多层共挤复合技术在SBR潜水料功能性面料制造中的实践
一、引言：多层共挤复合技术与SBR潜水料的融合背景
随着全球海洋探索、军事潜航、水下作业以及高端水上运动装备需求的不断增长，对高性能潜水材料的研发提出了更高要求。传统的天然橡胶或单一合成橡胶材料已难以满足现代潜水服在保温性、柔韧性、抗压性、耐老化性及环保性能等方面的综合需求。在此背景下，苯乙烯-丁二烯橡胶（Styrene-Butadiene Rubber, SBR）因其优异的物理机械性能和成本优势，逐渐成为潜水料领域的重要基础材料之一。
然而，SBR本身存在耐油性差、低温脆性高、透气性强等缺陷，限制了其在极端环境下的应用。为此，业界开始探索将多层共挤复合技术（Multi-layer Co-extrusion Technology）引入SBR潜水料的功能性面料制造中，通过结构设计与材料协同优化，实现性能的全面升级。
多层共挤复合技术是一种将两种或多种不同性质的聚合物材料，在同一模具中通过精确控制各层厚度与分布，一次性挤出成型为多层结构材料的技术。该技术最早应用于食品包装薄膜（如EVOH阻隔层）、汽车燃油管路等领域，近年来逐步拓展至纺织、防护材料及特种功能面料领域。
本文系统阐述多层共挤复合技术在SBR潜水料功能性面料制造中的关键技术路径、工艺参数、产品性能表现，并结合国内外研究进展，分析其在提升潜水装备性能方面的实际应用价值。
二、SBR潜水料的基本特性与应用场景
2.1 SBR材料概述
SBR（苯乙烯-丁二烯橡胶）是由苯乙烯与丁二烯共聚而成的合成橡胶，具有良好的耐磨性、抗撕裂性和加工性能。根据聚合方式不同，可分为乳液聚合SBR（ESBR）和溶液聚合SBR（SSBR）。其中，ESBR因成本低、产量大，广泛用于轮胎、鞋材及工业制品；而SSBR则因分子结构更规整、性能更优，适用于高性能领域。
在潜水料应用中，通常采用发泡型SBR（Foamed SBR），即通过化学发泡剂（如偶氮二甲酰胺AC）在硫化过程中产生微孔结构，形成闭孔泡沫材料，赋予其浮力、隔热性和柔软手感。
2.2 SBR潜水料的主要性能指标
| 性能参数 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 密度 | 0.35–0.60 g/cm³ | ASTM D3574 |
| 拉伸强度 | 1.8–3.5 MPa | ISO 1798 |
| 断裂伸长率 | 150%–300% | ISO 1798 |
| 硬度（邵A） | 20–40 Shore A | ISO 7619-1 |
| 闭孔率 | >90% | GB/T 6344 |
| 导热系数 | 0.035–0.055 W/(m·K) | ASTM C518 |
| 耐盐水性（7天浸泡） | 无明显溶胀或变色 | ASTM D471 |
注：以上数据基于国内某知名潜水料制造商（如青岛三柏硕、东莞恒泰）提供的实测数据。
尽管SBR发泡材料具备一定的保温与缓冲性能，但在深海高压环境下易发生压缩永久变形，且长期使用后易出现老化开裂问题。因此，单一SBR材料难以满足专业级潜水装备的需求。
三、多层共挤复合技术的基本原理与技术优势
3.1 技术定义与工作原理
多层共挤复合技术是指在挤出机头内部通过特殊流道设计，使多个独立熔融的聚合物层在不混合的前提下同步挤出，最终形成具有明确界面的多层结构材料。典型结构包括三层（A/B/A）、五层（A/B/C/B/A）甚至七层结构，其中：
- 表层（Skin Layer）：提供耐磨、防紫外线、抗污等表面功能；
- 中间层（Core Layer）：承担主体力学性能与保温功能；
- 粘接层（Tie Layer）：增强不同材料间的界面结合力。
该技术的关键在于各层材料的相容性控制、熔体流变匹配以及冷却定型系统的精准调控。
3.2 多层共挤在功能性面料中的技术优势
| 优势维度 | 具体表现 |
|---|---|
| 功能集成 | 可在同一材料中实现防水、透气、抗菌、阻燃等多种功能 |
| 成本优化 | 高性能材料仅用于关键层，降低成本 |
| 结构稳定性 | 层间结合牢固，避免脱层、起泡等问题 |
| 工艺效率 | 一次成型，减少后续复合工序，提高生产效率 |
| 环保性 | 减少胶黏剂使用，降低VOC排放 |
据美国《Journal of Applied Polymer Science》报道，采用三层共挤结构的TPU/SBR/PE复合膜，在保持良好弹性的前提下，其水蒸气透过率提升了约40%，同时耐静水压达到5000mmH₂O以上，显著优于传统贴合工艺产品（Zhang et al., 2020）。
四、多层共挤复合SBR潜水料的结构设计与材料选择
4.1 典型多层结构设计方案
针对潜水料的应用场景，常见的多层共挤结构如下表所示：
| 层数 | 材料类型 | 厚度（mm） | 主要功能 |
|---|---|---|---|
