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聚氨酯筛板
聚氨酯弹性体具有优异的综合性能,它有较高的强度和弹性,同样硬度下比其他弹性体承载能力高,耐油脂及耐化学品性优良,抗老化性好,耐疲劳及减震性好,与金属粘合性好,尤其是具有优异的耐磨性能,俗称“耐磨橡胶”[1]。
聚氨酯筛板(网)是近年来发展起来的用于矿山选矿、分级、脱水等筛机上替代金属筛板(网)的一种新型制品。
主要用于煤矿、铁矿、铜矿、金矿等各种矿石的分级、筛选、脱水等场所,是振动筛必备的配件之一。
由于筛板(网)使用条件十分苛刻,不仅要求耐磨耗、耐腐蚀、耐老化,而且使用中必须保持精确的筛孔、缝尺寸,以往主要以不锈钢来制作筛板(网)[2],但是由于金属筛板耐磨性、弹性、耐腐蚀性较差,且噪音大、加工成本高、寿命短,多数场合正被聚氨酯筛板取代。
和金属筛板相比,聚氨酯筛板充分发挥了聚氨酯高耐磨、高弹性、吸音、减震等方面的特点,具有成型加工方便、耐磨性好、使用寿命长、筛分质量高、自洁能力强、透筛性能好、降低噪音、改善操作环境、适用范围广(干料、湿料、原矿、破碎矿等不同粒度的物料)等优点,故采用聚氨酯筛板替代金属筛板或普通橡胶筛板前景看好。
聚氨酯筛板主要有弛张筛板、张力筛板、大孔筛板、条缝筛板等多个系列,其加工主要采用液体反应注射成型技术,常压浇注、硫化而成。
1 实验部分
1.1 原材料
聚己二酸乙二醇酯,Mn=2000,f=2,工业品,烟台万华聚氨酯股份公司;聚四氢呋喃醚二醇PTMG),Mn=1000,f=2,工业品,Bayer公司;聚环氧丙烷二醇(PPG),DL-1000,Mn=1000,f=2,工业品,淄博东大化工公司;甲苯二异氰酸酯(T-100、T-80),工业品,BASF公司;4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),工业品,烟台万华聚氨酯股份公司,3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷(MOCA),工业品,江苏农药集团;1,4-丁二醇(BDO),工业品,韩国进口;催化剂及其他助剂均为市售工业品。
1.2 筛板用原液的制备
聚氨酯筛板用原液可采用预聚法和半预聚法制备。
1.2.1 预聚物法
将聚醚或聚酯多元醇加入反应釜中,在100~120℃,20.096MPa的负压下减压脱水0.5~1h,然后降温到60℃以下,加入计量的TDI或MDI,于80℃下反应约2h,然后再脱气至无气泡,降温密封得预聚物。
1.2.2 半预聚物法(以MDI体系为主)
(1)半预聚物(A组分)制备将聚醚或聚酯多元醇加入反应釜中,在100~120℃,-0.096MPa的负压下减压脱水0.5~1h,然后降温到50℃以下,加入计量的MDI,于80℃下反应约2h,然后再脱气至无气泡,降温密封得半预聚物。
(2)扩链剂组分(B组分)的制备将计量的聚醚或聚酯多元醇和1,4-丁二醇加入反应釜,在100~120℃,-0.096MPa的负压下减压脱水1.5~2h,降温后加入定量的催化剂搅拌均匀即得B组分。
1.3 聚氨酯筛板(网)的制备
将制备好的预聚物或半预聚物加入三组分反应注射成型机(RIM机)的A组分储罐中,固化剂加入到RIM机的B或C罐中(MOCA为一储罐,半预聚物的B组分为一储罐),开动储罐搅拌电机、循环计量泵电机及加热油罐及其电机,控制物料温度到规定值待用。
工艺流程如下:
将模具预热到一定温度,喷涂脱模剂,启动RIM机混合头电机,开始浇注,浇注结束后,在一定温度下加热硫化1小时,脱模修整,后熟化即得聚氨酯筛板(网)。
1.4 聚氨酯筛板物理性能要求
聚氨酯筛板用胶料的物理性能要求见表1。
结果与讨论
2.1 材料物理性能的研究
2.1.1 多元醇种类对性能的影响
虽然聚氨酯弹性体具有优异的物理机械性能,但根据筛板(网)使用场合的不同,对材料的具体要求有较大的区别,大孔筛通常用于矿石或煤的分级,矿石中含水量少,对耐水性能要求不高,但强度要求高,采用聚酯型聚氨酯即可满足性能要求;条缝筛主要用于洗、选矿最后一道工序的脱水过程,此时矿石基本为粉末状,且含水量较高,故要求材料耐水性较好,永久变形小,回弹性好,尺寸稳定性好,聚醚型聚氨酯弹性体可满足性能要求。
