陶瓷化耐火硅橡膠加工工藝探討

董振園, 申 碩, 廉 果, 王雪飛, 曹 強(qiáng)

（1.江蘇亨通電力電纜有限公司, 江蘇 蘇州 215234；2.鄭州一方電氣有限公司, 河南 鄭州 100088）

陶瓷化耐火硅橡膠加工工藝探討

董振園1, 申 碩2, 廉 果1, 王雪飛1, 曹 強(qiáng)1

（1.江蘇亨通電力電纜有限公司, 江蘇 蘇州 215234；2.鄭州一方電氣有限公司, 河南 鄭州 100088）

討論了陶瓷化耐火硅橡膠的加工工藝；采用可以提高生產(chǎn)效率的懸鏈?zhǔn)缴a(chǎn)線，通過合理的模具設(shè)計(jì)、牽引力矩計(jì)算，保證了擠出制品的表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸;正確的擠出溫度及硫化工藝保證了產(chǎn)品的性能。

陶瓷化耐火硅橡膠；材料；工藝

0 前 言

近些年來，特別是美國(guó)9.11事件，以及國(guó)內(nèi)幾家大型公共娛樂場(chǎng)所、化工、煤礦、商廈火災(zāi)造成的慘重的人民生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失，人們對(duì)消防、防火安全有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。如何在火災(zāi)的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)保障電力和通訊的暢通，最大限度地贏得寶貴的時(shí)間，減少人員傷亡和生命財(cái)產(chǎn)損失，是人們一直在不斷探索的課題。

在新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)的今天，一種新型的陶瓷化高分子復(fù)合耐火硅橡膠的出現(xiàn)，在解決電纜在火災(zāi)中短路而無法使用問題方面發(fā)揮了極其重要的作用。陶瓷化耐火硅橡膠不同于普通的橡膠，在常溫下其具備了普通硅橡膠的性能，而在被高溫火焰燒蝕的情況下，有機(jī)成分會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)被燒蝕后迅速加入陶瓷化的反應(yīng)過程中，轉(zhuǎn)化成堅(jiān)硬的陶瓷狀物質(zhì)，形成一層良好的隔絕層，阻擋火焰的繼續(xù)燃燒，起到很好的防火效果。用陶瓷化耐火硅橡膠做成的電線電纜，被燒蝕后形成的堅(jiān)硬殼體保護(hù)著電線電纜，從而保證了電力、通訊的暢通，為火災(zāi)情況下的人員疏散和搶救贏得了寶貴的時(shí)間[1]。

本文主要討論陶瓷化硅橡膠擠出電線電纜制品的加工工藝。

1 陶瓷化耐火硅橡膠的加硫工藝

加硫工藝是將硫化劑借助煉膠機(jī)機(jī)械力的作用均勻分散于橡膠中的工藝過程。陶瓷化耐火硅橡膠硫化劑為雙-2,4，并且硫化劑的含量對(duì)膠料物理性能影響極大。為了找到最佳的硫化劑配比，我們做了以下實(shí)驗(yàn)：

表1固定試驗(yàn)條件為陶瓷化耐火硅橡膠壓片溫度165 ℃，壓片厚度2.0 mm，壓片時(shí)間5 min，w（硫化劑含量）0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，通過改變硫化劑含量來觀察膠料物理性能和硫化劑含量的關(guān)系。

由表1可以看出，隨著硫化劑含量的增加，抗拉強(qiáng)度上升趨勢(shì)明顯，拉斷伸長(zhǎng)率下降明顯，主要是硫化劑含量增加，提高了膠料的交聯(lián)度。

表1 硫化劑含量對(duì)膠料物理性能的影響

考慮技術(shù)指標(biāo)，抗拉強(qiáng)度不小于6.0 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率不小于150%，硫化劑含量添加在0.8%～1.2%，膠料物理性能最優(yōu)異。而且在加硫過程中，硫化劑必須分散均勻，使硫化劑達(dá)到最好的分散度，以保證膠料性能的一致性。

