CN103708196B - 复合辊筒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合辊筒及其制备方法，包括纤维增强内层和非金属外层，所述纤维增强内层和非金属外层之间通过凸凹镶嵌结构紧密复合成整体；其中，所述纤维增强内层由以下原料按照各自的重量份配比组成：20～50份玻璃纤维、50～80份合成树脂和4～10份增塑剂；所述非金属外层选自改性聚氨酯、改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶和改性顺丁橡胶材料中的至少一种。本发明提供的辊筒采用聚合物基复合材料制备，制得的托辊重量比钢制托辊降低了一倍以上，使托辊的运输、安装和维护更加便捷，运转更加节能。
Description
技术领域
本发明涉及托辊技术领域，特别是涉及一种复合辊筒及其制备方法。
背景技术
带式运输是散装物料运输的主要方式，被广泛应用于矿山、冶金、电厂、煤炭、水泥、粮库、港口和盐场等行业的散料输送。托辊是带式输送机的核心部件，其性能的优劣直接影响带式输送机能否正常运行。目前，市场上已有的带式输送机托辊主要包括钢制托辊、塑料托辊、陶瓷托辊等几种类型。在使用过程中，这些托辊或多或少都存在一些致命的缺点。传统的钢制托辊，耐磨性差，特别是长时间的磨损后其表面易产生毛刺，导致划伤、划破皮带，造成重大的经济损失；易生锈，在高腐蚀环境下使用时寿命极短；质量重，不便于运输、安装、和维护，使制作成本和使用成本显著提高。塑料托辊具有质量轻、抗冲击、耐腐蚀、噪音低等优势，但其耐磨、耐热、耐候、力学强度等性能明显不能满足市场需求。陶瓷托辊虽然具有耐磨、抗氧化和耐酸碱等优点，但存在脆性大、质量重、安装不便，同心度差等缺点，同时因为托辊两端安装的塑料密封装置与陶瓷、金属的热膨胀系数存在明显的差异，从而导致其实际使用寿命大大缩短。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种复合辊筒及其制备方法，以降低内衬管的重量，提高内衬管的抗弯强度、加工性能。
基于上述目的，本发明提供的复合辊筒包括纤维增强内层和非金属外层，所述纤维增强内层和非金属外层之间通过凸凹镶嵌结构紧密复合成整体；
其中，所述纤维增强内层由以下原料按照各自的重量份配比组成：20～50份玻璃纤维、50～80份合成树脂和4～10份增塑剂；所述非金属外层选自改性聚氨酯、改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶和改性顺丁橡胶材料中的至少一种。
可选地，所述纤维选自玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维中的至少一种。
可选地，所述合成树脂选自环氧树脂，酚醛树脂，乙烯基树脂，不饱和聚酯树脂，聚氯乙烯和尼龙树脂中的至少一种。
可选地，所述增塑剂选自邻苯二甲酸二丁酯，邻苯二甲酸二辛酯，环氧大豆油中的至少一种。
本发明还提供一种制备上述复合辊筒的方法，包括以下步骤：
按重量份配比将50～80份合成树脂和4～10份增塑剂在搅拌机上混合均匀得到热固性树脂胶，再将20～50份玻璃纤维纱浸渍所述热固性树脂胶，接着通过拉挤机将浸渍了热固性树脂胶的玻璃纤维加工成外表面带有凹槽结构的纤维增强内层；
在带有凹槽结构纤维增强内层的外表面加工非金属外层，所述纤维增强内层和非金属外层之间通过凸凹镶嵌结构紧密复合成整体，即得到复合辊筒；其中所述非金属外层选自改性聚氨酯、改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶和改性顺丁橡胶材料中的至少一种。
可选地，以所述改性聚氨酯为非金属外层的制备过程包括：
