動態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)智能整芯阻燃帶的研究

孔德松，吳紅洲，楊剛，黃麗娜

(山東億和橡膠輸送帶有限公司，山東 棗莊 277000)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，智能材料在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中阻燃材料作為一類重要的功能性材料，對保障人身和財產(chǎn)的安全至關(guān)重要[1]。在建筑、交通運輸、電子電氣設(shè)備等眾多領(lǐng)域，阻燃材料被廣泛用于提高產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性[2]。在以往動態(tài)擠出硫化法的研究中，硫化劑的選擇、擠出工藝參數(shù)的優(yōu)化以及阻燃帶的性能評估都是關(guān)鍵的研究內(nèi)容。本文以動態(tài)擠出硫化法為基礎(chǔ)，結(jié)合溫度傳感器，研究一種智能整芯阻燃帶的生產(chǎn)方法，介紹基于該方法生產(chǎn)智能整芯阻燃帶所需要的材料、設(shè)備以及配方工藝，最終對其阻燃性與智能性等方面進行全面評估。結(jié)果表明，本研究將為智能整芯阻燃帶的推廣和應(yīng)用提供有力支撐，有望推動各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)在防火安全方面的新突破。

1 實驗過程

1.1 材料

硫化橡膠，型號NBR-70，耐熱溫度范圍-30～100 ℃，硬度70 Shore A，麥格納國際貿(mào)易(上海)有限公司；阻燃劑：納米氫氧化鋁，平均粒徑50 nm，寧波江東中化榮盛化工有限公司；增強劑：碳纖維，直徑7 μm，長度1～5 mm，青島中化橡膠助劑有限公司；填充劑：二氧化硅，平均粒徑10 μm，江蘇華磊新材料科技股份有限公司；智能感知元件：溫度傳感器，型號TS-501，測量范圍-40～150 ℃，精度±0.5 ℃，上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

開放式混煉機，廈門華澤工程橡膠機械有限公司；擠出機，型號E-2000，擠出量2000 g/h，擠出壓力20 MPa，寧波普鑫擠出機械有限公司；硫化加熱裝置，溫度控制范圍20～200 ℃，加熱功率5 kW，天津川崎重工機械設(shè)備有限公司；冷卻方式：水冷卻，冷卻水溫度5～25 ℃；酒精噴燈；耐火性測試儀，型號FRT-500，測試溫度范圍為室溫至1200 ℃，測試時間0～120 min，北京華能聯(lián)合實驗設(shè)備有限公司；拉伸試驗機，型號TensilePro，最大試驗力100 kN，測量范圍0～500 mm/min，東莞市華理精密機械設(shè)備有限公司；硬度計，型號HD-100，測量范圍0～100 Shore A，北京博林森光學(xué)技術(shù)有限公司。

1.3 覆蓋層膠料制備

選擇型號為NBR-70的硫化橡膠，按照總比例取80%，準確稱取所需數(shù)量，并放入橡膠混煉機中進行混煉，以獲得均勻的硫化橡膠料，之后將納米氫氧化鋁按照總比例10%加入橡膠混煉機中，與硫化橡膠料一起進行充分混合，利用橡膠混煉機進行攪拌和熱處理，確保阻燃劑均勻分散在硫化橡膠中，以提高整芯阻燃帶的耐火性能。隨之將碳纖維按照比例5%加入到混煉機中，與硫化橡膠和阻燃劑進行混合，通過加入碳纖維增強整芯阻燃帶的機械強度，使其具有更好的抗拉強度和耐磨性。最后按照配方比例5%加入二氧化硅，與硫化橡膠、阻燃劑和碳纖維一起進行充分混合，通過加入填充劑改善整芯阻燃帶的加工性能，使其更易于擠出和成型，同時降低成本。全程將混煉機的混煉速度控制為250 r/min，在混煉溫度上升至75 ℃時開始記錄時間，混煉30 min后停止混煉，獲得覆蓋層膠料。

