動(dòng)態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)智能整芯阻燃帶的研究

孔德松，吳紅洲，楊剛，黃麗娜

(山東億和橡膠輸送帶有限公司，山東 棗莊 277000)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，智能材料在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中阻燃材料作為一類(lèi)重要的功能性材料，對(duì)保障人身和財(cái)產(chǎn)的安全至關(guān)重要[1]。在建筑、交通運(yùn)輸、電子電氣設(shè)備等眾多領(lǐng)域，阻燃材料被廣泛用于提高產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性[2]。在以往動(dòng)態(tài)擠出硫化法的研究中，硫化劑的選擇、擠出工藝參數(shù)的優(yōu)化以及阻燃帶的性能評(píng)估都是關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容。本文以動(dòng)態(tài)擠出硫化法為基礎(chǔ)，結(jié)合溫度傳感器，研究一種智能整芯阻燃帶的生產(chǎn)方法，介紹基于該方法生產(chǎn)智能整芯阻燃帶所需要的材料、設(shè)備以及配方工藝，最終對(duì)其阻燃性與智能性等方面進(jìn)行全面評(píng)估。結(jié)果表明，本研究將為智能整芯阻燃帶的推廣和應(yīng)用提供有力支撐，有望推動(dòng)各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)在防火安全方面的新突破。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料

硫化橡膠，型號(hào)NBR-70，耐熱溫度范圍-30～100 ℃，硬度70 Shore A，麥格納國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司；阻燃劑：納米氫氧化鋁，平均粒徑50 nm，寧波江東中化榮盛化工有限公司；增強(qiáng)劑：碳纖維，直徑7 μm，長(zhǎng)度1～5 mm，青島中化橡膠助劑有限公司；填充劑：二氧化硅，平均粒徑10 μm，江蘇華磊新材料科技股份有限公司；智能感知元件：溫度傳感器，型號(hào)TS-501，測(cè)量范圍-40～150 ℃，精度±0.5 ℃，上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

開(kāi)放式混煉機(jī)，廈門(mén)華澤工程橡膠機(jī)械有限公司；擠出機(jī)，型號(hào)E-2000，擠出量2000 g/h，擠出壓力20 MPa，寧波普鑫擠出機(jī)械有限公司；硫化加熱裝置，溫度控制范圍20～200 ℃，加熱功率5 kW，天津川崎重工機(jī)械設(shè)備有限公司；冷卻方式：水冷卻，冷卻水溫度5～25 ℃；酒精噴燈；耐火性測(cè)試儀，型號(hào)FRT-500，測(cè)試溫度范圍為室溫至1200 ℃，測(cè)試時(shí)間0～120 min，北京華能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；拉伸試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)TensilePro，最大試驗(yàn)力100 kN，測(cè)量范圍0～500 mm/min，東莞市華理精密機(jī)械設(shè)備有限公司；硬度計(jì)，型號(hào)HD-100，測(cè)量范圍0～100 Shore A，北京博林森光學(xué)技術(shù)有限公司。

1.3 覆蓋層膠料制備

選擇型號(hào)為NBR-70的硫化橡膠，按照總比例取80%，準(zhǔn)確稱(chēng)取所需數(shù)量，并放入橡膠混煉機(jī)中進(jìn)行混煉，以獲得均勻的硫化橡膠料，之后將納米氫氧化鋁按照總比例10%加入橡膠混煉機(jī)中，與硫化橡膠料一起進(jìn)行充分混合，利用橡膠混煉機(jī)進(jìn)行攪拌和熱處理，確保阻燃劑均勻分散在硫化橡膠中，以提高整芯阻燃帶的耐火性能。隨之將碳纖維按照比例5%加入到混煉機(jī)中，與硫化橡膠和阻燃劑進(jìn)行混合，通過(guò)加入碳纖維增強(qiáng)整芯阻燃帶的機(jī)械強(qiáng)度，使其具有更好的抗拉強(qiáng)度和耐磨性。最后按照配方比例5%加入二氧化硅，與硫化橡膠、阻燃劑和碳纖維一起進(jìn)行充分混合，通過(guò)加入填充劑改善整芯阻燃帶的加工性能，使其更易于擠出和成型，同時(shí)降低成本。全程將混煉機(jī)的混煉速度控制為250 r/min，在混煉溫度上升至75 ℃時(shí)開(kāi)始記錄時(shí)間，混煉30 min后停止混煉，獲得覆蓋層膠料。

