新型環(huán)保聚氨酯膠輥的發(fā)展與應(yīng)用

1、    新型環(huán)保聚氨酯膠輥的發(fā)展與應(yīng)用    繆定蜀摘要：由于制造設(shè)備與工藝技術(shù)的突破，新型聚氨酯膠輥較之丁腈橡膠膠輥在紡紗各項性能如高彈性、高耐磨、抗靜電、耐老化等指標(biāo)更加具有優(yōu)勢。目前，已開始用于大定量、重加壓、高速度的新型紡紗裝置及設(shè)備上，近來開發(fā)研制的超軟彈性膠輥可以滿足高支紗生產(chǎn)領(lǐng)域需求。可以預(yù)見不久將來聚氨酯膠輥是牽伸膠輥的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：聚氨酯膠輥；高性能；節(jié)能環(huán)保；軟彈性；穩(wěn)控制：ts103.823 文獻標(biāo)志碼：adevelopment and application of new environment-friendly polyur

2、ethane rubber rollerabstract： thanks to innovative manufacturing equipment and technology， polyurethane rubber roller has more advantages than butadiene-acrylonitrile rubber roller in terms of elasticity， abrasion-resistance， antistatic property and resistance to aging. at present， polyurethane rubb

3、er roller has been widely used in new spinning machines with high spindle number， heavy weighting and high speed. the super soft and elastic rubber roller developed in recent years can meet the demand for producing high-end and high-count yarn， indicating that polyurethane rubber roller represents m

4、ain developing trend of drafting roller in the future.key words： polyurethane rubber roller； high-performance； energy-saving and environment-friendly； soft elastic； stable control隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展及新材料、新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)的推動，聚氨酯的運用無所不在，其優(yōu)異的物理、化學(xué)性能擴展了使用范圍。近些年，聚氨酯膠輥膠圈逐步在紡織生產(chǎn)中運用，但由于研究不系統(tǒng)、設(shè)備不精良，總體性能與丁腈膠輥仍有不小差距。隨著新型紡紗設(shè)

5、備如緊密紡、rocos紡、賽絡(luò)緊密紡、噴氣渦流紡、高速細(xì)紗機和高速轉(zhuǎn)杯紡的大量使用，急需新一代性能更加全面、操作維修簡單、節(jié)能環(huán)保、性價比高的膠輥，來滿足重定量、重加壓、大牽伸工藝的要求。聚氨酯就其彈性體的物理、化學(xué)性能來看，它具有極大的可行性、可操作性，將替代羧基橡膠作為主體材料制造各類紡紗膠輥。事實上，目前已經(jīng)開發(fā)出聚氨酯系列產(chǎn)品在各類新型紡紗設(shè)備上運用，并取得了不菲成效。1 高速、優(yōu)質(zhì)、耐磨、長壽的膠輥1.1 適應(yīng)高速的器材世界紡紗技術(shù)在近幾十年發(fā)展飛速，紡紗單機普遍向高速、智能化、自動化方向發(fā)展。并條機線速度100 1 000 m/min，精梳機每分鐘工作鉗次從130鉗次/min發(fā)展至

6、今超過500鉗次/min。細(xì)紗紡紗不再是單一通過環(huán)錠紡鋼領(lǐng)鋼絲圈同時加捻卷繞及利用羅拉牽伸方式，代之也可通過氣流或機械形式進行加捻及牽伸，從而使紡紗速度迅速提高。以環(huán)錠20s紗為例，紡紗線速度不過30 m/min左右，轉(zhuǎn)杯紡提高到100 m/min以上，最新的逼近200 m/min，但渦流紡及噴氣渦流紡線速度更是逼近500 m/min。其他紡紗有摩擦紡、緊密紡、賽絡(luò)紡（包括賽絡(luò)菲爾紡）、賽絡(luò)緊密紡、扭力紡、嵌入紡、介入紡等各種形式紡紗。這些技術(shù)快速發(fā)展，相比較不少器材發(fā)展出現(xiàn)明顯滯后，最典型的的是膠輥膠圈。開始反映最多的是緊密紡和渦流紡，緊密紡因為導(dǎo)紗動程幾乎不變，且加壓相對增大，膠輥壽命短的

