CN113956554B - 用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料及其制备方法，该氢化丁腈橡胶材料包括，氢化丁腈橡胶，顺丁橡胶，炭黑，活性硅粉，棉短纤维，双(2‑(2‑丁氧基乙氧基)乙氧基)甲烷，混合性醚酯，纳米活性氧化镁，纳米活性氧化锌，防老剂，硬脂酸，橡胶耐磨剂，烷基酚乙炔树脂，三烯丙基异氰脲酸酯，2,5‑二甲基‑2,5‑二(叔丁基过氧基)‑3‑乙炔。本发明通过将氢化丁腈橡胶材料的研发，实现了降低材料表面粘性的同时，提高了耐摩擦和表面防划伤的能力，对原有的回弹性影响小，且显著改善了工艺操作性，制造工艺简单可靠稳定，适用于光学纤维丝自动拉丝的机械手夹爪材料。本发明还涉及一种氢化丁腈橡胶的制备方法。

Description

用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学纤维制造加工技术领域，特别是涉及一种用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料及其制备方法。
背景技术
光纤传像元件包括光学纤维面板、光学纤维倒像器、光学纤维光锥以及光纤传像束等，是一种性能优异的光电成像元件，具有结构简单、体积小、重量轻、分辨率高、数值孔径大、级间耦合损失小、传像清晰、真实、传光效率高、在图像传输上具有光学零厚度以及能改善边缘像质等特点。光纤传像元件被广泛地应用于军事、刑侦、夜视、航天、医疗等领域的各种阴极射线管、摄像管、电荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)耦合、医疗器械显示屏以及高清晰度电视成像和其他需要传送图像的仪器和设备中，是本世纪光电子行业的高科技尖端产品。
光纤传像元件是将高折射率玻璃棒和低折射率玻璃管匹配组合，经过加热炉的高温加热软化后经过单丝拉制、一次复丝拉制、二次复丝拉制等过程制成单元纤维丝径小于6μm的光学纤维丝，然后再将成千上万根单元纤维丝径小于6μm的光学纤维经紧密堆积排列后，再经热熔压成型，然后扭转成型或拉制成型制备得到可传递图像的硬质光纤传像元器件。光纤传像元件中的每根光学纤维都具有很好的光学绝缘性，因此每根光学纤维都能够独立传光传像，而不受临近其它光学纤维的影响。光纤传像元件主要用于阴极射线管、摄像管、像增强器等需要传送图像的仪器和设备中，因此对产品制作工艺要求极高，特别是光学纤维丝的拉制过程，其是光学纤维类产品制备过程中的关键过程工序，其是将匹配好的光纤拉制预制棒在拉丝炉中高温加热软化，然后依靠重力下垂，再通过光学纤维丝的拉制牵引装置将软化下垂的光学纤维丝夹紧后匀速向下拉制。光学纤维拉丝工艺的不同，决定了光学纤维类产品的丝径尺寸不同，而光学纤维丝的拉制过程决定了光学纤维类产品的光学纤维丝径尺寸、垂直度、光学纤维丝表面质量、扭丝度、椭圆度等质量指标，特别是对于制备硬质光纤传像元件的光学纤维丝，需要经过单丝拉制、一次复丝拉制、二次复丝拉制的过程。特别是二次复丝，是由多根单纤维丝排列组成的母棒拉制而成的一次复丝再排列再拉制而成，其表面是由很多根光学纤维排列后，结合形成的锯齿状面，经过多次复合排列和拉制后，光学纤维表面锯齿齿数随排列次数倍增，二次复丝的皮层厚度也越来越薄，其表面皮层玻璃厚度薄至0.2～0.3μm，稍有触碰和摩擦即会造成光学纤维皮层的破损，从而造成光学纤维的“漏光”，使得制备出的光纤传像元件内部产生“斑点”或“网格”缺陷，极大的降低了光纤传像元件的生产质量和产品合格率。
采用机械手拉丝的方式与传统的轮拉和抱拉两种方式不同，轮拉和抱拉都是依靠橡胶表面挤压向下牵引拉制光学纤维，但是机械手拉丝主要依靠夹爪的夹持力和夹爪材料的摩擦力实现对光学纤维的拉制。光学纤维丝的拉丝机构的夹爪材料是光学纤维丝拉制过程中的关键材料，直接与光学纤维丝接触，其性能直接关系到光学纤维拉丝的丝径尺寸的稳定性和丝径表面的质量及表面质量的稳定性。采用机械手自动拉丝的方式，由于其是夹住后直上直下的牵引拉制方式，所以其表面的夹爪材料必须满足五个条件：
一是夹爪材料需要能耐高温，光学纤维丝经过拉丝炉和测径仪后到达机械手夹爪后，其表面温度仍然能高达200～300℃，因此夹爪材料需要能承受如此高的温度而不发生表面变形或与光学纤维丝发生熔融粘连；