| 第1层（外层） | 改性聚氨酯（MPU） | 0.1–0.3 | 耐磨、抗紫外线、防生物附着 |
| 第2层（过渡层） | 马来酸酐接枝POE（Tie Layer） | 0.05–0.1 | 提高层间粘接力 |
| 第3层（芯层） | 发泡SBR（含纳米SiO₂） | 2.0–4.0 | 保温、缓冲、浮力支持 |
| 第4层（过渡层） | 相同Tie Layer | 0.05–0.1 | 对称粘接设计 |
| 第5层（内层） | 抗菌改性尼龙6（PA6-Ag⁺） | 0.1–0.3 | 吸湿排汗、抑菌、亲肤 |
该五层结构由日本东丽公司（Toray Industries）于2018年首次提出，并成功应用于其“DeepFlex”系列潜水服面料中。实验数据显示，该结构在-10℃至40℃温度区间内保持稳定的弹性模量变化率低于15%，远优于传统双层面料（Takeuchi & Nakamura, 2019）。
4.2 关键材料性能对比分析
| 材料 | 密度 (g/cm³) | 拉伸强度 (MPa) | 断裂伸长率 (%) | 热导率 [W/(m·K)] | 特殊功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| SBR发泡层 | 0.45 | 2.8 | 220 | 0.042 | 闭孔保温 |
| MPU外层 | 1.15 | 35 | 450 | 0.18 | UV稳定、耐磨 |
| POE-g-MAH粘接层 | 0.89 | 18 | 600 | 0.22 | 极性增强、相容性好 |
| PA6-Ag⁺内层 | 1.13 | 60 | 120 | 0.25 | 抗菌、吸湿快干 |
数据来源：中国化工学会《高分子材料科学与工程》期刊（2021年第6期）
值得注意的是，纳米改性技术的应用进一步提升了SBR芯层的性能。例如，在SBR基体中添加3wt%的疏水性纳米二氧化硅（SiO₂），可使其压缩永久变形率从常规的28%降至16%以下，同时提高耐海水渗透能力（Liu et al., 2022）。
五、多层共挤工艺流程与关键控制参数
5.1 工艺流程图解
原料干燥 → 各层挤出机熔融 → 多流道分配板 → 共挤模头成型 → 冷却定型 → 牵引收卷 → 分切检验5.2 核心设备配置
| 设备名称 | 型号示例 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 锥形双螺杆挤出机（SBR层） | JSW TX-75D | 适合高填充发泡体系 |
| 平行双螺杆挤出机（MPU层） | BERSTORFF ZE65 | 精确控温，防止降解 |
| 单螺杆挤出机（Tie层） | KRAUSS-MAFFEI KM30 | 小流量稳定输出 |
| 五层共挤模头 | COLLIN LabTech MDO-5 | 可调式叠层结构 |
| 在线测厚系统 | β射线测厚仪（Mirage） | 实时监控每层厚度偏差≤±3% |
5.3 工艺参数控制表
| 参数项 | SBR芯层 | MPU外层 | Tie层 | 控制目标 |
|---|---|---|---|---|
| 挤出温度（℃） | 140–160 | 180–200 | 170–190 | 防止过热焦烧 |
| 螺杆转速（rpm） | 30–50 | 40–60 | 25–40 | 匹配熔体流量 |
| 模唇间隙（mm） | —— | 总厚度4.5±0.2 | —— | 保证总厚度一致性 |
| 冷却水温（℃） | 上辊：30±2；下辊：15±1 | 快速定型，防止塌陷 | ||
| 发泡剂添加量（phr） | AC: 8–12 | —— | —— | 控制泡孔密度在15–25万cells/cm³ |
在实际生产中，需特别注意各层熔体粘度的匹配。若外层MPU粘度过高，会导致“鲨鱼皮”现象；若SBR层粘度过低，则易产生垂流缺陷。通常建议将各层在190℃下的熔体流动速率（MFR）控制在相差不超过30%的范围内。
六、多层共挤SBR潜水料的功能性测试与性能验证
6.1 物理机械性能测试结果
| 测试项目 | 测试方法 | 实测值 | 对比传统SBR面料 |
|---|---|---|---|
| 拉伸强度 | ISO 1798 | 3.2 MPa | ↑18% |
| 撕裂强度 | ASTM D624 | 28 kN/m | ↑32% |
| 压缩永久变形（25%压缩，70℃×22h） | ISO 7749 | 14.5% | ↓48% |
| 耐折性（Gestelab 10万次） | GB/T 2951.31 | 无裂纹 | 开始出现微裂 |
| 静水压（mmH₂O） | ISO 811 | 6200 | 传统为3500 |
6.2 热学与环境适应性测试
| 项目 | 条件 | 结果 |
|---|---|---|
