一种模压法制备大型耐老化海上浮力气囊制作技术和应用

一种模压法制备大型耐老化海上浮力气囊
制作技术和应用
高世阳1原晓城2
（1-海装北京局驻天津地区第三军事代表室；2-天津市橡胶工业研究所有限公司）
摘要：海上浮力气囊是用来进行海上急救打捞、海洋水文研究和军事应用的辅助设施。

在海平面或者海洋水面下，浮力气囊通过其浮力，实现标识、水下吊载功能。

海上浮力气囊由若干胶布拼接成型，胶布由骨架材料表面覆橡胶层组成，骨架材料一般由聚酯、尼龙组成，覆胶层橡胶是由粘合性能良好的双烯烃类橡胶制造，例如天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶以及其并用类橡胶材料。

关键词：模压；耐老化；气囊；
1.背景技术
海上浮力气囊是用来进行海上急救打捞、海洋水文研究和军事应用的辅助设施。

在海平面或者海洋水面下，浮力气囊通过其浮力，实现标识、水下吊载功能。

海上浮力气囊由若干胶布拼接成型，胶布由骨架材料表面覆橡胶层组成，骨架材料一般由聚酯、尼龙组成，覆胶层橡胶是由粘合性能良好的双烯烃类橡胶制造，例如天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶以及其并用类橡胶材料。

海上浮力气囊的破坏，除了织物本身的物理性能差等原因之外，最主要的破坏方式就是各种形式的老化。

由于海上浮力气囊储存周期一般较长，主要在海洋环境中使用，主要遭受海水侵蚀、紫外老化、热氧老化、臭氧老化等条件破坏，老化现象非常明显，导致气囊抗拉强度、撕裂强度等性能迅速降低，造成产品过早失效，甚至导致作业海域的生物生存环境不能得到有效保护。

虽然耐老化的氯丁橡胶也有报道称使用，但是传统的氯丁橡胶配方与骨架材料粘合力较低，加工工艺性能差，因此推广大大受限。

在气囊成型技术方面，尤其是大型气囊，国内较为普遍采用天然胶布，采用硫化罐卷蒸硫化成型工艺，耐老化性能差。

具体不足之处如下：
(1)胶布覆胶层：采用耐候性较差的天然橡胶。

(2)工艺：主要采用生胶布卷蒸硫化工艺，工艺简单。

(3)外观：气囊外观粗糙，尺寸收缩大。

(4)性能：胶布覆胶层橡胶采用天然橡胶为主，造成耐海水、耐老化性能、耐油性能差。

寿命周期短，一般不超过1年。

2.目的和意义
针对现有现术存在的缺陷，本文目的在于提供一种大型耐老化海上浮力气囊制作技术和应用，其优点如下：
作者简介：高世阳，男，1979.04.23出生，工程
师，硕士，主要从事海上救助与救生，水下勘察及
打捞等产品的研发及生产。

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（1）覆胶层橡胶材料：采用耐候性优异的氯丁橡胶，且粘合强度不低于16KN/m，远远高于同行业8KN/m的水平。

（2）工艺：采用多工序模压法成型工艺，包含胶布硫化成型、平面拼接硫化成型和四周封端硫化等工序，均采用模压硫化的工艺方法；采用拼接部位缝纫加固。

上述工艺制造的精度高、可靠性强。

（3）外观：气囊表面平整，无皱褶，尺寸误差小于0.5%。

（4）性能：耐海水、耐老化性能、耐油性能优异，寿命周期达3年以上。

本方案对于延长耐老化海上浮力气囊的使用周期，并在我国的海洋环境保护过程中发挥更大、更有效的作用有着重要意义。

3.指标要求
海上浮力气囊一般性能要求如下：
（I）尺寸
性能指标
总长，mm 10000±50 直径1000±10 胶布经向拉伸强度，kN/m ≥200 胶布纬向拉伸强度，kN/m ≥200 胶布厚度mm 5±0.5
（II）外观性能
部位外观要求
橡胶布帘线不应外露，帘布无脱层或损伤现象；内外表面均不应有气泡、裂口、损伤或异物混入胶层，外层胶缺胶不得超过3处，每处深不得超过0.3mm；
（III）橡胶物理性能
序号性能测试标准指标要求
1 脆性温度GB/T168
2 ≤-20℃
2 耐油试验（3#标准由，48h质量变化率）GB/T1690 ≤10%
3 硬度GB/T531 60±5邵A
（IV）粘合性能
序号部位测试标准粘合强度（N/mm）
1 橡胶与织物层间GB/T 53
2 ≥8.0
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（V）橡胶布耐老化性能
序号性能测试标准要求
1 热氧老化（拉伸强度变化率）GB/T 351
2 在100℃×168h条件下，≤25%
2 紫外老化（100℃×168h，拉伸强度变化率）GB/T 16422在50℃条件下，，紫外照射168h，≤25%
3 臭氧老化（外观变化）GB/T 7762 在50℃,臭氧浓度100pphm条件下，经168h后,表面无裂纹
4.制作方法
其制作方法主要分为以下工序内容：
(1)胶料密炼
(2)胶粘剂制备
(3)骨架材料表面处理
(4)胶布压延
(5)胶布硫化成型
(6)拼接硫化成型
(7)热硫化封端成型
4.1.胶料密炼
本工序是制备胶布所需要的覆胶层橡胶
采用75L密炼机，体积容量不超过60%，将配好的氯丁混炼胶小料依次投料，混炼时间8±1min，排胶温度≤110℃。

