现代工业橡胶的配方设计原理跟方法资料课件

现代工业橡胶的配方设计配方体系表示方法、设计原则、性配方体系表示方法、设计原则、性能对配方体系的要求能对配方体系的要求4.1橡胶配方设计的基本概念 v橡胶配方就是表示能满足制品规定使用性能及加工性能要求的胶料中，各种原材料的种类和用量的搭配方案。生产中所用配方应该包括：胶料的名称及代号、胶料的用途、各种配合剂的用量、生胶含量、密度以及胶料的物性。v所谓配方设计就是如何确定这种比例关系，是橡胶制品生产过程中的关键环节。4.1.1 橡胶配方设计的原则橡胶配方设计的任务是力求使橡胶制品在性能、成本和工艺可行性三个方面取得最佳的综合平衡。通常，要遵循以下几条原则：充分了解制品的性能要求、使用条件；半成品的性能一般应高于成品指标的15%。由于橡胶制品的性能一般是多方面的，性能在满足性能要求方面，要抓住主要矛盾，平衡次要矛盾；对多部件制品，要从整体考虑；平衡使用性能与加工性能；考虑配合剂之间的相互影响；低污染；简化配方，降低成本。4.1.2 橡胶配方设计的程序配方设计的基本程序包 调研 包括制品的使用条件，如温度、压力、是否接触介质、使用的频率等方面。选材 根据调研结果，选材、确定基本配方；包括生胶材料 及各种配合剂各种生胶的基本配方可通过资料查询。配方筛选 确定能够反映产品性能的试验方法，反复实验进 行筛选；检验 通过选定的配方制备胶料、产品，进行验证；定工艺 根据试验过程拟定加工工艺条件；评定 对制品的性价比进行综合评定。4.1.3 橡胶配方的表示方法及其计算橡胶配方的表示方法v 基本配方 基本配方是用质量份数表示的配方，即以生胶的质量为100份，其它配合剂用量都以相对的质量份数来表示。v 质量百分数配方 质量百分数配方是以胶料总质量为100%，生胶及各种配合剂用量都用质量百分数来表示。v 体积百分数配方 体积百分数配方是以胶料的总体积为100%，生胶及各种配合剂用量都用体积百分数来表示。v 生产配方 根据炼胶机的容量，由基本配方换算出的实际生产投料量。4.2配合体系与制品性能的关系 4.2.1 配合体系与拉伸强度的关系 拉伸强度是指试片受拉伸作用至断裂时单位面积上所承受的最大拉伸应力，单位MPa。在硫化胶的测定项目中一般都包括这项指标。工业用橡胶制品，多以拉伸强度作为产品质量的主要指标。v 橡胶品种主链上有极性取代基或芳基的橡胶的拉伸强度较高。就纯橡胶配合而言，天然橡胶和聚氨酯橡胶的拉伸强度最高，丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶次之，丁苯橡胶、丁腈橡胶较差。v 硫化体系交联密度 随着交联密度的增加，橡胶拉伸强度，出现先增后降的趋势，存在最佳值，这就要求适当选择硫化剂的用量。交联健的类型 硫化胶的拉伸强度随着交联键能的增加而减小。当交联键能较弱时，在高应力集中下会很快断裂，从而解除了所承受的负荷，而将应力转移分配给相邻链段上，使得网络作为一个整体均匀地承受较大应力；同时，弱交联键的较早断裂还有利于该部分主链的定向排列和结晶，因此存在弱交联键的硫化胶的拉伸强度较大。例如，适当增加硫黄用量，采用促进剂M或与胍类促进剂并用，可提高键能较低的多硫键（Sx）的含量，提高拉伸强度。v 填充体系 一般而言，填充剂粒径越小、比表面积越大、结构性越高，补强效果越好。v 增塑体系 增塑剂一般会使橡胶的拉伸强度降低，与橡胶相容性好、具有限制橡胶分子运动的高黏度油类增塑剂可提高橡胶的拉伸强度。其它，如共混、使用表面活性剂、偶联剂也可提高橡胶的拉伸强度。4.2.2 配合体系与撕裂强度的关系指将带有切口的试片撕裂时所需的最大力，其单位为N/m。v 橡胶品种天然橡胶、氯丁橡胶等结晶性橡胶的撕裂性较好。几种橡胶的抗撕裂性强弱顺序是：NRCRSBRNBRv 硫化体系 多硫键具有较高的撕裂强度。v 填充体系 粒子细、活性大的炭黑、白炭黑补强时，撕裂强度明显改善；炭黑用量一般在5060phr时可获得最高撕裂强度。但用量过大时撕裂强度反而下降。v 增塑体系适当加入增塑剂有助于撕裂强度的提高，主要是一些树脂类如古马隆树脂、酚醛树脂等。4.2.3 配合体系与定伸应力的关系定伸应力是指试样被拉伸至一定长度时所受的力与试样在拉伸前的截面积之比，单位为MPa，工业中常用的有伸长为100%、300%和500%时的定伸应力。v 橡胶品种要求高定伸应力的橡胶制品可以用天然橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶来制备；低定伸应力的制品可采用天然橡胶、高顺丁橡胶。v 硫化体系随着交联密度的增加，定伸应力随之增加。因此，调整硫化体系中硫黄及促进剂的用量来增大交联密度，进而提高定伸应力。v 填充体系增加粒度小、结构性高的高活性填充剂的用量可提高定伸应力。以炭黑的效果最为显著。对丁苯橡胶来说，主要取决于炭黑的结构性。