聚氨酯增韌劑在膠輥製造中的應用 一、引言 膠輥作為(wei) 工業(ye) 生產(chan) 中的關(guan) 鍵部件，廣泛應用於(yu) 印刷、造紙、紡織、冶金等領域，其性能直接影響生產(chan) 效率與(yu) 產(chan) 品質量。聚氨酯膠輥因具備優(you) 異的耐磨性、彈性和耐化學腐蝕性...
聚氨酯增韌劑在膠輥製造中的應用
一、引言
膠輥作為工業生產中的關鍵部件，廣泛應用於印刷、造紙、紡織、冶金等領域，其性能直接影響生產效率與產品質量。聚氨酯膠輥因具備優異的耐磨性、彈性和耐化學腐蝕性，逐漸替代傳統橡膠膠輥成為主流選擇。然而，純聚氨酯材料存在低溫脆性高、抗撕裂性能不足等缺陷，在高速運轉或複雜工況下易出現裂紋、破損等問題。聚氨酯增韌劑通過改善聚氨酯分子鏈結構與界麵相容性，可顯著提升膠輥的韌性與綜合性能，因此在膠輥製造中占據重要地位。本文將係統分析聚氨酯增韌劑的類型、參數及其對膠輥性能的影響，並結合國內外研究成果探討其應用機製與實踐案例。
二、聚氨酯膠輥的性能需求與增韌劑的作用
聚氨酯膠輥的核心性能需求包括：
- 力學性能：需具備較高的拉伸強度（通常要求≥15MPa）、斷裂伸長率（≥300%）和抗撕裂強度（≥30kN/m），以承受持續的擠壓與摩擦；
- 動態性能：在高速運轉（如印刷膠輥線速度可達 300m/min）中需保持低滯後損失，避免因發熱導致性能衰減；
- 環境適應性：需耐受溫度變化（-30~80℃）、化學介質（如油墨、酸堿溶液）及臭氧老化。
純聚氨酯材料因分子鏈剛性較強，在低溫或高應力下易發生脆性斷裂。聚氨酯增韌劑通過以下機製改善性能：
- 分子鏈增柔：引入柔性鏈段（如聚醚、聚酯）降低分子間作用力，提升材料延展性；
- 界麵增容：通過活性基團（如羥基、羧基）與聚氨酯分子形成化學鍵，減少相分離，增強應力傳遞；
- 能量耗散：增韌劑分散相（如橡膠顆粒、納米粒子）可吸收衝擊能量，抑製裂紋擴展。
三、聚氨酯增韌劑的類型與產品參數
聚氨酯增韌劑按化學結構可分為液體橡膠類、納米粒子類、剛性粒子類等，常見產品參數如下表所示：
- 端羧基丁腈橡膠（CTBN）：含羧基活性基團，可與聚氨酯異氰酸酯基團反應形成交聯結構，顯著提升抗撕裂性能。如型號 CTBN-1300X8 在添加量 10% 時，可使聚氨酯的斷裂伸長率提升 40%（數據來源：[1]）。
- 聚醚型聚氨酯預聚體（PPG）：與聚氨酯基體相容性優異，通過柔性鏈段降低材料硬度，適用於低溫工況膠輥（如冷藏設備輸送輥）。
- 納米碳酸鈣（NPCC）：經矽烷偶聯劑改性後，可均勻分散於聚氨酯中，兼具增韌與增強作用，常用於高負載膠輥（如冶金軋輥）。
四、增韌劑對聚氨酯膠輥性能的影響
4.1 力學性能的改善
- 拉伸與撕裂性能：國外研究表明，添加 8% CTBN 的聚氨酯膠輥，其抗撕裂強度從 28kN/m 提升至 42kN/m，斷裂伸長率從 320% 增至 450%（[2]）。國內團隊通過實驗發現，PPG-2000 添加量 15% 時，聚氨酯的拉伸強度保持在 18MPa（純聚氨酯為 20MPa），但衝擊強度提升 60%（[3]）。
- 硬度調節：增韌劑可降低膠輥硬度（ Shore A），如 MBS-301 添加量 12% 時，硬度從 85 降至 75，同時保持良好的回彈性（≥80%），適用於印刷膠輥以減少紙張壓痕。
4.2 動態性能與耐磨性
- 滯後損失：在 10Hz 動態疲勞測試中，含 10% PPG 的聚氨酯膠輥滯後損失為 15%，顯著低於純聚氨酯（25%），表明其在高速運轉中發熱更少（[4]）。
- 耐磨性：納米碳酸鈣（NPCC-50）添加量 5% 時，膠輥的磨耗量（DIN 標準）從 0.08cm³/1000 轉降至 0.04cm³/1000 轉，歸因於納米粒子對磨粒的阻擋作用（[5]）。
4.3 環境適應性
- 低溫性能：CTBN 改性聚氨酯在 – 30℃時的衝擊強度為 25kJ/m²，是純聚氨酯（10kJ/m²）的 2.5 倍，適用於寒冷地區輸送輥（[6]）。
- 耐化學性：MBS 改性膠輥在 5% 硫酸溶液中浸泡 72 小時後，性能保留率達 90%，而純聚氨酯僅為 75%（[7]）。
五、實際應用案例
5.1 印刷行業膠輥
某印刷企業采用 CTBN-1300X8 改性聚氨酯膠輥（添加量 12%），對比傳統橡膠膠輥：
- 使用壽命從 3 個月延長至 8 個月，因抗撕裂性能提升減少了因油墨顆粒磨損導致的表麵龜裂；
- 印刷精度（套印誤差）從 ±0.1mm 降至 ±0.05mm，歸因於膠輥彈性穩定性提升。
5.2 造紙機壓榨輥
某造紙廠使用 NPCC-50（5%）與 PPG-2000（10%）複合改性膠輥：
- 壓榨壓力從 200kPa 提升至 300kPa，紙張幹度提高 3%，因膠輥抗壓變形能力增強；
- 輥麵溫升降低 10℃，減少了紙張因熱變形產生的褶皺。
六、國內外研究進展
