新型环保聚氨酯胶辊的发展与应用

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摘要：由于制造设备与工艺技术的突破，新型聚氨酯胶辊较之丁腈橡胶胶辊在纺纱各项性能如高弹性、高耐磨、抗静电、耐老化等指标更加具有优势。目前，已开始用于大定量、重加压、高速度的新型纺纱装置及设备上，近来开发研制的超软弹性胶辊可以满足高支纱生产领域需求。可以预见不久将来聚氨酯胶辊是牵伸胶辊的发展方向。

关键词：聚氨酯胶辊；高性能；节能环保；软弹性；稳控制

中图分类号：TS103.823 文献标志码：A

Development and Application of New Environment-friendly Polyurethane Rubber Roller

Abstract： Thanks to innovative manufacturing equipment and technology， polyurethane rubber roller has more advantages than butadiene-acrylonitrile rubber roller in terms of elasticity， abrasion-resistance， antistatic property and resistance to aging. At present， polyurethane rubber roller has been widely used in new spinning machines with high spindle number， heavy weighting and high speed. The super soft and elastic rubber roller developed in recent years can meet the demand for producing high-end and high-count yarn， indicating that polyurethane rubber roller represents main developing trend of drafting roller in the future.

Key words： polyurethane rubber roller； high-performance； energy-saving and environment-friendly； soft elastic； stable control

随着科学技术的迅猛发展及新材料、新工艺、新设备、新技术的推动，聚氨酯的运用无所不在，其优异的物理、化学性能扩展了使用范围。近些年，聚氨酯胶辊胶圈逐步在纺织生产中运用，但由于研究不系统、设备不精良，总体性能与丁腈胶辊仍有不小差距。随着新型纺纱设备如紧密纺、ROCOS纺、赛络紧密纺、喷气涡流纺、高速细纱机和高速转杯纺的大量使用，急需新一代性能更加全面、操作维修简单、节能环保、性价比高的胶辊，来满足重定量、重加压、大牵伸工艺的要求。聚氨酯就其弹性体的物理、化学性能来看，它具有极大的可行性、可操作性，将替代羧基橡胶作为主体材料制造各类纺纱胶辊。事实上，目前已经开发出聚氨酯系列产品在各类新型纺纱设备上运用，并取得了不菲成效。

1 高速、优质、耐磨、长寿的胶辊

1.1 适应高速的器材

世界纺纱技术在近几十年发展飞速，纺纱单机普遍向高速、智能化、自动化方向发展。并条机线速度100 ～ 1 000 m/min，精梳机每分钟工作钳次从130钳次/min发展至今超过500钳次/min。细纱纺纱不再是单一通过环锭纺钢领钢丝圈同时加捻卷绕及利用罗拉牵伸方式，代之也可通过气流或机械形式进行加捻及牵伸，从而使纺纱速度迅速提高。以环锭20S纱为例，纺纱线速度不过30 m/min左右，转杯纺提高到100 m/min以上，最新的逼近200 m/min，但涡流纺及喷气涡流纺线速度更是逼近500 m/min。其他纺纱有摩擦纺、紧密纺、赛络纺（包括赛络菲尔纺）、赛络紧密纺、扭力纺、嵌入纺、介入纺等各种形式纺纱。这些技术快速发展，相比较不少器材发展出现明显滞后，最典型的的是胶辊胶圈。开始反映最多的是紧密纺和涡流纺，紧密纺因为导纱动程几乎不变，且加压相对增大，胶辊寿命短的只有一个多月。为了延长寿命，丁腈胶辊厂家改进配方，增加胶料，补强填充剂及抗老化材料，但很快质量下降，无法两全。涡流纺的高速对胶辊损伤更是致命性的，纯涤不过一周就起槽，涤棉20来天，如果延长使用则影响质量。目前，唯一解决办法只能缩短使用周期，加强管理。

