換能器硫化時(shí)產(chǎn)生氣泡問題的案例分析與解決方法

歐陽(yáng)荀+苗士超+孫逸來(lái)+于祥龍

摘 要 如今，在海洋資源開發(fā)越來(lái)越快、水聲設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)的大環(huán)境下，聲吶作為水下探測(cè)器的一種已經(jīng)得到廣泛使用。聲吶的主要傳感器為水聲換能器，由于在水聲換能器需要在水中進(jìn)行工作，所以在換能器外部以及相關(guān)電纜外通暢會(huì)包覆一層透聲橡膠用以透聲防水。但是水聲換能器用橡膠的硫化卻有別于其他橡膠制品，成為一大難題，硫化過(guò)程中氣泡的產(chǎn)生也比較常見?；诖?，本文將針對(duì)這一問題詳細(xì)分析橡膠硫化時(shí)氣泡產(chǎn)生的原因，其次通過(guò)實(shí)際案例進(jìn)行分析，最后根據(jù)分析提出可參考的解決方法。

關(guān)鍵詞 換能器；氣泡；原因；對(duì)策

中圖分類號(hào) P7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）172-0261-02

聲吶是海洋活動(dòng)中最為常見的一種水聲設(shè)備，其主要的作用是用于探測(cè)水下物體間的距離。而聲吶最主要的核心部件即為水聲換能器，由于換能器需要在水下工作。所以通常情況下，換能器由一層水聲橡膠所包裹。與普通橡膠不同，水聲橡膠需要具有一定水密性和透聲性。由于需要嚴(yán)絲合縫地包裹換能器以及電纜，所以在橡膠硫化時(shí)需要與換能器同時(shí)進(jìn)行，所以對(duì)于橡膠的選材、填料配料的選擇、硫化工藝的使用都比較苛刻。在這樣的工藝下，較為容易產(chǎn)生氣泡，這些氣泡不僅會(huì)降低水密性能，更會(huì)吸收大量的聲波能量，使得透聲性能大幅降低。

1 氣泡產(chǎn)生的原因

簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，硫化橡膠中的氣泡形成是由于易揮發(fā)物的含量過(guò)飽和引發(fā)的。在換能器硫化時(shí)，由于橡膠分子結(jié)構(gòu)的變化以及周圍溫度、壓力的變化，使得橡膠中易揮發(fā)物的飽和能力也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致易揮發(fā)物過(guò)飽和而在透聲橡膠硫化過(guò)程中，橡膠內(nèi)部產(chǎn)生氣泡核并生長(zhǎng)成為氣泡。所以想要充分了解氣泡產(chǎn)生的原因，必須要搞清楚，易揮發(fā)物的成分有哪些，從而可以在源頭上，最大程度的避免氣泡的產(chǎn)生。

1）橡膠中揮發(fā)物的來(lái)源并不是單一的，但是最大的部分應(yīng)該是水蒸氣。而水蒸氣主要來(lái)源于生產(chǎn)環(huán)境的濕氣。根據(jù)研究表明，在橡膠生產(chǎn)加工過(guò)程中，填料的吸水性能是相對(duì)最強(qiáng)的。炭黑是橡膠加工過(guò)程中最常用的填料之一，而其水分含量最高可達(dá)4%。除了炭黑，白炭黑、纖維素、尼龍纖維、陶土等都具有比炭黑更高的吸水能力。除了填料，橡膠本身也會(huì)從周遭的空氣中吸收水分。硫化過(guò)程中，由于高溫的影響，水分蒸發(fā)成了水蒸氣并在橡膠本體中留下氣泡。

2）空氣在氣泡形成的過(guò)程中同樣功不可沒。在橡膠制備過(guò)程中，微量的空氣會(huì)被混入到膠料中。同樣地，填料中也會(huì)參入些許空氣，雖然空氣的含量并不高，但是在硫化過(guò)程中，溫度將會(huì)升高，空氣的體積將會(huì)被膨脹數(shù)倍。這樣的情況下，微量的空氣也會(huì)造成數(shù)個(gè)微小的氣泡。

3）除了以上兩種主要的氣泡來(lái)源，增塑劑、配合劑等也是氣泡產(chǎn)生的原因之一。增塑劑由于沸點(diǎn)較低所以比較容易氣化，產(chǎn)生氣泡核，并通過(guò)水蒸氣使氣泡核成長(zhǎng)為氣泡。而配合劑與增塑劑不同，配合劑不容易氣化，但是在橡膠流過(guò)過(guò)程中，配合劑會(huì)分解為容易揮發(fā)的化學(xué)產(chǎn)物，比如說(shuō)酮類和醇類。

2 硫化工藝實(shí)例分析

目前，透聲橡膠的選料已經(jīng)有了很多的選擇，根據(jù)各膠料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理特性，天然橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠、聚氨酯橡膠等等都可以通過(guò)不同的加工工藝，使其成為可以在換能器上使用的透聲隔水橡膠。

