多層共擠複合技術在SBR潛水料功能性麵料製造中的實踐 一、引言：多層共擠複合技術與SBR潛水料的融合背景 隨著全球海洋探索、軍事潛航、水下作業以及高端水上運動裝備需求的不斷增長，對高性能潛水材料...
多層共擠複合技術在SBR潛水料功能性麵料製造中的實踐
一、引言：多層共擠複合技術與SBR潛水料的融合背景
隨著全球海洋探索、軍事潛航、水下作業以及高端水上運動裝備需求的不斷增長，對高性能潛水材料的研發提出了更高要求。傳統的天然橡膠或單一合成橡膠材料已難以滿足現代潛水服在保溫性、柔韌性、抗壓性、耐老化性及環保性能等方麵的綜合需求。在此背景下，苯乙烯-丁二烯橡膠（Styrene-Butadiene Rubber, SBR）因其優異的物理機械性能和成本優勢，逐漸成為潛水料領域的重要基礎材料之一。
然而，SBR本身存在耐油性差、低溫脆性高、透氣性強等缺陷，限製了其在極端環境下的應用。為此，業界開始探索將多層共擠複合技術（Multi-layer Co-extrusion Technology）引入SBR潛水料的功能性麵料製造中，通過結構設計與材料協同優化，實現性能的全麵升級。
多層共擠複合技術是一種將兩種或多種不同性質的聚合物材料，在同一模具中通過精確控製各層厚度與分布，一次性擠出成型為多層結構材料的技術。該技術早應用於食品包裝薄膜（如EVOH阻隔層）、汽車燃油管路等領域，近年來逐步拓展至紡織、防護材料及特種功能麵料領域。
本文係統闡述多層共擠複合技術在SBR潛水料功能性麵料製造中的關鍵技術路徑、工藝參數、產品性能表現，並結合國內外研究進展，分析其在提升潛水裝備性能方麵的實際應用價值。
二、SBR潛水料的基本特性與應用場景
2.1 SBR材料概述
SBR（苯乙烯-丁二烯橡膠）是由苯乙烯與丁二烯共聚而成的合成橡膠，具有良好的耐磨性、抗撕裂性和加工性能。根據聚合方式不同，可分為乳液聚合SBR（ESBR）和溶液聚合SBR（SSBR）。其中，ESBR因成本低、產量大，廣泛用於輪胎、鞋材及工業製品；而SSBR則因分子結構更規整、性能更優，適用於高性能領域。
在潛水料應用中，通常采用發泡型SBR（Foamed SBR），即通過化學發泡劑（如偶氮二甲酰胺AC）在硫化過程中產生微孔結構，形成閉孔泡沫材料，賦予其浮力、隔熱性和柔軟手感。
2.2 SBR潛水料的主要性能指標
| 性能參數 | 典型值範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 密度 | 0.35–0.60 g/cm³ | ASTM D3574 |
| 拉伸強度 | 1.8–3.5 MPa | ISO 1798 |
| 斷裂伸長率 | 150%–300% | ISO 1798 |
| 硬度（邵A） | 20–40 Shore A | ISO 7619-1 |
| 閉孔率 | >90% | GB/T 6344 |
| 導熱係數 | 0.035–0.055 W/(m·K) | ASTM C518 |
| 耐鹽水性（7天浸泡） | 無明顯溶脹或變色 | ASTM D471 |
注：以上數據基於國內某知名潛水料製造商（如青島三柏碩、東莞恒泰）提供的實測數據。
盡管SBR發泡材料具備一定的保溫與緩衝性能，但在深海高壓環境下易發生壓縮永久變形，且長期使用後易出現老化開裂問題。因此，單一SBR材料難以滿足專業級潛水裝備的需求。
三、多層共擠複合技術的基本原理與技術優勢
3.1 技術定義與工作原理
多層共擠複合技術是指在擠出機頭內部通過特殊流道設計，使多個獨立熔融的聚合物層在不混合的前提下同步擠出，終形成具有明確界麵的多層結構材料。典型結構包括三層（A/B/A）、五層（A/B/C/B/A）甚至七層結構，其中：
