維綸線增強(qiáng)膠管變硬的分析和解決方案

王亮燕，鄒惠芳，孫克儉，王文明（南京利德東方橡塑科技有限公司，江蘇 南京 210028）

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維綸線增強(qiáng)膠管變硬的分析和解決方案

王亮燕，鄒惠芳，孫克儉，王文明
（南京利德東方橡塑科技有限公司，江蘇 南京 210028）

摘要：維綸線具有高強(qiáng)度、低成本，與橡膠黏接性好等優(yōu)點(diǎn)，可以在膠管生產(chǎn)中運(yùn)用。本公司使用維綸線作為增強(qiáng)層的膠管，在水蒸氣硫化時(shí)產(chǎn)生膠管變硬，導(dǎo)致產(chǎn)品的爆破強(qiáng)度下降，產(chǎn)品的報(bào)廢率高。本文通過高溫、高濕熱和硫化缸等條件下的維綸線的狀態(tài)，根據(jù)理論分析，得出結(jié)論：維綸線在高濕熱的情況下，分子鏈中的大量羥基，可以吸水，導(dǎo)致纖維膨脹變黏，纖維之間相互黏連，當(dāng)降溫至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，黏結(jié)在一起的纖維就會(huì)變硬，甚至連接成片狀。根據(jù)這一原理，我們改變了生產(chǎn)工藝和檢測(cè)手段，最終使用維綸線增強(qiáng)膠管成品產(chǎn)品沒有變硬的現(xiàn)象，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，報(bào)廢率大大下降。

關(guān)鍵詞：維綸線；膠管；樹脂化；變硬

維綸的化學(xué)名稱為聚乙烯醇縮醛纖維，具有強(qiáng)度高，透氣性好，耐光性能優(yōu)異，價(jià)格低廉，與橡膠黏接性好等優(yōu)點(diǎn)，可以在膠管生產(chǎn)中運(yùn)用。但維綸線耐濕熱性差，易吸水，易收縮，高溫高濕條件下容易樹脂化變硬等問題，使產(chǎn)品的穩(wěn)定性較差。本文針對(duì)我司維綸線作為增強(qiáng)層的膠管在硫化過后變硬、爆破強(qiáng)度下降的現(xiàn)象進(jìn)行了分析、模擬和故障再現(xiàn)，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了解決方案，目前的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，膠管報(bào)廢率大大下降。

1　試驗(yàn)材料

浸膠維綸線（4000D），白坯維倫線（2000D），人造絲（1500D），膠管內(nèi)層膠（NBR），膠管外層膠（CR）。

2　主要儀器與設(shè)備

試驗(yàn)使用設(shè)備均為工廠生產(chǎn)膠管的通用設(shè)備，GT-7010-M型老化試驗(yàn)箱，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；YG023A-500型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)，常州第二紡織機(jī)械廠。

3　結(jié)果與討論

使用維綸線作為增強(qiáng)層的膠管，在硫化過后，間歇的出現(xiàn)膠管變硬的現(xiàn)象，剖開后發(fā)現(xiàn)是維綸線層連接成片（如圖1），并且變硬的膠管爆破強(qiáng)度下降5～6 MPa。為了解決這一問題，我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，故障再現(xiàn)，并通過工藝更改，最終解決了這一問題。

圖1　變硬膠管的增強(qiáng)層狀態(tài)

3.1高溫對(duì)4000D維綸線的影響

將維綸線在150℃的烘箱里，分別停放1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h和3.0 h后，取出測(cè)量線的性能。從表1的數(shù)據(jù)可以看到，強(qiáng)度基本保持在287～301之間，并未隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。說明4000D維綸線直接在干燥的150℃下硫化是沒有問題的，不會(huì)產(chǎn)生樹脂化。

表1　4000D維綸線在干燥的150℃停放后的性能

3.2高濕對(duì)維綸線的影響

將4000D維綸線和白坯維綸線2000D分別放入150℃熱水×75 min 和150℃熱空氣×4 h的條件下，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看到，室溫條件下，2000D維綸線是米白色，纖維為直的；150℃熱水×75 min處理之后，變成了淡淡的紫色（與4000D一個(gè)瓶子同時(shí)進(jìn)行，被染色），纖維變成了彎曲纏繞狀，表面發(fā)黏，有的纖維之間已經(jīng)黏連；150℃熱空氣×4 h處理之后，纖維仍然為直的，未出現(xiàn)變黏的現(xiàn)象，纖維的顏色變成了淡黃色。在較高的溫度下，PVA生成烯醇，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成烯醛，呈現(xiàn)黃色，具體的化學(xué)反應(yīng)見式(1)。