v 增塑体系增塑剂用量增加，定伸应力降低。4.2.4 配合体系与回弹性的关系回弹性又称冲击弹性，是指橡胶受冲击以后恢复原状的能力。试验的时候是使一定高度的重物自由落到橡胶试样表面上，用重物回弹的高度来评价。v 橡胶品种从结构因素来说，分子链越柔顺、分子间作用力越小的橡胶，其弹性越好。以天然橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶以及硅橡胶的回弹性较好。v 硫化体系在一定范围内，弹性随交联密度的增大而提高，多硫键的回弹性高于低硫键和碳碳交联键。适当增加硫黄用量有利于硫化胶弹性的增加。v 填充体系填充剂用量越少、胶料含胶率越高，有利于弹性的增加。炭黑特别是细粒子活性炭黑，对硫化胶弹性的降低影响较大，对弹性要求高的胶料多采用中粒子炭黑。v 增塑体系增塑剂对硫化胶弹性的影响一般不大，但用量过大时会使弹性降低。4.2.5 配合体系与耐磨性能的关系硫化胶所受的磨耗作用力主要包括：刨削力、冲击力、切割力、撕裂力以及剪切力。要具备良好的耐磨性能，硫化胶需同时具备较低的摩擦系数和优异的物理机械性能。v 橡胶品种 从结构因素分析，分子链柔顺性好、有共轭体系存在、含有芳基的极性橡胶的耐磨性能较好。聚氨酯橡胶具有特殊的耐磨性能，但其耐冲击、耐切割性能较差。其次是顺丁胶、丁苯橡胶、天然橡胶。对丁苯橡胶和天然橡胶来说，当温度低于15天然橡胶的耐磨性较好；而当温度在15以上时，丁苯橡胶的耐磨性较好。v 填充体系加入细粒子、高结构性的炭黑能够提高硫化胶的耐磨性能，以高结构高耐磨炉黑最好。填充的量一般有最佳值，多了反而降低。对天然或丁苯橡胶一般用量为5060phr。白色填料以粒径为20nm左右的白炭黑为最好，其次是氧化锌。v 硫化体系随交联密度的增加，耐磨性能会出现最大值。同时考虑到炭黑的吸附作用，硫化剂和促进剂的用量要适当多一些。促进剂应选择硫化平坦性能较好的噻唑类为好。此外，正确使用防老剂也能间接提高制品的耐磨性能。4.2.6 配合体系与耐屈挠性能的关系橡胶在往复屈挠过程中，由于化学和机械的作用，在弯曲部分所产生的表面裂口称为屈挠龟裂。橡胶产生屈挠龟裂的过程分为两个阶段，即龟裂的发生阶段和龟裂的增长阶段。各种橡胶在这两个阶段表现的特征不同，以天然橡胶和丁苯橡胶为例，天然橡胶容易产生龟裂，但龟裂增长的速度慢；而丁苯橡胶难以产生龟裂，但一旦产生龟裂，其增长的速度较为迅速。v 橡胶品种 橡胶制品的耐屈挠性能主要取决于橡胶的品种。几种橡胶的耐龟裂发生的能力顺序为：丁基橡胶氯丁橡胶丁苯橡胶丁腈橡胶天然橡胶。而抗龟裂增长的顺序为：丁基橡胶氯丁橡胶天然橡胶丁苯橡胶丁腈橡胶。可见丁基橡胶的耐屈挠性能为最好，但在温度升高时其耐屈挠性能显著降低。v 填充体系 经过表面处理的、粒径为4080nm的填充剂的耐屈挠性能较好；粒径大、各向同性的填充剂易于屈挠中的橡胶形成空隙，从而促进龟裂的增长。填充剂的用量不宜过多，否则会使硫化胶的定伸应力和硬度增高，导致龟裂部位的应力增大，加快龟裂的增长。而且填料若分散不均时，也会使硫化胶在屈挠过程中形成应力集中，促进空隙的产生，可采用脂肪酸盐来提高填料的分散效果。v 硫化体系 过硫时硫化胶的耐屈挠性能显著下降，为提高耐屈挠性能，硫化程度最好取比正硫化少欠一点。4.2.7 配合体系与耐疲劳性能的关系橡胶制品承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化和内部缺陷的发展过程，称为橡胶的疲劳。疲劳会使橡胶的力学性能下降，并最终导致龟裂或完全断裂。v 橡胶品种 在低应变疲劳下，橡胶的Tg愈高，耐疲劳破坏性愈好；在高应变疲劳下，具有拉伸结晶特性的橡胶耐疲劳性能较好。v 硫化体系 易于形成多硫键的硫化体系，有利于耐疲劳性能的提高，普通硫化体系最为有利。v 填充体系粒子细、结构性高的炭黑，耐疲劳性能较好，其用量一般在50phr左右。v 增塑体系稀释作用小的粘稠性增塑剂有利于耐疲劳性能的提高，但用量应尽量降低。4.2.8 配合体系与硬度的关系橡胶硬度是指抵抗外力压入的能力，常用邵尔硬度计测定。硫化胶的硬度范围在10100之间。v 硫化体系随着交联密度的增加，硫化胶的硬度增加。v 填充体系一定范围内，增加粒子细、结构性高的填充剂的用量可提高硫化胶的硬度。也可增加高苯乙烯树脂、酚醛树脂等物质以提高硫化胶的硬度。v 增塑体系使用增塑剂通常会使硫化胶制品的硬度降低。4.2.9 压缩永久变形性v 硫化体系 随着交联密度的增加，硫化胶的压缩永久变形降低。因此，要降低橡胶制品的永久变形性，必须是制品达到正硫化；若制品需在高温下使用，用过氧化物进行交联，可降低制品压缩永久变形性。v 填充体系 填充剂粒子的形状对橡胶制品的永久变形性影响较大，其中球状或片状粒子有利于永久变形性的降低；而针状、棒状粒子则不利于永久变形性的降低。