橡膠配方設(shè)計(jì)

橡膠配方設(shè)計(jì)7/24/20231第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1橡膠配方設(shè)計(jì)的基本概念橡膠配方就是表示能滿足制品規(guī)定使用性能及加工性能要求的膠料中，各種原材料的種類和用量的搭配方案。生產(chǎn)中所用配方應(yīng)該包括：膠料的名稱及代號(hào)、膠料的用途、各種配合劑的用量、生膠含量、密度以及膠料的物性。所謂配方設(shè)計(jì)就是如何確定這種比例關(guān)系，是橡膠制品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。7/24/20232第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1橡膠配方設(shè)計(jì)的原則橡膠配方設(shè)計(jì)的任務(wù)是力求使橡膠制品在性能、成本和工藝可行性三個(gè)方面取得最佳的綜合平衡。通常，要遵循以下幾條原則：⑴充分了解制品的性能要求、使用條件；半成品的性能一般應(yīng)高于成品指標(biāo)的15%。⑵由于橡膠制品的性能一般是多方面的，性能在滿足性能要求方面，要抓住主要矛盾，平衡次要矛盾；⑶對(duì)多部件制品，要從整體考慮；⑷平衡使用性能與加工性能；⑸考慮配合劑之間的相互影響；⑹低污染；⑺簡化配方，降低成本。7/24/20233第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2橡膠配方設(shè)計(jì)的程序配方設(shè)計(jì)的基本程序包⑴調(diào)研包括制品的使用條件，如溫度、壓力、是否接觸介質(zhì)、使用的頻率等方面。⑵選材根據(jù)調(diào)研結(jié)果，選材、確定基本配方；包括生膠材料及各種配合劑各種生膠的基本配方可通過資料查詢。⑶配方篩選確定能夠反映產(chǎn)品性能的試驗(yàn)方法，反復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選；⑷檢驗(yàn)通過選定的配方制備膠料、產(chǎn)品，進(jìn)行驗(yàn)證；⑸定工藝根據(jù)試驗(yàn)過程擬定加工工藝條件；⑹評(píng)定對(duì)制品的性價(jià)比進(jìn)行綜合評(píng)定。7/24/20234第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/20235第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.3橡膠配方的表示方法及其計(jì)算橡膠配方的表示方法⑴基本配方基本配方是用質(zhì)量份數(shù)表示的配方，即以生膠的質(zhì)量為100份，其它配合劑用量都以相對(duì)的質(zhì)量份數(shù)來表示。⑵質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配方質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配方是以膠料總質(zhì)量為100%，生膠及各種配合劑用量都用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示。⑶體積百分?jǐn)?shù)配方體積百分?jǐn)?shù)配方是以膠料的總體積為100%，生膠及各種配合劑用量都用體積百分?jǐn)?shù)來表示。⑷生產(chǎn)配方根據(jù)煉膠機(jī)的容量，由基本配方換算出的實(shí)際生產(chǎn)投料量。7/24/20236第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/20237第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/20238第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/20239第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202310第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202311第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