橡膠工藝基礎知識

橡膠工藝山東水星總工程師：張勇護|Page2橡膠工藝一、橡膠分類及及特點二、橡膠配合三、橡膠塑煉與混煉四、橡膠硫化五、橡膠制品成型方法六、汽車密封條2021/10/10星期日|Page3高分子材料無機非金屬材料塑料：橡膠：纖維：油漆涂料膠、油、粘膠劑熱固性塑料熱塑性塑料工程塑料天然橡膠合成橡膠通用合成橡膠特種合成橡膠面料通用塑料非金屬材料金屬材料熱塑性彈性體材料橡膠工藝2021/10/10星期日|Page4橡膠（Rubber）：具有可逆形變的高彈性聚合物材料。在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產生較大形變，除去外力后能恢復原狀。橡膠屬于完全無定型聚合物，它的玻璃化轉變溫度（Tg）低，分子量往往很大，大于幾十萬。

橡膠一詞來源于印第安語cau-uchu，意為“流淚的樹”。天然橡膠就是由三葉橡膠樹割膠時流出的膠乳經凝固、干燥后而制得。1770年，英國化學家J.普里斯特利發(fā)現橡膠可用來擦去鉛筆字跡，當時將這種用途的材料稱為rubber，此詞一直沿用至今。橡膠的分子鏈可以交聯，交聯后的橡膠受外力作用發(fā)生變形時，具有迅速復原的能力，并具有良好的物理力學性能和化學穩(wěn)定性。橡膠是橡膠工業(yè)的基本原料，廣泛用于制造輪胎、膠管、膠帶、電纜及其他各種橡膠制品。橡膠工藝2021/10/10星期日|Page5橡膠工藝橡膠制品2021/10/10星期日|Page6一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page7橡膠按原料分為天然橡膠和合成橡膠。按形態(tài)分為塊狀生膠、乳膠、液體橡膠和粉末橡膠。乳膠為橡膠的膠體狀水分散體；液體橡膠為橡膠的低聚物，未硫化前一般為粘稠的液體；粉末橡膠是將乳膠加工成粉末狀，以利配料和加工制作。20世紀60年代發(fā)明的熱塑性橡膠，無需化學硫化，而采用熱塑性塑料的加工方法成形。橡膠按使用又分為通用型和特種型兩類。

一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page8一、天然橡膠（NR）

NitriteReductase天然橡膠是從天然植物中采集來的一種彈性材料，在自然界中含橡膠成分的植物不下兩千種，如高大的喬木、灌木、草本植物和爬藤植物等，我們常見的橡膠樹、橡膠草、蒲公英等都含有橡膠成分。但能進行生物合成橡膠的植物約有200多種，具有采集價值的只有幾種，主要是巴西橡膠樹，其次是銀菊、橡膠草、杜仲等。

1904年，我國開始引植巴西橡膠樹。建國后在兩廣、海南、云南等地都有種植。2008年我國天然橡膠產量63.8萬噸,居世界第6。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page9天然橡膠可分為標準膠（又稱顆粒膠）、煙膠片、縐膠片、風干膠片等，最常用的是標準膠和煙膠片以及特種類膠。由橡膠樹采集膠乳制成,是異戊二烯的聚合物.具有很好的耐磨性、很高的彈性、扯斷強度及伸長率.在空氣中易老化,遇熱變粘,在礦物油或汽油中易膨脹和溶解,耐堿但不耐強酸.優(yōu)點：彈性好，耐酸堿。缺點：不耐候，不耐油(可耐植物油)是制作膠帶、膠管、膠鞋的原料，并適用于制作減震零件、在汽車剎車油、乙醇等帶氫氧根的液體中使用的制品。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page10二、合成橡膠合成橡膠是由低分子化合物（稱為單體）經聚合反應而制成的。這些單體來源于三個方面：石油和天然氣；煤和石灰石；農林產品。