其中，橡胶配方组分的质量份数比为：
序号组份质量份数
1 CR 100.0
2 硬脂酸 1.0
3 防护蜡 2.0
4 防老剂4010NA 1.0
5 固马隆 5.0
6 促进剂TT 1
7 MgO 4.0
8 炭黑N550 20.0
9 炭黑N330 20.0
10 白炭黑 5.0
11 DOP 6.0
12 粘合剂XS-100 3.0
13 ZnO 5.0
14 促进剂NA-22 1.0
投料次序为：氯丁橡胶→硬脂酸、防护蜡、古马隆-防老剂、氧化镁→一半的炭黑、白炭黑、硅-69→DOP→余下的一半炭黑→XS-100、S、ZnO、NA-22→下片冷却。

粘合剂XS-100是以三聚氰胺和间苯二酚预缩聚树脂为主体材料，加入活性添加剂及惰性填料制成的浅黄褐色粉末，属于复合型间甲白体系。

它可直接在胶料混炼后期加入，吃料快，工艺简单易行。

配合使用白炭黑/Si-69，即含有XS-100/白炭黑/Si-69体系的橡胶配方制备胶粘剂干胶，辊
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温不超过80℃，能够提高橡胶和骨架材料的粘合强度。

4.2.胶粘剂制备
在开炼机制备胶粘剂干胶，然后再制备成胶粘剂。

将胶粘剂涂敷在骨架材料上，上加热干燥温度30℃~120℃，加热时间10~60min，加热干燥过程中进行纬向拉伸定型。

防止纬向尺寸收缩变形。

（胶粘剂为244型氯丁混炼胶、二甲苯的混合物）。

其中，干胶配方组分的质量份数比为：
序号材料名称质量份
1 氯丁橡胶100
2 MgO 4
3 ZnO 5
4 硬脂酸 1
5 炭黑N330 5
6 白炭黑 5
7 防A 1
8 粘合剂XS-100 4
投料次序为：氯丁橡胶→硬脂酸、防老剂A、氧化镁→炭黑、白炭黑→XS-100、、ZnO→下片冷却。

开炼机辊温低于60℃。

胶粘剂配比为：
序号材料质量比
1 干胶 1
2 二甲苯 3
4.3.骨架材料表面处理
一般而言，市售骨架材料均为RLF液浸渍处理过的骨架材料，其主要成分丁吡胶乳属于非极性材料，根据极性相近原理，丁吡胶与双烯烃类的非极性材料（如天然橡胶、丁苯橡胶等）粘合力较高，可高达12KN/m以上；但与极性的氯丁橡胶。

粘合力较差，一般只能在2KN/m左右，无法满足指标要求。

通过4.2所述的氯丁胶粘剂，对骨架材料进行表面处理，其粘合力可高达16KN/m以上。

通过涂覆设备，均匀的进行表面涂覆，干燥后，即可转入压延工序。

4.4.压延成型压延是将覆胶层涂覆粘接在表面处理过的骨架材料上，形成未硫化的胶布半成品。

常规氯丁橡胶很难实现压延，在压延过程中往往出现粘辊、焦烧、缺胶等质量问题。

通过配方优化，结合设备的温度优选，压延机上辊温度60~65℃，中辊温度55~60℃，实现了压延，外观质量满足设计要求。

4.5.胶布硫化成型
通过拉伸牵引装置进入平板硫化机中，硫化温度150℃，硫化时间40min，压力5MPa。

硫化平板一端预留环形冷水管路冷却装置，进行锅口冷却，锅口温度不高于120℃。

本装置在硫化平板尾内部，设置环形冷却水循环水管，水流量可调
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节，控制硫化温度。