分别采用聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)、聚环氧丙烷二醇、聚酯二醇与T280预聚物法制得的弹性体物理机械性能如表2所示。
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由表2可看出,采用PTMG-TDI-MOCA,聚酯-TDI-MOCA及PTMG/PPG-TDI-MOCA体系所得弹性体物性除聚酯体系和混合聚醚体系的永久变形稍大外,其他性能均可满足筛板性能要求,且加入PPG可以降低材料的造价,降低产品成本。
2.1.2 不同合成方法对性能的影响
为了改善筛板的使用性能,法国博雷公司将筛板胶料分为上下两层,上层较软,邵尔A硬度为60度,下层较硬为85度左右,这样既可保证筛板的刚度和挺性以及材料的强度,又可改善筛板工作面的弹性,提高筛分效率。
由于半预聚物法能够比较容易地调节材料的硬度,故低硬度的聚氨酯弹性体可采用半预聚物法来合成。
通常由于TDI体系气味较大,且制得的弹性体弹性较MDI体系小,一般不采用半预聚物法加工,而MDI体系由于挥发性小,气味小,但粘度稍高,较适合于半预聚物法加工。
以聚酯、聚醚、MDI采用预聚物法和半预聚物法制得的弹性体性能如表3所示。
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由表3可看出,采用半预聚物法制得的弹性体硬度可以比较容易的调到邵A60度左右,此时的弹性、伸长率均较好,且物料A,B组分的比例、粘度比较接近,提高了混合的均匀性,同时改善了弹性体的某些性能。
2.1.3 不同二异氰酸酯对材料性能的影响
一般情况下,合成聚氨酯弹性体的多异氰酸酯以二异氰酸酯为主,多数情况下采用甲苯二异氰酸酯(TDI)和4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯MDI)。
由于TDI和MDI在物性和结构上都有较大的差别,TDI为单苯环,常温下为液体,刺激性气味较大,而MDI为双苯环结构,常温下为固体,气味很小,且反应活性较高,所以在合成弹性体时各有其特点,以PTMG,MDI,TDI为主要原料,分别采用预聚物法和半预聚物法制备硬度基本接近的弹性体,弹性体的物理机械性能对比如表4所示。
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由表4可知,无论采用何种体系,材料的低温性能均较好,这与PTMG的分子结构有关。
对MDI体系无论何种合成方法,弹性体强度、回弹性均较好,其他性能两种体系接近。
2.1.4 TDI异构比对材料性能的影响
一般情况下,根据不同的使用要求,合成聚氨酯弹性体可采用不同结构的TDI。
目前市场上销量较大的主要是TDI-80/20和TDI2100。
TDI-80/20是异构体2,4-和2,6-结构的80比20混合
物,TDI-100为纯的2,4-结构,结构的差别决定了性能的差别[3]。
用预聚物法及同样的工艺条件合成同样游离NCO百分含量的PTMG弹性体,两者性能对比如表5。
由表5可知,采用T-80和T-100制得的聚氨酯弹性体的物理机械性能相差不太大,总的来讲>T-100制得的弹性体机械性能比T-80制得的弹性体性能要好。
但T-100造价要比T-80高近一倍,对无特殊要求的制品用T-80体系较为经济。
2.2 工艺性的研究
2.2.1 多元醇种类对工艺性能的影响
采用浇注型聚氨酯制备筛板,不仅要求材料的物理性能满足使用要求,工艺性能也十分重要,不同种类的多元醇会对预聚物的粘度,A,B组分的配比,胶料的流动时间(操作时间)等产生影响。
分别用聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)、聚环氧丙烷二醇、聚酯二醇与T-80采用预聚物法制得的弹性体工艺性能如表6所示。
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由表6可知,同样游离NCO百分含量时,聚酯系列预聚物粘度较高,操作时间短,有利于快速硫化、脱模,但流动性差;聚醚系列预聚物粘度较低,操作时间长,流动性好,使胶料中夹带的气泡易于排出。
2.2.2 TDI,MDI及TDI不同异构比对材料工艺性能的影响
在合成聚氨酯弹性体时,二异氰酸酯种类及异构比不仅对物理性能有较大的影响,对工艺性能也有较大的影响,以PTMG,MDI,T-80,T-100合成聚氨酯弹性体,其工艺性能对比如表7所示。