1.4 阻燃帶成型

打開型號為E-2000的擠出機并調(diào)整2000 g/h擠出量和20 MPa擠出壓力，確保擠出機內(nèi)的覆蓋層膠料處于所需溫度狀態(tài)，預(yù)熱擠出機至設(shè)定溫度范圍。將預(yù)先準備好的覆蓋層膠料送入擠出機的進料口，同時確保覆蓋層橡膠料處于連續(xù)供給狀態(tài)，目的是確保擠出帶狀物具有良好的均勻性。在擠出過程中控制擠出速度和溫度，以確保膠料在動態(tài)擠出過程中完成硫化反應(yīng)。可根據(jù)不同情景需要，調(diào)整擠出機的參數(shù)，如擠出量和擠出壓力，以獲得所需的帶狀物尺寸和硫化程度，由此初步得到硫化橡膠帶。繼而，使用型號為FRT-500的硫化加熱裝置將動態(tài)擠出的硫化橡膠帶進行加熱處理，將溫度范圍設(shè)定為20～200 ℃，確保硫化反應(yīng)能夠充分進行，最后將冷卻水溫度設(shè)定為5～25 ℃，利用冷卻裝置對加熱后的硫化整芯阻燃帶進行冷卻固化，以穩(wěn)定其形態(tài)和性能。

1.5 溫度傳感器植入

TS-501溫度傳感器最高可監(jiān)測阻燃帶2.5 m的長度范圍，需要將溫度傳感器嵌入該段阻燃帶中間位置。根據(jù)需要使用切割工具將阻燃帶切割成合適長度，確保切割平整，避免損壞帶材。之后將傳感器的導(dǎo)線端去除絕緣層，并修剪導(dǎo)線長度，使其適合嵌入阻燃帶。再次使用切割工具于阻燃帶底側(cè)，根據(jù)傳感器的大小切割出凹槽，凹槽的四周長度略大于傳感器2 mm，確保傳感器能夠完全嵌入阻燃帶中，并且不與其他導(dǎo)線相短路。傳感器嵌入阻燃帶后，使用耐高溫膠水將傳感器牢固地固定在阻燃帶上，防止其在使用過程中松動或脫落，將前期制備的覆蓋層膠料覆蓋在傳感器上，反復(fù)涂抹直至阻燃帶表面呈光滑狀態(tài)，以此將傳感器完全嵌入在阻燃帶內(nèi)且不留縫隙，完成溫度傳感器的植入。

1.6 阻燃帶智能設(shè)定

TS-501溫度傳感器自身帶有感應(yīng)傳輸模塊，可與市面上絕大多數(shù)監(jiān)測設(shè)備匹配連接[3]。基于目前所普及的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感器與計算機以無線方式建立連接，計算機中采用AWS IoT Core作為感應(yīng)數(shù)據(jù)處理平臺，AWS IoT Core是一個全托管的物聯(lián)網(wǎng)平臺，可提供各種功能用于連接和管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。將溫度傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備注冊到AWS IoT Core中，并通過MQTT或HTTPS等協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，同時在AWS IoT Core上結(jié)合Firebase Realtime Database云端數(shù)據(jù)庫用于存儲實時數(shù)據(jù)，在控制臺中創(chuàng)建圖表和趨勢圖來呈現(xiàn)傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)輸送至其他移動設(shè)備，達到更加方便對阻燃帶溫度數(shù)據(jù)進行監(jiān)測的目的，實現(xiàn)整芯阻燃帶智能監(jiān)測溫度的效果，至此完成智能整芯阻燃帶的制備。

2 結(jié)果與分析

2.1 性能測試結(jié)果

正常使用基于動態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)的智能整芯阻燃帶時，需要確保其具有良好的阻燃性、機械性以及智能性。基于此目標，本文選取長2 m、寬25 mm的智能整芯阻燃帶，分別針對阻燃性、機械性以及智能性三種性能進行測試，將部分測試結(jié)果數(shù)據(jù)與國家標準MT/T 914—2008《煤礦用織物整芯阻燃輸送帶》中標準數(shù)據(jù)相對比，以作為通過動態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)的智能整芯阻燃帶性能評測的依據(jù)。

2.1.1 阻燃性測試結(jié)果

根據(jù)標準的性能參數(shù)要求，整芯阻燃帶在進行滾筒摩擦試驗時，阻燃帶任何部位均不發(fā)生燃燒現(xiàn)象，試驗使用FRT-500耐火性測試儀測量滾筒表面溫度，使用酒精噴燈對阻燃帶進行有焰燃燒測試，并記錄燃燒時間，兩種試驗分別進行3次，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 阻燃性測試結(jié)果

分析表1中阻燃性測試的結(jié)果可知，滾筒摩擦試驗中，阻燃帶表面溫度最高271 ℃，最低252 ℃，3次測試的平均溫度為263.6 ℃；有焰燃燒試驗中，燃燒的最高時間為2.64 s，最低為2.17 s，3次測試的平均時間為2.44 s。2個實驗項目的測試結(jié)果均低于標準值，滿足標準中對阻燃帶阻燃性能的要求。

