聚氨酯胶辊-
摘要：介绍浇注型聚氨酯弹胶辊性体（CPU）胶辊的主要性能及用途。生产技术和工艺过程及所需用的主要设备的结构要求。
关键词：聚氨酯、予聚体、浇注型弹性体、计量准、混合匀、温度稳、宏观无气泡
一、概况：
1、聚氨酯胶辊的特点和类型
浇注型胶辊聚氨酯胶辊是由液体聚氨酯橡胶通过浇注的方法制造的一种胶辊，它与普通胶辊相比，具有较高的机械强度（为天然橡胶的2~3倍）；胶辊卓越的耐磨性（为天然橡胶5~10倍）；突出的抗压缩性；硬度范围广，且在高硬度下仍具有高弹性（这是其他胶种所没有的特性）；表面光洁度高；机械加工性能优越；与金属粘结性也比普通橡胶高得多。比较适合一定线速和高压力下使用。
目前聚氨酯胶辊发展很快，原来使用的大量普通胶辊已被新型聚氨酯胶辊所取代。
浇注型聚氨酯胶辊大体分为聚酯型、聚醚型和聚已内酯型三种（指柔性链段的主要构成原料）。一般来说，聚酯型多用在低、中硬度的胶辊中，其物理机械性能高，耐溶剂性能较好，常用作有色金属行业。聚醚型多用在高转速、胶辊高硬度的胶辊中，它的耐水性能佳，耐低温性优越，工艺性能好掌握，常用来制造拉丝辊、印花辊等。聚已内酯型综合性能优越，耐低温性能及耐水解性能好，常用作压榨辊及要求较高的胶辊。
2、胶辊对聚氨酯材料的基本要求：
（1）必须满足各种胶辊所要求的物理机械性能指标；
（2）必须和辊芯有良好粘合性，以适应粘合成型的工艺要求；
（3）胶辊硬度应符合要求，辊面硬度应均匀一致；
（4）表面无气泡，杂质及机械损伤。
3、胶辊的主要技术性能
（1）硬度：各种胶辊的硬度参考值
造纸胶辊
印花胶辊
印刷胶辊
其他胶辊
名称
硬度
（邵A）
名称
硬度
（邵A）
名称
硬度
（邵A）
名称
硬度
（邵A）
压榨胶辊
80~90
印花胶辊
92~97
高速轮转机
制革胶辊
50~60
挤水胶辊
75~85
丝光轧辊
85
墨辊
20~25
冷轧辊
85~95
烘缸托辊
85~95
丝光轧辊
80~85
高速平台墨辊
25~30
压浆辊
60~65
铜网伏辊
35、80
丝方平洗辊
80~85
一般平台墨辊
20~25
油印胶辊
20~30
分毯胶辊
95~100
平洗机上辊
100
胶印机墨辊
30~35
打字机胶辊
85~90
案辊
95~100
平洗机下辊
80
一般印刷墨辊
40~45
砻谷胶辊
75~95
胸辊
70~80
绳洗机辊
80~90
拉丝辊
85-90
毛布导辊
95~100
轧染胶辊
85
真空伏辊
80~90
空心弯辊
55~60
（2）表面要求：根据具体的用途而定，有的要求表面光洁或需经特殊加工或处理。
（3）中高率：胶辊中心部直径和端边部直径之差。其作用是弥补较细长的胶辊在运转中的挠度变形，胶辊的中高率随胶辊的长度而增加。
4、金属辊芯预处理：
（1）认真进行辊芯的表面清洗，去除油污，润滑剂及金属缔合生成的有机物质。清洗液可用通常的清洗溶剂或三氯乙烯等。
（2）认真清除辊芯表面锈迹或氧化物。常用喷砂处理：对碳钢质辊芯，推荐用80~100目氧化铝磨料；对铝质辊芯，宜用140~320目磨料进行湿喷砂处理，喷砂后，应使用溶剂将表面残留粉尘清除干净。为获得良好的粘接效果，碳钢辊芯要在喷砂后4小时内完成粘接；铝质辊芯可在喷砂后72小时内完成粘结处理。
（3）认真涂敷适宜的粘合剂（如NA-1，chemlock-218，Thixon422等），涂敷粘合剂后，辊芯应在干燥空气中干燥20分钟，并在90±10℃下处理1小时，然后进行CPU浇注操作。
二、胶辊生产技术及工艺
1、胶料制备及浇注工艺过程简图（以聚酯―TDI―MOCA为例）图略
3、生产工艺
（1）予聚体制备举例
①聚酯多元醇脱水（在脱水釜中进行）：用Mn.2000（羟值53~59，mgKOH/g，溶点40~50℃）的聚酯，加热熔化后在带搅拌的不锈钢或搪瓷釜中，脱水温度100~140℃（聚醚100~110℃），以余压5mmHg进行真空脱水30~60分钟，使其含水量＜0.05%（从视镜可观察脱水情况）。为使罐内液体充分脱气，可间歇开停搅拌装置，抽一段时间真空后，可停止反应罐加热，使料温降至70~80℃。