4.3配合体系与胶料工艺性能的影响 v1 配合体系与胶料粘度的关系各种生胶都具有一定的粘度，可根据用途和需要加以选择。一般而言，填充剂的加入会使胶料的粘度增加。加入增塑剂则能够降低胶料的粘度。v2 配合体系对胶料混炼性能的影响胶料的混炼性能是指配合剂是否容易与橡胶混合均匀。胶料的混炼性主要取决于配合剂与橡胶之间的浸润性。疏水性填充剂，如炭黑容易被橡胶所浸润，混炼性能较好；亲水性填充剂，如碳酸钙、陶土、白炭黑等，不易被橡胶浸润，混炼性能较差。可通过化学改性，或加入表面活性剂加以改进。增塑剂与橡胶的相容性一般较好，易于分散。v 3 配合体系对包辊性能的影响 胶料的包辊性能主要取决于生胶的强度和粘着性能。影响生胶强度的因素包括生胶的分子量及其拉伸结晶性能。天然橡胶具有最好的包辊性能，乳聚合成橡胶次之，溶聚的，特别是分子量分布较宽的橡胶包辊性能较差。改善的途径有以下几种v 通过加入活性、结构性高的填充剂，如炭黑、白炭黑等增加生胶的强度，进而提高胶料地包辊性能。v 加入增粘性增塑剂 如高芳烃操作油、松焦油、古马隆树脂、酚醛树脂等。v 与少量天然橡胶并用。v4 配合体系对焦烧特性的影响焦烧产生的原因主要是硫化体系选择不当导致。因此，应尽量选用后效性或临界温度较高的促进剂，也可添加防焦剂进一步改善。碱性炉法炭黑及高结构性炭黑具有促进硫化作用，易引起焦烧；而酸性的槽法炭黑，对硫化起延缓作用，一般不易焦烧。增塑剂的加入一般都具有延缓焦烧的作用。4.4特种性能橡胶的配合 v1 耐热橡胶 橡胶在长时间热老化作用下保持原有物理机械性能的能力称为耐热性。要提高橡胶制品的耐热性，主要通过两种途径：一是从橡胶分子结构对其分子运动的影响出发，探求提高软化温度的方法；二是从橡胶及其交联网与热化学反应间的关系出发，寻找提高热稳定性和化学稳定性的方法。橡胶品种的选择 常用的有NBR、CR、EPDM、IIR、Q、FPM等 硫化体系 单硫键键能比多硫键键能高，耐热性好。因此，耐热橡胶应采用“低硫高促”的硫化体系。防护体系 宜采用高效耐热型防老剂，如防老剂RD。填充补强体系 一般无机填料比炭黑具有较高的耐热性，如白炭黑、氧化锌、氧化镁等。增塑剂 增塑剂对橡胶耐热性不利，应尽量少用。用的话应选用热稳定性好、不挥发的类型。如石油系重油类。v2 耐寒橡胶 对于非结晶性橡胶，玻璃化温度是衡量其耐寒性的温度指标。对于结晶性橡胶往往在远高于Tg的温度下，很快结晶。所以结晶性橡胶的耐寒配合应设法抑制其在低温条件下的结晶。工业上以脆性温度作为橡胶制品耐寒性指标。橡胶品种的选择 橡胶主链上含有双键和醚键的橡胶（如NR、BR、氯醇橡胶），具有较好的耐寒性；主链上含有双键但具有极性侧基的橡胶（NBR、CR）耐寒性居中；主链不含双键，侧链具有极性基团的橡胶（FPM）耐寒性最差。硫化体系u耐寒橡胶的硫化体系以，高硫低促的硫黄硫化体系为最好。u对非结晶性橡胶，交联密度低的对耐寒性有利；u对结晶性橡胶，当低温结晶成为影响耐寒性的主要矛盾时，则应提高交联密度降低结晶作用。增塑体系 加入增塑剂可使制品的Tg下降，提高耐寒性能。填充补强体系 填充剂的加入，一般会使橡胶的耐寒性能变差，要少用或不用。v3 耐油橡胶橡胶品种的选择 耐油性一般是指耐非极性油类。因此，FPM、Q、NBR、CR、T、PU等极性的耐油性较好。常用的是丁腈橡胶和氯丁橡胶。配合体系u原则上应选用不易被油类抽出的配合剂。u硫化体系应尽量能提高胶料的交联密度，硫黄的用量可以适当加大，与酚醛树脂并用也可提高硫化胶的耐油性。u增加填充剂用量有助于耐油性能的提高。填充剂以炭黑为主。u增塑剂宜采用芳香族油和酯类，但用量不宜太多。v4 耐腐蚀橡胶 橡胶制品的耐腐蚀性能，主要取决于橡胶的化学结构，其次是配方设计。橡胶品种的选择 对普通酸碱腐蚀的可选用二烯类橡胶，如NR、SBR、NBR、CR等；对那些强氧化性、腐蚀性作用很大的介质，如硫酸、硝酸、铬酸等，则应选择氟橡胶、丁基橡胶。配合体系n增加交联密度是提高制品耐化学药品的有效手段。在二烯类橡胶应尽量增加硫黄的用量。硫黄用量在30份以上的硬质橡胶的耐化学腐蚀性能较好。n填充剂应选择化学惰性的，如炭黑、陶土、硫酸钡、滑石粉等，其中以硫酸钡耐酸性最好。v5 导电橡胶橡胶品种的选择 最好选择介电常数大的生胶，如硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等。硅橡胶导电材料具有导电、耐高温、耐老化的特点；丁腈橡胶、氯丁橡胶导电橡胶还具有耐油性能，可用于与油相接触的环境中。配合体系u填充剂的结构性越高，其导电能力越强，常用的有乙炔炭黑、导电炉黑、石墨粉、金属粉等。用量以40份为宜。u增塑剂优先选择磷酸酯类增塑剂。第四章橡胶配方优化设计方法第四章橡胶配方优化设计方法v橡胶配方设计主要依赖于人们在生产当中积橡胶配方设计主要依赖于人们在生产当中积累的经验规律，通过大量而繁复的试验来优累的经验规律，通过大量而繁复的试验来优化配方，造成大量人力、物力的浪费。