第七章-橡胶配方设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第一节 概述,一、橡胶配方设计内容,1,、确定制品硫化胶的性能指标及范围；,2,、确定配方的组成及用量；,3,、确定加工工艺条件及范围。,二、橡胶配方分类与表示,1,、分类,基础配方（标准配方）：,生胶或配合剂鉴定（各胶的基,础配方；,性能配方（技术配方）：,为达到某种性能而进行的配方,设计，产品研发时所做的试验配方即为性能配方；,实用配方（生产配方）：,实际生产时所采用的配方。,2,2,、表示方法,（,1,）,基本配方,：以质量份表示的配方，以生胶的质量为,100,份，其他配,合剂用量都以相应的质量份表示的配方；,（,2,）,质量分数配方,：以质量分数表示的配方，以胶料的总质量为,100,，生胶和配合剂都以质量分数表示的配方；,（,3,）,体积分数配方,：以胶料的总体积为,100,，生胶和配合剂都以相应,的体积分数表示的配方；,（,4,）,生产配方,：符合生产要求的质量配方，配方总质量等于炼胶机的,实际容量。,三、,橡胶配方设计的原则,1,、适应性原则：适应性能要求、适应加工要求；,2,、经济原则：在不降低产品质量的情况下尽可能降成本；,3,、环保安全原则：配合剂要求无毒、无污染；,4,、稳定原则：原材料质量可靠稳定，来源稳定，性能稳定,5,、简化原则：配方尽可能简单。,6,、协同原则：配合剂之间不能相互抵消，要相互促进。,3,四、橡胶配方的设计程序,1,、基本配方设计,（,1,）生胶的选择：根据制品的主要性能要求、工艺、使用条件和成,本选取,（,2,）硫化体系确定：根据胶种、胶料性能、工艺方法及要求（如焦,烧时间、正硫化时间）确定，重点选取硫化剂和促进剂,（,3,）补强填充体系确定：根据制品颜色、胶料性能、工艺要求、成,本等确定,（,4,）防护体系确定：根据制品颜色、使用条件来确定,（,5,）增塑体系确定：根据胶种、性能要求、工艺要求、成本等确定,（,6,）操作助剂选取：根据实际需要确定,（,7,）特种配合体系：根据实际需要确定,4,2,、实用配方的设计程序,（,1,）调查研究阶段,调查产品的使用条件、使用寿命等技术要求，了解生产设备和工,艺方法，查找文献资料，收集同类或相近产品的配方、工艺条件等；,（,2,）制定试验计划阶段,根据性能和工艺要求及文献资料，提出产品的物理性能、使用性能、和工艺性能的指标范围，确定关键指标，根据经验和参考资料提出试验配方及变量范围，确定合适的试验设计方法；,（,3,）实验室试验阶段,在实验室中，按计划进行试验，优选配方进行扩试；,（,4,）扩试阶段,在生产或扩试条件下进行扩试，制备胶料进行工艺性能和物理性能,试验，调整工艺条件和配方至满足要求；,（,5,）产品试制阶段,按照规定的标准和技术条件，试制产品，测试性能和使用性能。,5,五、橡胶配方性能的检测,1,、未硫化胶的加工性能检测,（,1,）可塑度的检测：威氏塑性计、华氏塑性计、德弗塑性计,（,2,）门尼粘度的检测：门尼粘度计（,100,下预热,1min,，旋转,4min,）,（,3,）门尼焦烧的检测：门尼粘度计（,120,下,t,5,）,（,4,）硫化特性的检测：硫化仪,（,5,）口型膨胀率的测定：毛细管流变仪,（,6,）配合剂分散性测定：,ASTM A,法、,B,法、分散度仪、间接法,（,7,）应力松弛：应力松弛试验机,（,8,）综合加工性能测定：,Brabender,塑性仪、橡胶加工分析仪,6,2,、硫化胶性能测试,（,1,）,力学性能测试,：拉伸、撕裂、伸长率、定伸、永久变形用拉力机；,硬度用硬度计、压缩变形（恒定形变压缩永久变形、静压缩永久变形）；,磨耗性能用阿克隆磨耗试验机或,DIN,磨耗试验机；疲劳破坏性能（有拉伸,疲劳和压缩疲劳、屈挠龟裂等）用屈挠疲劳试验机；,（,2,）,粘弹性测试,：回弹性用冲击弹性试验机；蠕变用蠕变试验仪（压缩,型、拉伸型、剪切型）；应力松弛用应力松弛仪（拉伸、压缩）；有效弹,性和滞后损失用拉力机；动态粘弹性用动态模量仪、动态粘弹谱仪；,（,3,）,老化性能测试：,热空气老化、臭氧老化、自然老化、人工天候老化、,湿热老化、光臭氧老化、耐黄变试验等，用各种老化箱；,（,4,）,低温性能测试：,脆性温度、耐寒系数、吉门扭转、玻璃化温度、温,度回缩试验等；,（,5,）,热性能测试：,导热率、比热容、线膨胀系数、分解分度、马丁耐热性、维卡耐热性等；,（,6,）耐介质性、阻燃性、电性能、扩散和渗透性、粘接性能测试等。