1.4 阻燃帶成型

打開(kāi)型號(hào)為E-2000的擠出機(jī)并調(diào)整2000 g/h擠出量和20 MPa擠出壓力，確保擠出機(jī)內(nèi)的覆蓋層膠料處于所需溫度狀態(tài)，預(yù)熱擠出機(jī)至設(shè)定溫度范圍。將預(yù)先準(zhǔn)備好的覆蓋層膠料送入擠出機(jī)的進(jìn)料口，同時(shí)確保覆蓋層橡膠料處于連續(xù)供給狀態(tài)，目的是確保擠出帶狀物具有良好的均勻性。在擠出過(guò)程中控制擠出速度和溫度，以確保膠料在動(dòng)態(tài)擠出過(guò)程中完成硫化反應(yīng)。可根據(jù)不同情景需要，調(diào)整擠出機(jī)的參數(shù)，如擠出量和擠出壓力，以獲得所需的帶狀物尺寸和硫化程度，由此初步得到硫化橡膠帶。繼而，使用型號(hào)為FRT-500的硫化加熱裝置將動(dòng)態(tài)擠出的硫化橡膠帶進(jìn)行加熱處理，將溫度范圍設(shè)定為20～200 ℃，確保硫化反應(yīng)能夠充分進(jìn)行，最后將冷卻水溫度設(shè)定為5～25 ℃，利用冷卻裝置對(duì)加熱后的硫化整芯阻燃帶進(jìn)行冷卻固化，以穩(wěn)定其形態(tài)和性能。

1.5 溫度傳感器植入

TS-501溫度傳感器最高可監(jiān)測(cè)阻燃帶2.5 m的長(zhǎng)度范圍，需要將溫度傳感器嵌入該段阻燃帶中間位置。根據(jù)需要使用切割工具將阻燃帶切割成合適長(zhǎng)度，確保切割平整，避免損壞帶材。之后將傳感器的導(dǎo)線端去除絕緣層，并修剪導(dǎo)線長(zhǎng)度，使其適合嵌入阻燃帶。再次使用切割工具于阻燃帶底側(cè)，根據(jù)傳感器的大小切割出凹槽，凹槽的四周長(zhǎng)度略大于傳感器2 mm，確保傳感器能夠完全嵌入阻燃帶中，并且不與其他導(dǎo)線相短路。傳感器嵌入阻燃帶后，使用耐高溫膠水將傳感器牢固地固定在阻燃帶上，防止其在使用過(guò)程中松動(dòng)或脫落，將前期制備的覆蓋層膠料覆蓋在傳感器上，反復(fù)涂抹直至阻燃帶表面呈光滑狀態(tài)，以此將傳感器完全嵌入在阻燃帶內(nèi)且不留縫隙，完成溫度傳感器的植入。

1.6 阻燃帶智能設(shè)定

TS-501溫度傳感器自身帶有感應(yīng)傳輸模塊，可與市面上絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備匹配連接[3]。基于目前所普及的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感器與計(jì)算機(jī)以無(wú)線方式建立連接，計(jì)算機(jī)中采用AWS IoT Core作為感應(yīng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，AWS IoT Core是一個(gè)全托管的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可提供各種功能用于連接和管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。將溫度傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備注冊(cè)到AWS IoT Core中，并通過(guò)MQTT或HTTPS等協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)在AWS IoT Core上結(jié)合Firebase Realtime Database云端數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在控制臺(tái)中創(chuàng)建圖表和趨勢(shì)圖來(lái)呈現(xiàn)傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)輸送至其他移動(dòng)設(shè)備，達(dá)到更加方便對(duì)阻燃帶溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的，實(shí)現(xiàn)整芯阻燃帶智能監(jiān)測(cè)溫度的效果，至此完成智能整芯阻燃帶的制備。

2 結(jié)果與分析

2.1 性能測(cè)試結(jié)果

正常使用基于動(dòng)態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)的智能整芯阻燃帶時(shí)，需要確保其具有良好的阻燃性、機(jī)械性以及智能性?；诖四繕?biāo)，本文選取長(zhǎng)2 m、寬25 mm的智能整芯阻燃帶，分別針對(duì)阻燃性、機(jī)械性以及智能性三種性能進(jìn)行測(cè)試，將部分測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)MT/T 914—2008《煤礦用織物整芯阻燃輸送帶》中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，以作為通過(guò)動(dòng)態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)的智能整芯阻燃帶性能評(píng)測(cè)的依據(jù)。

2.1.1 阻燃性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的性能參數(shù)要求，整芯阻燃帶在進(jìn)行滾筒摩擦試驗(yàn)時(shí)，阻燃帶任何部位均不發(fā)生燃燒現(xiàn)象，試驗(yàn)使用FRT-500耐火性測(cè)試儀測(cè)量滾筒表面溫度，使用酒精噴燈對(duì)阻燃帶進(jìn)行有焰燃燒測(cè)試，并記錄燃燒時(shí)間，兩種試驗(yàn)分別進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 阻燃性測(cè)試結(jié)果

分析表1中阻燃性測(cè)試的結(jié)果可知，滾筒摩擦試驗(yàn)中，阻燃帶表面溫度最高271 ℃，最低252 ℃，3次測(cè)試的平均溫度為263.6 ℃；有焰燃燒試驗(yàn)中，燃燒的最高時(shí)間為2.64 s，最低為2.17 s，3次測(cè)試的平均時(shí)間為2.44 s。2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果均低于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)阻燃帶阻燃性能的要求。