化配方，造成大量人力、物力的浪费。v随着科学技术在各个领域的进步和发展，尤随着科学技术在各个领域的进步和发展，尤其是计算机技术的迅速发展，橡胶行业已经其是计算机技术的迅速发展，橡胶行业已经开始采用计算机进行配方设计。开始采用计算机进行配方设计。v橡胶配方单因素变量设计，即在所讨论的变橡胶配方单因素变量设计，即在所讨论的变量区间内，确定哪一个变量的性能最优。这量区间内，确定哪一个变量的性能最优。这样的设计方法主要包括：样的设计方法主要包括：黄金分割法（黄金分割法（0.6180.618法）、平分法（对分法）、分数法、分数法、法）、平分法（对分法）、分数法、分数法、分批试验法、抛物线法、爬山法。分批试验法、抛物线法、爬山法。v多因素变量设计主要有以下一些方法：坐标多因素变量设计主要有以下一些方法：坐标轮换法、平行线法、矩形法、多角形试验设轮换法、平行线法、矩形法、多角形试验设计法、三角形对影法、列线图法、等高线图计法、三角形对影法、列线图法、等高线图形法、拉丁方试验设计法、形法、拉丁方试验设计法、正交试验设计法正交试验设计法和中心复合试验设计法和中心复合试验设计法等。等。第一节第一节 橡胶配方单因素设计橡胶配方单因素设计v橡橡胶胶配配方方单单因因素素变变量量设设计计：在在所所讨讨论论的的变变量量区区间间内内，确定哪一个变量的性能最优。确定哪一个变量的性能最优。v通通常常用用x x表表示示因因素素取取值值，f f（x x）表表示示目目标标函函数数，根根据据具具体体要要求求，在在因因素素的的最最优优点点上上，目目标标函函数数取取最最大大值值，最小值或满足某种规定的要求。最小值或满足某种规定的要求。v在在寻寻找找最最优优试试验验点点时时，常常利利用用函函数数在在某某一一局局部部区区域域的的性性质质和和一一些些已已知知的的数数值值来来确确定定下下一一个个试试验验点点，这这样一步步搜索、逼近，最后达到最优点。样一步步搜索、逼近，最后达到最优点。1 1、黄金分割法（、黄金分割法（0.6180.618法）法）子午线轮胎子口包胶使用齐聚酯增硬。胶料要子午线轮胎子口包胶使用齐聚酯增硬。胶料要求为：硬度（邵尔求为：硬度（邵尔A A）达到达到8585度；拉伸强度不小于度；拉伸强度不小于20MPa20MPa；拉断伸长率不小于拉断伸长率不小于200%200%。齐聚酯用量（质量份）齐聚酯用量（质量份）0 2.2(0.382)3.6(0.618)5.7胶料硬度（邵尔）胶料硬度（邵尔）79 83 85 86拉伸强度拉伸强度/Mpa 21.8 22.3 22.5 22.8扯断伸长率扯断伸长率/%250 225 218 200齐聚酯用量（质量份）齐聚酯用量（质量份）0 5.7(0.382)9.3(0.618)15胶料硬度（邵尔）胶料硬度（邵尔）79 86 88 89拉伸强度拉伸强度/Mpa 21.8 22.8 31.2 35.1扯断伸长率扯断伸长率/%250 200 180 150 2 2、平分法、平分法实例：得到胶料与黄铜钢丝帘线粘合力实例：得到胶料与黄铜钢丝帘线粘合力最高的最高的680C680C用量。用量。v 基本配合：天然胶基本配合：天然胶SMR5 90SMR5 90，BR 10BR 10，ZnOZnO 5,SA 0.5 5,SA 0.5，HAFCB 60HAFCB 60，芳香操作油芳香操作油 4 4，促进剂，促进剂 0.70.7，防焦剂，防焦剂PVI 0.4PVI 0.4，S 3S 3，ManbondManbond 680C 680C的用量为的用量为0 02 2份。份。试验次数试验次数 第一次试验第一次试验 第二次试验第二次试验 第三次试验第三次试验 Manbond 680C用量用量 0 1 2 1.5 0.5 0.75 1.25 粘合力，粘合力，kg/127cm 30 56 44 51 53 55 54 试验结果：该配方中应用试验结果：该配方中应用ManbondManbond 680C 680C的最的最佳用量范围为佳用量范围为0.751.250.751.25份。份。3 3、爬山法（逐步提高法）爬山法（逐步提高法）乙炔碳黑用量对硅橡胶导电性能的研究乙炔碳黑用量对硅橡胶导电性能的研究 ，试验目，试验目的：提高乙炔碳黑用量降低硅橡胶的体积电阻率，性的：提高乙炔碳黑用量降低硅橡胶的体积电阻率，性能指标要求体积电阻率能指标要求体积电阻率10 cm 10 cm。原原试试验验配配方方：甲甲基基乙乙烯烯基基硅硅橡橡胶胶110-2 110-2 100100，白白碳碳黑黑 5 5，氧氧化化铁铁 5 5，DCP DCP 2 2，乙乙炔炔碳碳黑黑 4040，原原胶胶料的体积电阻率为料的体积电阻率为1000.10 cm 1000.10 cm。