二夹爪材料需要能防滑，夹爪材料夹住光学纤维后需要防滑，其硬度不能太大，硬度太大会导致拉丝时打滑，夹不住光学纤维丝，硬度也不能太小，否则会使光纤丝与夹爪发生粘连；
三是夹爪材料需要一定的耐磨性，防止光学纤维丝拉丝过程中发生打滑或者粘连，其经过反复牵引拉制光学纤维丝后表面不能产生颗粒或粉末掉落，否则会污染光学纤维丝的表面，产生“斑点”缺陷；
四是夹爪材料需要具有很好的回弹性，也就是其弹性要好，但是如果弹性太大，光学纤维丝很容易与其发生粘连，弹性太小会使得拉制过程发生打滑；
五是夹爪材料需要具有抗静电效果，夹爪材料表面不能吸附杂质或者灰尘颗粒，以免将杂质粘附在光学纤维丝上。
橡胶是一种经过加工后制成的具有弹性、绝缘性的材料，是一种高弹性的高分子材料，被广泛应用于工业和生活各个方面，使用橡胶后经常使得光学纤维的表面出现破损和划伤、光学纤维的丝径精度和椭圆度也无法保持稳定，严重制约了光纤传像元件的性能提高；天然橡胶在常温下具有较高的弹性，但是其耐高温性能差，容易老化，耐磨性差，容易产生摩擦颗粒物，使用寿命较短，且使用过程中掉屑严重；市场上现有的聚氨酯材料具有耐磨耗、耐化学腐蚀等优点，但是耐热性差，一般使用温度不超过80℃；丁腈橡胶等材料尽管耐磨性和耐热性较好，但是由于耐老化性能太差，磨损严重，使用寿命短，不适宜用于牵引拉丝的过程；而硅橡胶材料的反弹性能优越，但是耐磨性差，且其表面黏性太大，容易吸附灰尘，在拉丝过程中会影响光学纤维丝表面的清洁甚至发生与光学纤维丝粘连。
现有的光学纤维丝的夹爪材料无法满足高性能光纤传像元件的性能要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料及其制备方法，该材料是一种表面去粘性的有机材料，具有硬度合适，回弹性优良，耐高温性能好，摩擦阻力大，稳定性强，耐磨和防滑性能优良的特点。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料，包括以下重量份的组分：
Figure BDA0003345610370000031
Figure BDA0003345610370000041
进一步地，所述炭黑包括：
炭黑N550                               50-55份
炭黑N990                               5-10份。
所述混合性醚酯选自邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯和己二酸二辛脂中的至少一种。
所述防老剂选自辛基化二苯胺、N,N'-二(β-萘基)对苯二胺和N,N–二正丁基二硫氨基甲酸镍中的至少一种；
其中：
辛基化二苯胺                          0.1-1份
N,N'-二(β-萘基)对苯二胺               0.1-1份
N,N–二正丁基二硫氨基甲酸镍            0.1-1份。
所述硫化剂为三烯丙基异氰脲酸酯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔中的至少一种；
其中：
三烯丙基异氰脲酸酯                        1-5份
2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔    1-5份。
本发明提供的优选的技术方案，一种用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料，包括以下重量份的组分：
Figure BDA0003345610370000042
Figure BDA0003345610370000051
本发明还提供一种所述的用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)取原材料进行配料；