聚氨酯橡膠具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和化學(xué)分子結(jié)構(gòu)，具有耐磨性、耐油性、緩沖性、絕緣性、生物相容性等等，所以被眾多領(lǐng)域廣泛使用。當(dāng)然，最重要的，在水聲換能器中，這種膠料可以作為包覆材料所使用，具有較高水密性和透聲性的綜合水平。在使用混煉型工藝后，樣品分析如下：

1）室溫下過(guò)輥塑煉四至五次。

2）加入活性劑、炭黑等填料混煉，混煉時(shí)采用割八字刀的方法。

3）加入促進(jìn)劑、硫磺等混煉，此階段的混煉采用薄通、打三角包等割刀混煉法。

4）常溫放置15個(gè)小時(shí)以上。

5）硫化機(jī)進(jìn)行硫化，硫化壓力為15MPa，硫化溫度為130℃。

在所得樣品的測(cè)試中，透聲系數(shù)為0.75左右而水密性能在43.80g/m2×24h。在掃描電子顯微鏡（SEM）分析后，樣品中存在氣泡較多且較為明顯。使得水密性和透聲性都有了一定的下降。

3 產(chǎn)生氣泡的解決方法

在基于上述實(shí)例的研究中，本文將通過(guò)如下幾個(gè)方面論述解決氣泡產(chǎn)生的方法。

1）濕氣排除。在混煉型聚氨酯橡膠生產(chǎn)工藝中，需要加入炭黑等填料。前文已經(jīng)論述，炭黑具有很強(qiáng)的吸水能力。所以為了確保在加入填料前填料的含水量降到最低，首先在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，填料的存放運(yùn)輸環(huán)境必須盡量避免潮濕；其次，填料必須進(jìn)行烘箱烘干處理，這樣不僅可以蒸發(fā)掉所有材料中所含的水分，而且還能夠使增塑劑等低沸點(diǎn)的材料揮發(fā)殆盡。在裝模硫化時(shí)，也必須對(duì)膠料、骨架進(jìn)行烘干程序。

2）泄壓排氣。在橡膠硫化前，需要進(jìn)行泄壓排氣，以排出一些膠料中參入的空氣。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，泄壓排氣可以進(jìn)行3次左右，排氣的效果以及效率最高。此外，還有其他的一些因素會(huì)影響排氣效果，如排氣時(shí)間、排氣設(shè)備等。在做泄壓排氣前，必須做好所有的排氣準(zhǔn)備，制定詳細(xì)的泄壓排氣計(jì)劃。

3）膠料配合。在上述混煉型聚氨酯橡膠加工過(guò)程中，會(huì)加入一些增塑劑和操作油。揮發(fā)也會(huì)造成氣泡。除此以外，膠料搭配的組成含量比例也會(huì)加劇氣泡的產(chǎn)生。首先要避免使用低粘度的膠料，因?yàn)檎扯鹊偷哪z料容易混入空氣。其次硫化時(shí)間不得過(guò)短，否則不利于氣體排出。所以在配方設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意將配料和膠料中的揮發(fā)成分濃度降到最低，而且膠料黏度要高，硫化時(shí)間需要控制得當(dāng)。此外，在混煉工藝的實(shí)施中，膠料必須調(diào)至均勻。而硫化體系的搭配也需要考慮到硫化反應(yīng)所造成氣泡產(chǎn)生的因素。

4）整體硫化。由于換能器硫化過(guò)程中大多需要整體硫化，所以硫化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也非常的重要。在整體硫化模具的設(shè)計(jì)中，需要注意如下幾點(diǎn)：首先，模具的分型面設(shè)置必須要合理，錯(cuò)誤的分型面設(shè)置會(huì)導(dǎo)致氣體無(wú)法順利排出，從而導(dǎo)致大量氣泡產(chǎn)生。其次，模具的排氣孔必須設(shè)計(jì)合理。最后，模具的輔助裝置配置也是需要重點(diǎn)考量的因素之一。

4 結(jié)論

總之，換能器在硫化過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡問題關(guān)系著整個(gè)換能器系統(tǒng)能否正常工作的問題。在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，一定要明確氣泡之所以會(huì)產(chǎn)生的原因，并針對(duì)具體原因制定出有針對(duì)性的策略。在本文所分析聚氨酯橡膠硫化過(guò)程中，氣泡之所以會(huì)產(chǎn)生的原因就在于填料、配料以及生產(chǎn)過(guò)程中排氣的缺失等。在詳細(xì)了解了氣泡生成的原因之后，再根據(jù)工藝缺陷進(jìn)行完善，以保證換能器在硫化后，最大程度的減少氣泡的產(chǎn)生，使換能器工作在一個(gè)較高的水平，為水下活動(dòng)的順利進(jìn)行提供可靠的安全保障。

參考文獻(xiàn)

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