7、只有一個多月。為了延長壽命，丁腈膠輥廠家改進配方，增加膠料，補強填充劑及抗老化材料，但很快質(zhì)量下降，無法兩全。渦流紡的高速對膠輥損傷更是致命性的，純滌不過一周就起槽，滌棉20來天，如果延長使用則影響質(zhì)量。目前，唯一解決辦法只能縮短使用周期，加強管理。1.2 膠輥制作與使用滯后帶來的問題我國目前生產(chǎn)丁腈膠輥的設(shè)備與國際先進水平差距較大，用工較多。最近比較了國內(nèi)兩家生產(chǎn)膠輥的廠，產(chǎn)值同樣以1.2億元計算，一個用工600人，一個用工僅40人，勞動生產(chǎn)率相差15倍，而前者丁腈橡膠制作設(shè)備相對落后，造成膠輥及膠圈批與批質(zhì)量不穩(wěn)定。而采用現(xiàn)代化連續(xù)化獨特工藝的聚氨酯膠輥生產(chǎn)線就克服了此類問題。同樣，紗廠面

8、臨用工緊張及難招人的局面，這其中有收入太低等因素，但在不少中小企業(yè)為何一到夏季人員大量流失，就是因為夏季細(xì)紗生活難做，加上空調(diào)不到位，造成膠輥粘花卷繞、斷頭增加，擋車工顧此失彼，勞動強度明顯增加。如果配用一些優(yōu)質(zhì)的器材，尤其是膠輥膠圈、鋼領(lǐng)鋼絲圈，千錠時斷頭控制在10根左右，皮輥花及回絲減少，擋車工滿意，還有走的理由嗎？只有勞動生產(chǎn)率得到進一步提高，質(zhì)量得到穩(wěn)定，總的生產(chǎn)成本一定會下降。1.3 聚氨酯工藝復(fù)雜、成本因素阻礙大面積推廣聚氨酯是采用聚醇和異氰酸酯反應(yīng)制得，在工業(yè)領(lǐng)域有 3 種加工方式：混煉型和熱塑型分別是固體膠狀與線型聚合物，工藝簡單、成本相對較低，但總體性能未超過丁腈橡膠；澆注型

9、是最能發(fā)揮及體現(xiàn)聚氨酯物理與化學(xué)性能的加工方法，采用聚醇、異氰酸酯、擴鏈劑等配合劑經(jīng)二步法或一步法合成的線型液態(tài)聚合物，但材料本身的性能、成本高和選用工藝方法的差異等，要求加工設(shè)備性能高、流程長、工藝復(fù)雜，盡管可以做到新一代紡紗性能超過丁腈橡膠膠輥的聚氨酯膠輥，但生產(chǎn)廠難以大面積生產(chǎn)與推廣。 1.4 更加環(huán)保的膠輥膠圈目前使用的丁腈橡膠膠輥膠圈按照國家環(huán)保要求存在兩個問題：（1）膠輥膠圈在制造過程的車間現(xiàn)場不環(huán)保，特別是設(shè)備簡陋的廠家，丁腈橡膠以硫磺作為交聯(lián)劑，經(jīng)加工而得，硫化過程對環(huán)境有一定污染，為留住操作工，工資高出幾倍；（2）使用膠輥的廠家防止生產(chǎn)過程卷繞，尤其化纖及其混紡品種不得不采用

10、表面處理，不外乎各類污染環(huán)境的化學(xué)處理，采用酸、硫化物等，有層處理采用生漆、尼龍、樹脂等，化學(xué)涂層處理采用雙組分涂料等來滿足導(dǎo)電性、吸放濕性，讓膠輥表面改性，達到滑、爽、燥。但多數(shù)廠在表面處理過程操作工沒有相關(guān)化工防護裝置，嚴(yán)重者燒傷皮膚，有些是致癌毒性物質(zhì)，有的過期涂料及多余酸料隨意向外面倒泄，造成草地樹木枯萎。事實上，國外同行們早已摒棄涂料處理，光照處理至少在發(fā)達國家已經(jīng)全部實行。不處理膠輥的推廣在一定程度上可改善現(xiàn)狀，但實際使用中涂料盛行，生產(chǎn)差別化及化纖品種的廠家對這種依賴屬于無奈。1.5 丁腈橡膠膠輥膠圈與國外同類產(chǎn)品差距短時間難以突破紡紗用膠輥的主體材料廣泛地采用丁腈橡膠（nbr）