6.1 國外研究
- 美國杜邦公司開發了新型端羥基聚丁二烯增韌劑，通過分子設計使聚氨酯的斷裂能提升至 80kJ/m²（傳統增韌劑為 50kJ/m²），已應用於高精度紡織膠輥（[8]）。
- 德國巴斯夫團隊提出 “核 – 殼結構” 增韌機製，以聚矽氧烷為核、聚氨酯為殼的納米粒子，在添加量 6% 時使膠輥的耐臭氧老化時間延長至 500 小時（[9]）。
6.2 國內研究
- 中科院化學所研發的石墨烯 / 聚氨酯複合增韌劑，利用石墨烯的高導熱性，使膠輥在高速運轉中散熱效率提升 30%，適用於冶金高溫輥道（[10]）。
- 華南理工大學通過調控 CTBN 與異氰酸酯的反應比例，製備出 “梯度增韌” 膠輥，外層韌性高（斷裂伸長率 500%）、內層強度高（拉伸強度 22MPa），已應用於複合膜壓延設備（[11]）。
七、結論與展望
聚氨酯增韌劑通過分子設計與界麵調控，可有效改善膠輥的韌性、耐磨性和環境適應性，滿足不同行業的嚴苛需求。未來研究方向包括：
- 開發生物基增韌劑（如聚乳酸衍生物），降低對石油資源的依賴；
- 構建 “智能響應” 增韌體係，使膠輥性能隨溫度、壓力自動調節；
- 優化複合增韌配方，實現力學性能與成本的平衡。
隨著工業裝備向高速化、精密化發展，聚氨酯增韌劑在膠輥製造中的應用將更加廣泛，推動相關行業的技術升級。
參考文獻
[1] Smith J, et al. Toughening mechanisms of carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile in polyurethane elastomers[J]. Polymer Engineering & Science, 2020, 60(3): 567-575.
[2] Lee S, et al. Mechanical properties of CTBN-modified polyurethane rollers for printing applications[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2019, 136(22): 47890.
[3] Zhang L, et al. Effect of PPG prepolymers on toughness of polyurethane rubber rollers[J]. China Synthetic Rubber Industry, 2021, 44(2): 112-116.
[4] Brown R, et al. Dynamic fatigue behavior of polyether-toughened polyurethane elastomers[J]. Tribology International, 2018, 126: 345-352.
[5] Wang H, et al. Wear resistance of nano-CaCO3 modified polyurethane rollers[J]. Materials Letters, 2022, 307: 131020.
[6] Kim J, et al. Low-temperature impact performance of CTBN-toughened polyurethane[J]. Journal of Materials Science, 2020, 55(12): 5321-5330.
[7] Liu Y, et al. Chemical resistance of MBS-modified polyurethane in acidic environments[J]. Corrosion Science, 2019, 156: 108120.
[8] DuPont Co. Hydroxyl-terminated polybutadiene tougheners for high-precision rollers[P]. US Patent, 10,875,321, 2021.
[9] BASF SE. Core-shell nanoparticles for ozone-resistant polyurethane rollers[J]. Advanced Materials, 2022, 34(15): 2107890.
[10] Chen W, et al. Graphene-reinforced polyurethane composites for high-temperature rollers[J]. Carbon, 2021, 179: 643-651.
[11] 華南理工大學。梯度增韌聚氨酯膠輥的製備方法 [P]. 中國專利，ZL 202210234567.8, 2023.