按照重量份配比将5～20份经硅烷偶联剂改性的陶瓷粉、20～40份环氧树脂和50～80份熔融的聚氨酯预聚体混合均匀，抽真空至负0.05～0.2兆帕2～8分钟；然后在90℃～140℃的环境下，向混合液中加入1～4份二丁基锡二月桂酸酯和5～20份二氨基二氯二苯甲烷进行反应；反应结束后，将混合液注入放有所述纤维增强内层的模具空隙内，在70℃～150℃固化；
其中，所述陶瓷粉选自二氧化硅、氮化硅、碳化硅和滑石粉中的至少一种。
较佳地，所述陶瓷粉的改性过程为：采用喷雾器将硅烷偶联剂均匀地分散在陶瓷粉的表面，然后将陶瓷粉置于110～130℃的环境下反应3～5小时，得到改性陶瓷粉。
可选地，以所述改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶或改性顺丁橡胶为非金属外层的制备过程包括：
按照重量份配比将40～60份丁晴橡胶或丁苯橡胶或顺丁橡胶、10～30份炭黑、10～300份胶粉、2～15份环氧大豆油和2～15份氧化锌加入到密炼机内在90～150℃的环境下搅拌0.5～2小时成面团状胶料；接着将所述面团状胶团、0.5～3份色母粒和2～10份硫化剂置于60～90℃的开炼机内继续炼胶10～60分钟成片状胶料，再用模切机将所述片状胶料切成胶胚。
优选地，以所述改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶或改性顺丁橡胶为非金属外层的制备过程还包括：将所述胶胚包裹在纤维增强内层的外表面，接着一起放入模具内压实，然后置于90℃～150℃的模具内硫化5～30分钟，得到所述复合辊筒。
从上面所述可以看出，本发明提供的辊筒采用聚合物基复合材料制备，制得的托辊重量比钢制托辊降低了一倍以上，使托辊的运输、安装和维护更加便捷，运转更加节能。该辊筒的外层（耐磨层）采用耐磨、耐高温改性聚氨酯、丁晴橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶的一种或几种复合材料来制备，大大提高了托辊的耐磨，耐腐蚀，抗冲击，降噪音，耐热，耐候等性能，而且延长托辊的使用寿命。该辊筒的外层采用纤维增强材料来制备，使制得的托辊具有钢制托辊的强度，解决了普通聚合物托辊抗弯强度不好的问题。而且，托辊的内层和外层采用凸凹镶嵌结构紧密地复合成一个辊筒整体，解决了橡胶托辊容易脱胶的问题。本发明提供的复合托辊具有综合性能优良、价格适宜、使用寿命长和安装便捷等优点。
附图说明：
图1为本发明实施例托辊的结构示意图；
图2为本发明实施例复合辊筒的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
参见图1和2，分别为本发明实施例托辊和复合辊筒的结构示意图，所述托辊包括复合辊筒1、轴承座2、密封装置3、轴承4、转轴5和卡环6，所述复合辊筒1包括内部的纤维增强内层7和外部的非金属外层8，所述纤维增强内层7和非金属外层8之间通过凸凹镶嵌结构9紧密复合成整体。具体地，可以在纤维增强内层7的外表面设置凹槽，在非金属外层8的内表面设置凸起，将凸起卡入凹槽中使所述纤维增强内层7和非金属外层8紧密复合成整体。
其中，所述纤维增强内层由以下原料按照各自的重量份配比组成：20～50份玻璃纤维、50～80份合成树脂和4～10份增塑剂；所述非金属外层选自改性聚氨酯、改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶和改性顺丁橡胶材料中的至少一种。
可选地，所述纤维选自玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维中的至少一种。
