換能器硫化時產生氣泡問題的案例分析與解決方法

歐陽荀+苗士超+孫逸來+于祥龍

摘 要 如今，在海洋資源開發越來越快、水聲設備的需求日益增長的大環境下，聲吶作為水下探測器的一種已經得到廣泛使用。聲吶的主要傳感器為水聲換能器，由于在水聲換能器需要在水中進行工作，所以在換能器外部以及相關電纜外通暢會包覆一層透聲橡膠用以透聲防水。但是水聲換能器用橡膠的硫化卻有別于其他橡膠制品，成為一大難題，硫化過程中氣泡的產生也比較常見?；诖?，本文將針對這一問題詳細分析橡膠硫化時氣泡產生的原因，其次通過實際案例進行分析，最后根據分析提出可參考的解決方法。

關鍵詞 換能器；氣泡；原因；對策

中圖分類號 P7 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0261-02

聲吶是海洋活動中最為常見的一種水聲設備，其主要的作用是用于探測水下物體間的距離。而聲吶最主要的核心部件即為水聲換能器，由于換能器需要在水下工作。所以通常情況下，換能器由一層水聲橡膠所包裹。與普通橡膠不同，水聲橡膠需要具有一定水密性和透聲性。由于需要嚴絲合縫地包裹換能器以及電纜，所以在橡膠硫化時需要與換能器同時進行，所以對于橡膠的選材、填料配料的選擇、硫化工藝的使用都比較苛刻。在這樣的工藝下，較為容易產生氣泡，這些氣泡不僅會降低水密性能，更會吸收大量的聲波能量，使得透聲性能大幅降低。

1 氣泡產生的原因

簡單地來說，硫化橡膠中的氣泡形成是由于易揮發物的含量過飽和引發的。在換能器硫化時，由于橡膠分子結構的變化以及周圍溫度、壓力的變化，使得橡膠中易揮發物的飽和能力也發生變化，從而導致易揮發物過飽和而在透聲橡膠硫化過程中，橡膠內部產生氣泡核并生長成為氣泡。所以想要充分了解氣泡產生的原因，必須要搞清楚，易揮發物的成分有哪些，從而可以在源頭上，最大程度的避免氣泡的產生。

1）橡膠中揮發物的來源并不是單一的，但是最大的部分應該是水蒸氣。而水蒸氣主要來源于生產環境的濕氣。根據研究表明，在橡膠生產加工過程中，填料的吸水性能是相對最強的。炭黑是橡膠加工過程中最常用的填料之一，而其水分含量最高可達4%。除了炭黑，白炭黑、纖維素、尼龍纖維、陶土等都具有比炭黑更高的吸水能力。除了填料，橡膠本身也會從周遭的空氣中吸收水分。硫化過程中，由于高溫的影響，水分蒸發成了水蒸氣并在橡膠本體中留下氣泡。

2）空氣在氣泡形成的過程中同樣功不可沒。在橡膠制備過程中，微量的空氣會被混入到膠料中。同樣地，填料中也會參入些許空氣，雖然空氣的含量并不高，但是在硫化過程中，溫度將會升高，空氣的體積將會被膨脹數倍。這樣的情況下，微量的空氣也會造成數個微小的氣泡。

3）除了以上兩種主要的氣泡來源，增塑劑、配合劑等也是氣泡產生的原因之一。增塑劑由于沸點較低所以比較容易氣化，產生氣泡核，并通過水蒸氣使氣泡核成長為氣泡。而配合劑與增塑劑不同，配合劑不容易氣化，但是在橡膠流過過程中，配合劑會分解為容易揮發的化學產物，比如說酮類和醇類。

2 硫化工藝實例分析

目前，透聲橡膠的選料已經有了很多的選擇，根據各膠料的化學結構和物理特性，天然橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠、聚氨酯橡膠等等都可以通過不同的加工工藝，使其成為可以在換能器上使用的透聲隔水橡膠。