(2)将氢化丁腈橡胶和顺丁橡胶置于密炼机或开炼机中上塑炼混合，加入炭黑、活性硅粉、棉短纤维、双(2-(2-丁氧基乙氧基)乙氧基)甲烷，硬脂酸和防老剂，混合均匀；然后加入纳米活性氧化镁、纳米活性氧化锌、混合性醚酯、橡胶耐磨剂、烷基酚乙炔树脂，混合均匀后出片；出片后放置36～48小时，再进行均匀混合后，得到混炼胶，将混炼胶置于密炼机或开炼机中，加三烯丙基异氰脲酸酯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔，混合均匀，得到氢化丁腈橡胶材料。
进一步地，其中，加硫化剂的开炼机的辊温50-80℃；未加硫化剂的密炼机的密炼室温度140-160℃。
进一步地，在加三烯丙基异氰脲酸酯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔，混合均匀出片后，将得到的半成品放入冷水中或在冷却架上冷却降温至25℃。
本发明还提供一种上述的制备方法制备得到的氢化丁腈橡胶材料在拉丝机机械手夹爪上的应用。
本发明通过将氢化丁腈橡胶(HNBR)材料的研发，实现了降低材料表面粘性的同时，提高了耐摩擦和表面防划伤的能力，对原有的回弹性影响小，且显著改善了工艺操作性，制造工艺简单可靠稳定，适用于光学纤维丝自动拉丝的机械手夹爪材料。
氢化丁腈橡胶(HNBR)是通过对丁腈橡胶(NBR)烃链上的不饱和烯烃链段进行选择性加氢而制得的性能优良的特种橡胶，具有耐油、耐腐蚀、耐臭氧、耐候、耐辐射等优点，被广泛应用于汽车、石油、机械、航空等工业。
本发明中，氢化丁腈橡胶是烃链上的不饱和双键被氢化还原成饱和键，故也称为高饱和丁晴橡胶。因此氢化丁腈橡胶耐高温性能，按氢化度的高低可耐不同温度，本发明中采用氢化丁腈橡胶A3406作为主原材料；
顺丁橡胶具有优异的耐磨性能，抗疲劳性，延长了橡胶垫片的使用寿命，使得光学纤维丝与橡胶垫片接触位置不易损坏，本发明中采用顺丁橡胶BR9000；
炭黑N550提高橡胶的拉伸强度、弹性等作用，流动性好；
炭黑N990大粒径炭黑可以有效增加橡胶表面粗糙程度，从而提高摩擦系数，使橡胶和夹具直接不容易滑动；
活性硅粉具有易分散，胶料挺性好，胶料弹性优异耐磨好；
棉短纤维主要成分是棉，具有棉纤维的理化性能，加入后对胶料的基本特性没有影响，能够提高橡胶垫片的摩擦系数，增加摩擦力，有效防止与金属夹具的滑脱；
双(2-(2-丁氧基乙氧基)乙氧基)甲烷与氢化丁腈橡胶具有优异的相容性，耐高低温、抗静电、抗疲劳，是一种非常优异的增塑剂，本发明优选采用HALLSTAR TP-90B；
混合性醚酯是一种低挥发性、耐热耐寒更好的混合型增塑剂，与氢化丁腈橡胶有良好的相容性且环保无毒，本发明所述混合性醚酯选自邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯和己二酸二辛脂中的至少一种；
纳米活性氧化镁MgO是化学反应的活性剂，还具有改善配方耐热性的功能；
纳米活性氧化锌ZnO是化学反应的活性剂；
防老剂辛基化二苯胺(ODA)是防止橡胶老化胺类类防老剂，耐热老化性能优异并对热氧屈挠、龟裂有防护作用；
防老剂N,N'-二(β-萘基)对苯二胺(DNP)是防止橡胶老化的胺类防老剂，耐热老化性能优异并有抗铜、锰等有害金属作用；
防老剂N,N–二正丁基二硫氨基甲酸镍(NBC)防止橡胶老化的杂环类防老剂，对老化龟裂及屈挠龟裂有较好的防护作用；
硬脂酸是化学反应活化剂；
橡胶耐磨剂，双异丙基硼氧烷聚碳酸酯短纤维能够大大提高橡胶的耐磨性、抗屈挠性、抗撕裂性，降低胶料初始门尼粘度改善加工流变性能；本发明优选采用SD1513，也可使用DIN-150A(硅烷类偶联剂和聚合物载体)、SI69(硅烷偶联剂)；
烷基酚乙炔树脂，为橡胶加工以及硫化成制品后均提供自黏性，黏性保持时间久，优于一般增粘树脂，同时也为橡胶垫片增加了摩擦系数，本发明优选采用HY-2006；
三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)，硫化交联助剂；
2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔(TBPH-3)，硫化剂使橡胶发生交联反应具有弹性,无毒无味。