1.2 胶辊制作与使用滞后带来的问题

我国目前生产丁腈胶辊的设备与国际先进水平差距较大，用工较多。最近比较了国内两家生产胶辊的厂，产值同样以1.2亿元计算，一个用工600人，一个用工仅40人，劳动生产率相差15倍，而前者丁腈橡胶制作设备相对落后，造成胶辊及胶圈批与批质量不稳定。而采用现代化连续化独特工艺的聚氨酯胶辊生产线就克服了此类问题。同样，纱厂面临用工紧张及难招人的局面，这其中有收入太低等因素，但在不少中小企业为何一到夏季人员大量流失，就是因为夏季细纱生活难做，加上空调不到位，造成胶辊粘花卷绕、断头增加，挡车工顾此失彼，劳动强度明显增加。如果配用一些优质的器材，尤其是胶辊胶圈、钢领钢丝圈，千锭时断头控制在10根左右，皮辊花及回丝减少，挡车工满意，还有走的理由吗？只有劳动生产率得到进一步提高，质量得到稳定，总的生产成本一定会下降。

1.3 聚氨酯工艺复杂、成本因素阻碍大面积推广

聚氨酯是采用聚醇和异氰酸酯反应制得，在工业领域有 3 种加工方式：混炼型和热塑型分别是固体胶状与线型聚合物，工艺简单、成本相对较低，但总体性能未超过丁腈橡胶；浇注型是最能发挥及体现聚氨酯物理与化学性能的加工方法，采用聚醇、异氰酸酯、扩链剂等配合剂经二步法或一步法合成的线型液态聚合物，但材料本身的性能、成本高和选用工艺方法的差异等，要求加工设备性能高、流程长、工艺复杂，尽管可以做到新一代纺纱性能超过丁腈橡胶胶辊的聚氨酯胶辊，但生产厂难以大面积生产与推广。

1.4 更加环保的胶辊胶圈

目前使用的丁腈橡胶胶辊胶圈按照国家环保要求存在两个问题：

（1）胶辊胶圈在制造过程的车间现场不环保，特别是设备简陋的厂家，丁腈橡胶以硫磺作为交联剂，经加工而得，硫化过程对环境有一定污染，为留住操作工，工资高出几倍；

（2）使用胶辊的厂家防止生产过程卷绕，尤其化纤及其混纺品种不得不采用表面处理，不外乎各类污染环境的化学处理，采用酸、硫化物等，有层处理采用生漆、尼龙、树脂等，化学涂层处理采用双组分涂料等来满足导电性、吸放湿性，让胶辊表面改性，达到滑、爽、燥。

但多数厂在表面处理过程操作工没有相关化工防护装置，严重者烧伤皮肤，有些是致癌毒性物质，有的过期涂料及多余酸料随意向外面倒泄，造成草地树木枯萎。事实上，国外同行们早已摒弃涂料处理，光照处理至少在发达国家已经全部实行。不处理胶辊的推广在一定程度上可改善现状，但实际使用中涂料盛行，生产差别化及化纤品种的厂家对这种依赖属于无奈。

1.5 丁腈橡胶胶辊胶圈与国外同类产品差距短时间难

以突破

纺纱用胶辊的主体材料广泛地采用丁腈橡胶（NBR）或羧基丁腈橡胶（XNBR），辅以各类添加剂，以硫磺作为交联剂，经加工而得。在丁腈胶辊胶圈经过多年努力虽然取得不菲成绩，但由于国外高端胶辊对制作工艺严格保密，总体上存在以下差距：

（1）某些企业内部管理不严密，产品批与批之间质量不稳定，为达到耐磨、耐油、耐老化、抗静电、弹性好等指标配方成分达到十几种，如果每批成分不一致，即出现批颜色不一、白粉头、色斑点、表面杂质及气孔等；

（2）生产过程配料、投放计量与炼胶时间、硫化工艺是否准确，炼胶次数保证，胶料停放时间及保存是否落地等；

（3）模压加工有否过滤机减少在压缩机出现气孔与杂质。

所以，丁腈胶辊胶圈制造设备自动化程度低，人工干扰因素较多，劳动生产率偏低，要满足各类新型纺纱高速、高耐磨、高质量及高适纺的总体质量难以有更大突破。就目前水平看，同等工艺条件下，进口的胶辊使用寿命是国产的1 ～ 2 倍，在 2 年内硬度变化为1°左右，而国产在3°左右；国产胶辊吸放湿性能仅为国外的60%左右；在适纺性上国产胶圈抗静电效果不如国外，我国某品牌胶圈全衰期在15 s左右，美国阿姆斯壮7848胶圈全衰期仅 1 ～ 2 s。其他，在撕扯强力、抗延伸性、抗变形性、弹性上均有不小差距。能否避开与国外在丁腈橡胶生产领域的竞争，另辟蹊径，在研制新型聚氨酯胶辊胶圈能否依据国情，探讨性价比与整体性能更好的制作工艺与方法呼之欲出。