4000D維綸線是通過浸膠處理過的，所以正常狀態(tài)下是呈現(xiàn)紫色。150℃熱水×75 min處理之后，纖維的顏色變成淡紫色，表面稍有發(fā)黏，但是線條并未彎曲、褶皺。150℃熱空氣×4 h停放之后，變成了深黃色，線條表面未發(fā)黏，變色是以為表面的膠乳已經(jīng)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。這里2000D和4000D的主要區(qū)別在與線徑和是否浸膠，2000D的為短切的較細(xì)的線，而4000D的為長(zhǎng)纖維、線徑較大，并且表面已經(jīng)浸膠處理過。從上述的實(shí)驗(yàn)可以看出，2000D和4000D的維綸線在干燥的熱空氣下均比較穩(wěn)定，而二者抵御濕熱的能力較差一些，2000D的維綸線比4000D的更差。

在維綸的生產(chǎn)過程中，聚乙烯醇的大分子的每個(gè)鏈節(jié)上都含有一個(gè)羥基，經(jīng)過紡絲、拉伸、熱處理后，纖維的結(jié)晶度可達(dá)60%。但是當(dāng)維綸纖維長(zhǎng)時(shí)間處于高熱、高濕的狀態(tài)下時(shí)，大量的羥基吸收水分，結(jié)晶消失，宏觀表現(xiàn)為纖維的取向消失，纖維變成彎曲的自由松散的狀態(tài)，纖維之間黏連成為一個(gè)整體。4000D維綸線本身通過浸膠處理，表面有了一層保護(hù)，可以在一定程度上抵御水分子與維綸分子結(jié)構(gòu)上的羥基接觸。所以在此實(shí)驗(yàn)中，2000D的維綸線比4000D的更差。

圖2　維綸線分別在常溫、高熱、高濕熱條件下的狀態(tài)

3.3維綸線在硫化缸中的狀態(tài)

分別將2000D、4000D維綸線和浸膠人造絲固定于軟芯芯棒上，然后與正常膠管同時(shí)放入150℃×75 min的硫化缸中，進(jìn)行水蒸氣硫化。從硫化之后的結(jié)果可以看到，人造絲在硫化后，表面的膠乳發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，顏色變成深黃色。均勻纏到芯棒上的2000D和4000D維綸線已經(jīng)連成完整的一片，無法分開單根纖維；而分散放置的維綸線都已經(jīng)融化，大部分掉入了硫化缸中，剩余少量的已經(jīng)變成塑料狀，融化成一個(gè)團(tuán)狀，緊緊的堆積在一起，局部放大可見圖4。另外，浸泡HXN膠水與未浸泡膠水的狀態(tài)相差不大，說明膠管生產(chǎn)工藝中的浸膠漿處理與維綸線的樹脂化沒有直接關(guān)系。

3.4膠管產(chǎn)品變硬的原因分析

從上述的討論可以看到，人造絲直接暴露于濕熱的條件下，會(huì)發(fā)生明顯的樹脂化，纖維之間相互黏連，當(dāng)溫度降低至室溫后，就會(huì)變成塑料狀而發(fā)硬。而我們的膠管使用維綸線作為增強(qiáng)層，膠管的外膠層厚度為1.1 mm，維綸線是不直接暴露于濕熱環(huán)境中的。水是如何進(jìn)入的呢？通過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，膠管變硬的位置附近一定有外膠皮受損的情況，具體統(tǒng)計(jì)見表2。從表2中可以看到，增強(qiáng)層外漏的情況，主要包括以下四種，外擠兩端（2處），芯棒連接處（4處），外膠取膠檢驗(yàn)處（2處），外膠破損處（2處）。

