链规整、结晶度较高的PTMG多元醇。在A组分固定的条件下[w(—NCO%)=13%],选用不同聚醚(PTMG1000、PTMG2000、TMN3050、330N),比较其对聚氨酯(脲)弹性体性能的影响,具体见表4。

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聚醚多元醇对聚氨酯(脲)物理性能的影响 Table 4 The Influence of Polyether Polyol on the Physical  Property of Polyurethane-urea

从表4可知,两官能度的PTMG1000和PTMG2000形成的涂层硬度和拉伸强度较低,断裂伸长率较高,这是因为PTMG分子链规整,柔顺性较好,交联密度低。三官能度的TMN3050和330N,交联密度高,明显提高涂层的硬度和拉伸强度,但同时造成断裂伸长率的降低。


为了涂层刚性与韧性的平衡,选用PTMG2000与330N配合使用,在实验中进一步筛选,确定m(PTMG2000)∶m(330N)=4.3∶1比较合适。


2.3 扩链剂的选择

喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料在静态混合喷涂时需要合适的凝胶速度,主要是因为在喷涂过程中A、B两组分在混合后不仅不能堵枪,而且要求样片有一定的流平性,因此凝胶速度至关重要。凝胶速度过快,材料无法喷出,造成堵枪;


凝胶速度过慢,垂直面容易流挂,给施工造成不便,且样片固化速度慢,导致施工效率低。为此,首先本实验比较了各种扩链剂对凝胶速度的影响,然后对扩链剂的用量做了系统的比较,最后做出最优选择,见表5和表6。


不同扩链剂对凝胶速度的影响 Table 5 The Influence of Different Chain Extenders on  Gel Velocity, 扩链剂用量对凝胶速度的影响 Table 6 The Influence of Chain Extender Dosage on Gel  Velocity

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从表5可以看出,IPDA凝胶速度和表干速度很快,因为它属于伯氨类扩链剂,含有2个活泼氢原子,反应速度太快,容易造成堵枪;DETDA和DMTDA都属于伯胺类扩链剂,DETDA的活性更高,凝胶速度非常快,DMTDA由于空间位阻的作用,造成凝胶速度明显变慢;WANALINK6200更因为空间位阻和肿胺基扩链剂的双重影响,凝胶速度更低。因此,单一使用一种扩链剂难以满足要求,需要搭配使用。通过分析比较,选择DETDA搭配DMTDA使用,来达到适合的凝胶速度。


如表6所示,随着DETDA用量的增加,体系凝胶速度逐渐加快。凝胶速度在质量比为1∶1、2∶1、3∶1时,凝胶时间迅速降低,速度提升很快;当质量比为4∶1、5∶1时,凝胶时间平稳降低,凝胶速度变慢趋缓。根据喷涂效果及现场反馈,选择质量比为3∶1的体系较合适。


2.4 喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料的物理性能

通过系统筛选,最终确定了配方,喷涂养护后进行测试。为了进一步验证采用静态混合技术制备喷涂聚氨酯(脲)弹性体的可行性,本实验将其与采用高温高压撞击式混合喷涂设备制备的弹性体材料的物理性能进行测试比较,具体数据见表7。

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聚氨酯(脲)弹性体材料的物理性能 Table 7 The Physical Property of Polyurethane-urea  Elastomer

表7中,指标1是采用静态混合技术制备喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料的物理性能,指标2是采用高温高压撞击式混合喷涂设备制备的弹性体材料的物理性能。由此看出,两种指标数据一致,硬度、断裂伸长率和撕裂强度上有微小差别,我们认为是误差,所以采用静态混合技术制备喷涂聚氨酯(脲)弹性体被证明是可行的。


2.5 喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料的耐化学性

静态混合技术制备的喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料使用范围广泛,不仅局限于橡胶输送带,也可以广泛应用到其他场合。应用范围可以从油库、船舱、水利工程、浮力材料、除盐水箱、混凝土大坝到国内外大型体育场馆、户外广场音乐喷泉系统、露天体育场、公园、学校操场、运动场等大型公共场所。


这就要求涂层材料具有良好的耐水性、耐介质性等。按照GB/T23446—2009对喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料进行了耐酸碱盐浸泡试验,样片原始拉伸强度为18 MPa,断裂伸长率为426%,浸泡7 d后测试,结果见表8。

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聚氨酯(脲)弹性体的耐化学性 Table 8 The Chemical Resistance Property of  Polyurethane-urea Elastomer

从表8可以看到,在酸碱盐介质中,聚氨酯(脲)弹性体材料的拉伸强度和断裂伸长率均下降,但下降幅度控制在10%以内,材料性能是原始数据的90%以上,说明其耐化学性良好。另一方面,碱溶液中,浸泡后的拉伸强度和断裂伸长率最低。


原因应该是材料中的聚醚链段更易在碱类溶液中水解,宏观表现为样片的物理强度下降;同时增重方面,也是在碱溶液中最大,达到1.79%。因此,此静态混合技术制备的喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料与采用高温高压撞击式混合喷涂设备制备的弹性体材料在耐化学性方面表现一致。


3 结 语

采用静态混合技术制备橡胶输送带用喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料,该技术经多次实验及客户反馈,已经成功应用。首先,通过异氰酸酯含量对弹性体材料物理性能的影响进行筛选,确定采用异氰酸酯含量为13%的预聚物;之后为实现涂层既刚又韧的特性,选用两官能度和三官能度的聚醚多元醇配合使用,PTMG2000和330N质量比为4.3∶1时最合适,最后通过对扩链剂的筛选,确定DETDA和DMTDA质量比为3∶1时,可以满足施工的要求。


另外,对喷涂聚氨酯(脲)弹性体样片进行了物理性能以及耐化学性能测试,结果表明其具有良好的物理性能及耐化学性,能够满足广泛的应用需求。


采用静态混合技术制备的喷涂聚氨酯(脲)弹性体材料不论在固化速度还是在力学性能及耐介质性能上,都能与采用高温高压撞击式混合喷涂设备制备的喷涂聚氨酯(脲)材料相媲美。该技术对于小面积修补及施工可广泛应用,不仅降低成本,而且提高施工效率,拓展了喷涂聚氨酯(脲)弹性体的应用领域。


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