202312第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202313第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202314第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202315第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202316第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7/24/202317第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2配合體系與制品性能的關(guān)系4.2.1配合體系與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系 拉伸強(qiáng)度是指試片受拉伸作用至斷裂時(shí)單位面積上所承受的最大拉伸應(yīng)力，單位MPa。在硫化膠的測(cè)定項(xiàng)目中一般都包括這項(xiàng)指標(biāo)。工業(yè)用橡膠制品，多以拉伸強(qiáng)度作為產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)。⑴橡膠品種主鏈上有極性取代基或芳基的橡膠的拉伸強(qiáng)度較高。就純橡膠配合而言，天然橡膠和聚氨酯橡膠的拉伸強(qiáng)度最高，丁基橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠次之，丁苯橡膠、丁腈橡膠較差。7/24/202318第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵硫化體系①交聯(lián)密度隨著交聯(lián)密度的增加，橡膠拉伸強(qiáng)度，出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，存在最佳值，這就要求適當(dāng)選擇硫化劑的用量。②交聯(lián)健的類型硫化膠的拉伸強(qiáng)度隨著交聯(lián)鍵能的增加而減小。當(dāng)交聯(lián)鍵能較弱時(shí)，在高應(yīng)力集中下會(huì)很快斷裂，從而解除了所承受的負(fù)荷，而將應(yīng)力轉(zhuǎn)移分配給相鄰鏈段上，使得網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體均勻地承受較大應(yīng)力；同時(shí)，弱交聯(lián)鍵的較早斷裂還有利于該部分主鏈的定向排列和結(jié)晶，因此存在弱交聯(lián)鍵的硫化膠的拉伸強(qiáng)度較大。例如，適當(dāng)增加硫黃用量，采用促進(jìn)劑M或與胍類促進(jìn)劑并用，可提高鍵能較低的多硫鍵（—Sx—）的含量，提高拉伸強(qiáng)度。7/24/202319第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶填充體系 一般而言，填充劑粒徑越小、比表面積越大、結(jié)構(gòu)性越高，補(bǔ)強(qiáng)效果越好。⑷增塑體系 增塑劑一般會(huì)使橡膠的拉伸強(qiáng)度降低，與橡膠相容性好、具有限制橡膠分子運(yùn)動(dòng)的高黏度油類增塑劑可提高橡膠的拉伸強(qiáng)度。 其它，如共混、使用表面活性劑、偶聯(lián)劑也可提高橡膠的拉伸強(qiáng)度。7/24/202320第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2配合體系與撕裂強(qiáng)度的關(guān)系指將帶有切口的試片撕裂時(shí)所需的最大力，其單位為N/m。⑴橡膠品種 天然橡膠、氯丁橡膠等結(jié)晶性橡膠的撕裂性較好。幾種橡膠的抗撕裂性強(qiáng)弱順序是：NR＞CR＞SBR＞NBR⑵硫化體系多硫鍵具有較高的撕裂強(qiáng)度。⑶填充體系 粒子細(xì)、活性大的炭黑、白炭黑補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，撕裂強(qiáng)度明顯改善；炭黑用量一般在50~60phr時(shí)可獲得最高撕裂強(qiáng)度。