乙炔碳黑用量至乙炔碳黑用量至5050份，其体积电阻率为份，其体积电阻率为49.78 49.78 cmcm；乙炔碳黑用量至乙炔碳黑用量至6060份，其体积电阻率为份，其体积电阻率为21cm 21cm；乙炔碳黑用量至乙炔碳黑用量至7070份，其体积电阻率为份，其体积电阻率为8.50.cm8.50.cm，满足了性能要求，同时节约了原材料。满足了性能要求，同时节约了原材料。4 4、分批试验法、分批试验法 0.6180.618法法、平平分分法法、分分数数法法、爬爬山山法法共共同同的的特特点点是是，要要根根据据前前面面的的试试验验结结果果安安排排后后面面的的试试验验。这这样样安安排排试试验验的的方方法法叫叫贯贯序序法法，它它的的优优点点是是试试验验数数目目较少，缺点是周期长。较少，缺点是周期长。与贯序法相反，我们也可以把所有可能的试验与贯序法相反，我们也可以把所有可能的试验同时安排下去，根据试验结果，找出最优点。如果同时安排下去，根据试验结果，找出最优点。如果把试验范围等分若干份，就叫均分法。若把试验范把试验范围等分若干份，就叫均分法。若把试验范围按比例分成若干份，就叫比例分割法。围按比例分成若干份，就叫比例分割法。分批试验分批试验法的优点是试验时间短，缺点是总的试验次数多。法的优点是试验时间短，缺点是总的试验次数多。112用量用量 0 1 2 3 4 5门尼粘度门尼粘度 64 61 57 53 52 52300%定伸应力定伸应力/MPa 15.3 15.2 15.0 14.2 14.1 14.2拉伸强度拉伸强度/MPa 20.8 19.8 19.0 18.5 18.6 18.0扯断伸长率扯断伸长率/%420 430 430 425 428 437磨耗磨耗/mm3/1.61Km 234 168 162 158 152 162均分批试验法实例：均分批试验法实例：内内润润滑滑剂剂是是一一类类小小分分子子量量的的有有机机物物质质，在在橡橡胶胶中中的的应应用用可可使使分分子子间间的的摩摩擦擦力力减减小小，提提高高加加工工性性能能，同时也可提高制品的表面光洁度。同时也可提高制品的表面光洁度。试试验验配配方方：EPDM EPDM 100100，ZnOZnO 5 5，SA SA 2 2，促促进进剂剂M M 1 1，石石蜡蜡油油 3030，HAF HAF 7070，S S 1 1，促促进进剂剂T.T T.T 0.50.5，DCP 1,DCP 1,内润滑剂内润滑剂112112的用量如下表：的用量如下表：助剂助剂112用量用量 0 1 2 3 4 5门尼粘度门尼粘度 64 61 57 53 52 52300%定伸应力定伸应力/MPa 15.3 15.2 15.0 14.2 14.1 14.2拉伸强度拉伸强度/MPa 20.8 19.8 19.0 18.5 18.6 18.0扯断伸长率扯断伸长率/%420 430 430 425 428 437磨耗磨耗/mm3/1.61Km 234 168 162 158 152 162 5 5、抛物线法、抛物线法 如果希望得到更精确的结果，可应用抛物线法。如果希望得到更精确的结果，可应用抛物线法。这这种种方方法法是是利利用用做做过过试试验验后后的的3 3个个数数据据，作作此此3 3点点的抛物线方程：的抛物线方程：y=y1(x-x2)(x-x3)/(x1-x2)(x1-x3)+y2(x-x1)(x-x3)/(x2-x1)(x2-x3)+y3(x-x1)(x-x2)/(x3-x1)(x3-x2)很容易求出抛物线的极值点。很容易求出抛物线的极值点。x0=1/2y1(x22-x32)+y2(x32-x12)+y3(x12-x22)/y1(x2-x3)+y2(x3-x1)+y3(x1-x2)防防老老剂剂40204020对对NRNR胶胶料料热热氧氧老老化化（10010072h72h），确确定防老剂定防老剂40204020的最佳用量。的最佳用量。试试验验配配方方：NR NR 100100，S S 2.52.5，ZnOZnO 5 5，SA SA 2 2，促促进剂进剂DM 0.8DM 0.8，HAF C.B 40HAF C.B 40，防老剂防老剂40204020为变量。为变量。x0=1/2 94.2(1.52-2.02)+97.5(2.02-0.52)+95.1(0.52-1.52)/94.2(1.5-2.0)+97.5(2.0-1.5)+95.1(0.5-1.5)=1.23 防老剂用量（质量份）防老剂用量（质量份）0.50.51.51.52.02.0拉伸强度保持率拉伸强度保持率/%/%94.2 94.2 97.5 97.5 95.195.1扯断伸长保持率扯断伸长保持率/%/%78.278.2 80.8 80.8 79.179.1试验结果：防老剂试验结果：防老剂4020的用量为的用量为1.23份时防护最佳。份时防护最佳。