11、或羧基丁腈橡膠（xnbr），輔以各類添加劑，以硫磺作為交聯(lián)劑，經(jīng)加工而得。在丁腈膠輥膠圈經(jīng)過多年努力雖然取得不菲成績，但由于國外高端膠輥對制作工藝嚴(yán)格保密，總體上存在以下差距：（1）某些企業(yè)內(nèi)部管理不嚴(yán)密，產(chǎn)品批與批之間質(zhì)量不穩(wěn)定，為達到耐磨、耐油、耐老化、抗靜電、彈性好等指標(biāo)配方成分達到十幾種，如果每批成分不一致，即出現(xiàn)批顏色不一、白粉頭、色斑點、表面雜質(zhì)及氣孔等；（2）生產(chǎn)過程配料、投放計量與煉膠時間、硫化工藝是否準(zhǔn)確，煉膠次數(shù)保證，膠料停放時間及保存是否落地等；（3）模壓加工有否過濾機減少在壓縮機出現(xiàn)氣孔與雜質(zhì)。所以，丁腈膠輥膠圈制造設(shè)備自動化程度低，人工干擾因素較多，勞動生產(chǎn)率偏低，要

12、滿足各類新型紡紗高速、高耐磨、高質(zhì)量及高適紡的總體質(zhì)量難以有更大突破。就目前水平看，同等工藝條件下，進口的膠輥使用壽命是國產(chǎn)的1 2 倍，在 2 年內(nèi)硬度變化為1°左右，而國產(chǎn)在3°左右；國產(chǎn)膠輥吸放濕性能僅為國外的60%左右；在適紡性上國產(chǎn)膠圈抗靜電效果不如國外，我國某品牌膠圈全衰期在15 s左右，美國阿姆斯壯7848膠圈全衰期僅 1 2 s。其他，在撕扯強力、抗延伸性、抗變形性、彈性上均有不小差距。能否避開與國外在丁腈橡膠生產(chǎn)領(lǐng)域的競爭，另辟蹊徑，在研制新型聚氨酯膠輥膠圈能否依據(jù)國情，探討性價比與整體性能更好的制作工藝與方法呼之欲出。2 聚氨酯膠輥的研制2.1 聚氨酯的

13、優(yōu)異特征聚氨酯同其它合成橡膠相比具有以下優(yōu)點：極高的耐磨耗；優(yōu)異的力學(xué)性能，如抗張強度、伸長率、抗撕裂強度；高彈性，減震緩沖；優(yōu)異耐化學(xué)腐蝕、耐高壓荷重、耐輻射、耐油、耐低溫；高強度、高承載；良好的與金屬粘合力等優(yōu)異性能；同時具有較寬的硬度范圍，從邵爾a10到邵爾a100，目前已有超過邵爾a100及以上的產(chǎn)品；比金屬彈簧耐沖擊，不傷模具。缺點是：由于材料因素，任何聚氨酯材料遇水都會出現(xiàn)降解、分解。但紡紗是控制在一定溫濕度條件下生產(chǎn)，只要不在水中作業(yè)，完全不必?fù)?dān)心出現(xiàn)任何負(fù)面作用。聚氨酯相關(guān)物理指標(biāo)見表 1。2.2 澆注型加工方式澆注型加工方式是最能實現(xiàn)聚氨酯優(yōu)異性能的方法。澆注型聚氨酯彈性體（

14、簡稱cpu）是聚氨酯彈性體中應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大（占2/3）的一種，其獨特工藝可以滿足紡紗所需的絕大多數(shù)參數(shù)；熱塑型（tpu）、混煉型（mpu）不適合制作高端精細(xì)的產(chǎn)品。經(jīng)過多年研究，充分挖掘聚氨酯彈性體的物理、化學(xué)性能，它具有極大的可行性、可操作性，將替代丁腈橡膠作為主體材料制造各類紡紗膠輥?？梢灶A(yù)見，通過工藝配方的突破可以實現(xiàn)聚氨酯膠輥在高檔精梳純棉高支紗生產(chǎn)中的大面積運用，從而聚氨酯紡紗膠輥將會給紡器制造業(yè)帶來新一輪的技術(shù)革命。2.3 從結(jié)構(gòu)上分析丁腈橡膠與聚氨酯對紡紗過程的影響丁腈橡膠和纖維同屬高分子聚合物，長鏈分子結(jié)構(gòu)相似，易粘附，其表面澀性重，粘附能力強，摩擦系數(shù)大。由于粘附棉蠟、油

15、污，繞花現(xiàn)象嚴(yán)重。如果提高速度，界面分子鏈形成和斷裂頻率高，表面發(fā)生硬化效應(yīng)。丁腈膠輥又是交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分子間纏結(jié)作用強，對濕度極為敏感，濕度大，表面易形成水膜，粘性增加。聚氨酯橡膠因其結(jié)構(gòu)中含有不同數(shù)目的官能團和不同類型的官能基以及合成工藝的不同而有較大的差異。聚氨酯橡膠的物理、化學(xué)性能，加工性能以及加工方法，是因其構(gòu)成的官能團和合成工藝分子鏈的排布所決定。澆注型聚氨酯預(yù)聚體nco基團異氰酸酯具有重疊雙聯(lián)的端基基團。膠輥彈性是衡量膠輥性能的重要指標(biāo)，隨著使用時間的延長膠輥彈性逐步減退。膠輥長期連續(xù)加壓受脈動力影響、空氣中臭氧造成表面硬化龜裂及膠輥多次高速回磨對膠輥表面劇烈碰撞摩擦等因素均會使

