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。

?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。

?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。

?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。

?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。