第二节、橡胶配方多因素变量设计第二节、橡胶配方多因素变量设计 在解决多因素问题时，需要考虑的问题很多：在解决多因素问题时，需要考虑的问题很多：如如每每个个因因素素对对指指标标的的影影响响，那那个个因因素素重重要要，那那个个因素不重要；因素不重要；每每个个因因素素都都有有几几个个水水平平，那那个个水水平平最最好好；各各因因素素按哪个水平搭配对指标较好；按哪个水平搭配对指标较好；橡胶配方多因素变量设计方法是和统计数学相结橡胶配方多因素变量设计方法是和统计数学相结合的，可以大大减少试验次数，采用先进计算工具也合的，可以大大减少试验次数，采用先进计算工具也可以使数据分析变得简单。可以使数据分析变得简单。重点讨论重点讨论正交试验设计法和回归试验设计法。正交试验设计法和回归试验设计法。一、正交试验设计法一、正交试验设计法 正正交交试试验验设设计计法法是是进进行行橡橡胶胶配配方方设设计计的的一一重重要要而而有有效效的的手手段段。运运用用正正交交试试验验设设计计法法可可以以较较好好的的解解决决在在多因素试验中的几个比较典型的问题：多因素试验中的几个比较典型的问题：对指标的影响，哪个因素重要，哪个因素不重要。对指标的影响，哪个因素重要，哪个因素不重要。每个因素中以哪个水平为好？每个因素中以哪个水平为好？各因素以哪种水平搭配起来对指标较好？各因素以哪种水平搭配起来对指标较好？1 1 正交表的特性正交表的特性 均衡分散性，均衡分散性，即试验条件均匀分散即试验条件均匀分散 整整齐齐可可比比性性，即即每每列列因因子子中中各各个个水水平平与与其其它它因因子各个水平之间交叉出现次数都是相同的。子各个水平之间交叉出现次数都是相同的。做做多多因因素素和和多多水水平平的的试试验验时时，选选用用正正交交试试验验法法的原因在于正交表具有正交性的原因在于正交表具有正交性 2 2、确定因子、水平、交互作用、确定因子、水平、交互作用在在确确定定因因子子、水水平平和和交交互互作作用用时时，应应注注意意以以下下几几个问题：个问题：针对试验的目的选取配方因子。针对试验的目的选取配方因子。恰当选取水平，两水平间的距离适当拉开。恰当选取水平，两水平间的距离适当拉开。橡橡胶胶配配方方中中配配合合剂剂之之间间的的交交互互作作用用较较多多，那那些对胶料的性能有影响。些对胶料的性能有影响。、选择合适的正交表、选择合适的正交表根据配方因子的个数和水平选择合适的正交表。根据配方因子的个数和水平选择合适的正交表。对对n n个个因因子子的的二二水水平平试试验验设设计计，即即2 2n n因因子子的的试试验验设设计计一一般般选选用用L L4 4（2 23 3）、）、L L8 8（2 27 7）、）、L L1616（2 21515）实验号ABCDEFG1111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112 对对n个因子的三水平试验设计，即个因子的三水平试验设计，即3n因子的试验因子的试验 设计一般选用设计一般选用L9（34）、）、L27（313）正交表。）正交表。实验号ABCD试验结果111112122231333421235223162312731328321393321 对对4n因子的试验设计一般采用因子的试验设计一般采用L16（45）正交表。）正交表。实验号ABCDE1111112122223133334144445212346221437234128243219313421032431113312412342131341423144231415432411644132、正交试验设计的配方结果分析、正交试验设计的配方结果分析正正交交试试验验设设计计的的配配方方结结果果分分析析一一般般采采用用直直观观分分析析法和方差分析法。法和方差分析法。直直观观分分析析法法是是按按所所用用正正交交表表计计算算出出各各因因子子不不同同水水平平时时数数据据的的平平均均值值，比比较较不不同同因因子子、水水平平数数据据平平均均值值的的大大小小，选选取取影影响响较较大大的的因因子子和和对对性性能能指指标标最最有有利利的的水平。水平。方方差差分分析析是是计计算算出出误误差差偏偏差差平平方方和和大大小小和和因因子子偏偏差平方和大小，计算出各因子的作用和试验精度。差平方和大小，计算出各因子的作用和试验精度。因子因子水平水平1 12 23 3A(A(白炭黑白炭黑)/)/份份202030304040B(B(吸水树脂吸水树脂)/)/份份60608080120120C(C(硫黄硫黄)/)/份份2 23 34 4 基基本本配配方方：NR/SBR 50/50；ZnO 5；SA 2；促促CZ 1；防老剂防老剂D 1；石蜡石蜡 0.5；促促M 1；机油机油 8举例：吸水膨胀橡胶的研究。举例：吸水膨胀橡胶的研究。试验目的：研究白炭黑、吸水树脂、交联剂硫黄试验目的：研究白炭黑、吸水树脂、交联剂硫黄的用量对吸水橡胶吸水性能和胶料性能的影响。的用量对吸水橡胶吸水性能和胶料性能的影响。