②予聚体合成（在反应釜中进行）：制品的性能取决于所用的原材料及其配比和加工工艺。先按性能要求，如温度、受力情况和接触介质及使用寿命等选择合适的原材料。再按要求硬度选定合适配比及工艺条件（如混合温度、浇注和脱模时间及硫化条件等）。为保证予聚体的质量，聚酯脱水及予聚体合成最好不在同一釜中进行，予聚体合成反应在干燥氮气保护下进行。为防止反应剧烈、温升过快，须备有冷却装置。建议加料顺序：先加TDI后加聚酯，如反应剧烈，聚酯可分次加入，使反应过程平稳，反应温度容易控制，合成的予聚体中游离异氰酸酯单体含量较低，结构较规整。使其保持在80±5℃，反应1~2小时，分析异氰酸酯基含量。在可能条件下也可购买符合要求的国内外品牌的予聚体。
③予聚体脱气（可在予聚体合成反应釜或浇注机的A料罐中进行）：在85±5℃及余压5mmHg下脱泡30~60分钟。
（2）浇注机浇注：
①技术关键：浇注机是浇注型聚氨酯弹性体（CPU）生产中的关键设备，其主要技术要求如下：
a、配比精确，计量稳定：采用耐温耐压的高精度计量泵及精密传动，调节和显示装置，其计量精度达±0.5%。
b、混合均匀，不产生气泡：采用特殊结构的高速混合头，当两组分原液粘度及配比相差很大时，亦能保证混合均匀，使生产的制品宏观无气泡，且调节灵活、操作方便。
c、温度稳定，准确可靠：原液的温度变化会影响原液的粘度、压力、计量精度及混合比，使制品质量无法稳定。尤其是B组分（MOCA）常温下为固体，若料温太低则会结死而无法操作，料温太高则易变色而影响制品质量。常用电加热的导热油循环系统，加热原液，计量泵及浇注头，由智能型时间比例式数显温控仪进行恒温自控。
②浇注工艺：在B料罐中加入MOCA（熔化温度＞110℃）启动各组分的加热系统，使A、B料均达到要求温度并各自循环，A料如需要可先进行真空脱气，达到予聚体中无气泡。按配方要求通过调节计量泵的转速和排量，使A、B料达到要求的混合比。启动浇注按钮，则A、B料在浇注头的混合腔中通过高速的混合使之混合均匀，当排出的混合料在透明软管中不含气泡时即可往模具中浇注（模具及辊芯已经预处理，并预热至80~110℃）。当两次浇注相隔时间较长时（超过釜中寿命1/2）需用清洗剂（二氯甲烷或三氯乙烯）对混合腔进行自动清洗（由电脑程控器自动控制）。当浇注停止时，A、B原液即自动转为各自循环状态，回到各自料罐中。
（3）熟化及后处理：
①成型硫化（模型硫化），胶辊在脱模前在模具中硫化过程，其温度可选择在其化学结构不发生破坏的前提下，尽可能高一些，以加快扩链交联反应，缩短脱模时间，提高模具和设备利用率，常以100~120℃，60~120min为宜。
②后硫化：指胶辊脱模后继续加热硫化的过程，温度稍低于成型硫化，以90~110℃，3~10小时为宜。
③表面再加工：根据要求在加工设备上进行车削或磨削加工。
（4）注意要点：
①模具结构合理，装配可靠，分型面无漏胶可漏气。
②温度平衡，要求模具、辊芯及胶料的温度基本相同，模具各部位温度基本一致。
③胶料的浇注点可在辊芯或模具边缘，应保持固定不变，以不产生气泡为宜，为防止裹挟气泡，模具可适当倾斜使胶料沿壁而下。
④胶辊未达到脱模强度前，不要随便移动模具，以防产生龟裂。
⑤装配模具和辊芯时，尤其要注意防止涂过粘合剂的辊芯碰着模具内壁，影响胶辊的粘接质量。即模具上不得粘上粘结剂，辊芯上不得粘上脱模剂。
⑥硫化后胶辊，待达到要求强度后，再进行表面切削和磨光等机械精加工，以保证辊面的粗糙度和辊轴的同心度。
（5）对CPU制品模具的基本要求：
①材料：选择时应着重考虑：具有足够的强度；足够的耐热性和尺寸稳定性；符合使用寿命要求的耐用性；制造成本较低。当批量生产从耐久性考虑常用金属材料，单件或试制产品常用环氧树脂等非金属模具，若采用压力合模浇注则应用金属模具。
②结构：除了保证制品的几何形状和尺寸外，还应注意浇注位置，分型面和排气，以便达到：
a、便于制品的浇注和脱模；
b、保证制品工作表面的质量；
c、便于模腔中气体的排出；
d、便于模具的制造和机械加工，降低模具成本。
（6）影响聚氨酯胶辊性能的主要因素：
①多元醇分子量对胶辊性能的影响：
分子量的大小决定了聚氨酯弹性体中特性基团的密度；聚酯型随分子量增大，则其物性可提高；而聚醚型随分子量增加，则提高了其柔顺性，拉伸强度和模量会有所下降。一般应控制多元醇分子量在1100~2200之间。
②予聚体异氰酸酯基（NCO）百分含量的影响：