本发明的氢化丁腈橡胶(HNBR)材料是一种性能优良的耐温材料，其耐温范围广，在-20-200℃的温度范围内都可以正常工作，具有突出的环境兼容性；传统的橡胶材料主要靠增大原料的颗粒度增加其摩擦性能，却会牺牲材料的回弹性，在一定程度上影响材料的耐磨性能，因此单一的橡胶材料很难满足生产工艺需要，无法保证生产工作的稳定性，因此需要具有更好的弹性，同时还要减少材料中的有害物质，减少对环境产生的危害。
与现有技术相比，本发明的一种用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料的有益效果是：
(1)能耐大于200℃以上高温不软化变形，不与光学纤维丝粘连；
(2)邵氏硬度78～82HA，回弹性优良，拉丝过程中不与纤维丝发生粘连；
(3)耐磨性能优良，摩擦阻力大，摩擦系数为0.32，磨耗体积小于0.03cm3；
(4)回弹性好，拉伸强度大于10.0MPa，撕裂强度大于5.0KN.m，断裂伸长率大于60％；
(5)本发明通过机械夹爪材料无损伤接触光学纤维丝进行匀速稳定的牵引拉制，实现了光学纤维丝在拉丝过程更加稳定，不会发生扭丝和拉丝过程打滑的现象，减少了光学纤维丝在拉制过程中表面接触和皮层磨损，提高了光学纤维丝拉制的表面质量和光学纤维丝的丝径尺寸的稳定性，能够拉制出无损伤、无污染的光学纤维丝，其拉制的光学纤维丝的丝径尺寸精度能控制在±3μm以内，其椭圆度变化差值能控制在±2μm以内。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对本发明的一种用于光学纤维全自动无损伤立式拉丝机的机械夹爪材料所测定的参数及测定方法如下：
(1)耐热性，GB/T 2941-1991《橡胶式样环境调节和实验的标准温度、湿度及时间》；
(2)邵氏硬度，GB/T531-2008《橡胶袖珍硬度计压入硬度试验方法》；
(3)摩擦系数，HG/T2729-1995《硫化橡胶与薄片摩擦系数的测定》；
(4)磨耗体积，GB/T1689-1998《硫化橡胶耐磨性能的测定》；
(5)拉伸强度，撕裂强度，断裂伸长率，GB/T528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》。
表1实施例的重量份数及其性能
Figure BDA0003345610370000081
Figure BDA0003345610370000091
从表1可看出：
(1)本发明的耐热性最低为203℃，说明其能耐大于200℃以上高温不软化变形，不与光学纤维丝粘连；
(2)邵氏硬度78～82HA，回弹性优良，拉丝过程中不与纤维丝发生粘连；
(3)耐磨性能优良，摩擦阻力大，摩擦系数为0.32，磨耗体积小于0.03cm3；
(4)拉伸强度最低为12MPa，撕裂强度最低为5.5KN.m，断裂伸长率最低为62％，具有良好的回弹性。
实施例1
一种用于拉丝机机械手夹爪的氢化丁腈橡胶材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照表1给出的各组分的组成进行原材料的配料；
(2)将80kg氢化丁腈橡胶和20kg顺丁橡胶置于密炼机中上塑炼混合，加入52kg炭黑N550、6kg炭黑N990、10kg活性硅粉、20kg棉短纤维、45kg双(2-(2-丁氧基乙氧基)乙氧基)甲烷，0.5kg硬脂酸、防老剂1kgODA、0.8kgDNP kg和0.5kgNBC，混合均匀；然后加入5kg纳米活性氧化镁、4kg纳米活性氧化锌、5kg混合性醚酯、3kg橡胶耐磨剂SD1513、4kg烷基酚乙炔树脂HY-2006，混合均匀后出片，得到混炼胶；将放置36～48小时的混炼胶再置于密炼机中，加1.8kg三烯丙基异氰脲酸酯和3.7kg2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔，混合均匀出片后，将得到的半成品放入冷水中或在冷却架上冷却降温至25℃，得到氢化丁腈橡胶材料。
其中，加硫化剂开炼机的辊温60℃；未加硫化剂密炼机密炼室温度150℃。
实施例2
按照表1给出的各组分的组成进行原材料的配料；制备方法和实施例1相同，所不同的是混合性醚酯选自邻苯二甲酸二丁酯；
其中，加硫化剂开炼机的辊温50℃；未加硫化剂密炼机密炼室温度140℃。
实施例3
按照表1给出的各组分的组成进行原材料的配料；制备方法和实施例1相同，所不同的是混合性醚酯选自己二酸二辛脂；