试验号ABC拉伸强度（Mpa）硬度（邵A）伸长率（%）体积膨胀率 （%）12345678911122233312312312312213131210.16.97.410.39.97.510.48.57.9707478808180878989571380428491490374360321290320 310360 360470 460350 330450 430560 570300 280310 290560 550 jjj228026902790189027003170286025102390j/6j/6j/6380448465315450528447418398(1)因子B（吸水树脂）三个试验点高低相差最大，所以对橡胶的吸水膨胀率影响最大；而因子A（白炭黑）和因子C（交联硫）二个试验点的高低相差不大，所以对橡胶的吸水膨胀率影响不大。可以看出采用正交试验法研究可以看出采用正交试验法研究NR/SBRNR/SBR吸水膨胀吸水膨胀橡胶的性能，能够定性和定量研究各因子对于吸水橡胶的性能，能够定性和定量研究各因子对于吸水膨胀橡胶性能的影响。膨胀橡胶性能的影响。提高胶料的吸水膨胀率需增提高胶料的吸水膨胀率需增加吸水树脂及白炭黑的用量，降低交联剂的用量。加吸水树脂及白炭黑的用量，降低交联剂的用量。因子A取3水平（白炭黑40份）好，因子B取3水平（吸水树脂120份）好，因子C取1水平（硫黄2份）好。因此，最佳的组合是A3、B3、C1，这一组合使橡胶的吸水膨胀率最大，即吸水性能最好。方差分析：确定实验结果的变化和波动是由每个因子的水平改变造成还是实验误差造成的。CT=G2/n=所有的实验数据之和的平方/总的实验次数 77602/(92)=3345400 SA=(A12+A22+A32)/(32)-CT =(22802+26902+27902)/6-3345400=24400 同时可算出:SB=139800;SC=19900.因子的偏差平方和:S因SA+SB+SC=24400+139800+19900=184100总的偏差平方和:S总=(全体试验数据的平方和)-CT =(3202+3602+5602+5502)-3345400 =191800试验误差的偏差平方和:S误差=S总-S因子=191800-184100=7700自由度计算:f总=总的实验次数-1=18-1=17 fAfBfC=因子的水平数12 f误差=f总-(fA+fB+fC)=18-(2+2+2)=11 vF比计算:FA=(SA/fA)/(Se/fe)=(24400/2)/(7700/11)=17.5 FB=99.9 FC=14.2v根据因子的自由度为2,误差自由度为11,可在F比表中查得 F比:F0.01(2,11)=9.7 ；F0.05(2,11)=4.8 因子在试验指标中的贡献率记为%,其计算方法如下:因子A的纯效果=SA-(A的自由度)Se/fe =24400-2 7700/11=23000 同样可算出:因子B的纯效果=138400，因子C的纯效果=18500 误差的纯效果S总-(A,B,C的纯效果)=191800-（23000+138400+18500）=11900v贡献率A=A的纯效果/全变动 100=23000/191800=12 B=72.2，C=9.6 e=6.4 方差分析表因子自由度偏差平方和F比显著性%ABCe总222111724400(SA)139800(SB)19900(SC)7700(Se)191800(S总)17.599.914.2*12.072.29.66.2 方差分析表可得：吸水树脂对吸水性的作用最大，试验误差较小，试验精度较大，试验结果可信。研究中要考察的指标是硅橡胶的导电性，测定几种因子的不同水平时的导电性以及它的综合性能。直观分析法数据直观分析法数据方差分析法数据方差分析法数据例题：用多因素设计法来改善胶料的曲挠性能。硫黄用量范围（1.52.5）,炭黑用量范围（3060）,防老剂AW用量范围（13）,软化剂用量范围（28），采用L9(34)进行试验并直观分析优化结果。因子硫黄A补强剂B防老剂C软化剂D1水平1.53012 2水平245253水平2.56038实验号硫黄A补强剂B防老剂C软化剂D实验结果，万次1111120 21222243133321421232552231236231219731322483213299332118v由结果可知：B、C、D因子对试验结果影响较大，为重要因子，A因子对结果影响较小。各因子水平最佳组合为A3B2C3D3。因子硫黄A补强剂B防老剂C 软化剂D1水平结果平均值21.672320.3320.33 2水平结果平均值22.3325.3322.3322.333水平结果平均值23.6719.332525二、回归分析试验设计法二、回归分析试验设计法通通过过胶胶料料性性能能的的回回归归方方程程式式建建立立起起自自变变量量（即即配配方方组组份）和因变量（即胶料的物理性能）之间的联系。