2 聚氨酯胶辊的研制

2.1 聚氨酯的优异特征

聚氨酯同其它合成橡胶相比具有以下优点：极高的耐磨耗；优异的力学性能，如抗张强度、伸长率、抗撕裂强度；高弹性，减震缓冲；优异耐化学腐蚀、耐高压荷重、耐辐射、耐油、耐低温；高强度、高承载；良好的与金属粘合力等优异性能；同时具有较宽的硬度范围，从邵尔A10到邵尔A100，目前已有超过邵尔A100及以上的产品；比金属弹簧耐冲击，不伤模具。缺点是：由于材料因素，任何聚氨酯材料遇水都会出现降解、分解。但纺纱是控制在一定温湿度条件下生产，只要不在水中作业，完全不必担心出现任何负面作用。聚氨酯相关物理指标见表 1。

2.2 浇注型加工方式

浇注型加工方式是最能实现聚氨酯优异性能的方法。浇注型聚氨酯弹性体（简称CPU）是聚氨酯弹性体中应用最广、产量最大（占2/3）的一种，其独特工艺可以满足纺纱所需的绝大多数参数；热塑型（TPU）、混炼型（MPU）不适合制作高端精细的产品。经过多年研究，充分挖掘聚氨酯弹性体的物理、化学性能，它具有极大的可行性、可操作性，将替代丁腈橡胶作为主体材料制造各类纺纱胶辊。可以预见，通过工艺配方的突破可以实现聚氨酯胶辊在高档精梳纯棉高支纱生产中的大面积运用，从而聚氨酯纺纱胶辊将会给纺器制造业带来新一轮的技术革命。

2.3 从结构上分析丁腈橡胶与聚氨酯对纺纱过程的影

响

丁腈橡胶和纤维同属高分子聚合物，长链分子结构相似，易粘附，其表面涩性重，粘附能力强，摩擦系数大。由于粘附棉蜡、油污，绕花现象严重。如果提高速度，界面分子链形成和断裂频率高，表面发生硬化效应。丁腈胶辊又是交联网络结构，分子间缠结作用强，对湿度极为敏感，湿度大，表面易形成水膜，粘性增加。聚氨酯橡胶因其结构中含有不同数目的官能团和不同类型的官能基以及合成工艺的不同而有较大的差异。聚氨酯橡胶的物理、化学性能，加工性能以及加工方法，是因其构成的官能团和合成工艺分子链的排布所决定。浇注型聚氨酯预聚体―NCO基团――异氰酸酯具有重叠双联的端基基团。

胶辊弹性是衡量胶辊性能的重要指标，随着使用时间的延长胶辊弹性逐步减退。胶辊长期连续加压受脉动力影响、空气中臭氧造成表面硬化龟裂及胶辊多次高速回磨对胶辊表面剧烈碰撞摩擦等因素均会使胶辊弹性减弱。弹性好的胶辊在牵伸部位对纤维控制力、握持力的影响增强，高弹低硬度胶辊对钳口握持接触面积加大，均匀变形对纵横向浮游纤维、边纤维更好地控制，有利改善条干、毛羽。细纱机V型重定量及气动重加压的工艺推广及线速度超过450 m/min对现有丁腈橡胶胶辊不堪重负，提高耐磨可能增加表面硬度，改变胶辊粘弹特性影响条干等质量，只能通过缩短周期使用，带来管理及质量的波动。聚氨酯橡胶最大的特性就是具有极高的弹性、极好的耐磨性、抗老化性及恰当的表面摩擦系数和优异的各项物理力学性能（表 2）。因此，只要选择了合理的产品牌号和与之匹配的加工工艺，聚氨酯橡胶是完全能够替代丁腈橡胶或羟基丁腈橡胶来制造使纺纱性能更加优异的胶辊。