但用量過大時(shí)撕裂強(qiáng)度反而下降。⑷增塑體系 適當(dāng)加入增塑劑有助于撕裂強(qiáng)度的提高，主要是一些樹脂類如古馬隆樹脂、酚醛樹脂等。7/24/202321第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3配合體系與定伸應(yīng)力的關(guān)系定伸應(yīng)力是指試樣被拉伸至一定長度時(shí)所受的力與試樣在拉伸前的截面積之比，單位為MPa，工業(yè)中常用的有伸長為100%、300%和500%時(shí)的定伸應(yīng)力。⑴橡膠品種 要求高定伸應(yīng)力的橡膠制品可以用天然橡膠、丁腈橡膠、聚氨酯橡膠來制備；低定伸應(yīng)力的制品可采用天然橡膠、高順丁橡膠。⑵硫化體系 隨著交聯(lián)密度的增加，定伸應(yīng)力隨之增加。因此，調(diào)整硫化體系中硫黃及促進(jìn)劑的用量來增大交聯(lián)密度，進(jìn)而提高定伸應(yīng)力。⑶填充體系 增加粒度小、結(jié)構(gòu)性高的高活性填充劑的用量可提高定伸應(yīng)力。以炭黑的效果最為顯著。對(duì)丁苯橡膠來說，主要取決于炭黑的結(jié)構(gòu)性。⑷增塑體系 增塑劑用量增加，定伸應(yīng)力降低。7/24/202322第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4配合體系與回彈性的關(guān)系

回彈性又稱沖擊彈性，是指橡膠受沖擊以后恢復(fù)原狀的能力。試驗(yàn)的時(shí)候是使一定高度的重物自由落到橡膠試樣表面上，用重物回彈的高度來評(píng)價(jià)。⑴橡膠品種 從結(jié)構(gòu)因素來說，分子鏈越柔順、分子間作用力越小的橡膠，其彈性越好。以天然橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠以及硅橡膠的回彈性較好。⑵硫化體系 在一定范圍內(nèi)，彈性隨交聯(lián)密度的增大而提高，多硫鍵的回彈性高于低硫鍵和碳碳交聯(lián)鍵。適當(dāng)增加硫黃用量有利于硫化膠彈性的增加。⑶填充體系 填充劑用量越少、膠料含膠率越高，有利于彈性的增加。炭黑特別是細(xì)粒子活性炭黑，對(duì)硫化膠彈性的降低影響較大，對(duì)彈性要求高的膠料多采用中粒子炭黑。⑷增塑體系 增塑劑對(duì)硫化膠彈性的影響一般不大，但用量過大時(shí)會(huì)使彈性降低。7/24/202323第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.5配合體系與耐磨性能的關(guān)系

硫化膠所受的磨耗作用力主要包括：刨削力、沖擊力、切割力、撕裂力以及剪切力。要具備良好的耐磨性能，硫化膠需同時(shí)具備較低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的物理機(jī)械性能。⑴橡膠品種從結(jié)構(gòu)因素分析，分子鏈柔順性好、有共軛體系存在、含有芳基的極性橡膠的耐磨性能較好。聚氨酯橡膠具有特殊的耐磨性能，但其耐沖擊、耐切割性能較差。其次是順丁膠、丁苯橡膠、天然橡膠。對(duì)丁苯橡膠和天然橡膠來說，當(dāng)溫度低于15℃天然橡膠的耐磨性較好；而當(dāng)溫度在15℃以上時(shí)，丁苯橡膠的耐磨性較好。7/24/202324第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵填充體系加入細(xì)粒子、高結(jié)構(gòu)性的炭黑能夠提高硫化膠的耐磨性能，以高結(jié)構(gòu)高耐磨爐黑最好。填充的量一般有最佳值，多了反而降低。對(duì)天然或丁苯橡膠一般用量為50~60phr。白色填料以粒徑為20nm左右的白炭黑為最好，其次是氧化鋅。⑶硫化體系隨交聯(lián)密度的增加，耐磨性能會(huì)出現(xiàn)最大值。同時(shí)考慮到炭黑的吸附作用，硫化劑和促進(jìn)劑的用量要適當(dāng)多一些。促進(jìn)劑應(yīng)選擇硫化平坦性能較好的噻唑類為好。此外，正確使用防老劑也能間接提高制品的耐磨性能。7/24/202325第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.6配合體系與耐屈撓性能的關(guān)系