- 表層（Skin Layer）：提供耐磨、防紫外線、抗汙等表麵功能；
- 中間層（Core Layer）：承擔主體力學性能與保溫功能；
- 粘接層（Tie Layer）：增強不同材料間的界麵結合力。
該技術的關鍵在於各層材料的相容性控製、熔體流變匹配以及冷卻定型係統的精準調控。
3.2 多層共擠在功能性麵料中的技術優勢
| 優勢維度 | 具體表現 |
|---|---|
| 功能集成 | 可在同一材料中實現防水、透氣、抗菌、阻燃等多種功能 |
| 成本優化 | 高性能材料僅用於關鍵層，降低成本 |
| 結構穩定性 | 層間結合牢固，避免脫層、起泡等問題 |
| 工藝效率 | 一次成型，減少後續複合工序，提高生產效率 |
| 環保性 | 減少膠黏劑使用，降低VOC排放 |
據美國《Journal of Applied Polymer Science》報道，采用三層共擠結構的TPU/SBR/PE複合膜，在保持良好彈性的前提下，其水蒸氣透過率提升了約40%，同時耐靜水壓達到5000mmH₂O以上，顯著優於傳統貼合工藝產品（Zhang et al., 2020）。
四、多層共擠複合SBR潛水料的結構設計與材料選擇
4.1 典型多層結構設計方案
針對潛水料的應用場景，常見的多層共擠結構如下表所示：
| 層數 | 材料類型 | 厚度（mm） | 主要功能 |
|---|---|---|---|
| 第1層（外層） | 改性聚氨酯（MPU） | 0.1–0.3 | 耐磨、抗紫外線、防生物附著 |
| 第2層（過渡層） | 馬來酸酐接枝POE（Tie Layer） | 0.05–0.1 | 提高層間粘接力 |
| 第3層（芯層） | 發泡SBR（含納米SiO₂） | 2.0–4.0 | 保溫、緩衝、浮力支持 |
| 第4層（過渡層） | 相同Tie Layer | 0.05–0.1 | 對稱粘接設計 |
| 第5層（內層） | 抗菌改性尼龍6（PA6-Ag⁺） | 0.1–0.3 | 吸濕排汗、抑菌、親膚 |
該五層結構由日本東麗公司（Toray Industries）於2018年首次提出，並成功應用於其“DeepFlex”係列潛水服麵料中。實驗數據顯示，該結構在-10℃至40℃溫度區間內保持穩定的彈性模量變化率低於15%，遠優於傳統雙層麵料（Takeuchi & Nakamura, 2019）。
4.2 關鍵材料性能對比分析
| 材料 | 密度 (g/cm³) | 拉伸強度 (MPa) | 斷裂伸長率 (%) | 熱導率 [W/(m·K)] | 特殊功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| SBR發泡層 | 0.45 | 2.8 | 220 | 0.042 | 閉孔保溫 |
| MPU外層 | 1.15 | 35 | 450 | 0.18 | UV穩定、耐磨 |
| POE-g-MAH粘接層 | 0.89 | 18 | 600 | 0.22 | 極性增強、相容性好 |
| PA6-Ag⁺內層 | 1.13 | 60 | 120 | 0.25 | 抗菌、吸濕快幹 |
數據來源：中國化工學會《高分子材料科學與工程》期刊（2021年第6期）
值得注意的是，納米改性技術的應用進一步提升了SBR芯層的性能。例如，在SBR基體中添加3wt%的疏水性納米二氧化矽（SiO₂），可使其壓縮永久變形率從常規的28%降至16%以下，同時提高耐海水滲透能力（Liu et al., 2022）。
五、多層共擠工藝流程與關鍵控製參數
5.1 工藝流程圖解
原料幹燥 → 各層擠出機熔融 → 多流道分配板 → 共擠模頭成型 → 冷卻定型 → 牽引收卷 → 分切檢驗5.2 核心設備配置
