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第五节 橡胶和树脂共混(下)

浏览次数: 日期:2017-06-02

 (三) 直接混合法工艺:

    在直接混合法工艺中,橡胶系以橡胶粉的形式与粉状树脂、纤维、填料直接在混料机中混合制成压塑料,此工艺为树脂与橡胶共混工艺中最方便易行的方法。其优点为:

    ⑴混合均匀性好,树脂和橡胶粉均可以100-200#的高细度,在干态状态达到高度混合改性效果好。

    ⑵操作时间短,生产效率高。这个生产工艺和其它干法混料生产工艺相比,省去了橡胶块切割、塑炼、热辊炼和胶料的粉碎或裁切等工序;和湿法混料生产工艺相比,则省去了化胶打浆、湿混合料的加热干燥、破碎等工序,故在摩擦材料生产的各种混料工艺中,其操作最为快速简便,若使用立轴式高速混料机,混料时间只需4-5分钟,若使用犁耙式混料机,混料时间也只需十几分钟。生产效率比较高。

    ⑶橡胶用量比例范围大。此工艺中橡胶料在组份中的用量比例以及它和树脂粉的相对用量比例,可以在摩擦材料组份的粘合剂总用量范围之内,根椐生产的不同用途和性能要求任意变动,而不会发生工艺操作的不便或困难。粘合剂中既可以树脂为主,橡胶为辅,制成硬质摩擦片,也可以橡胶为主、树脂为辅,制成软质或半软质摩擦片。

    由上述可见,直接混合法的优点是很突出的,不过国内摩擦材料行业所使用的橡胶粉只有丁腈橡胶粉一种,且价格较高(比丁苯橡胶高出很多)致使摩擦片产品生产成本也较高。此种工艺方法通常用来制造性能要求较高的摩擦材料品种,如轿车盘式刹车片,对耐热性和抗冲击强度要求较高的重型车辆刹车片,大马力工程机械刹车片等。

    采用直接混合法工艺,将橡胶粉和树脂粉进行共混制造轿车盘式刹车片的应用实例如表3-47的组份配比:

       表3- 47     

组份名称

用量    %

丁腈橡胶粉

1-3

树脂粉

7-13

重晶石(硫酸钡)

10

碳酸钙

10

摩阻填料

4-10

多孔性填料

18

钢纤维

15-25

铁粉

10-14

低成本填料

7-13

                                 表3-48  产品性能

试验名称

测验温度

100℃

150℃

200℃

250℃

300℃

350℃

摩擦系数

0.37

0.43

0.41

0.38

0.36

0.33

磨损率10-7Cm3/Nm

0.11

0.18

0.23

0.35

0.51

0.65

洛氏硬度(HRM

81

    直接混合法工艺制造豪华大巴用无石棉鼓式刹车片的应用实例见表3-49:

                                表3-49    组份配比:

组份名称

用量    %

丁腈橡胶粉

2-5

树脂粉

12-16

重晶石(硫酸钡)

10

FKF矿物纤维

20-35

摩阻填料

2-10

多孔性填料

10-15

钢纤维

5-10

摩擦粉

3-4

其它填粉

10-15

铜丝

2-5

                        表3-50    鼓式刹车片性能指标:

试验名称

测验温度

100℃

150℃

200℃

250℃

300℃

摩擦系数

0.37

0.38

0.36

0.36

0.32

磨损率10-7Cm3/Nm

0.27

0.25

0.30

0.36

0.51

洛氏硬度(HRM

83

抗冲击强度

4.1

     (五) 胶浆法共混工艺

     胶浆法共混工艺的特点是在化胶机中,将溶剂加入塑炼胶片中,在搅拌过程中,溶剂先将橡胶溶胀,而后再逐步使橡胶溶解,最后制成粘度较大的橡胶浆(有时又称橡胶溶液)这种橡胶浆可和乳液树脂或树脂用溶 液、填料、纤维组份在捏合机中进行机械共混。橡胶浆也可以用于浸渍工艺,例如在缠绕离合器片或编织离合器片的生产中,通过树脂和胶浆的浸渍操作将树脂、胶浆及填料分散、渗透和附着到石棉或非石棉型线、布上,将它制成压制材料,(但严格地说,在浸渍工艺操作中,橡胶浆和树脂液系按先后进行浸渍操作,已不属于共混操作)。