2.4 打造国际高端胶辊品牌的可行性

综上所述，丁腈橡胶制作领域就目前我国整体水平难以一下达到国外同类水平，但聚氨酯胶辊在纺纱领域的运用在我国起步较早，国内不少企业联合相关研究机构进行多年攻关，摸清聚氨酯物理、化学及分子结构的机理。创新主体在中小企业，机制活、能量大、有原创。美国阿姆斯壮胶辊是响彻世界的品牌，所有纱厂在使用后的共同感受是：纺纱适应性强，不易卷绕，回磨周期长，硬度变化极小，弹性好，寿命长达 3 年以上，质量长期稳定。那么，如果根据国情，将聚氨酯通过特殊工艺、特殊设备做到极致，满足以上所有效果，做出自己高端品牌就等于走了捷径。

笔者不久前去中外合资中瑞聚氨酯科技有限公司考察，该厂在聚氨酯性能及工艺研究方面已经有15年，老板重视技术创新，十几年探索出聚氨酯适合纺纱的独门绝技，与国际瑞士军工企业合作生产的聚氨酯胶辊，首批开发的高性能耐磨胶辊在涡流纺、紧密纺、赛络纺上得到问世与运用，受到纱厂欢迎。新开发低硬度55°～ 60°满足高端高支纱生产的胶辊即将投放市场，从检测部分物理指标来看，由于采用了全新的工艺、设备、材料，指标达到国际胶辊相关质量指标。

3 聚氨酯胶辊的技术特征

聚氨酯纺纱牵伸胶辊具有极其优良的弹性，握持力强，有利于改善成纱质量；有极佳的耐磨性能，在使用中变形极小且耐用；回磨周期长，若纺织企业管理与维护得好，加压偏低掌握，两年只需回磨一次，能降低纺织企业的机物料、用电消耗，降低吨纱成本；同油剂接触时具有良好的相容性，耐油而不溶胀、不起埂、不起泡、不变形；抗污染而自洁性强，不吸湿，上车基本无需走熟期。聚氨酯弹性体材料添加抗静电剂或增加导电成分后，有良好的抗缠绕性能，能适应车间温湿度的突然变化，在没有空调设备的情况下也能较正常地生产；由于有极好的回弹性，在钳口处对纤维的握持面加大，基于材料本身的物理力学性能是普通丁腈橡胶、羟基丁腈橡胶所无法比拟的；对各类涂料、化工胶辊涂料均不吸收，适纺性能、稳定性好，是真正的表面不处理胶辊。

在各类摇架加压较重、车速较高的运行中，聚氨酯纺纱牵伸胶辊均能适应且便于生产管理，而且使用寿命比丁腈胶辊长。但是，其耐热性能比丁腈胶辊差，需要对磨削材料进行改进，包括砂轮材质、硬度均匀，在高速磨削下具有良好散热功能；在光线射线的作用下，浅色或透明的弹性体材料会出现变色现象，故需要加入防护体系材料。

聚氨酯纺纱牵伸胶辊适纺纯棉和粘胶棉型纤维、纯化纤及混纺品种，竹浆纤维、木纤维、毛纤维、木代尔纤维、氨纶包芯纱、环保负离子纤维、色纱等产品。不仅适用环锭纺纱设备，也适用紧密纺、涡流纺、摩擦纺设备所需的高弹性耐磨胶辊。

4 聚氨酯胶辊性价比分析

聚氨酯胶辊给纺织同行的印象一般大体上就是表面粗糙、耐磨、寿命长，对条干、毛羽、纱疵等指标难以与丁腈胶辊相比。既然上述聚氨酯的物理性能均好于丁腈橡胶，为何多年未能实现大面积推广？笔者也难以说清楚，也许是偶然，发现在做其他类似胶辊时，一家中瑞公司以科技原创设计为主，采用欧洲聚氨酯精良制作设备，独特专利配方，其生产效率居然提高15倍以上，浇注型聚氨酯胶辊做到表面均匀细腻，无气孔杂质，同等硬度表面摩擦系数可以是丁腈橡胶的 3 倍，有更好的弹性握持效果。既可以做承受重压耐磨型胶辊，又可以做轻压耐磨软弹性改善条干型胶辊。聚氨酯胶辊售价有人认为很贵，但用后绝不后悔，市场反应强烈。表 3 为丁腈胶辊与新型聚氨酯胶辊性价比数据分析。