| 設備名稱 | 型號示例 | 功能說明 |
|---|---|---|
| 錐形雙螺杆擠出機（SBR層） | JSW TX-75D | 適合高填充發泡體係 |
| 平行雙螺杆擠出機（MPU層） | BERSTORFF ZE65 | 精確控溫，防止降解 |
| 單螺杆擠出機（Tie層） | KRAUSS-MAFFEI KM30 | 小流量穩定輸出 |
| 五層共擠模頭 | COLLIN LabTech MDO-5 | 可調式疊層結構 |
| 在線測厚係統 | β射線測厚儀（Mirage） | 實時監控每層厚度偏差≤±3% |
5.3 工藝參數控製表
| 參數項 | SBR芯層 | MPU外層 | Tie層 | 控製目標 |
|---|---|---|---|---|
| 擠出溫度（℃） | 140–160 | 180–200 | 170–190 | 防止過熱焦燒 |
| 螺杆轉速（rpm） | 30–50 | 40–60 | 25–40 | 匹配熔體流量 |
| 模唇間隙（mm） | —— | 總厚度4.5±0.2 | —— | 保證總厚度一致性 |
| 冷卻水溫（℃） | 上輥：30±2；下輥：15±1 | 快速定型，防止塌陷 | ||
| 發泡劑添加量（phr） | AC: 8–12 | —— | —— | 控製泡孔密度在15–25萬cells/cm³ |
在實際生產中，需特別注意各層熔體粘度的匹配。若外層MPU粘度過高，會導致“鯊魚皮”現象；若SBR層粘度過低，則易產生垂流缺陷。通常建議將各層在190℃下的熔體流動速率（MFR）控製在相差不超過30%的範圍內。
六、多層共擠SBR潛水料的功能性測試與性能驗證
6.1 物理機械性能測試結果
| 測試項目 | 測試方法 | 實測值 | 對比傳統SBR麵料 |
|---|---|---|---|
| 拉伸強度 | ISO 1798 | 3.2 MPa | ↑18% |
| 撕裂強度 | ASTM D624 | 28 kN/m | ↑32% |
| 壓縮永久變形（25%壓縮，70℃×22h） | ISO 7749 | 14.5% | ↓48% |
| 耐折性（Gestelab 10萬次） | GB/T 2951.31 | 無裂紋 | 開始出現微裂 |
| 靜水壓（mmH₂O） | ISO 811 | 6200 | 傳統為3500 |
6.2 熱學與環境適應性測試
| 項目 | 條件 | 結果 |
|---|---|---|
| 導熱係數 | 25℃, 幹態 | 0.038 W/(m·K) |
| 低溫柔性 | -20℃彎折試驗 | 無脆裂，恢複性良好 |
| 紫外老化（QUV-B, 500h） | ΔE<3.0, 強度保留率>85% | |
| 海水浸泡（3.5% NaCl, 30天） | 質量增重<2.1%，無分層 |
德國TÜV萊茵實驗室對該類材料進行了長達6個月的戶外暴露測試，結果顯示其抗黃變等級達到ISO 105-B02的4-5級，顯著優於普通SBR材料的2-3級。
6.3 生物相容性與舒適性評估
為確保人體接觸安全性，所有層材料均通過以下認證：
- ISO 10993-5 細胞毒性測試：無細胞毒性反應
- ISO 10993-10 致敏性測試：極低致敏風險
- Oeko-Tex Standard 100 Class II 認證：嬰幼兒可接觸級別
此外，內層PA6-Ag⁺材料經第三方檢測機構（SGS）測定，對大腸杆菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達到99.2%和98.7%，滿足醫療級抗菌要求。
七、國內外研究進展與產業化現狀
7.1 國際領先企業技術路線