其中，加硫化剂开炼机的辊温80℃；未加硫化剂密炼机密炼室温度160℃。
实施例4
按照表1给出的各组分的组成进行原材料的配料；制备方法和实施例1相同，所不同的是混合性醚酯选自邻苯二甲酸二辛酯0.5kg、邻苯二甲酸二丁酯0.5kg和己二酸二辛脂1kg；
其中，加硫化剂开炼机的辊温70℃；未加硫化剂密炼机密炼室温度145℃。
实施例5
按照表1给出的各组分的组成进行原材料的配料；制备方法和实施例1相同，所不同的是混合性醚酯选自邻苯二甲酸二丁酯0.5kg和己二酸二辛脂0.5kg；
其中，加硫化剂开炼机的辊温65℃；未加硫化剂密炼机密炼室温度155℃。
本发明通过机械夹爪材料无损伤接触夹紧的方式与光学纤维丝接触，然后进行匀速牵引拉制，使得光学纤维丝的拉丝过程更加稳定，不会发生扭丝和拉丝过程打滑的现象，减少了光学纤维丝在拉制过程中的表面接触和皮层破损，提高了光学纤维丝拉制的表面质量和光学纤维丝的丝径尺寸的稳定性。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种拉丝机机械手夹爪，其特征在于，拉丝机机械手夹爪为氢化丁腈橡胶材料，所述氢化丁腈橡胶材料包括以下重量份的组分：
Figure FDA0004082595710000011
所述炭黑包括：
炭黑N550                               50-55份
炭黑N990                               5-10份；
所述硫化剂为三烯丙基异氰脲酸酯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔中的至少一种；
其中：
三烯丙基异氰脲酸酯                     1-5份
2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔1-5份；
所述混合性醚酯选自邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯和己二酸二辛脂中的至少一种；
所述防老剂选自辛基化二苯胺、N,N'-二(β-萘基)对苯二胺和N,N–二正丁基二硫氨基甲酸镍中的至少一种；
其中：
辛基化二苯胺0.1-1份
N,N'-二(β-萘基)对苯二胺0.1-1份
N,N–二正丁基二硫氨基甲酸镍0.1-1份。
2.根据权利要求1所述的拉丝机机械手夹爪，其特征在于，包括以下重量份的组分：
Figure FDA0004082595710000021
3.一种权利要求1或2所述的拉丝机机械手夹爪中的氢化丁腈橡胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取原材料进行配料；
(2)将氢化丁腈橡胶和顺丁橡胶置于密炼机或开炼机中上塑炼混合，加入炭黑、活性硅粉、棉短纤维、双(2-(2-丁氧基乙氧基)乙氧基)甲烷，硬脂酸和防老剂，混合均匀；然后加入纳米活性氧化镁、纳米活性氧化锌、混合性醚酯、橡胶耐磨剂、烷基酚乙炔树脂，混合均匀后出片；出片后放置36～48小时，再进行均匀混合，得到混炼胶，再将混炼胶置于密炼机或开炼机中，加三烯丙基异氰脲酸酯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔，混合均匀，得到氢化丁腈橡胶材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，其中，加硫化剂的开炼机的辊温50-80℃；未加硫化剂的密炼机的密炼室温度140-160℃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在加三烯丙基异氰脲酸酯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)-3-乙炔，混合均匀出片后，将得到的半成品放入冷水中或在冷却架上冷却降温至25℃。
6.一种根据权利要求3-5任一项所述的制备方法制备得到的氢化丁腈橡胶材料在拉丝机机械手夹爪上的应用。
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