    胶浆法工艺主要用于丁苯橡胶和天然橡胶,使用汽油作为溶剂。丁腈橡胶 极少被用于胶浆法工艺,原因是它使用苯或甲苯为溶剂,这两种材料有较大的毒性,对人体健康的危害及对环境的污染不容忽视。而在摩擦材料生产中,溶剂苯或甲苯的回收又比较难以操作之故。

    工艺操作过程:

   (1)胶浆制备——分两步操作:

    ①橡胶塑炼、混炼和打片。

   ②化胶打浆。塑炼、混炼和打片操作——橡胶塑炼在前面“橡胶塑炼”章节中已有介绍。将生胶块称量后投入开放式炼胶机。辊筒上档板间距300--400毫米,进行几次薄通后,将档板距离加宽,将辊间距调至2-3毫米,辊炼2-3遍后,加入橡胶配合剂进行混炼。         

    胶料混炼均匀后,调正辊距至0.5-1.0毫米,准备下料。用辊筒上的割刀将辊筒上的薄胶片割下来,并可时撒些滑石粉、重钙等隔离剂,防止胶片粘连一起,此辊炼薄胶片通过压辊进入打片机,将其切割成20-30毫米见方的小胶片,准备进行化胶

    胶浆法工艺中的塑炼和混炼操作,要注意的是:①由于打好的胶片,下一步要进入化胶打浆工序,故塑胶的可塑性可小一些。且混炼时仅加入基本配合剂,(硫化剂、促进剂、防老剂)即可,不必加入其它配合剂。加入填料,可以适当缩短炼胶的时间。 ②辊温始终控制在40-60℃。③基本配合剂的加入可有两种方法:第一种方法是按先后顺序加入促进剂 、防老剂、助促进剂、硫化剂;第二种方法是只加入硫化剂,其它基本配合剂可在化胶打浆时加入。④根椐生产经验,建议不必加入硫化促进作用特别大的超促进剂 TMTD,只加用促进剂M,即可达到效果。在夏季高温季节,可使用促进效果更温和的的促进剂DM,更易掌握操作,避免早期硫化。⑤出片时要往薄胶片上撒滑石粉或重钙,但要分布均匀,保证切片机切出来的小胶片不会粘在一起,否则会因粘连在一起的胶片厚度较大,溶剂不易渗入胶片内会影响化胶打浆效果。

    化胶打浆操作

    在橡胶生产加工中,生胶或胶料溶解在有机溶剂中,形成高粘度的溶液,称为胶浆。制备胶浆的工艺过程称作化胶(打浆)。

    根椐生产需要,胶浆的浓度可分为“浓胶”和“稀胶”两种:浓胶浆用于搅拌混料工艺,稀胶浆用于浸渍工艺。

    生产中对胶浆的要求是:

    ①质量均匀,不得含有未被溶解开的小胶块或胶团,致使最终的摩擦材料制品中会因有胶块而变成次、废品。

    ②粘度大小合适,对用于搅拌混料工艺的胶浆,必须是有较大的浓度和较高的粘度,若粘度太小,和液态树脂混合搅拌时有可能形成不均匀混合物,不能达到好的共混效果。而对于浸渍工艺的胶浆、粘度必须较稀,以利于浸渍胶液能渗透到石棉或非石棉线、或织物内部,过浓的胶浆或过大的粘度,会使这种浸渍渗透产生困难,达不到好的浸渍效果。

    橡胶料的溶解过程如下:未经塑炼的橡胶,其微观状态呈球形结构,当它在溶剂中溶解 时,需要很长时间。而经过塑炼和混炼的橡胶,其球形粒子已被破坏,在溶剂中溶解速度加快,胶料中的基本配合剂,也随之均匀分散到溶剂整体中,

    橡胶是具有高弹性的高分子物质。其溶解过程与低分子物质有所不同。低分子物质在可溶解它的溶剂中,其固体分子因溶解到溶剂中而逐渐离开固体表面,进入溶剂后扩散到整个溶剂的各个部份。而把橡胶放到其溶剂中时。橡胶 首先发生溶胀。即溶剂渗透到橡胶内部,使其膨胀,当橡胶达到了最大的限度膨胀后,再逐渐溶解在溶剂中。

    在化胶打浆的过程中,橡胶的溶解作用,同时进行着两种过程。一种是自动进行的溶胀和溶解过程,另一种是强制进行过程,即用机械搅拌的方法,使橡胶和溶剂不断的混合,加快其溶胀和溶解速度。