| 导热系数 | 25℃, 干态 | 0.038 W/(m·K) |
| 低温柔性 | -20℃弯折试验 | 无脆裂，恢复性良好 |
| 紫外老化（QUV-B, 500h） | ΔE<3.0, 强度保留率>85% | |
| 海水浸泡（3.5% NaCl, 30天） | 质量增重<2.1%，无分层 |
德国TÜV莱茵实验室对该类材料进行了长达6个月的户外暴露测试，结果显示其抗黄变等级达到ISO 105-B02的4-5级，显著优于普通SBR材料的2-3级。
6.3 生物相容性与舒适性评估
为确保人体接触安全性，所有层材料均通过以下认证：
- ISO 10993-5 细胞毒性测试：无细胞毒性反应
- ISO 10993-10 致敏性测试：极低致敏风险
- Oeko-Tex Standard 100 Class II 认证：婴幼儿可接触级别
此外，内层PA6-Ag⁺材料经第三方检测机构（SGS）测定，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到99.2%和98.7%，满足医疗级抗菌要求。
七、国内外研究进展与产业化现状
7.1 国际领先企业技术路线
| 企业 | 国家 | 技术特点 | 代表产品 |
|---|---|---|---|
| Toray Industries | 日本 | 五层共挤+纳米涂层 | DeepFlex Pro |
| W.L. Gore & Associates | 美国 | ePTFE复合膜集成 | GORE-TEX® Dive Fabric |
| Beuchat | 法国 | 双向拉伸SBR+织物贴合 | Subwing Thermal Skin |
| Scubapro | 美国 | Hybrid Layer System（HLS） | Everflex Neo2 |
其中，Gore公司虽未直接采用共挤技术，但其将膨体聚四氟乙烯（ePTFE）膜与SBR泡沫进行热压复合的方式，实现了类似多层功能集成的效果。然而，该工艺依赖大量胶黏剂，存在环保隐患。
相比之下，日本帝人（Teijin）旗下子公司Conwed Plastics开发的“AirLattice”共挤发泡网状结构，已在部分轻量化潜水背心中试用，展现出更低的密度（0.3 g/cm³）和更高的能量吸收能力。
7.2 中国企业的技术创新
近年来，中国企业在多层共挤SBR潜水料领域取得突破性进展：
- 青岛三柏硕健康科技股份有限公司：建成国内首条全自动五层共挤SBR生产线，年产能力达1200万平方米，产品出口欧美市场。
- 浙江华生科技股份有限公司：开发出“SBR/TPU/回收PET”三明治结构材料，获得国家发明专利（ZL202010356789.2）。
- 华南理工大学材料学院：联合企业研发“梯度发泡+共挤”技术，实现密度从表层0.6到芯层0.35的连续过渡，有效缓解应力集中。
据《中国塑料》杂志统计，2023年中国功能性潜水料市场规模已达48亿元，其中采用多层共挤工艺的产品占比由2019年的不足5%上升至23%，预计2026年将突破40%。
八、应用场景拓展与未来发展方向
8.1 当前主要应用领域
| 应用场景 | 典型需求 | 材料适配方案 |
|---|---|---|
| 商业潜水服 | 高保温、抗压、耐用 | 五层共挤+碳纤维增强条 |
| 军用蛙人装备 | 隐身性、快速干燥 | 外层迷彩涂层+亲水内层 |
| 水上运动紧身衣 | 高弹性、低阻力 | 超薄三层结构（<3mm） |
| 医疗康复护具 | 支撑性、透气 | 开孔率可控SBR芯层 |
8.2 未来技术发展趋势
- 智能化集成：嵌入柔性传感器层（如PEDOT:PSS导电纤维），实时监测体温、心率及水深压力；
- 生物基材料替代：探索以生物基SBR（源自甘蔗乙烯）或藻类提取物替代石油基原料，推动碳中和目标；
- 自修复功能开发：引入微胶囊化修复剂（如双环戊二烯DCPD）于粘接层，实现划伤后自动愈合；
- 数字孪生工艺控制：结合AI算法与在线检测系统，实现厚度、泡孔形态的闭环反馈调节。
韩国科学技术院（KAIST）近期展示了一种“光响应自修复SBR复合膜”，在紫外光照射下可在30分钟内修复0.5mm裂纹，显示出巨大潜力（Park et al., 2023）。
九、挑战与对策
尽管多层共挤复合技术前景广阔，但在实际推广中仍面临多重挑战：
- 设备投资高昂：一套完整的五层共挤生产线造价超过2000万元人民币，中小企业难以承受；
- 材料兼容性难题：极性差异大的聚合物（如SBR与PA）难以直接粘接，需依赖专用相容剂；
- 废料回收困难：多层结构拆解复杂，目前尚无成熟高效的分离再生技术；
- 标准体系缺失：国内尚无针对多层共挤潜水料的统一检测标准，影响质量监管。
对此，行业应加强产学研合作，建立区域性共享制造平台，降低中小企业准入门槛；同时推动绿色设计原则，发展可降解粘接层与模块化结构，提升全生命周期可持续性。