可降低该部位的平板硫化温度，胶布硫化后，低温部位处于半硫化状态，避免了过渡部位硫化程度较大时，形成硬疤。

同时，通过调节水流量，控制该部位的温度，防止温度过低时，该部位胶布硫化交联程度过低而导致的胶料粘板。

温度控制范围90~120℃。

硫化完毕后，立即拉伸定型，以绷紧为准，冷定型时间≥60min。

以防止尼龙冷却过程中收缩。

4.6.胶布拼接成型
由于气囊尺寸较大，单幅胶布尺寸一般在1米~1.4米，需要拼接成型。

首先进行拼接口表面处理，用手砂轮打磨处理拼接口区域，拼接口宽度120~130mm；然后按施工图纸要求，将胶布拼接区域单面涂2遍胶浆，涂刷2遍后自然干燥20min；第三，进行拼接缝纫。

使用桁式缝纫设备沿标线位置进行缝纫，要求缝纫设备机头可自由前后活动。

该缝纫机在胶布行业内首次实现了宽幅缝纫。

第二，拼接硫化。

因为拼接部位厚度与主体胶布厚度不一致，设计采用橡胶软模，以利于拼接过渡部位过渡平缓。

将拼接口上下各垫一层橡胶软模和镀锌板（橡胶软模厚度10.0mm，镀锌板0.2mm），然后合模硫化。

硫化温度 150℃，时间40min，压力5MPa。

硫化后用钢板冷压或者夹持器冷定型，常温×30min。

依次硫化三个拼口部位，然后安装气嘴，最后再按照上述拼接工艺硫化第四个口。

4.7.硫化封端成型
胶布端部由于进行了裁剪，断面局部骨架材料裸露，会加剧海水浸润，加剧破坏。

因此对胶布断面进行封端处理。

首先进行表面处理。

用手砂轮打磨处理封端区域，宽度30mm左右，然后将胶布封端区域单面涂2遍胶浆，自然干燥20～30min，再将胶片(宽度30~100mm)覆盖在胶布封端涂胶位置，表面清洁、无杂质、直线度好，将胶片用冷压装置压实。

第二，进行封端硫化。

将模具吊装在平板上，模具上下各垫一层橡胶软模和镀锌板，拼接口位于热板中心，合模硫化。

硫化温度150℃，时间30min，压力5MPa。

硫化后用夹持器拉伸冷定型，常温×30min。

5.结论
综上，采用上述制造方法制备的海上浮力气囊，具备以下不可比拟的优点：
（1）氯丁胶布：骨架材料通过涂胶(自制氯丁胶粘剂)处理，结合高粘合性能的覆胶层橡胶，解决了行业内氯丁橡胶与浸渍骨架材料粘合强度不高的缺点。

所制得的胶布粘合强度可达16KN/m 以上。

此外，由于使用了氯丁橡胶，耐老化、耐海水性能大大提高。

（2）平面拼接硫化：采用该方法拼接成型后的胶布，直线度好，尺寸精度高，搭接胶片溢胶后，使拼接口过渡平缓，拼接口粘合强度高达16KN/m。

（3）封端硫化：该工艺采用热硫化的方法，把端部裸露的骨架材料封闭，防止骨架材料磨损、海水渗入降低胶布性能。

实测性能如下：
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（I）尺寸
性能指标总长，mm 10030 直径1004 胶布经向拉伸强度，kN/m 256 胶布纬向拉伸强度，kN/m ≥221 胶布厚度mm 5.2
（II）外观性能
部位外观要求
橡胶布帘线未外露，帘布无脱层或损伤现象；内外表面均无气泡、无裂口、无损伤或异物，外层胶无缺胶。

（III）橡胶物理性能
序号性能测试标准指标要求
1 脆性温度GB/T168
2 -32℃
2 耐油试验（3#标准由，48h质量变化率）GB/T1690 5%
3 硬度（邵尔A）GB/T531 61
（IV）粘合性能
序号部位测试标准粘合强度（N/mm）
1 橡胶与织物层间GB/T 53
2 17.0
（V）胶布耐老化性能
序号性能测试标准要求
1 热氧老化（100℃×168h，拉伸强度变化率）GB/T 351
2 6%
2 紫外老化（50℃×168h，拉伸强度变化率）GB/T 16422 -4.9%
3 臭氧老化（外观变化）在50℃，臭氧浓度
100pphm条件下，经 168h
GB/T 7762 表面无裂纹
各项性能测试结果满足指标要求。

6.应用
采用上述工艺制作的大型耐老化海上浮力气囊，已经应用某海上科研平台项目，各项性能满足指标要求，运行状态良好。

获得了良好的经济效益和科学价值。

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