5 聚氨酯胶辊在纺纱领域的应用

丁腈软弹性胶辊在纺纱生产中受益20多年，运用软弹性胶辊纺纱握持纤维纵横向能力强，缩短牵伸运动中浮游纤维，加压减轻，牵伸握持平稳，条干及毛羽均有较好的改善，得到生产实践的长期证明。依据此思路，聚氨酯胶辊可以做到满足丁腈橡胶所有物理性能条件下，可以硬度更低，表面同等粗糙度条件下摩擦系数增大 1 ～ 3 倍，具有更好的握持力，纺纱更加稳定。真正好的胶辊不是引导客户去仅仅满足所谓纱线条干、强力、毛羽平均值，而是追求减少纱线中CVb值、强力弱环、毛羽极差、DR偏移率（与布面整体条干平整度有关指标），减少络整浆织造断头，提高整个系统生产效率，打造完美布面质量。目前，研发的高软弹性聚氨酯胶辊所纺纱号的条干水平明显改善，CVb值显著降低，棉结下降显著。

5.1 聚氨酯胶辊在C14.8 tex品种上的运用（表 4）

5.2 聚氨酯胶辊在JC5.8 tex品种上的应用（表 5）

5.3 聚氨酯胶辊在紧密纺高支纱条件下对比（表 6）

5.4 聚氨酯胶辊在涡流纺上质量及使用情况对比（表 7）

由表 7 可知，RUJEPERZ RC-V-80聚氨酯胶辊与日本J490胶辊分别经过光照处理，R27.8 tex涡流纱大多数指标得到改善，不仅能够解决目前国产传统胶辊耐磨性差、使用寿命短的问题，还可替代进口胶辊。

6 聚氨酯胶辊技术应用的要求

由于浇注型制造工艺，加上极为密闭纯净的生产条件，胶辊表面极其细腻，无任何气孔与杂质，粗糙度稳定在纺纱需求区间，并具有理想的回弹性、低体积电阻、难以污染及粘附等诸多特点。在通常情况下，性能好的聚氨酯胶辊无需进行任何表面处理。但在进厂后按常规高弹性低硬度胶辊加工方法进行细磨，采用粒度为60粒、边宽32 mm的大气孔砂轮磨砺胶辊时，磨砺温度不能超过80 ℃，应经常用气吹砂轮表面，有利于确保聚氨酯牵伸胶辊的内在质量和适纺性。同时，聚氨酯牵伸胶辊的倒角以30°为好。另外，按揩车周期将换下车的聚氨酯牵伸胶辊，严格而认真地用胶辊、胶圈专用清洗剂进行清洗，水温控制在50 ～ 60 ℃，擦干后再上车，有利于增强其适纺性和稳定性，有利于改善成纱质量。严禁使用强酸、强碱溶液或醇酯酮溶液清洗聚氨酯牵伸胶辊，避免损坏这类新型胶辊的表面状态，造成成纱质量恶化。磨好的聚氨酯胶辊停放于使用环境下24 h以上即可上车使用。

聚氨酯胶辊还有一个受到纱厂欢迎的特点，即胶辊的硬度不因纺纱工艺的调整、所纺品种的变化而作对应的调换。对多数纤维的纺纱亲和力较好，范围较大。例如纺制差别化品种，如纺涤棉混纺、粘胶、天丝？、木代尔纤维、棉毛混纺、氨纶包芯纱及异形特殊纤维时，所应用的聚氨酯牵伸胶辊选择在邵尔A硬度65°～ 70°；而纺纯棉品种和细特、超细特纱时，选择邵尔A硬度56°～ 60°的聚氨酯胶辊，有利于成纱质量的改善和保持其稳定性。

7 结束语

新型聚氨酯纺纱胶辊的研发成功是市场呼唤的结果，与当前纺纱长期高质量需要高性能稳定器材一脉相承，是未来的发展方向。我国有能力通过自主创新开发达到国际水准的高性能胶辊，一方面满足新型的纺纱器材所具备的在高速度条件下做到重定量、稳握持、抗卷绕、高耐磨、长寿命；另一方面能够满足高端高支纱纺纱器材所具备的低硬度、软弹性、轻加压、稳控制、长寿命。