2.1.2 機(jī)械性測(cè)試結(jié)果

整芯阻燃帶的機(jī)械性能主要包含阻燃帶拉伸強(qiáng)度(MPa)、阻燃帶拉斷伸長(zhǎng)率(%)以及磨耗量(mm3)，分別采用TensilePro拉伸試驗(yàn)機(jī)與HD-100硬度計(jì)對(duì)整芯阻燃帶的機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試，將阻燃帶兩端分別固定在拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾持器上，以100 mm/min±20 mm/min的恒速對(duì)阻燃帶連續(xù)拉伸，直至阻燃帶斷裂為止，其中拉伸強(qiáng)度α的計(jì)算公式為：

式中：F為阻燃帶被拉斷時(shí)的拉斷力(N)；B為阻燃帶的寬度(mm)。

拉斷伸長(zhǎng)率β的計(jì)算公式為：

式中：L1為阻燃帶初始長(zhǎng)度，也為拉伸機(jī)初始標(biāo)距(mm)；L0為阻燃帶拉斷時(shí)的標(biāo)距(mm)。

針對(duì)3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別進(jìn)行3次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)械性測(cè)試結(jié)果

分析表2中機(jī)械性能測(cè)試的結(jié)果可知，阻燃帶拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)中，阻燃帶拉伸強(qiáng)度最高為12.8 MPa，最低為11.5 MPa，3次平均拉伸強(qiáng)度為12.1 MPa；拉斷伸長(zhǎng)率試驗(yàn)中，拉斷伸長(zhǎng)率最高為420%，最低為376%，3次平均拉斷伸長(zhǎng)率為403%；磨耗量試驗(yàn)中，最高磨耗量為174 mm3，最低為146 mm3，3次平均磨耗量為160 mm3。3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)阻燃帶機(jī)械性能的要求。

2.1.3 智能性測(cè)試結(jié)果

將嵌入阻燃帶中的溫度傳感器分別與一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)移動(dòng)平板設(shè)備建立連接，于計(jì)算機(jī)中在AWS IoT Core感應(yīng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)上創(chuàng)建溫度采集表，同樣采用阻燃性測(cè)試中的酒精噴燈與FRT-500耐火性測(cè)試儀，主要測(cè)試阻燃帶在不同溫度下，溫度傳感器對(duì)外傳輸數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間以及傳輸?shù)酵膺B設(shè)備記錄顯示的溫度數(shù)值與實(shí)際溫度值的誤差，誤差小于3 ℃即為合格，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 智能性測(cè)試結(jié)果

分析表3中智能性測(cè)試的結(jié)果可知，5次溫度值采集中，溫度誤差最高為1.5 ℃，最低為0.4 ℃；傳輸時(shí)間最高為29 ms，最低為16 ms，均能滿足正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.2 性能分析

分析阻燃帶各項(xiàng)性能測(cè)試的結(jié)果可知，動(dòng)態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)的智能整芯阻燃帶在滾筒摩擦與有焰燃燒的測(cè)試中，體現(xiàn)出良好的阻燃性，在實(shí)際應(yīng)用中可有效防止火災(zāi)蔓延，隔離火焰和高溫；在機(jī)械性能測(cè)試中，阻燃帶具有可滿足不同運(yùn)用場(chǎng)景的拉伸強(qiáng)度和硬度，可以在一定程度上吸收沖擊和變形，從而降低應(yīng)力集中，以確保阻燃帶能夠在實(shí)際應(yīng)用中滿足阻燃要求并保持其功能和安全性；在智能性測(cè)試中，相關(guān)人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)阻燃帶的溫度數(shù)據(jù)，并且隨著溫度環(huán)境的提升，采集溫度的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性均可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，變化趨勢(shì)亦在正常使用的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出優(yōu)異的智能性。

3 結(jié)論與討論

(1)本研究成功采用動(dòng)態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)智能整芯阻燃帶，并實(shí)現(xiàn)了阻燃性能和智能化水平的雙重提升。采用硫化橡膠、氫氧化鋁、碳纖維及二氧化硅做覆蓋層主要原料，生產(chǎn)的輸送帶黏合強(qiáng)度高，具有優(yōu)異的機(jī)械性能與阻燃性能，極大提升了阻燃帶的使用壽命和安全性。

(2)該技術(shù)加工工藝簡(jiǎn)單、能源消耗低，通過(guò)E-2000擠出機(jī)在2000 g/h擠出量和20 MPa擠出壓力下，高溫高壓狀態(tài)動(dòng)態(tài)連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。

(3)通過(guò)嵌入溫度傳感器，為阻燃帶提供了智能溫度感知能力，為相關(guān)人員了解阻燃帶應(yīng)用狀態(tài)提供了更多便利，能夠有效監(jiān)測(cè)溫度以預(yù)防火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

因此，該智能整芯阻燃帶具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于電線電纜等領(lǐng)域，可提升產(chǎn)品的安全性和可靠性。