可选地，所述合成树脂选自环氧树脂，酚醛树脂，乙烯基树脂，不饱和聚酯树脂，聚氯乙烯和尼龙树脂中的至少一种。
较佳地，所述增塑剂选自邻苯二甲酸二丁酯，邻苯二甲酸二辛酯，环氧大豆油中的至少一种。
较佳地，所述纤维增强内层与非金属外层的厚度之比为1:3～5：6。
优选地，所述纤维增强内层与非金属外层的厚度之比为2：3。
本发明还提供了一种制备所述复合辊筒的方法，作为本发明的一个实施例，所述复合辊筒的具体制备方法如下：
步骤一、按重量份配比将60～75份合成树脂和5～8份增塑剂在浆式搅拌机上混合均匀得到热固性树脂胶，再将25～40份玻璃纤维纱浸渍所述热固性树脂胶，接着通过拉挤机将浸渍了热固性树脂胶的玻璃纤维加工成外表面带有凹槽结构的纤维增强内层。将纤维增强内层放入圆形模具内，所述凹槽结构与圆形模具之间留有空隙，以便后续步骤中进行浇注。
步骤二、采用喷雾器将硅烷偶联剂均匀地分散在陶瓷粉的表面，然后将陶瓷粉置于120℃的环境下反应4小时，得到改性陶瓷粉。可选地，所述陶瓷粉可以为二氧化硅，氮化硅，碳化硅，滑石粉中的至少一种。
步骤三、按重量份配比将15～20份经硅烷偶联剂改性的陶瓷粉、20～30份环氧树脂和60～75份熔融的聚氨酯预聚体混合均匀，抽真空至负0.1兆帕5～7分钟，排尽混合液中的气泡；然后在100℃～120℃的环境下，向所述混合液中加入2～4份二丁基锡二月桂酸酯和8～18份二氨基二氯二苯甲烷进行反应；反应结束后将混合液进行排气，然后将混合液浇入步骤一所述的圆形模具中，使混合液进入凹槽结构与圆形模具之间的空隙中，再在90℃～140℃固化，冷却脱模后即得到复合辊筒。聚氨酯预聚体和环氧树脂都发生聚合反应，并且两类分子链间相互穿插形成互穿网络结构，在模具内固化成改性聚氨酯（非金属外层）。优选地，所述纤维增强内层与非金属外层的厚度之比为2：3。
需要说明的是，所述纤维增强内层外表面的凹槽结构是由模具结构定型加工出来的，非金属外层内表面的凸式结构是外层材料加工定型前自动填满纤维增强内层的凹槽结构形成的（外层材料定型前具有一定的流动性），通过凹槽结构和凸起结构的凹凸镶嵌，纤维增强内层和非金属外层牢固结合。
作为本发明的又一个实施例，所述复合辊筒的具体制备方法如下：
步骤一、按重量份配比将50～68份合成树脂和4～8份增塑剂在浆式搅拌机上混合均匀得到热固性树脂胶，再将20～35份玻璃纤维纱浸渍所述热固性树脂胶，接着通过拉挤机将浸渍了热固性树脂胶的玻璃纤维加工成外表面带有凹槽结构的纤维增强内层。将纤维增强内层放入圆形模具内，所述凹槽结构与圆形模具之间留有空隙，以便后续步骤中进行浇注。
步骤二、采用喷雾器将硅烷偶联剂均匀地分散在陶瓷粉的表面，然后将陶瓷粉置于118℃的环境下反应4.5小时，得到改性陶瓷粉。可选地，所述陶瓷粉可以为二氧化硅，氮化硅，碳化硅，滑石粉中的至少一种。
步骤三、按重量份配比将15～20份经硅烷偶联剂改性的陶瓷粉、28～36份环氧树脂和50～70份熔融的聚氨酯预聚体混合均匀，抽真空至负0.2兆帕2～5分钟，排尽混合液中的气泡；然后在90℃～125℃的环境下，向所述混合液中加入1.5～2份二丁基锡二月桂酸酯和5～12份二氨基二氯二苯甲烷进行反应；反应结束后将混合液进行排气，然后将混合液浇入步骤一所述的圆形模具中，使混合液进入凹槽结构与圆形模具之间的空隙中，再在80℃～150℃固化，冷却脱模后即得到复合辊筒。聚氨酯预聚体和环氧树脂都发生聚合反应，并且两类分子链间相互穿插形成互穿网络结构，在特定规格的模具内固化成改性聚氨酯（非金属外层）。较佳地，所述纤维增强内层与非金属外层的厚度之比为2.5：3。
作为本发明的又一个实施例，所述复合辊筒的具体制备方法如下：