橡膠在往復(fù)屈撓過程中，由于化學(xué)和機(jī)械的作用，在彎曲部分所產(chǎn)生的表面裂口稱為屈撓龜裂。 橡膠產(chǎn)生屈撓龜裂的過程分為兩個(gè)階段，即龜裂的發(fā)生階段和龜裂的增長階段。各種橡膠在這兩個(gè)階段表現(xiàn)的特征不同，以天然橡膠和丁苯橡膠為例，天然橡膠容易產(chǎn)生龜裂，但龜裂增長的速度慢；而丁苯橡膠難以產(chǎn)生龜裂，但一旦產(chǎn)生龜裂，其增長的速度較為迅速。⑴橡膠品種橡膠制品的耐屈撓性能主要取決于橡膠的品種。幾種橡膠的耐龜裂發(fā)生的能力順序?yàn)椋憾』鹉z＞氯丁橡膠＞丁苯橡膠＞丁腈橡膠＞天然橡膠。而抗龜裂增長的順序?yàn)椋憾』鹉z＞氯丁橡膠＞天然橡膠＞丁苯橡膠＞丁腈橡膠?？梢姸』鹉z的耐屈撓性能為最好，但在溫度升高時(shí)其耐屈撓性能顯著降低。7/24/202326第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵填充體系經(jīng)過表面處理的、粒徑為40~80nm的填充劑的耐屈撓性能較好；粒徑大、各向同性的填充劑易于屈撓中的橡膠形成空隙，從而促進(jìn)龜裂的增長。填充劑的用量不宜過多，否則會(huì)使硫化膠的定伸應(yīng)力和硬度增高，導(dǎo)致龜裂部位的應(yīng)力增大，加快龜裂的增長。而且填料若分散不均時(shí)，也會(huì)使硫化膠在屈撓過程中形成應(yīng)力集中，促進(jìn)空隙的產(chǎn)生，可采用脂肪酸鹽來提高填料的分散效果。⑶硫化體系過硫時(shí)硫化膠的耐屈撓性能顯著下降，為提高耐屈撓性能，硫化程度最好取比正硫化少欠一點(diǎn)。7/24/202327第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.7配合體系與耐疲勞性能的關(guān)系橡膠制品承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)所引起的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷的發(fā)展過程，稱為橡膠的疲勞。疲勞會(huì)使橡膠的力學(xué)性能下降，并最終導(dǎo)致龜裂或完全斷裂。⑴橡膠品種在低應(yīng)變疲勞下，橡膠的Tg愈高，耐疲勞破壞性愈好；在高應(yīng)變疲勞下，具有拉伸結(jié)晶特性的橡膠耐疲勞性能較好。⑵硫化體系易于形成多硫鍵的硫化體系，有利于耐疲勞性能的提高，普通硫化體系最為有利。⑶填充體系 粒子細(xì)、結(jié)構(gòu)性高的炭黑，耐疲勞性能較好，其用量一般在50phr左右。⑷增塑體系 稀釋作用小的粘稠性增塑劑有利于耐疲勞性能的提高，但用量應(yīng)盡量降低。7/24/202328第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.8配合體系與硬度的關(guān)系

橡膠硬度是指抵抗外力壓入的能力，常用邵爾硬度計(jì)測(cè)定。硫化膠的硬度范圍在10~100之間。⑴硫化體系 隨著交聯(lián)密度的增加，硫化膠的硬度增加。⑵填充體系 一定范圍內(nèi)，增加粒子細(xì)、結(jié)構(gòu)性高的填充劑的用量可提高硫化膠的硬度。也可增加高苯乙烯樹脂、酚醛樹脂等物質(zhì)以提高硫化膠的硬度。⑶增塑體系 使用增塑劑通常會(huì)使硫化膠制品的硬度降低。7/24/202329第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.9壓縮永久變形性⑴硫化體系隨著交聯(lián)密度的增加，硫化膠的壓縮永久變形降低。因此，要降低橡膠制品的永久變形性，必須是制品達(dá)到正硫化；若制品需在高溫下使用，用過氧化物進(jìn)行交聯(lián)，可降低制品壓縮永久變形性。⑵填充體系填充劑粒子的形狀對(duì)橡膠制品的永久變形性影響較大，其中球狀或片狀粒子有利于永久變形性的降低；而針狀、棒狀粒子則不利于永久變形性的降低。7/24/202330第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3配合體系與膠料工藝性能的影響1配合體系與膠料粘度的關(guān)系 各種生膠都具有一定的粘度，可根據(jù)用途和需要加以選擇。一般而言，填充劑的加入會(huì)使膠料的粘度增加。加入增塑劑則能夠降低膠料的粘度。2配合體系對(duì)膠料混煉性能的影響膠料的混煉性能是指配合劑是否容易與橡膠混合均勻。膠料的混煉性主要取決于配合劑與橡膠之間的浸潤性。