  

    该种化胶机,由园桶、立轴式搅拌器和传动装置构成。立轴式搅拌器为一根位于园桶中心的垂直立式旋转轴,轴上装有数根横钢棒,园桶的顶部盖板上装有传动装置和进料口,桶底部有出料口,桶壁上装有数根水平铁棒,它们与旋转轴上的水平钢棒,在垂直高度位置上相互交叉,旋转轴转速为40-60转/分。桶壁有夹套,可通入冷水以冷却桶体和桶内物料的温度。

    操作过程:首先从进料口注入溶剂(常用溶剂汽油),加入量为溶剂总量的1/3。开搅拌机,将切好的小胶片分散投入化胶机中,随着胶片在溶剂中逐渐溶胀,分两三次将其余汽油和配合剂加入。在搅拌过程中,溶解不断进行,最终胶片完全溶解在溶剂 中,转变为粘稠的均匀胶浆,或称橡胶溶液。化胶结束,将胶浆放出,贮存在料桶中备用,每批胶浆的操作时间不尽相同,受胶片的塑炼程度,厚薄大小、季节气温、搅拌情况等因素影响,溶解过程的快慢有区别。一般的搅拌时间约为2.5-3.5小时左右。

    操作中需注意掌握的事项:

    化胶制浆工序制得到的胶浆应达到均匀溶解、符合粘度要求的效果,因此应掌握以下要领:

    ①溶解均匀——溶剂的加入方式,宜先以部分溶剂加入,在搅拌过程中,使胶片逐步溶胀,形成有一定粘性的物料体系,然后再逐步分批加入其余溶剂,有利于溶解的正常进行和形成均匀的胶液。如果一开始就加入全部溶剂, 溶解效果不如前者方式好。有时会形成溶解不开的小胶团。

    ②胶片厚度:胶片越薄,溶剂易渗入胶片中,溶胀速度 快,有利于缩短化胶时间,提高生产效率,对于粘在一起的胶片,一定要将其撕开再放入化胶机中,以防止因溶解不开而生成胶团。

    ③橡胶 配合剂在化胶过程中应均匀分布于胶浆中,应观察胶料中有无未搅开有成团块的配合剂粒团。

    ④由于化胶时间较长,打浆阻力大,会使化胶机物料温度升高,当温度过高,搅拌时间过长时,有时会发生早期硫化现象,表现为胶料粘度过大,甚至转变成大胶块,造成整罐胶浆报废,因此化胶机应有夹套冷却装置,特别是高温季节采取通夹套冷水进行冷却降温,防止出现早期硫化质量事故。

    ⑤化胶工序所使用的橡胶溶剂汽油为极易燃品。并且汽油也极易挥发,汽油蒸汽在空气中造成环境污染,困此化胶打浆工序属于防火防爆车间,应采用防爆电器设备(开关、照明、电机与控制系统等)。车间中应严格禁止明火,采取通风设施,避免环境污染,保证操作人员安全。

    胶浆粘稠度的控制及其测定方法:

    在胶浆法工艺中,胶浆粘稠度的掌握是重要的一项,因为用于混料搅拌的胶浆,往往和液态树脂进行共混。而液态树脂有水乳液树脂和酒精溶液两种形式,生产经验表明,树脂粘度和胶浆粘稠度相匹配时,两者共混均匀,效果较好。若树脂粘度过小,橡胶粘度过大或过小,都有会造成两者不能混合均匀。而用于浸渍工艺时,胶浆的粘度要小些,胶浆应稀,才能充分浸渍线或布制品。通常混料搅拌用的胶浆中橡胶和汽油用量比为1:3.5-4,而用于浸渍工艺时,橡胶和汽油用量比为14-6

其原理是以一定重量的铅质小球在胶浆中下沉的速度来表示胶浆的粘度, 此粘度计由木架、重为13.9克的铅球及滑轮组成。量瓶容量为1000毫升,直径60毫米,高400毫米。

    测定粘度时,将胶浆加入到1000毫升容量瓶中,加到量瓶上口处,提起铅球放在量瓶口的园心上,让铅球徐徐下沉,此时和铅球同挂于线上但处于滑轮另一侧的线锤,将随之上升,待线锤下缘升到粘度计的上部标线时,立即停闭秒表,记录所用时间,对同一批胶浆样品测定三次,取三次时间的平均值,即为此胶浆粘度测定结果。