步骤一、按重量份配比将60～75份合成树脂和5～8份增塑剂在浆式搅拌机上混合均匀得到热固性树脂胶，再将25～40份玻璃纤维纱浸渍所述热固性树脂胶，接着通过拉挤机将浸渍了热固性树脂胶的玻璃纤维加工成外表面带有凹槽结构的纤维增强内层。
步骤二、按照重量份配比将45～56份丁晴橡胶、12～30份炭黑、50～280份胶粉、5～15份环氧大豆油、8～15份氧化锌加入到密炼机内在100～140℃的环境下搅拌1.5～2小时成面团状胶料；接着将所述面团状胶团、1.5～3份色母粒和5～8份硫磺置于70～88℃的开炼机内继续炼胶10～50分钟成片状胶料，再用模切机将所述片状胶料切成胶胚。
步骤三、将所述胶胚包裹在纤维增强内层的外表面，接着一起放入模具内压实（胶胚填充纤维增强内层外表面的凹槽结构），然后置于90℃～130℃的模具内加热硫化20～30分钟，未硫化的片状橡胶胶胚一加热就会具有一定的流动性，填满内衬的凹槽结构形成凹凸结构，从而得到复合辊筒。
因此，所述纤维增强内层和非金属外层之间通过凸凹镶嵌结构紧密复合成整体，所述纤维增强内层与非金属外层的厚度之比为2.2：3。
作为本发明的又一个实施例，所述复合辊筒的具体制备方法如下：
步骤一、按重量份配比将50～68份合成树脂和4～8份增塑剂在浆式搅拌机上混合均匀得到热固性树脂胶，再将22～48份玻璃纤维纱浸渍所述热固性树脂胶，接着通过拉挤机将浸渍了热固性树脂胶的玻璃纤维加工成外表面带有凹槽结构的纤维增强内层。
步骤二、按照重量份配比将40～58份丁苯橡胶或顺丁橡胶、12～25份炭黑、20～300份胶粉、2～13份环氧大豆油和4～14份氧化锌加入到密炼机内在110～150℃的环境下搅拌0.8～2小时成面团状胶料；接着将所述面团状胶团、1～2.5份色母粒和3～8份硫磺置于65～85℃的开炼机内继续炼胶18～60分钟成片状胶料，再用模切机将所述片状胶料切成胶胚。
步骤三、将所述胶胚包裹在纤维增强内层的外表面，接着一起放入模具内压实（胶胚填充纤维增强内层外表面的凹槽结构），然后置于98℃～145℃的模具内加热硫化10～25分钟，未硫化的片状橡胶胶胚一加热就会具有一定的流动性，填满内衬的凹槽结构形成凹凸结构，从而得到复合辊筒。
因此，所述纤维增强内层和非金属外层之间通过凸凹镶嵌结构紧密复合成整体，所述纤维增强内层与非金属外层的厚度之比为2：3。
将本发明提供的复合辊筒制成托辊，如图1所示，纤维增强内层主要是起支撑作用，非金属外层是较软的橡胶或弹性体，具有很好耐磨性。该托辊的重量为同规格钢制托辊（辊筒是钢制的的托辊）的50%，该托辊的耐磨性能为同规格钢制托辊的3倍，该托辊的抗弯强度为同规格的塑料托辊（辊筒是塑料制的托辊）的3倍。
如上所述，本发明提供的辊筒采用聚合物基复合材料制备，制得的托辊重量比钢制托辊降低了一倍以上，使托辊的运输、安装和维护更加便捷，运转更加节能。该辊筒的外层（耐磨层）采用耐磨、耐高温改性聚氨酯、丁晴橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶的一种或几种复合材料来制备，大大提高了托辊的耐磨，耐腐蚀，抗冲击，降噪音，耐热，耐候等性能，而且延长托辊的使用寿命。该辊筒的外层采用纤维增强材料来制备，使制得的托辊具有钢制托辊的强度，解决了普通聚合物托辊抗弯强度不好的问题。而且，托辊的内层和外层采用凸凹镶嵌结构紧密地复合成一个辊筒整体，解决了橡胶托辊容易脱胶的问题。本发明提供的复合托辊具有综合性能优良、价格适宜、使用寿命长和安装便捷等优点。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种复合辊筒，其特征在于，包括纤维增强内层和非金属外层，所述纤维增强内层和非金属外层之间通过凸凹镶嵌结构紧密复合成整体；