聚氨酯橡膠具有較強的力學性能和化學分子結構，具有耐磨性、耐油性、緩沖性、絕緣性、生物相容性等等，所以被眾多領域廣泛使用。當然，最重要的，在水聲換能器中，這種膠料可以作為包覆材料所使用，具有較高水密性和透聲性的綜合水平。在使用混煉型工藝后，樣品分析如下：

1）室溫下過輥塑煉四至五次。

2）加入活性劑、炭黑等填料混煉，混煉時采用割八字刀的方法。

3）加入促進劑、硫磺等混煉，此階段的混煉采用薄通、打三角包等割刀混煉法。

4）常溫放置15個小時以上。

5）硫化機進行硫化，硫化壓力為15MPa，硫化溫度為130℃。

在所得樣品的測試中，透聲系數為0.75左右而水密性能在43.80g/m2×24h。在掃描電子顯微鏡（SEM）分析后，樣品中存在氣泡較多且較為明顯。使得水密性和透聲性都有了一定的下降。

3 產生氣泡的解決方法

在基于上述實例的研究中，本文將通過如下幾個方面論述解決氣泡產生的方法。

1）濕氣排除。在混煉型聚氨酯橡膠生產工藝中，需要加入炭黑等填料。前文已經論述，炭黑具有很強的吸水能力。所以為了確保在加入填料前填料的含水量降到最低，首先在儲運過程中，填料的存放運輸環境必須盡量避免潮濕；其次，填料必須進行烘箱烘干處理，這樣不僅可以蒸發掉所有材料中所含的水分，而且還能夠使增塑劑等低沸點的材料揮發殆盡。在裝模硫化時，也必須對膠料、骨架進行烘干程序。

2）泄壓排氣。在橡膠硫化前，需要進行泄壓排氣，以排出一些膠料中參入的空氣。根據研究數據，泄壓排氣可以進行3次左右，排氣的效果以及效率最高。此外，還有其他的一些因素會影響排氣效果，如排氣時間、排氣設備等。在做泄壓排氣前，必須做好所有的排氣準備，制定詳細的泄壓排氣計劃。

3）膠料配合。在上述混煉型聚氨酯橡膠加工過程中，會加入一些增塑劑和操作油。揮發也會造成氣泡。除此以外，膠料搭配的組成含量比例也會加劇氣泡的產生。首先要避免使用低粘度的膠料，因為粘度低的膠料容易混入空氣。其次硫化時間不得過短，否則不利于氣體排出。所以在配方設計時，需要注意將配料和膠料中的揮發成分濃度降到最低，而且膠料黏度要高，硫化時間需要控制得當。此外，在混煉工藝的實施中，膠料必須調至均勻。而硫化體系的搭配也需要考慮到硫化反應所造成氣泡產生的因素。

4）整體硫化。由于換能器硫化過程中大多需要整體硫化，所以硫化模具結構設計也非常的重要。在整體硫化模具的設計中，需要注意如下幾點：首先，模具的分型面設置必須要合理，錯誤的分型面設置會導致氣體無法順利排出，從而導致大量氣泡產生。其次，模具的排氣孔必須設計合理。最后，模具的輔助裝置配置也是需要重點考量的因素之一。

4 結論

總之，換能器在硫化過程中產生的氣泡問題關系著整個換能器系統能否正常工作的問題。在設計過程當中，一定要明確氣泡之所以會產生的原因，并針對具體原因制定出有針對性的策略。在本文所分析聚氨酯橡膠硫化過程中，氣泡之所以會產生的原因就在于填料、配料以及生產過程中排氣的缺失等。在詳細了解了氣泡生成的原因之后，再根據工藝缺陷進行完善，以保證換能器在硫化后，最大程度的減少氣泡的產生，使換能器工作在一個較高的水平，為水下活動的順利進行提供可靠的安全保障。

參考文獻

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