16、膠輥彈性減弱。彈性好的膠輥在牽伸部位對纖維控制力、握持力的影響增強，高彈低硬度膠輥對鉗口握持接觸面積加大，均勻變形對縱橫向浮游纖維、邊纖維更好地控制，有利改善條干、毛羽。細(xì)紗機v型重定量及氣動重加壓的工藝推廣及線速度超過450 m/min對現(xiàn)有丁腈橡膠膠輥不堪重負(fù)，提高耐磨可能增加表面硬度，改變膠輥粘彈特性影響條干等質(zhì)量，只能通過縮短周期使用，帶來管理及質(zhì)量的波動。聚氨酯橡膠最大的特性就是具有極高的彈性、極好的耐磨性、抗老化性及恰當(dāng)?shù)谋砻婺Σ料禂?shù)和優(yōu)異的各項物理力學(xué)性能（表 2）。因此，只要選擇了合理的產(chǎn)品牌號和與之匹配的加工工藝，聚氨酯橡膠是完全能夠替代丁腈橡膠或羥基丁腈橡膠來制造使紡紗性能

17、更加優(yōu)異的膠輥。 2.4 打造國際高端膠輥品牌的可行性綜上所述，丁腈橡膠制作領(lǐng)域就目前我國整體水平難以一下達到國外同類水平，但聚氨酯膠輥在紡紗領(lǐng)域的運用在我國起步較早，國內(nèi)不少企業(yè)聯(lián)合相關(guān)研究機構(gòu)進行多年攻關(guān)，摸清聚氨酯物理、化學(xué)及分子結(jié)構(gòu)的機理。創(chuàng)新主體在中小企業(yè)，機制活、能量大、有原創(chuàng)。美國阿姆斯壯膠輥是響徹世界的品牌，所有紗廠在使用后的共同感受是：紡紗適應(yīng)性強，不易卷繞，回磨周期長，硬度變化極小，彈性好，壽命長達 3 年以上，質(zhì)量長期穩(wěn)定。那么，如果根據(jù)國情，將聚氨酯通過特殊工藝、特殊設(shè)備做到極致，滿足以上所有效果，做出自己高端品牌就等于走了捷徑。筆者不久前去中外合資中瑞聚氨酯科技有限公

18、司考察，該廠在聚氨酯性能及工藝研究方面已經(jīng)有15年，老板重視技術(shù)創(chuàng)新，十幾年探索出聚氨酯適合紡紗的獨門絕技，與國際瑞士軍工企業(yè)合作生產(chǎn)的聚氨酯膠輥，首批開發(fā)的高性能耐磨膠輥在渦流紡、緊密紡、賽絡(luò)紡上得到問世與運用，受到紗廠歡迎。新開發(fā)低硬度55° 60°滿足高端高支紗生產(chǎn)的膠輥即將投放市場，從檢測部分物理指標(biāo)來看，由于采用了全新的工藝、設(shè)備、材料，指標(biāo)達到國際膠輥相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)。3 聚氨酯膠輥的技術(shù)特征聚氨酯紡紗牽伸膠輥具有極其優(yōu)良的彈性，握持力強，有利于改善成紗質(zhì)量；有極佳的耐磨性能，在使用中變形極小且耐用；回磨周期長，若紡織企業(yè)管理與維護得好，加壓偏低掌握，兩年只需回磨一

19、次，能降低紡織企業(yè)的機物料、用電消耗，降低噸紗成本；同油劑接觸時具有良好的相容性，耐油而不溶脹、不起埂、不起泡、不變形；抗污染而自潔性強，不吸濕，上車基本無需走熟期。聚氨酯彈性體材料添加抗靜電劑或增加導(dǎo)電成分后，有良好的抗纏繞性能，能適應(yīng)車間溫濕度的突然變化，在沒有空調(diào)設(shè)備的情況下也能較正常地生產(chǎn)；由于有極好的回彈性，在鉗口處對纖維的握持面加大，基于材料本身的物理力學(xué)性能是普通丁腈橡膠、羥基丁腈橡膠所無法比擬的；對各類涂料、化工膠輥涂料均不吸收，適紡性能、穩(wěn)定性好，是真正的表面不處理膠輥。在各類搖架加壓較重、車速較高的運行中，聚氨酯紡紗牽伸膠輥均能適應(yīng)且便于生產(chǎn)管理，而且使用壽命比丁腈膠輥長。