1875年，鮑查達（Bouchardat）認為異戊二烯能合成出類似橡膠的物質，這是最早的關于人工合成橡膠的報道。2008年我國合成橡膠產量230.4萬噸，躍居世界第一。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page11常用的合成橡膠異戊橡膠IR丁苯橡膠SBR氯丁橡膠CR丁晴橡膠NBR丁基橡膠IIR乙丙橡膠(二元乙丙EPM，三元乙丙EPDM)氯磺化聚乙烯橡膠CSM氯醚橡膠CMR丙烯酸酯橡膠ACMAEM聚氨酯橡膠AUPU氟橡膠FMQ硅橡膠(二甲基VMQ苯基PVMQ聚硫橡膠TR特種合成橡膠一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page12異戊橡膠IR

Isoprene，結構單元與天然橡膠一樣，為異戊二烯，適于作淺色橡膠制品，與NR有以下不同：

1）順式含量低于NR，結晶能力比NR差，分子量分布較NR窄，不含非橡膠成分，加工和力學性能較NR差。

2）格林強度低，生膠有冷流傾向，硫化速度慢。

3）IR的耐老化性能較NR差。

4）壓延、壓出性、粘和性能與NR相當。丁苯膠SBRStyreneButadieneRubber,丁二烯與苯乙烯之共聚合物，與天然膠比較，品質均勻，異物少，具有更好耐磨性及耐老化性，但機械強度則較弱，可與天然膠摻合使用。優(yōu)點:低成本的非抗油性材質,良好的抗水性,硬度70以下具良好彈力,高硬度時具較差的壓縮性。缺點：不建議使用強酸、臭氧、油類、油酯和脂肪及大部份的碳氫化合物之中。廣泛用于輪胎業(yè)、鞋業(yè)、布業(yè)及輸送帶行業(yè)等。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page13氯丁膠CR

(Neoprene、Polychloroprene)由氯丁烯單體聚合而成.硫化后的橡膠彈性耐磨性好,不怕陽光的直接照射,有特別好的耐候性能,不怕激烈的扭曲,不怕制冷劑，耐稀酸、耐硅酯系潤滑油,但不耐磷酸酯系液壓油.在低溫時易結晶、硬化,貯存穩(wěn)定性差,在苯胺點低的礦物油中膨脹量大.一般使用溫度范圍為-50~150℃.

優(yōu)點：彈性良好及具良好的壓縮變形,配方內不含硫磺，因此非常容易來制作.具抗動物及植物油的特性,不會因中性化學物，脂肪、油脂、多種油品，溶劑而影響物性,具防燃特性。

缺點：不建議使用強酸、硝基烴、酯類、氯仿及酮類的化學物之中，耐R12制冷劑的密封件，家電用品上的橡膠零件或密封件。適合用來制作各種直接接觸大氣、陽光、臭氧的零件。適用于各種耐燃、耐化學腐蝕的橡膠品。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page14丁晴膠NBR

NitrileButadieneRubber,由丙烯睛與丁二烯共聚合而成，丙烯睛含量由18%~50%，丙烯睛含量越高，對石化油品碳氫燃料油之抵抗性愈好，但低溫性能則變差，一般使用溫度范圍為-25~100℃。丁晴膠為目前油封及O型圈最常用之橡膠之一。

優(yōu)點：具良好的抗油,抗水,抗溶劑及抗高壓油的特性，良好的壓縮性，抗磨及伸長力。

缺點：不適合用于極性溶劑之中,例如酮類、臭氧、硝基烴,MEK和氯仿.

適用于制作燃油箱、潤滑油箱以及在石油系液壓油、汽油、水、硅油、二酯系潤滑油等流體介質中使用的橡膠零件,特別是密封零件.可說是目前用途最廣、成本最低的橡膠密封件用膠料。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page15丁基橡膠IIR

ButylRubber,為異丁烯與少量異戊二烯聚合而成,因甲基的立體障礙分子的運動比其他聚合物少,故氣體透過性減少,對熱、日光、臭氧之抵抗性大,電器絕緣性佳；對極性容劑抵抗大,一般使用溫度范圍為-54-110℃.