按照正常的生產(chǎn)工藝，外擠兩端和外膠取膠檢驗(yàn)處是不可以避免的，一定會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)層外漏。目前的生產(chǎn)工藝中，芯棒連接處會(huì)漏增強(qiáng)層的原因是為了方便成品檢驗(yàn)，故意將此處外膠去掉。在統(tǒng)計(jì)中占的比例比較大的是正常的外膠有多處破損（4處，33.3%）。通過對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致外膠破損的位置為圖5中的幾種：冷卻水槽的進(jìn)口和出口，輪轂前的螺栓和重錘。此四處均為金屬，當(dāng)開始生產(chǎn)不穩(wěn)定的時(shí)候，輪轂前的重物會(huì)來回?cái)[動(dòng)撞到外膠，輪轂前的螺栓會(huì)刺破外膠皮；當(dāng)牽引力不穩(wěn)定的時(shí)候，膠管處于自由狀態(tài)，很容易與冷卻水槽壁刮蹭。

圖3　維綸線、人造絲在硫化缸中硫化狀態(tài)模擬

圖4　4000D維綸線硫化缸硫化后的樹脂化

表2　膠管變硬位置的外擠后狀態(tài)及數(shù)量

圖5　可能導(dǎo)致外膠破損的生產(chǎn)線位置

3.5膠管產(chǎn)品變硬的解決方案

針對(duì)膠管產(chǎn)品變硬的分析結(jié)果，我們對(duì)生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行了調(diào)整改造，具體見表3。通過封端，可以保證膠管的兩端不與水直接接觸；通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的改造，將擠出生產(chǎn)線的膠管可能接觸到的金屬，均貼覆一層硅膠板，改變?yōu)槿嵝缘慕佑|；對(duì)于芯棒連接處，通過芯棒焊接，將生產(chǎn)線的短芯棒變成長(zhǎng)芯棒，盡量減少擠出芯棒連接，同時(shí)在芯棒連接的位置，不剝膠，在外層膠貼上錫箔紙；同樣的，對(duì)于外膠取膠檢驗(yàn)處，貼錫箔紙。

表3　維綸線增強(qiáng)膠管變硬的解決方案

通過工藝調(diào)整之后，外膠兩端和外膠破損處，沒有再發(fā)現(xiàn)變硬的現(xiàn)象。

而芯棒連接處和外膠取膠檢驗(yàn)處，通過成品檢測(cè)時(shí)，將錫箔紙前后各50 cm裁掉，可以保證剩余的膠管完好，產(chǎn)品質(zhì)量可控。

4　結(jié)論

（1）使用維綸線作為增強(qiáng)層的膠管，在水蒸氣硫化的條件下，維綸線裸露在高濕熱的情況下，分子鏈中的大量羥基可以吸水，纖維膨脹，相互黏連，產(chǎn)生樹脂化，降溫到玻璃化溫度以下時(shí)，維綸增強(qiáng)層變硬，產(chǎn)品的爆破強(qiáng)度下降。

（2）維綸線增強(qiáng)層裸露的位置有外擠兩端、芯棒連接處、外膠取膠檢驗(yàn)處和外膠破損處這四種。通過生產(chǎn)工藝的調(diào)整，外擠兩端、外膠破損處這兩種情況可以完全避免；而芯棒連接處、外膠取膠檢驗(yàn)處，可以通過使用錫箔紙標(biāo)記，最終檢驗(yàn)?zāi)z管，將發(fā)硬的部分裁掉的方式來解決。

（3）通過模擬實(shí)驗(yàn)可以判斷，當(dāng)使用高溫?zé)o水的條件進(jìn)行硫化試，產(chǎn)品可以完全避免變硬的現(xiàn)象。所以我們公司正在進(jìn)行設(shè)備改造，使用電硫化的方式，進(jìn)而可以避免維綸線膠管在高濕的條件下硫化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙思集，謝國(guó)華. 維綸帆布在膠管中作增強(qiáng)材料的研究. 特種橡膠制品，1993.04.01.

[2] 維綸帆布在V帶應(yīng)用中須注意的幾個(gè)問題特種橡膠制品. 特種橡膠制品，1996.12.12.

(P-01)

Analysis and solutions of hardened PVA wire reinforced hose

中圖分類號(hào)：TQ330

文章編號(hào)：1009-797X(2016)12-0026-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.011

作者簡(jiǎn)介：王亮燕（1985-），畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，博士，研究室主任，主要研究?jī)?nèi)容為膠管、模壓制品的配方研制和生產(chǎn)工藝。

收稿日期：2016-05-11