20、但是，其耐熱性能比丁腈膠輥差，需要對磨削材料進行改進，包括砂輪材質(zhì)、硬度均勻，在高速磨削下具有良好散熱功能；在光線射線的作用下，淺色或透明的彈性體材料會出現(xiàn)變色現(xiàn)象，故需要加入防護體系材料。聚氨酯紡紗牽伸膠輥適紡純棉和粘膠棉型纖維、純化纖及混紡品種，竹漿纖維、木纖維、毛纖維、木代爾纖維、氨綸包芯紗、環(huán)保負(fù)離子纖維、色紗等產(chǎn)品。不僅適用環(huán)錠紡紗設(shè)備，也適用緊密紡、渦流紡、摩擦紡設(shè)備所需的高彈性耐磨膠輥。4 聚氨酯膠輥性價比分析聚氨酯膠輥給紡織同行的印象一般大體上就是表面粗糙、耐磨、壽命長，對條干、毛羽、紗疵等指標(biāo)難以與丁腈膠輥相比。既然上述聚氨酯的物理性能均好于丁腈橡膠，為何多年未能實現(xiàn)大面積推

21、廣？筆者也難以說清楚，也許是偶然，發(fā)現(xiàn)在做其他類似膠輥時，一家中瑞公司以科技原創(chuàng)設(shè)計為主，采用歐洲聚氨酯精良制作設(shè)備，獨特專利配方，其生產(chǎn)效率居然提高15倍以上，澆注型聚氨酯膠輥做到表面均勻細(xì)膩，無氣孔雜質(zhì)，同等硬度表面摩擦系數(shù)可以是丁腈橡膠的 3 倍，有更好的彈性握持效果。既可以做承受重壓耐磨型膠輥，又可以做輕壓耐磨軟彈性改善條干型膠輥。聚氨酯膠輥售價有人認(rèn)為很貴，但用后絕不后悔，市場反應(yīng)強烈。表 3 為丁腈膠輥與新型聚氨酯膠輥性價比數(shù)據(jù)分析。5 聚氨酯膠輥在紡紗領(lǐng)域的應(yīng)用丁腈軟彈性膠輥在紡紗生產(chǎn)中受益20多年，運用軟彈性膠輥紡紗握持纖維縱橫向能力強，縮短牽伸運動中浮游纖維，加壓減輕，牽伸握

22、持平穩(wěn)，條干及毛羽均有較好的改善，得到生產(chǎn)實踐的長期證明。依據(jù)此思路，聚氨酯膠輥可以做到滿足丁腈橡膠所有物理性能條件下，可以硬度更低，表面同等粗糙度條件下摩擦系數(shù)增大 1 3 倍，具有更好的握持力，紡紗更加穩(wěn)定。真正好的膠輥不是引導(dǎo)客戶去僅僅滿足所謂紗線條干、強力、毛羽平均值，而是追求減少紗線中cvb值、強力弱環(huán)、毛羽極差、dr偏移率（與布面整體條干平整度有關(guān)指標(biāo)），減少絡(luò)整漿織造斷頭，提高整個系統(tǒng)生產(chǎn)效率，打造完美布面質(zhì)量。目前，研發(fā)的高軟彈性聚氨酯膠輥所紡紗號的條干水平明顯改善，cvb值顯著降低，棉結(jié)下降顯著。5.1 聚氨酯膠輥在c14.8 tex品種上的運用（表 4）5.2 聚氨酯膠輥在jc5.8 tex品種上的應(yīng)用（表 5）5.3 聚氨酯膠輥在緊密紡高支紗條件下對比（表 6）5.4 聚氨酯膠輥在渦流紡上質(zhì)量及使用情況對比（表 7）由表 7 可知，rujeperz rc-v-80聚氨酯膠輥與日本j490膠輥分別經(jīng)過光照處理，r27.8 tex渦流紗大多數(shù)指標(biāo)得到改善，不僅能夠解決目前國產(chǎn)傳統(tǒng)膠輥耐磨性差、使用壽命短的問題，還可替代進口膠輥。6 聚氨酯膠輥技術(shù)應(yīng)用的要求由于澆注型制造工藝，加上極為密閉純凈的生產(chǎn)條件，膠輥表面極其細(xì)膩，無任何氣孔與雜質(zhì)，粗糙度穩(wěn)定