優(yōu)點：對大部份一般氣體具不滲透性,對陽光及臭氣具良好的抵抗性可暴露于動物或植物油或是可氣化的化學物中。

缺點：不建議與石油溶劑，膠煤油和芳氫同時使用。

適用于汽車輪胎的內胎、皮包、橡膠膏紙、窗框橡膠、蒸汽軟管、耐熱輸送帶等。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page16乙丙膠EPDMEthylene-Propylene-DieneMonomer,由乙烯及丙烯共聚合而成,因此耐熱性、耐老化性、耐臭氧性、安定性均非常優(yōu)秀,但無法硫磺加硫.為解決此問題,在EP主鏈上導入少量有雙鏈的第三單體而可加硫即成EPDM,一般使用溫度為-50~150℃.對極性溶劑如醇、酮等抵抗性極佳。優(yōu)點：具良好抗候性及抗臭氧性，具極佳的抗水性及抗老化性，電絕緣性能優(yōu)良，耐化學腐蝕，沖擊彈性較好。缺點：硫化速度慢；與其它不飽和橡并用難；不建議用于食品用途或是暴露于芳香氫之中。主要用于要求耐老化、耐水、耐腐蝕、電氣絕緣等幾個領域。如：輪胎的淺色胎側、電纜、耐熱運輸帶、門窗密封條、密封墊圈等。一、橡膠分類及特點2021/10/10星期日|Page17二、橡膠配合2021/10/10星期日|Page18二、橡膠配合橡膠的配合：

橡膠具有寶貴的高彈性和其它一系列優(yōu)良的性能，但其本身在性能上仍有許多缺點。例如天然橡膠保持高彈性的溫度范圍只在5-35左右，生膠的機械強度也比較低，可見，用純生膠是不能制造出適合使用要求的橡膠制品的。根據制品的性能要求，考慮加工工藝性能和成本等因素，把生膠和配合劑組合在一起的過程。一般的配合體系包括生膠、硫化體系、補強體系、防護體系、增塑體系等。有時還包括其它一些特殊的體系如阻燃、著色、發(fā)泡、抗靜電、導電等體系。

2021/10/10星期日|Page19生膠補強體系硫化體系防護體系增塑體系份數物質名稱1005#NR1硬脂酸5間接法氧化鋅1.5促進劑NOBS0.5促進劑DM2.2硫磺2石蠟1.5防老劑4010NA1防老劑RD68碳黑N-5504芳香烴油187合計基體材料與橡膠線性大分子交聯形成空間網格結構，提高性能，穩(wěn)定形狀延緩橡膠老化，延長使用壽命降低混煉膠的粘度，改善加工性能，降低成品硬度提高橡膠力學性能，改善加工工藝性能，降低成本配合體系典型橡膠配方舉例二、橡膠配合2021/10/10星期日|Page20橡膠配方模型配方工藝性能二、橡膠配合2021/10/10星期日|Page21塑煉壓延擠出混煉成型硫化橡膠工藝流程二、橡膠配合2021/10/10星期日|Page22三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page23一、塑煉的目的1、使生膠獲得一定的可塑性,

滿足加工的要求2、使生膠的可塑性均勻化，以便制得質量均勻的膠料塑煉：生膠在外力和氧的作用下由彈性物質變?yōu)榫哂锌伤苄晕镔|的現象塑煉膠：指經過塑煉獲得一定可塑性的膠料。

可塑性：指橡膠受外力作用產生變形，當外力消除后橡膠仍能保持其形變的能力。三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page24后輥前輥三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page25后輥前輥三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page26后輥前輥三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page27后輥前輥三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page28后輥前輥三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page29塑煉的機器：開煉機密煉機三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page30

二、

混煉混煉定義：將各種配合劑加入到橡膠中去制成混合膠的過程?；鞜挼倪^程混入分散混合塑化生膠配合劑混合膠三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page31三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page32待硫化膠料圖片：三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page33混煉的目的和意義