    这种胶浆粘度的测定结果,只是反映出其粘度的相对比较值,其测试方法与树脂液的粘度测试方法。例如“乌氏”毛细管流经时间测定法以及“恩氏”粘度杯小孔流出时间测定法不相同,因胶浆比树脂液的粘度要大,在毛细管中的流动或通过小孔相当困难,不易测定之故。

    ⑵胶浆和树脂的搅拌共混——

    使用胶浆和树脂进行混合搅拌的工艺中,树脂一般为液态,包括水乳液树脂(我国称为2124热固性酚醛树脂,又称K-6树脂)和热固性酚醛树脂的酒精溶液。此种混合工艺在摩擦材料中,属于湿法生产工艺,即液态树脂、橡胶、填料、纤维进行混合,制成湿态压塑料。具体实施如下:

    生产流程:称料-----混合搅拌-----辊压成片------烘干-----破碎----压型

    按配方要求,将各组份称量后,将水乳液酚醛树脂,投入Z”型双桨捏合机

    

    加入适量的酒精,开机搅拌,水乳液树脂和酒精在搅拌作用下,逐步形成树脂的酒精溶液。投入橡胶浆,继续搅拌,根椐树脂和橡胶的混合情况可加入少量汽油,使两者形成均匀混合物。再加入填料,搅拌数分钟,加入纤维等组份并不断搅拌,在整个搅拌过程中,每2-4分钟要开反车一次,这样反复进行的通过反正转的搅拌方法,来使物料混合的更均匀。一般混料时间为15-30分左右。当物料混合均匀后,可结束搅拌,开动捏合机传动系统,将物料从捏合机中放出到料葙中待用。

    此种混合料呈大球块状,通常在炼胶机中再辊压成3-5毫米厚的片状料,经加热干燥后粉碎成20-30毫米厚见方的小料块,即成为可进行压型的压塑料。

    胶浆---树脂搅拌共混工艺操作中影响质量的几个因素:

    ①液态树脂和胶浆的粘度匹配性会影响其共混均匀性,两者粘度相匹配时,混合均匀性好,两者不相匹配时,即树脂粘度过大,胶浆粘度小或反之,两者在捏合机搅拌时均匀性就差,甚至分层。通常根据操作经验,在搅拌过程中适当填加酒精或汽油来调节树脂与胶浆的粘度,以得到良好的均匀的混合。

    ②搅拌时间对压制成品的抗冲击强度会产生影响。物料在“Z”型双桨捏合机中搅拌时,不断受到桨叶转动对物料产生的挤压和撕裂作用,物料不断形成团块而后又被撕碎,使物料中的纤维组份变短,造成制品冲击强度下降。因此,在满足物料混合均匀的前提下,应缩短搅拌时间,通常控制搅拌时间为10-20分钟。混料搅拌时间长短对石棉刹车片的抗冲击强度影响很大,见表3-51

                 表3-51   湿法工艺搅拌时间对制品冲击强度的影响

           

混料时间(分)

10

20

30

40

60

抗冲击强度dj/cm2

4.3

4.0

3.5

3.2

3.0

 

     ③“Z”型双桨捏合机,混合好的物料为大块混合料,挥发份含量约为6-10%,必须经辊压成片,加热干燥,挥发份含量减少到工艺指标要求后才能进入热压工序,为此需掌握下面几点:

    a,经加热干燥后,能符合热压要求的压塑料的合适挥发份含量约为3-4.5%范围,含挥发份量超过5%的压塑料,在热压成型过程中,很容易产生压制品起泡或裂缝现象,造成次、废品;含挥发份量低于3%时,压塑料流动性变差,压制品表面会产生砂眼(又称孔眼、麻眼)、缺边、缺角等缺陷,同样造成次、废品。

     b,加热干燥的温度条件,以70-80℃为宜,干燥时间视物料水份含量和辊压片料的厚度不同而不同,一般约为2-4小时,若温度超过90℃时,物料干燥时间超过1小时后,流动性会变差,甚至造成老化,失去热压成型所需的流动性而变成废品;若温度低于65℃时,干燥 所需时间太长,生产效率下降。

    c,辊压胶片的厚度以1.5-2.5毫米为宜,料片过厚,内部水份不易挥发出来,干燥的时间就会过长;有时还造成料片内部干湿度差别较大,当内部干湿程度较好时,而表面已经比较干了,流动性不好,造成压制成型困难。片料过薄时,固然易于干燥,但辊压机上用割刀下料时,会存在一些困难,并且料片占地面积过大。