,7,第二节 橡胶配方设计与硫化胶性能的关系,一、拉伸强度,设计要点：,（,1,）选用自补强性橡胶或结晶性、极性生胶；分子量要大，低分子少；,（,2,）选用,CV(,普通硫化体系,),体系，促进剂采用,M,（噻唑类）,/D(,胍类,),并用，适当提高硫黄用量；,（,3,）选用粒径小、表面活性大的炭黑，用量,40,60,份，或白炭黑与,Si-69,并用；,（,4,）选用与橡胶相容性好的增塑剂，用量在,5,份以内；,（,5,）其他方法：橡胶与树脂并用、橡胶化学改性、填料表面改性等。,8,二、定伸应力和硬度,设计要点：,（,1,）选用分子量大、分布窄，且能结晶或带极性基团的橡胶；,（,2,）提高交联密度，增大硫黄和促进剂用量；,（,3,）选用粒径小、结构性高、表面活性大的炭黑，且增大用量；,（,4,）尽可能少用或不用增塑剂；,（,5,）其他方法：使用酚醛树脂,/,硬化剂；,使用苯甲酸；,使用模量增强剂；,使用短纤维；,使用齐聚酯,/,过氧化物；,使用液体橡胶,/,引发剂,使用不饱和羧酸盐等。,9,三、撕裂强度,设计要点：,（,1,）选用分子量大、常温下能结晶或滞后损失大的胶种；,（,2,）采用,CV,硫化体系，硫黄用量,2,3,份，促进剂选用中等活性、平,坦性好的品种，如,DM(,噻唑类）、,CZ,（次磺酰胺类）；,（,3,）选用粒径小、结构性低的炭黑，选用各项同性的填料；,（,4,）少用增塑剂；,（,5,）其他方法：使用,5,份以内的短纤维；,使用分散剂，提高配合剂分散性；,10,四、耐磨性,设计要点：,（,1,）选用弹性好或强度高或有共轭结构的生胶，如,BR,、,NR,、,SBR,、,PU,、,IR,、,NBR,、,EPDM,等；,（,2,）选用硫黄,/,促进剂,CZ,（次磺酰胺类）或硫黄,/,促进剂,CZ,（主）,/TMTD,（秋兰姆类）硫化体系，,NR,为主的胶料，硫黄用量,1.82.5,份；以,BR,为主胶料，硫黄用量,1.5,1.8,份；,（,3,）选用粒径小、表面活性大的炭黑，或新工艺炭黑，或白炭黑与,偶联剂,Si-69,并用；炭黑用量,NR,中,45,50,份，,IR,和非充油,SBR,中,50,55,份，充油,SBR,中,60,70,份，,BR,中,90,100,份；,（,4,）少用增塑剂；,（,5,）其他方法：贴聚氨酯,使用短纤维并合理取向,使用分散剂，提高炭黑分散性,11,五、弹性,设计要点：,（,1,）选用分子量大，常温下不能结晶，分子链柔顺的生,胶，如,BR,、,NR,、,EPDM,等；,（,2,）选用硫黄,/,次磺酰胺（,S/CZ=2.0/1.5,）或硫黄,/,胍类,（,S/DOTG=4/1,）并保持合适的交联密度；,（,3,）减少炭黑的用量，选用粒径大、结构性低、表面活,性低的炭黑；,（,4,）少用或不用增塑剂；,12,六、耐疲劳破坏性,设计要点：,（,1,）低应变下（,120,）选择,Tg,较高的生胶；高应变下（,120,）,选择具有自补强性的生胶；橡胶并用可提高耐疲劳破坏性。,（,2,）选用,CV,体系，对定负荷的疲劳条件，要加大硫黄的用量，提高交,联密度；对定变形的疲劳条件，要减少硫黄的用量，减小交联密度；,（,3,）选用粒径小、结构度高、表面活性大的炭黑，在定负荷下，应增,加炭黑的用量，在定变形下，应减少炭黑的用量；要少用惰性填料。,（,4,）选用稀释作用小的粘稠性大的增塑剂，用量要小。,13,七、拉断伸长率,设计要点：,（,1,）选用分子链柔顺、强度高的生胶（如,NR,）或容易产,生塑性流动的生胶（如,IIR,）；,（,2,）选用,CV,体系，硫黄和促进剂的用量要适当降低；,（,3,）选用粒子大、结构度低的炭黑，炭黑的用量要小，,含胶率要高；,（,4,）增加增塑剂的用量。,14,第三节 配方设计与胶料工艺性能的关系,一、胶料的粘度,胶料的粘度影响几乎所有的加工性能。,影响胶料粘度的配方因素有：,（,1,）胶种：分子量大、凝胶含量高、内聚能密度大的橡胶粘度高，,如,NR,、,NBR,、,CR,等。