NR/BR并用膠在氣動(dòng)人工肌肉可膨脹氣囊上的應(yīng)用

摘要:氣動(dòng)人工肌肉是一種新型氣動(dòng)元件，主要應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)中，由內(nèi)部橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成。本文介紹了橡膠筒套的研制。膠料采用NR/BR(并用比80/20)并用膠，針對(duì)脫模難的問題，產(chǎn)品采用整體模芯及上模和下模組成的模具硫化.研制得橡膠筒套滿足氣動(dòng)人工肌肉的要求。

關(guān)鍵詞:氣動(dòng)人工肌肉 橡膠筒套 NR/BR并用膠 研制

0 引言

隨著氣動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用。新型氣動(dòng)元件不斷涌現(xiàn)，其中氣動(dòng)人工肌肉作力最具有代表性的新型氣動(dòng)元件之一。在近年來引起國內(nèi)外學(xué)者的特別關(guān)注。尤其在氣動(dòng)人工肌肉的應(yīng)用方面做了大量的研究工作。目前國內(nèi)的研究還處于起步階段。國外氣動(dòng)人工肌肉作為產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家也不多。國內(nèi)還沒有制造生產(chǎn)的報(bào)道。

氣動(dòng)人工肌肉按結(jié)構(gòu)形式可分為三類:編織式人工肌肉、網(wǎng)孔式人工肌肉和嵌入式人工肌肉。其中編織式人工肌肉是當(dāng)前使用最廣泛的一種氣動(dòng)人工肌肉。它是筒狀編織結(jié)構(gòu)。主要由氣密彈性管和在它外面的編織套組成。采用的典型材料是橡膠和尼龍纖維。按照氣動(dòng)人工肌肉的工作原理。要求作為氣密彈性管的材料應(yīng)有良好的彈性、優(yōu)異的氣密性、往復(fù)運(yùn)動(dòng)耐疲勞性。我們決定采用天然橡膠與順丁膠(NR/BR)并用膠。作為氣密性彈性管的材料，制造氣動(dòng)人工肌肉。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料:天然橡膠NR:海南1#，順丁橡膠BR:牌號(hào):BR9000，中國石化股份有限公司齊魯分公司產(chǎn)，炭黑:N234上海卡博特化工有限公司，其它助劑均為市售。

1.2 基本配方:NR 80，BR 20，硫磺1.5，促進(jìn)劑NOBS0.9，氧化鋅5.0，硬脂酸1.5 ，防老劑0.5，N234:30 ，其他配合劑20。

1.3 試樣制備:在開煉機(jī)上進(jìn)行混煉，下片后進(jìn)行硫化儀測(cè)試，然后按照143℃×正硫化時(shí)間進(jìn)行硫化。

1.4 設(shè)備與儀器

φ160×320開煉機(jī)，青島橡膠機(jī)械廠。

門尼粘度儀，無轉(zhuǎn)子硫化儀，GOTECH科技股份有限公司;

電加熱平板硫化機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠;

AI-7000電子拉力機(jī)，GOTECH科技股份有限公司。

橡膠硬度計(jì).營口市材料試驗(yàn)廠，壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)EKT-2000 2GF曄中科技有限公司。

2 氣動(dòng)人工肌肉的工作原理與制作

2.1 工作原理:由美國醫(yī)生在20世紀(jì)60年代發(fā)明的氣動(dòng)人工肌肉，內(nèi)部橡膠以及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成，其外部編織網(wǎng)是由剛度很大的線組成.當(dāng)向氣囊充氣時(shí)，氣束因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變粗，長度縮短.此時(shí)如果將其與載何相聯(lián)，就會(huì)產(chǎn)生張力，反之，當(dāng)放氣時(shí)因其彈性回縮，直徑變細(xì)，長度增加，張力減小。如果將充氣壓力視為神經(jīng)沖動(dòng)的話，其運(yùn)動(dòng)方式酷似生物肌肉。見圖-1

2.2 所需氣囊主要參數(shù)為:自由狀態(tài)長度:115mm;自由狀態(tài)直徑:20mm;壁厚:1.5mm充壓后最短長度:105mm充壓后最大直徑:35mm最大承受拉力:20kg基于上述要求我們進(jìn)行了氣囊的研制。