疏水性填充劑，如炭黑容易被橡膠所浸潤，混煉性能較好；親水性填充劑，如碳酸鈣、陶土、白炭黑等，不易被橡膠浸潤，混煉性能較差?？赏ㄟ^化學(xué)改性，或加入表面活性劑加以改進(jìn)。增塑劑與橡膠的相容性一般較好，易于分散。7/24/202331第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月3配合體系對(duì)包輥性能的影響膠料的包輥性能主要取決于生膠的強(qiáng)度和粘著性能。影響生膠強(qiáng)度的因素包括生膠的分子量及其拉伸結(jié)晶性能。天然橡膠具有最好的包輥性能，乳聚合成橡膠次之，溶聚的，特別是分子量分布較寬的橡膠包輥性能較差。改善的途徑有以下幾種⑴通過加入活性、結(jié)構(gòu)性高的填充劑，如炭黑、白炭黑等增加生膠的強(qiáng)度，進(jìn)而提高膠料地包輥性能。⑵加入增粘性增塑劑如高芳烴操作油、松焦油、古馬隆樹脂、酚醛樹脂等。⑶與少量天然橡膠并用。7/24/202332第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4配合體系對(duì)焦燒特性的影響焦燒產(chǎn)生的原因主要是硫化體系選擇不當(dāng)導(dǎo)致。因此，應(yīng)盡量選用后效性或臨界溫度較高的促進(jìn)劑，也可添加防焦劑進(jìn)一步改善。堿性爐法炭黑及高結(jié)構(gòu)性炭黑具有促進(jìn)硫化作用，易引起焦燒；而酸性的槽法炭黑，對(duì)硫化起延緩作用，一般不易焦燒。增塑劑的加入一般都具有延緩焦燒的作用。7/24/202333第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4特種性能橡膠的配合1耐熱橡膠橡膠在長時(shí)間熱老化作用下保持原有物理機(jī)械性能的能力稱為耐熱性。要提高橡膠制品的耐熱性，主要通過兩種途徑：一是從橡膠分子結(jié)構(gòu)對(duì)其分子運(yùn)動(dòng)的影響出發(fā)，探求提高軟化溫度的方法；二是從橡膠及其交聯(lián)網(wǎng)與熱化學(xué)反應(yīng)間的關(guān)系出發(fā)，尋找提高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的方法。⑴橡膠品種的選擇常用的有NBR、CR、EPDM、IIR、Q、FPM等⑵硫化體系單硫鍵鍵能比多硫鍵鍵能高，耐熱性好。因此，耐熱橡膠應(yīng)采用“低硫高促”的硫化體系。7/24/202334第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶防護(hù)體系宜采用高效耐熱型防老劑，如防老劑RD。⑷填充補(bǔ)強(qiáng)體系一般無機(jī)填料比炭黑具有較高的耐熱性，如白炭黑、氧化鋅、氧化鎂等。⑸增塑劑增塑劑對(duì)橡膠耐熱性不利，應(yīng)盡量少用。用的話應(yīng)選用熱穩(wěn)定性好、不揮發(fā)的類型。如石油系重油類。7/24/202335第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2耐寒橡膠對(duì)于非結(jié)晶性橡膠，玻璃化溫度是衡量其耐寒性的溫度指標(biāo)。對(duì)于結(jié)晶性橡膠往往在遠(yuǎn)高于Tg的溫度下，很快結(jié)晶。所以結(jié)晶性橡膠的耐寒配合應(yīng)設(shè)法抑制其在低溫條件下的結(jié)晶。工業(yè)上以脆性溫度作為橡膠制品耐寒性指標(biāo)。⑴橡膠品種的選擇橡膠主鏈上含有雙鍵和醚鍵的橡膠（如NR、BR、氯醇橡膠），具有較好的耐寒性；主鏈上含有雙鍵但具有極性側(cè)基的橡膠（NBR、CR）耐寒性居中；主鏈不含雙鍵，側(cè)鏈具有極性基團(tuán)的橡膠（FPM）耐寒性最差。7/24/202336第36頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵硫化體系耐寒橡膠的硫化體系以，高硫低促的硫黃硫化體系為最好。對(duì)非結(jié)晶性橡膠，交聯(lián)密度低的對(duì)耐寒性有利；對(duì)結(jié)晶性橡膠，當(dāng)?shù)蜏亟Y(jié)晶成為影響耐寒性的主要矛盾時(shí)，則應(yīng)提高交聯(lián)密度降低結(jié)晶作用。⑶增塑體系加入增塑劑可使制品的Tg下降，提高耐寒性能。⑷填充補(bǔ)強(qiáng)體系填充劑的加入，一般會(huì)使橡膠的耐寒性能變差，要少用或不用。7/24/202337第3