可通过塑炼、充油等方法降低其粘度；,（,2,）塑解剂：可有效地降低粘度，提高塑炼效果，缩短时间。常用,塑解剂：促进剂,M,（噻唑类）、各种硫酚（雷纳西、,Renacit,）等,（,3,）填料的用量和性质：填料用量越大，胶料的粘度越高；粒径,小、结构性高、表面活性大的炭黑，胶料粘度高；,（,4,）增塑剂：有效降低粘度，改善加工性能；,影响胶料粘度的工艺因素有：,温度（高，粘度低）、剪切速率（高，,粘度低）、塑炼时间（长，粘度低，后期下降趋缓）。,15,二、挤出,要求：膨胀小，收缩小，表面光滑，速度快。,设计要点：,（,1,）选用分子链柔顺，平均分子量较小，支化度低的生胶；,NR,需塑炼，,NBR,、,CR,、,SBR,等橡胶塑炼后收缩率低；适当提高胶料可塑度，利于挤出。,（,2,）适当增大填料的用量，降低含胶率，含胶率在,30%50%,较好。,（,3,）选用结构度高的炭黑；,（,4,）适当增大增塑剂的用量；,（,5,）选用焦烧时间长的促进剂；,（,6,）配合剂的含水率和挥发份含量要低；,（,7,）加入适量的硫化胶粉，可减小膨胀；,（,8,）对于黏度很低的胶料，要适当提高补强剂的用量。,工艺因素：挤出机机头和口型温度，螺杆转速，口型与螺杆尺寸的比例；,16,三、压延,技术要求：,适宜的包辊性，良好的流动性，足够的焦烧时间，低的收缩率，表,面光滑，速度快。,注意事项：,（,1,）胶料的黏度要较低，压片胶料门尼黏度,5060,，贴胶胶料门尼,4050,，擦胶门尼黏度,3040,；,（,2,）选用粒径小，结构度高的炭黑，适当增大炭黑的用量，选用各向,同性的填料；,（,3,）适当增大增塑剂的用量；,（,4,）选用焦烧时间长的硫化体系，,120,下焦烧时间控制在,2035min,。,工艺因素：辊筒温度、转速。,17,四、包辊性,注意事项：,（,1,）分子量大，分布宽，有自补强性，支化少、凝胶含量低的橡胶,包辊性好；,（,2,）选用活性高、补强性好的填料；,（,3,）硬脂酸、硬脂酸盐、蜡类、石油基软化剂、油膏等降低包辊性；,高芳烃操作油、松焦油、古马隆树脂、烷基酚醛树脂等改善包辊性；,工艺因素：辊距大小，辊筒转速及速比、辊筒温度。,18,五、自粘性,自粘性取决于分子链的活动能力及强度，活动能力强，强度高，,胶料的自粘性好；极性橡胶和常温下结晶的橡胶自粘性差；,NR,的自,粘性最好；,选用补强性好的填料，自粘性提高；,加入增塑剂能降低自粘性；胶料中加入增粘剂能提高自粘性；,容易喷出的配合剂如蜡、,TT,、,S,等，尽量少用,19,六、焦烧性,取决于硫化体系中的促进剂品种和用量、加工温度、时间和剪切,速率；,不同胶料门尼焦烧时间要求：软胶料：,1020min,；,大多数胶料：,2535min,；,高填充的硬胶料：,35min,以上。,NR,容易焦烧，选用迟效性或临界温度高的促进剂，粒径小、结构,性高的碱性炭黑容易焦烧；使用白炭黑、陶土等酸性填料能抑制焦,烧时间；,增塑剂能延长焦烧时间，芳烃油有缩短焦烧时间的倾向；,使用防焦剂，能有效延长焦烧时间。,工艺因素：加工温度和时间、停放温度和时间、剪切速率,20,七、喷霜,喷霜的危害：,（,1,）降低自粘性，对成型工艺不利，影响粘合效果；,（,2,）影响产品外观质量；,（,3,）引起焦烧，降低耐老化性；,（,4,）硫化不均匀，降低胶料强度；,（,5,）危害身体健康。,喷蜡：提高硫化胶耐老化性。,喷霜产生的原因：,（,1,）配合剂用量过多；,（,2,）配合剂与橡胶相容性差；,（,3,）配合剂分散不均匀；,（,4,）炼胶温度过高，硫化温度过高，硫化不熟；,（,5,）胶料的可塑度过大。,容易喷霜的配合剂 ：,S,、,TT,、,DM,、,M,、,NA-22,、防老剂,D,、,4010,、,H,、,DNP,、,MB,、石蜡、,ZnO,、硬脂酸、,CTP,、轻钙、碳酸镁、机油、酯类增塑剂。,21,第四节 配方设计方法,1,、单因素设计方法,（,1,）黄金分割法（,0,。,618,法）,（,2,）平分法,（,3,）分数法,（,4,）分批实验法,（,5,）爬山法,（,6,）抛物线法,2,、多因素设计方法,（,1,）正交实验设计法,（,2,）回归实验设计法,22,