圖1 懸鏈生產(chǎn)線示意圖

2 生產(chǎn)設(shè)備

目前行業(yè)內(nèi)大部分采用電加熱烘道式硅橡膠擠出設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)備水平敷設(shè)，但對(duì)于大截面、大外徑，擠出陶瓷化耐火硅橡膠厚度后的電纜而言，極其容易造成電纜在烘道內(nèi)擦管、壓扁，并且生產(chǎn)效率不高。我公司對(duì)電加熱烘道式擠出設(shè)備進(jìn)行改造，由傳統(tǒng)的水平形式改造為懸鏈形式（見圖1）。懸鏈形式既經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)效率又高，并且解決了壓扁擦管問題。電纜在懸鏈管（硫化箱）內(nèi)運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)整牽引力矩達(dá)到控制電纜的懸垂度，防止電纜與管壁接觸。

3 擠出模具

陶瓷化耐火硅橡膠拉伸比極小，甚至沒有，只能采用擠壓方式生產(chǎn)。我司在擠出陶瓷化耐火硅橡膠的時(shí)候，經(jīng)常出現(xiàn)卡模、外徑不穩(wěn)，表面毛糙等現(xiàn)象，為此我司對(duì)擠出模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)模具規(guī)格的選擇進(jìn)行了規(guī)定。圖2為硅橡膠擠出模具圖。

3.1 模具設(shè)計(jì)

為了保證擠出制品的致密性及表面光潔性，建議模芯角度α為45°～55°，模套角度β為75°～85°，角度差25°～35°，模套的承線長(zhǎng)度L為2～5 mm，這樣既能保證擠出制品的致密性，又能使擠出壓力不至太大，出現(xiàn)卡模、外徑波動(dòng)等現(xiàn)象。

3.2 模具規(guī)格的選擇

模具規(guī)格的正確選擇是影響擠出質(zhì)量的一個(gè)重要因素，下面針對(duì)陶瓷化耐火硅橡膠擠出模具，論述模具規(guī)格的選取。

圖2 擠出模具圖

（1）模芯的選擇。模芯1通常按式（1）選擇：

式中：d為模芯內(nèi)徑/mm；dc為擠出前導(dǎo)體直徑/ mm；e1為放大值，通常取0.4 mm。

模芯的內(nèi)徑越接近導(dǎo)體直徑，擠出質(zhì)量越好，如果模芯內(nèi)徑過大，這會(huì)導(dǎo)致擠出外徑不均勻或偏心度超標(biāo)。所以選擇模芯的規(guī)格不能僅僅按照上述的公式（1）套用，應(yīng)根據(jù)具體的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。通常模芯的內(nèi)徑為擠出前導(dǎo)體實(shí)際直徑加上0.3～0.8 mm較為合適。

（2）模套的選擇。模套內(nèi)徑的計(jì)算應(yīng)遵循以下公式：

式中：D為模套內(nèi)徑/mm；dc為擠出前導(dǎo)體直徑/mm；t為陶瓷化耐火硅橡膠厚度/mm；k為減小值，其值一般取0.2 mm，這樣能保證擠出制品表面光滑，并且擠出外徑穩(wěn)定一致。

4 擠出工藝

4.1 擠出溫度控制

陶瓷化耐火硅橡膠擠出溫度不能超過40 ℃，由于硫化劑為雙-2,4，分解溫度僅為60 ℃，并且分解速度很快，在機(jī)身內(nèi)部極其容易出現(xiàn)焦燒。我司采用冷擠出形式，冷卻介質(zhì)為冰水，這可保證擠出機(jī)的螺桿、機(jī)頭、機(jī)身的擠出溫度均在30 ℃以下，解決了機(jī)身內(nèi)部焦燒問題。

