换能器硫化时产生气泡问题的案例分析与解决方法

欧阳荀+苗士超+孙逸来+于祥龙

摘 要 如今，在海洋资源开发越来越快、水声设备的需求日益增长的大环境下，声呐作为水下探测器的一种已经得到广泛使用。声呐的主要传感器为水声换能器，由于在水声换能器需要在水中进行工作，所以在换能器外部以及相关电缆外通畅会包覆一层透声橡胶用以透声防水。但是水声换能器用橡胶的硫化却有别于其他橡胶制品，成为一大难题，硫化过程中气泡的产生也比较常见。基于此，本文将针对这一问题详细分析橡胶硫化时气泡产生的原因，其次通过实际案例进行分析，最后根据分析提出可参考的解决方法。

关键词 换能器；气泡；原因；对策

中图分类号 P7 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0261-02

声呐是海洋活动中最为常见的一种水声设备，其主要的作用是用于探测水下物体间的距离。而声呐最主要的核心部件即为水声换能器，由于换能器需要在水下工作。所以通常情况下，换能器由一层水声橡胶所包裹。与普通橡胶不同，水声橡胶需要具有一定水密性和透声性。由于需要严丝合缝地包裹换能器以及电缆，所以在橡胶硫化时需要与换能器同时进行，所以对于橡胶的选材、填料配料的选择、硫化工艺的使用都比较苛刻。在这样的工艺下，较为容易产生气泡，这些气泡不仅会降低水密性能，更会吸收大量的声波能量，使得透声性能大幅降低。

1 气泡产生的原因

简单地来说，硫化橡胶中的气泡形成是由于易挥发物的含量过饱和引发的。在换能器硫化时，由于橡胶分子结构的变化以及周围温度、压力的变化，使得橡胶中易挥发物的饱和能力也发生变化，从而导致易挥发物过饱和而在透声橡胶硫化过程中，橡胶内部产生气泡核并生长成为气泡。所以想要充分了解气泡产生的原因，必须要搞清楚，易挥发物的成分有哪些，从而可以在源头上，最大程度的避免气泡的产生。

1）橡胶中挥发物的来源并不是单一的，但是最大的部分应该是水蒸气。而水蒸气主要来源于生产环境的湿气。根据研究表明，在橡胶生产加工过程中，填料的吸水性能是相对最强的。炭黑是橡胶加工过程中最常用的填料之一，而其水分含量最高可达4%。除了炭黑，白炭黑、纤维素、尼龙纤维、陶土等都具有比炭黑更高的吸水能力。除了填料，橡胶本身也会从周遭的空气中吸收水分。硫化过程中，由于高温的影响，水分蒸发成了水蒸气并在橡胶本体中留下气泡。

2）空气在气泡形成的过程中同样功不可没。在橡胶制备过程中，微量的空气会被混入到胶料中。同样地，填料中也会参入些许空气，虽然空气的含量并不高，但是在硫化过程中，温度将会升高，空气的体积将会被膨胀数倍。这样的情况下，微量的空气也会造成数个微小的气泡。

3）除了以上两种主要的气泡来源，增塑剂、配合剂等也是气泡产生的原因之一。增塑剂由于沸点较低所以比较容易气化，产生气泡核，并通过水蒸气使气泡核成长为气泡。而配合剂与增塑剂不同，配合剂不容易气化，但是在橡胶流过过程中，配合剂会分解为容易挥发的化学产物，比如说酮类和醇类。

2 硫化工艺实例分析

目前，透声橡胶的选料已经有了很多的选择，根据各胶料的化学结构和物理特性，天然橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯橡胶等等都可以通过不同的加工工艺，使其成为可以在换能器上使用的透声隔水橡胶。

聚氨酯橡胶具有较强的力学性能和化学分子结构，具有耐磨性、耐油性、缓冲性、绝缘性、生物相容性等等，所以被众多领域广泛使用。当然，最重要的，在水声换能器中，这种胶料可以作为包覆材料所使用，具有较高水密性和透声性的综合水平。在使用混炼型工艺后，样品分析如下：

1）室温下过辊塑炼四至五次。

2）加入活性剂、炭黑等填料混炼，混炼时采用割八字刀的方法。

3）加入促进剂、硫磺等混炼，此阶段的混炼采用薄通、打三角包等割刀混炼法。

4）常温放置15个小时以上。

5）硫化机进行硫化，硫化压力为15MPa，硫化温度为130℃。

在所得样品的测试中，透声系数为0.75左右而水密性能在43.80g/m2×24h。在扫描电子显微镜（SEM）分析后，样品中存在气泡较多且较为明显。使得水密性和透声性都有了一定的下降。

3 产生气泡的解决方法

在基于上述实例的研究中，本文将通过如下几个方面论述解决气泡产生的方法。

1）湿气排除。在混炼型聚氨酯橡胶生产工艺中，需要加入炭黑等填料。前文已经论述，炭黑具有很强的吸水能力。所以为了确保在加入填料前填料的含水量降到最低，首先在储运过程中，填料的存放运输环境必须尽量避免潮湿；其次，填料必须进行烘箱烘干处理，这样不仅可以蒸发掉所有材料中所含的水分，而且还能够使增塑剂等低沸点的材料挥发殆尽。在装模硫化时，也必须对胶料、骨架进行烘干程序。

2）泄压排气。在橡胶硫化前，需要进行泄压排气，以排出一些胶料中参入的空气。根据研究数据，泄压排气可以进行3次左右，排气的效果以及效率最高。此外，还有其他的一些因素会影响排气效果，如排气时间、排气设备等。在做泄压排气前，必须做好所有的排气准备，制定详细的泄压排气计划。

3）胶料配合。在上述混炼型聚氨酯橡胶加工过程中，会加入一些增塑剂和操作油。挥发也会造成气泡。除此以外，胶料搭配的组成含量比例也会加剧气泡的产生。首先要避免使用低粘度的胶料，因为粘度低的胶料容易混入空气。其次硫化时间不得过短，否则不利于气体排出。所以在配方设计时，需要注意将配料和胶料中的挥发成分浓度降到最低，而且胶料黏度要高，硫化时间需要控制得当。此外，在混炼工艺的实施中，胶料必须调至均匀。而硫化体系的搭配也需要考虑到硫化反应所造成气泡产生的因素。

4）整体硫化。由于换能器硫化过程中大多需要整体硫化，所以硫化模具结构设计也非常的重要。在整体硫化模具的设计中，需要注意如下几点：首先，模具的分型面设置必须要合理，错误的分型面设置会导致气体无法顺利排出，从而导致大量气泡产生。其次，模具的排气孔必须设计合理。最后，模具的辅助装置配置也是需要重点考量的因素之一。

4 结论

总之，换能器在硫化过程中产生的气泡问题关系着整个换能器系统能否正常工作的问题。在设计过程当中，一定要明确气泡之所以会产生的原因，并针对具体原因制定出有针对性的策略。在本文所分析聚氨酯橡胶硫化过程中，气泡之所以会产生的原因就在于填料、配料以及生产过程中排气的缺失等。在详细了解了气泡生成的原因之后，再根据工艺缺陷进行完善，以保证换能器在硫化后，最大程度的减少气泡的产生，使换能器工作在一个较高的水平，为水下活动的顺利进行提供可靠的安全保障。

参考文献

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