份）和因变量（即胶料的物理性能）之间的联系。确确定定几几个个特特定定的的配配方方因因子子变变量量之之间间是是否否存存在在相相关关性，如果存在则找出合适的数学表达式。性，如果存在则找出合适的数学表达式。根根据据一一个个或或几几个个配配方方因因子子变变量量的的值值预预测测某某种种胶胶料料物物理理性性能能指指标标的的值值。反反之之根根据据物物理理性性能能指指标标的的范范围围，预预测或控制配方因子变量的值。测或控制配方因子变量的值。进进行行配配方方因因子子的的分分析析，弄弄清清楚楚这这些些因因子子之之间间的的相相互互关关系系。通通过过方方程程式式求求出出所所需需性性能能配配方方因因子子最最佳佳组组合合；画出某种胶料的等高线。画出某种胶料的等高线。1.1.制定水平及基本配合量制定水平及基本配合量 在在简简化化的的两两变变量量三三水水平平配配方方试试验验设设计计中中，三三水水平平即即11、0 0、+1+1。配合剂的实际用量与水平的关系是：。配合剂的实际用量与水平的关系是：配合剂实际用量配合剂实际用量 =0=0水平用量水平用量 +水平水平*间距间距 间间距距的的选选择择要要适适当当，太太小小达达不不到到试试验验的的目目的的，太太大了方程的可靠性降低。大了方程的可靠性降低。2.2.配方设计配方设计3.3.性能测试性能测试 为尽量减少试验误差，要求：为尽量减少试验误差，要求：试验的胶料尽可能制成母炼胶，以减少工艺试验的胶料尽可能制成母炼胶，以减少工艺 条件的影响。条件的影响。试验应同批测试。试验应同批测试。4 4 计算回归系数与性能值计算回归系数与性能值配方编号配方编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9性能性能y y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y8 y9 b0=-1/9(y1+y3+y7+y9)+2/9(y2+y4+y4+y8)+5/9y5b1=-1/6(y1+y2+y3-y7-y8-y9)b2=-1/6(y1+y4+y7-y3-y6-y9)b11=1/6(y1+y2+y3+y7+y8+y9)-1/3(y4+y5+y6)b22=1/6(y1+y3+y4+y6+y7+y9)-1/3(y2+y5+y8)b12=1/4(y1+y9-y3-y7)y=b2+b1x1+b2x2+b11x12+b22x22+b12x1x2 试试验验目目的的：研研究究硫硫黄黄和和中中超超耐耐磨磨炭炭黑黑用用量量对对胎胎面胶性能的影响。面胶性能的影响。试试验验配配方方：NR 40，SBR 30，BR 30，ZnO 5，SA 2，促促进进剂剂CZ 0.7，防防老老剂剂4010 1，防防老老剂剂 4010NA 1，石石蜡蜡 1，机机油油 5，固固马马隆隆 4，S和和ISAF的用量为变量。的用量为变量。水平水平 1 0 +1 间距间距X1（S）1.5 2.5 3.5 1X2(ISAF)40 55 70 15配方配方1 23456789 拉伸强度拉伸强度/MPa18.319.417.718.720.120.118.120.420.6扯断伸长率扯断伸长率/%688646487544477436415391327永久变形率永久变形率/%30 30 20 22 2120202018硬度硬度/邵尔邵尔A 60 65 74 64 6770677078撕裂强度撕裂强度/MPa41.580.262.550.754.354.545.455.645.2300%定伸定伸/MPa3.886.419.86.6810.6312.9311.3314.4519.52阿克隆磨耗阿克隆磨耗/mm34072551461381421981594941 配方编号配方编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 X1水平水平 1 1 1 0 0 0 +1 +1 +1 S 基本配合基本配合 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 2.5 3.5 3.5 3.5 X2水平水平 1 0 +1 1 0 +1 1 0 +1 HAF基本配合基本配合 40 55 75 40 55 70 40 55 70回归系数回归系数b0b1b2b11b22b12拉伸强度拉伸强度20.320.60.530.531.030.8扯断伸长率扯断伸长率494.67114.6766.17101.8528.25永久变形率永久变形率21.333.672322硬度硬度/邵邵A662.675.1721.50.75撕裂强度撕裂强度62.16.334.101.913.45.3300%定伸定伸9.924.183.380.820.220.57阿克隆磨耗阿克隆磨耗1419050213229