4.2 硫化工藝

橡膠的硫化是指線型高分子通過交聯(lián)作用而形成的網(wǎng)狀高分子的工藝過程。陶瓷化耐火硅橡膠經(jīng)過硫化，由線型結(jié)構(gòu)交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣才使得它具有更好的物理化學(xué)性能，更加實(shí)用。陶瓷化耐火硅橡膠的硫化為熱空氣硫化，硫化工藝包含硫化溫度及硫化時(shí)間（以線速度調(diào)節(jié)）。以Φ115硅橡膠熱空氣硫化生產(chǎn)線為例（見圖3），Φ115硅橡膠熱空氣硫化生產(chǎn)線，硫化箱有8個(gè)，每個(gè)硫化箱長(zhǎng)度為4 m。

硫化工藝與制品的厚度有很大關(guān)系，表2為我公司部分硫化工藝參數(shù)。

表2 硫化工藝參數(shù)

4.3 牽引力矩

圖3 硅橡膠熱空氣硫化生產(chǎn)線示例

由于生產(chǎn)線為懸鏈形式，電纜在懸鏈管內(nèi)運(yùn)行，須通過調(diào)整牽引的力矩來控制電纜的懸垂度，防止電纜擦管及壓扁。精確計(jì)算牽引力矩便顯得至關(guān)重要。以Φ115硅橡膠熱空氣硫化生產(chǎn)線為例，硫化管懸鏈常數(shù)a為160，下牽引最大力矩為47.7 Nm（如圖4），硫化管АB段為懸鏈段，BC段為水平段。

（1）電纜B點(diǎn)水平張力/N

式中：a-懸鏈常數(shù)/m；G-電纜單位長(zhǎng)度質(zhì)量/ （kg·m-1）。

（2）下牽引力矩/Nm

由公式（3）和（4）得

圖4 Φ115硅橡膠熱空氣硫化生產(chǎn)線簡(jiǎn)易圖

式中：F—電纜水平張力/N；R—牽引機(jī)轉(zhuǎn)輪半徑，取0.2 m；i—傳動(dòng)比，我公司牽引傳動(dòng)比為50∶1；η—效率，取0.92。

表3為我公司部分實(shí)際開機(jī)力矩與理論計(jì)算力矩關(guān)系，理論力矩百分比均在實(shí)際力矩百分比范圍內(nèi)。

表3 實(shí)際開機(jī)力矩與理論計(jì)算力矩關(guān)系

5 擠制產(chǎn)品結(jié)果

以185 mm2絕緣線芯為例，對(duì)陶瓷化耐火硅橡膠絕緣層的結(jié)構(gòu)尺寸及物理性能進(jìn)行測(cè)試，性能均符合預(yù)定要求（見表4）。

6 結(jié) 語

表4 185 mm?絕緣線芯檢測(cè)結(jié)果

加工工藝是決定陶瓷化耐火硅橡膠制品性能的重要環(huán)節(jié)。懸鏈?zhǔn)缴a(chǎn)設(shè)備極大地提高了陶瓷化耐火硅橡膠制品的生產(chǎn)速度，合理的擠出模具設(shè)計(jì)及選用、牽引力矩的精確計(jì)算保證了制品的表面質(zhì)量及結(jié)構(gòu)尺寸，而正確的擠出溫度及硫化工藝（硫化溫度、線速度）則保證了產(chǎn)品的性能。

[1] 趙源, 彭小弟, 梁?jiǎn)? 新型陶瓷化耐火硅橡膠的探索研究[J].世界橡膠工業(yè), 2008(1)：19-21.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Study on Processing Technology of Fire-Resistance Ceramic Silicone Rubber

Dong Zhenyuan, Shen Shuo, Lian Guo, Wang Xuefei, Cao Qiang
(1.Jiangsu Hengtong Power Co., Ltd., Suzhou 215234, China; 2.ZhengZhou Yifang Electric Co., Ltd., ZhengZhou 100088, China)

The processing technology of fire-resisting ceramic silicone rubber was discussed. The production efficiency was improved by the catenary production line.Through the reasonable die design, calculation of driving torque, surface quality and structure size of the extrusion product were guaranteed. Product performance was ensured through the correct extrusion temperature and vulcanization process.

Fire-Resisting Ceramic Silicone Rubber; Material; Processing Technology

TQ333.93

B

1671-8232(2014)08-0044-04

2014-02-27

董振園（1988—），男，助理工程師。