    d,辊压片料为一米多宽的连续片料,需经干燥后粉碎成小块料,才能供热压成型使用,破碎后的小片料的长宽尺寸20-30毫米为宜。块料颗粒直径过大时,往模腔中加料会产生困难,并影响压塑料流动,而影响压制品的表面会产生缺陷。

    e,搅拌共混工艺中,胶浆中含有溶剂汽油,液态树脂有时需加用酒精,这些溶剂均为易挥发和易燃、易爆物质,在捏合搅拌和辊压成片操作时,应注意通风排气,并要注意减少污染。在烘干室中加热时,必须采用间接的蒸汽加热,或采用鼓风式干燥及时将水份和汽油、酒精蒸汽排空,严禁一切明火,保证生产安全。

    ⑶挤出法工艺胶浆和树脂搅拌共混的另一种工艺

    挤出法工艺和上述胶浆共混工艺其组份上的区别,在于所用的酚醛树脂为热塑性粉状树脂,工艺过程为:

  ①将经塑炼、混炼操作后的橡胶,在打片机中打成小薄片,再投入化胶机中化胶打浆,制成胶浆,具体工艺操作条件在前面已有叙述。

    ②将胶浆、热塑酚醛树脂粉、填料和纤维加入“Z”捏合机中进行搅拌,使物料混合均匀。

    ③将混合料投入挤出机。通过挤出机与可调规格尺寸的挤出机出料口的模腔,就可连续不断的挤出成条状物,再按压制片的长度要求切割成供热压使用的压塑料坯块。

    ④毛坯中含有橡胶溶剂,需经加热或自然干燥,以除去溶剂与挥发份,使之达到符合热压工序要求。

    ⑤将毛坯放入液压机中的压模中,在加热加压条件下压制成型。

    挤出法的特点是,配料组份中的橡胶成份的用量比例应不低于摩擦片总组份的18%(干料挤出)。而且,橡胶浆中溶剂与橡胶的比例子不能太低,这样才能使混合物具有一定的柔软性和流动性,从而在挤出机中顺利挤出毛坯。因此挤出工艺制成的摩擦制品一般为软质摩擦材料或半软质摩擦材料。而以树脂为主要粘结剂组份,仅少量配用橡胶粘结剂的硬质摩擦材料,由于挤出相当困难的原因,就不适宜采用挤出工艺法进行生产。

    挤出法工艺一般用来制造较薄的轻、微型刹车片。

    (六)胶乳法工艺

    胶乳法工艺在我国曾于火车合成闸瓦生产中所采用。所用的胶乳为丁苯胶乳,它和树脂的共混采用直接混合法。在Z”型双桨捏合机或三轴搅拌机中,将树脂和填料、纤维等材料先行混合,待基本混合均匀后将含量为40-50%的丁苯胶乳液喷洒到混合料中,继续混合直到物料完全混合均匀。

    若所用的树脂为液体酚醛树脂,所得的混合料为块状物料,若所用的树脂为粉状的固体树脂,搅拌所得的混合物料是颗粒状的料。可通过加热干燥 除去胶乳与树脂带到物料中的水份和挥发物,再进行碎化处理制成小颗粒压塑料进行热压成型做成产品。

    在树脂、填料和纤维的混合料中加用胶乳的目的,在于降低制品的弹性模量。胶乳加入量通常为组份总量的2-5%,火车合成闸瓦若单纯用酚醛树脂作粘结剂 ,则制品压缩弹性模量可高达105左右,由于质地过硬,闸瓦工作时与车轮踏面贴合性差,造成局部接触点温度过高,会造成成车轮踏面出现“刻度裂纹”(热裂纹),闸瓦表面产生热龟裂。在组份中加入丁苯胶乳后,降低了制品硬度、压缩弹性模量,改善了闸瓦的贴合性,克服了轮踏面的损伤及闸瓦表面出现的热龟裂等问题。

    自上世纪九十年代以后,我国丁腈橡胶粉实现了工业化生产和应用,在混料机中,将树脂料和橡胶法直接混合显然比树脂料和胶乳直接混合操作要方便简单,不必再经过加热干燥、破碎等步骤,而且高细度的粉状树脂与橡胶共混改性效果更好。因此人们对丁腈橡胶粉的使用越来越广泛,而使用胶乳的直接混合工艺逐渐少为人们采用。

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