由表7知,TDI体系和MDI体系在同样的硬度下,MDI体系的预聚物粘度较高,而操作时间介于T-80和T-100之间,粘度大是由于MDI为固体的原因,而操作时间则与MDI和1,4-BDO的反应活性有关。
对TDI体系,同样的游离NCO百分含量时,两者的粘度基本接近,但T-100要比T-80的操作时间长近一倍,这对于制作精密筛板十分重要,因为较长的釜中寿命意味着A,B组分混‘合浇注后,有较长的流动时间,容易充满模腔,且可保证浇注过程中混在胶料中的气泡有充足时间从胶料中溢出,提高成品率,保证产品质量。
而T280制得的预聚物在A,B混合时,操作时间短,流动性差,在制作大孔筛时也有一定的难度,但可通过和T-100并用或在PTMG中加入部分PPG的方法来作适当调整,对聚酯体系该结论也适用。
2.2.3 不同合成方法对工艺性能的影响
在合成MDI体系的预聚物时,如果采用预聚物法,则预聚物中的游离NCO百分含量通常要求较高,原因是因为NCO百分含量低时,固化时加入的固化剂量就少,比例相差很大,且预聚物粘度较高,固化剂粘度较小,粘度相差很大,混合均匀难度较大,而采用半预聚物法,上述问题就可比较容易地得到解决,只是操作时间有所缩短,结果如表8所示。
由表8可看出,半预聚物法可明显改变A,B组分之间的比例,对降低粘度、提高混合均匀性具有很好的效果。
2.3 筛板制作对骨架材料、模具及加工条件要求
2.3.1 骨架材料
由于筛板主要用于煤、铜、铁等矿石的筛选和分级,使用条件十分苛刻,工作场所负荷较大,单纯的聚氨酯弹性体虽然强度较高、耐磨性能优良,但其刚性、挺性较小,必须采用金属材料进行加强。
根据筛板结构不同,骨架材料的结构也不同,通常情况下,主要有以下几种结构:
1)金属焊接骨架:
这种骨架主要由一定厚度的钢板根据筛板结构焊接而成,呈框架结构,钢板厚度有5mm,8mm,10mm及12mm等多种,而钢板宽度则根据筛板厚度决定,一般有20mm,25mm及30mm等几种,要求焊接牢固,使用时要进行去油、去锈等表面处理,以提高和聚氨酯胶料的粘合力。
2)钢丝编织骨架:
这种骨架主要用于驰张筛板(网),骨架除位于筛网两端的钢板挂钩由6~8mm厚的钢板制成外,其它由一定结构的钢丝或钢丝绳制成,钢丝绳沿筛板(网)长度方向排列,两端和钢板挂钩固定在一起,也可在垂直筛板(网)长度的方向上增加一定数量的细钢丝绳对筛板网)增强,提高该方向的刚度和筛板的尺寸稳定性。
同样,使用时也要进行去油、去锈等表面处理,以提高和聚氨酯胶料的粘合力。
采用这种骨架制得的筛网为柔性的筛网,可弯曲、折叠。
2.3.2 模具
采用浇注型聚氨酯制备筛板(网),主要采用常压浇注的方法,无需加压。
模具选材、胶料的收缩率等是影响制品尺寸、加工效率等的主要因素。
通常胶料的线性收缩率取1.8%~2.2%,而嵌入骨架后制品的收缩率会略有减小,对尺寸要求较高的条缝筛板,收缩率的选取尤为重要。
从选材来讲,可以采用金属、橡胶、树脂、塑料等材料,金属材料导热性较好,尺寸稳定性好,但造价高。
也可采用浇注型聚氨酯制作模具。
模具的粗糙度只要能保证顺利脱模即可。
2.3.3 工艺条件
筛板(网)制作过程中,工艺条件是决定产品能否顺利生产的又一重要条件,工艺条件包括原料温度、混合比例、硫化温度、硫化时间、后硫化时间等多个参数。
具体参数由配方决定,通常硫化温度为100~110℃,时间为1h,后硫化温度为100~110℃,时间为16~24h。
3 结论
(1)聚酯、聚醚(PTMG和PPG)可用于筛板网)的制作,聚酯适合于大孔筛,而聚醚适合于各种筛板。
(2)采用MDI半预聚物体系,可制作高、低硬度分层的筛板(网)。
(3)TDI-100具有较长的操作时间,工艺性能好。
(4)筛板制作硫化工艺条件为100~110℃×1h,后硫化条件为100~110℃×16~24h。
参考文献:
[1] 李绍雄,刘益军1聚氨酯树脂及其应用[M]1北京:
化学工业出版社,2002.
[2] 曹军,陈利,等.聚氨酯弹性体在矿山机械中的应用前景[J].聚氨酯工业,1995,(4):
14.
[3] 山西化工研究所.聚氨酯弹性体手册[M]1北京:
化学工业出版社,20001
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