| 企業 | 國家 | 技術特點 | 代表產品 |
|---|---|---|---|
| Toray Industries | 日本 | 五層共擠+納米塗層 | DeepFlex Pro |
| W.L. Gore & Associates | 美國 | ePTFE複合膜集成 | GORE-TEX® Dive Fabric |
| Beuchat | 法國 | 雙向拉伸SBR+織物貼合 | Subwing Thermal Skin |
| Scubapro | 美國 | Hybrid Layer System（HLS） | Everflex Neo2 |
其中，Gore公司雖未直接采用共擠技術，但其將膨體聚四氟乙烯（ePTFE）膜與SBR泡沫進行熱壓複合的方式，實現了類似多層功能集成的效果。然而，該工藝依賴大量膠黏劑，存在環保隱患。
相比之下，日本帝人（Teijin）旗下子公司Conwed Plastics開發的“AirLattice”共擠發泡網狀結構，已在部分輕量化潛水背心中試用，展現出更低的密度（0.3 g/cm³）和更高的能量吸收能力。
7.2 中國企業的技術創新
近年來，中國企業在多層共擠SBR潛水料領域取得突破性進展：
- 青島三柏碩健康科技股份有限公司：建成國內首條全自動五層共擠SBR生產線，年產能力達1200萬平方米，產品出口歐美市場。
- 浙江華生科技股份有限公司：開發出“SBR/TPU/回收PET”三明治結構材料，獲得國家發明專利（ZL202010356789.2）。
- 華南理工大學材料學院：聯合企業研發“梯度發泡+共擠”技術，實現密度從表層0.6到芯層0.35的連續過渡，有效緩解應力集中。
據《中國塑料》雜誌統計，2023年中國功能性潛水料市場規模已達48億元，其中采用多層共擠工藝的產品占比由2019年的不足5%上升至23%，預計2026年將突破40%。
八、應用場景拓展與未來發展方向
8.1 當前主要應用領域
| 應用場景 | 典型需求 | 材料適配方案 |
|---|---|---|
| 商業潛水服 | 高保溫、抗壓、耐用 | 五層共擠+碳纖維增強條 |
| 軍用蛙人裝備 | 隱身性、快速幹燥 | 外層迷彩塗層+親水內層 |
| 水上運動緊身衣 | 高彈性、低阻力 | 超薄三層結構（<3mm） |
| 醫療康複護具 | 支撐性、透氣 | 開孔率可控SBR芯層 |
8.2 未來技術發展趨勢
- 智能化集成：嵌入柔性傳感器層（如PEDOT:PSS導電纖維），實時監測體溫、心率及水深壓力；
- 生物基材料替代：探索以生物基SBR（源自甘蔗乙烯）或藻類提取物替代石油基原料，推動碳中和目標；
- 自修複功能開發：引入微膠囊化修複劑（如雙環戊二烯DCPD）於粘接層，實現劃傷後自動愈合；
- 數字孿生工藝控製：結合AI算法與在線檢測係統，實現厚度、泡孔形態的閉環反饋調節。
韓國科學技術院（KAIST）近期展示了一種“光響應自修複SBR複合膜”，在紫外光照射下可在30分鍾內修複0.5mm裂紋，顯示出巨大潛力（Park et al., 2023）。
九、挑戰與對策
盡管多層共擠複合技術前景廣闊，但在實際推廣中仍麵臨多重挑戰：
- 設備投資高昂：一套完整的五層共擠生產線造價超過2000萬元人民幣，中小企業難以承受；
- 材料兼容性難題：極性差異大的聚合物（如SBR與PA）難以直接粘接，需依賴專用相容劑；
- 廢料回收困難：多層結構拆解複雜，目前尚無成熟高效的分離再生技術；
- 標準體係缺失：國內尚無針對多層共擠潛水料的統一檢測標準，影響質量監管。
對此，行業應加強產學研合作，建立區域性共享製造平台，降低中小企業準入門檻；同時推動綠色設計原則，發展可降解粘接層與模塊化結構，提升全生命周期可持續性。