2.1.2 機械性測試結(jié)果

整芯阻燃帶的機械性能主要包含阻燃帶拉伸強度(MPa)、阻燃帶拉斷伸長率(%)以及磨耗量(mm3)，分別采用TensilePro拉伸試驗機與HD-100硬度計對整芯阻燃帶的機械性能進行測試，將阻燃帶兩端分別固定在拉伸試驗機的夾持器上，以100 mm/min±20 mm/min的恒速對阻燃帶連續(xù)拉伸，直至阻燃帶斷裂為止，其中拉伸強度α的計算公式為：

式中：F為阻燃帶被拉斷時的拉斷力(N)；B為阻燃帶的寬度(mm)。

拉斷伸長率β的計算公式為：

式中：L1為阻燃帶初始長度，也為拉伸機初始標距(mm)；L0為阻燃帶拉斷時的標距(mm)。

針對3個實驗項目分別進行3次試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 機械性測試結(jié)果

分析表2中機械性能測試的結(jié)果可知，阻燃帶拉伸強度試驗中，阻燃帶拉伸強度最高為12.8 MPa，最低為11.5 MPa，3次平均拉伸強度為12.1 MPa；拉斷伸長率試驗中，拉斷伸長率最高為420%，最低為376%，3次平均拉斷伸長率為403%；磨耗量試驗中，最高磨耗量為174 mm3，最低為146 mm3，3次平均磨耗量為160 mm3。3個實驗項目的測試結(jié)果均滿足標準中對阻燃帶機械性能的要求。

2.1.3 智能性測試結(jié)果

將嵌入阻燃帶中的溫度傳感器分別與一臺計算機和一臺移動平板設(shè)備建立連接，于計算機中在AWS IoT Core感應(yīng)數(shù)據(jù)處理平臺上創(chuàng)建溫度采集表，同樣采用阻燃性測試中的酒精噴燈與FRT-500耐火性測試儀，主要測試阻燃帶在不同溫度下，溫度傳感器對外傳輸數(shù)據(jù)的延遲時間以及傳輸?shù)酵膺B設(shè)備記錄顯示的溫度數(shù)值與實際溫度值的誤差，誤差小于3 ℃即為合格，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 智能性測試結(jié)果

分析表3中智能性測試的結(jié)果可知，5次溫度值采集中，溫度誤差最高為1.5 ℃，最低為0.4 ℃；傳輸時間最高為29 ms，最低為16 ms，均能滿足正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.2 性能分析

分析阻燃帶各項性能測試的結(jié)果可知，動態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)的智能整芯阻燃帶在滾筒摩擦與有焰燃燒的測試中，體現(xiàn)出良好的阻燃性，在實際應(yīng)用中可有效防止火災(zāi)蔓延，隔離火焰和高溫；在機械性能測試中，阻燃帶具有可滿足不同運用場景的拉伸強度和硬度，可以在一定程度上吸收沖擊和變形，從而降低應(yīng)力集中，以確保阻燃帶能夠在實際應(yīng)用中滿足阻燃要求并保持其功能和安全性；在智能性測試中，相關(guān)人員可實時監(jiān)測阻燃帶的溫度數(shù)據(jù)，并且隨著溫度環(huán)境的提升，采集溫度的準確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性均可持續(xù)穩(wěn)定運行，變化趨勢亦在正常使用的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出優(yōu)異的智能性。

3 結(jié)論與討論

(1)本研究成功采用動態(tài)擠出硫化法生產(chǎn)智能整芯阻燃帶，并實現(xiàn)了阻燃性能和智能化水平的雙重提升。采用硫化橡膠、氫氧化鋁、碳纖維及二氧化硅做覆蓋層主要原料，生產(chǎn)的輸送帶黏合強度高，具有優(yōu)異的機械性能與阻燃性能，極大提升了阻燃帶的使用壽命和安全性。

(2)該技術(shù)加工工藝簡單、能源消耗低，通過E-2000擠出機在2000 g/h擠出量和20 MPa擠出壓力下，高溫高壓狀態(tài)動態(tài)連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。

(3)通過嵌入溫度傳感器，為阻燃帶提供了智能溫度感知能力，為相關(guān)人員了解阻燃帶應(yīng)用狀態(tài)提供了更多便利，能夠有效監(jiān)測溫度以預(yù)防火災(zāi)風(fēng)險。

因此，該智能整芯阻燃帶具有較大的潛在應(yīng)用價值，可廣泛應(yīng)用于電線電纜等領(lǐng)域，可提升產(chǎn)品的安全性和可靠性。