随NCO增加，则硬度、抗撕裂，定伸强度，拉伸强度提高，且予聚体粘度降低，易于脱泡和混合，而伸长率下降；NCO过高，则胶料固化速度过快，（釜中寿命变短），对浇注工艺极为不利。故NCO%一般在2.4~6.5%为宜。
NCO%
2.9
4.2
5.1
6.0
7.1
MOCA用量
8.3
12
14.5
17.1
20
硬度
邵A
8.2
90
95
96
邵D
44
50
60
78
③扩链系数的影响：
胺类固化剂（MOCA）与予聚体中NCO的当量比（NH2/NCO）对胶料物性影响明显，一般以0.85~0.95%为宜。
对于MOCA交联体系一般应保持NCO稍过量，可使弹性体制品具有合适的交联度，当扩链系数为0.88时，化学交联和物理交联达到较好平衡，弹性体的综合性能最佳；当到1或更大时，因MOCA的增塑效应，且化学交联和氢链的减弱，强度明显降低，且永久变形较大。（故实用为保险，则扩链系数常取0.85）。
④混合温度的影响：
由于予聚体及扩链剂的种类不同，其工艺条件（混合温度）亦不同。混合温度提高釜中寿命和凝胶时间缩短；过低的混合温度为固体扩链剂所不允许，虽有利于延长釜中寿命和提高物理性能，但不易脱泡和均匀混合（因粘度变大），以扩链剂在予聚体中不析出为宜，如MOCA则以110~120℃为宜。
⑤釜中寿命：
当CPU的两种液体原料混合相遇后，会发生反应――扩链并高分子化――混合物会逐渐失去流动性，通常将两种原料从混合开始，到混合物基本失去流动的这段时间，称为釜中寿命（或固化期）。
二、主要设备：
1、反应釜：作多元醇脱水和予聚体合成及脱泡之用。
可采用不锈钢内胆，附加热夹套及外包聚氨酯硬泡绝热层的三层结构反应釜，附有锚式搅拌、电加热的导热油循环及控温系统，真空缓冲罐及真空泵系统。釜上应备有进料、出料、观察、测温、测压力及真空、安全放空及抽真空等工艺管孔，其容积由要求的产量而定，常用容积和尺寸：80L（φ400×500）；120L（φ500×500）；200L（φ600×700）等，常用真空泵为双级旋片式，抽气量为8或15升/秒。
2、浇注机：由于CPU具有釜中寿命短，凝胶速度快，单件用胶量大等特点，为了生产高品质的胶辊，必须采用浇注机生产。下面介绍本公司CPU20F系列高温型聚氨酯弹性体浇注机特点：
（1）各系统原料循环方式：
①原料由料罐――计量泵――浇注头切换阀――原料罐的全流量循环，可确保料温均一，流量稳定。
②料罐可通入干燥氮气，防止水分混入使原液变质。原液循环回流口设在料罐底部，不会带入气泡。
③通过平衡循环――吐出压力（设有可靠的节流及精密的调压装置）提高混合比的精度和稳定吐出量。
（2）采用高精度计量系统：
①采用耐温、耐压、高硬度的低速精密计量泵，流量准确、稳定。
②采用高精度进口变频调速装置，调节混合比及流量，灵活、方便、可靠。
③由于转速调节范围很大，当吐出量较小或粘度较低时亦能保证达到要求的精度。
（3）高效、结构先进的浇注头
①各组分原液由循环切换到吐出时，迅速同步，不会出现超前和滞后现象。
②设有高精度的节流和回流调节装置，可使循环和吐出压力调节平衡，提高混合比的精度，可保证制品质量。
③采用专用并久经实践考验的混合头，使粘度差很大，混合比悬殊的两组分原液在极短时间内混合均匀，且不产生气泡。能快速排除混合腔内空气，故初期混合液损耗较少。
④采用特殊设计的旋转式轴封装置，不倒料，确保润滑可靠，更换方便。
⑤切换阀采用经精密加工的聚四氟密封，调节方便，无热变形之虑。
⑥专用的气动清洗开关使清洗混合腔用的清洗液和压缩空气经物料吐出节流孔吐出，故永不堵塞，亦不会使混合料倒流。
（4）控制及电器系统先进可靠、稳定：
①采用电脑程控器控制浇注及自动清洗，操作简单、维修方便、线路清楚、故障率低。
②采用智能型时间比例式数显温控仪及铂电电阻来控制A料原液；A料介质；B料原液；B料介质；B计量泵及浇注头的温度，准确可靠、直观，控制及调节非常方便。
③原液压力数字显示，（超压报警）流量及混合头转速均可数显。
3、模具及辊芯加热装置
参考模具及辊芯的大小，设计成相应的加热装置，要加温到90±10℃，常采用带控温和显示的远红外电加热器。
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