其中，所述纤维增强内层由以下原料按照各自的重量份配比组成：20～50份玻璃纤维、50～80份合成树脂和4～10份增塑剂；所述非金属外层选自改性聚氨酯、改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶和改性顺丁橡胶材料中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的复合辊筒，其特征在于，所述合成树脂选自环氧树脂，酚醛树脂，乙烯基树脂，不饱和聚酯树脂，聚氯乙烯和尼龙树脂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合辊筒，其特征在于，所述增塑剂选自邻苯二甲酸二丁酯，邻苯二甲酸二辛酯，环氧大豆油中的至少一种。
4.一种制备根据权利要求1～3中任意一项所述的复合辊筒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
按重量份配比将50～80份合成树脂和4～10份增塑剂在搅拌机上混合均匀得到热固性树脂胶，再将20～50份玻璃纤维纱浸渍所述热固性树脂胶，接着通过拉挤机将浸渍了热固性树脂胶的玻璃纤维加工成外表面带有凹槽结构的纤维增强内层；
在带有凹槽结构纤维增强内层的外表面加工非金属外层，所述纤维增强内层和非金属外层之间通过凸凹镶嵌结构紧密复合成整体，即得到复合辊筒；其中所述非金属外层选自改性聚氨酯、改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶和改性顺丁橡胶材料中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的复合辊筒的制备方法，其特征在于，以所述改性聚氨酯为非金属外层的制备过程包括：
按照重量份配比将5～20份经硅烷偶联剂改性的陶瓷粉、20～40份环氧树脂和50～80份熔融的聚氨酯预聚体混合均匀，抽真空至负0.05～0.2兆帕2～8分钟；然后在90℃～140℃的环境下，向混合液中加入1～4份二丁基锡二月桂酸酯和5～20份二氨基二氯二苯甲烷进行反应；反应结束后，将混合液注入放有所述纤维增强内层的模具空隙内，在70℃～150℃固化；
其中，所述陶瓷粉选自二氧化硅、氮化硅、碳化硅和滑石粉中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的复合辊筒的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉的改性过程为：采用喷雾器将硅烷偶联剂均匀地分散在陶瓷粉的表面，然后将陶瓷粉置于110～130℃的环境下反应3～5小时，得到改性陶瓷粉。
7.根据权利要求4所述的复合辊筒的制备方法，其特征在于，以所述改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶或改性顺丁橡胶为非金属外层的制备过程包括：
按照重量份配比将40～60份丁晴橡胶或丁苯橡胶或顺丁橡胶、10～30份炭黑、10～300份胶粉、2～15份环氧大豆油和2～15份氧化锌加入到密炼机内在90～150℃的环境下搅拌0.5～2小时成面团状胶料；接着将所述面团状胶团、0.5～3份色母粒和2～10份硫化剂置于60～90℃的开炼机内继续炼胶10～60分钟成片状胶料，再用模切机将所述片状胶料切成胶胚。
8.根据权利要求7所述的复合辊筒的制备方法，其特征在于，以所述改性丁晴橡胶、改性丁苯橡胶或改性顺丁橡胶为非金属外层的制备过程还包括：将所述胶胚包裹在纤维增强内层的外表面，接着一起放入模具内压实，然后置于90℃～150℃的模具内硫化5～30分钟，得到所述复合辊筒。
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