2.3 研制內(nèi)容:

2.3.1 膠種的選擇:天然膠具有很好的綜合性能，特別是彈性，是橡膠中最好的一種，而高順式丁二烯橡膠(順丁膠)定伸強(qiáng)力尤為突出，力學(xué)子性能稍差，二者并用彌補(bǔ)順丁膠缺陷對(duì)發(fā)揮其特有的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)我們研制的內(nèi)容，決定選取天然膠與順丁膠并用。

2.3.2 各種助劑的選擇:任何一種橡膠材料在成型加工和滿足廣泛的應(yīng)用性能要求方面總是存在著不足之處，為克服它們的不足，除了用合成方法或并用研制新的膠種外，另外一個(gè)有效的改進(jìn)辦法是添加各種助劑，它可以改進(jìn)橡膠的加工性能和使用性能。所以，在橡膠科學(xué)中各種助劑的研究和使用往往是橡膠新材料和新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)關(guān)健。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)配方時(shí)，必須根據(jù)所用膠種，產(chǎn)品的使用性能要求，加工工藝和各種助劑性能等進(jìn)行綜合考慮。

選用各種助劑應(yīng)考慮的因素:①助劑與橡膠的配合劑:助劑與橡膠的相溶是一個(gè)重要因素，助劑與橡膠相溶性不好，助劑就會(huì)從橡膠內(nèi)部表面遷移析出，造成噴霜，失去效能，因此，我們選擇的助劑應(yīng)當(dāng)與橡膠相溶性大，分散性好。②助劑并用的相互影響，配方中往往是多種助劑并用，并用各種助劑必須相互增進(jìn)，總效果高于各組份單獨(dú)使用效果的加合，否則適得其反。③各種助劑的穩(wěn)定性，加入橡膠中的助劑應(yīng)對(duì)熱，光、氧、水、臭氧或其它化學(xué)介質(zhì)具有良好的穩(wěn)定性。④污染性和毒性:污染性和毒性是選擇各種助劑的一個(gè)因素。⑤各種助劑的最佳用量:各種助劑的最佳用量要考慮橡膠的種類、溶解性、揮發(fā)性。

使用:工藝條件、成本和整個(gè)體系中各組份間的相互制約因素。

根據(jù)以上原則氣囊材料選用天然膠和順丁膠作為主體材料，選用相應(yīng)的硫化體系，并結(jié)合加工工藝選用各種助劑。開展試驗(yàn)工作。

3 生產(chǎn)工藝

3.1 混煉膠制備:天然橡膠塑煉三遍后停放4～6小時(shí)，加入順丁橡膠進(jìn)行摻混塑煉，按(增強(qiáng)劑、軟化劑、活化劑、防老劑、硫化促進(jìn)劑)順序添加各種助劑進(jìn)行混煉20分鐘，薄通三包兩卷后，按2.5mm厚度出片。

3.2 硫化:將預(yù)熱至143℃的模具取出，開上模取出模芯，在型腔中放入一膠條，將模芯對(duì)準(zhǔn)定位槽壓下，放入另一膠條(貼在模芯上放正、壓實(shí))，合模。放在硫化機(jī)上硫化，硫化條件為:143℃/8MPa×5min。

4 性能測(cè)試

按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)物理機(jī)械性能測(cè)試.壓縮生熱:按 GB/T1685-1993制樣，測(cè)試時(shí)間25min，頻率30Hz，負(fù)荷36磅。

5 結(jié)論

研制的氣動(dòng)人工肌肉可膨脹氣囊(橡膠筒套)。膠料采用NR/BR(并用比80/20)并用膠，通過添加各種助劑達(dá)到產(chǎn)品要求，針對(duì)脫模難的問題，產(chǎn)品采用整體模芯及上模和下模組成的模具硫化.研制的橡膠筒套滿足氣動(dòng)人工肌肉的要求。

參考文獻(xiàn):

[1]臧克江，顧立志.氣動(dòng)人工肌肉研究與展望.

[2]蘇生榮，應(yīng)申舜.面向機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的人工肌肉技術(shù)研究與進(jìn)展.

[3]導(dǎo)熱填料對(duì)NR/BR硫化膠的生熱和導(dǎo)熱的影響.