1、保證產品的質量3、高效節(jié)能2、適合于進一步的加工三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page34EPDM一般采用二段混煉工藝：密煉加開煉。一段密煉:→合成膠，密煉小藥，炭黑，填充劑，增塑劑→密煉→母煉膠仃放→過濾二段開煉：→開煉小藥，硫化體系，發(fā)泡體系→硫化膠仃放待用混煉機器也是密煉機與開煉機。三、橡膠塑煉與混煉2021/10/10星期日|Page35四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page36硫化定義：即“交聯”或“架橋”，線性高分子通過交聯作用而形成的網狀高分子的工藝過程。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page37硫化過程四個階段：四、橡膠硫化1.焦燒段2.熱硫化段3.平坦硫化階段4.過硫化階段ab.焦燒階段；A1.操作焦燒時間A2.剩余焦燒時間bc.熱硫化階段；cd.平坦硫化階段；D以后.過硫化階段2021/10/10星期日|Page381、焦燒階段（焦燒期－硫化起步階段，硫化誘導期）圖中的ab段稱為膠料的焦燒階段，此時交聯尚未開始，膠料在模腔內具有良好的流動性，也稱為硫化誘導階段。膠料焦燒時間的長短決定膠料的焦燒性能和操作安全性。膠料焦燒時間受膠料中硫化促進劑和膠料本身的熱歷史的影響較大。

操作焦燒時間：橡膠在加工過程中由于熱積累消耗掉的焦燒時間A1。剩余焦燒時間：膠料在模腔中保持流動性的時間A2。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page39

硫化起步——硫化時，膠料開始變硬而后不能進行熱塑性流動的時間（焦燒）。焦燒期的長短：決定了膠料的焦燒性及操作安全性。取決于配方，特別是促進劑。可用遲效性促進劑：CZ。焦燒時間的起點：實際上是從混煉時加入硫磺的那一時刻開始。焦燒階段的終點：膠料開始發(fā)硬并喪失流動性。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page40焦燒時間:

A1操作焦燒時間——混煉，停放，成型A2殘余焦燒時間——進入模具后加熱開始到開始硫化這段時間

若：操作焦燒時間>焦燒時間，就發(fā)生焦燒防止焦燒：

A、具有較長的焦燒時間：配方

B、混煉、停放要低溫，成型時要迅速，即減少操作焦燒時間四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page412、熱硫化階段（欠硫期－預硫階段）熱硫化階段即圖中的bc段，在該階段橡膠的交聯以一定的速度開始進行。誘導期后，開始交聯，至正硫化。熱硫化的速度和時間取決與膠料的配方和硫化的溫度。在此階段，交聯度低，即使在此階段的后期，性能（主要是拉伸強度、彈性等）尚未達到預期的要求。但其抗撕性、耐磨性，則優(yōu)于正硫化膠料，若要求這些性能時制品可以輕微欠硫。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page423、硫化平坦階段（正硫期－正硫化階段）硫化平坦階段即圖中的cd段，此時交聯反應已趨于完成，反應速度已較為緩和。硫化膠的綜合物理機械性能已達到或接近最佳值。A、正硫化在平坦硫化階段，橡膠制品的綜合物理機械性能達到最佳值，這種硫化狀態(tài)稱為正硫化，也稱最宜硫化。正硫化前期成為欠硫；正硫化后期則成為過硫，欠硫或過硫，橡膠的物理機械性能均較差。四、橡膠硫化2021/10/10星期日THANKYOUSUCCESS2021/10/10星期日43可編輯|Page44B、正硫化時間正硫化時間是指達到正硫化狀態(tài)所需的最短時間，也稱為“正硫化點”。C、工藝正硫化時間在實際操作中，往往是從制品的某些主要性能指標進行選擇，從而確定正硫化時間，與理論上的綜合物理性能有所區(qū)別，具有工藝上的概念。因此，將通過這種確定的正硫化時間稱為工藝正硫化時間。一般橡膠制品的“工藝正硫化時間”應取其膠料的應力、應變最高值稍前一點。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page45制品達到適當的交聯度的階段，此時各項力學性能均達到或接近最佳值，其綜合性能最好。正硫化是一個階段——各項性能基本上保持恒定或變化很少，也稱硫化平坦期。硫化平坦期的寬窄取決于：配方、溫度等。正硫化時間的選?。豪鞆姸冗_到最高值略前的時間。主要是考慮“后硫化”。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page46正硫化后，繼續(xù)硫化進入過硫化。進入過硫化后：性能下降：硫化返原（斷鏈多于交聯，NR、IIR）性能恒定甚至上升：非返原（交聯占優(yōu)、環(huán)化）交聯和氧化斷鏈兩種反應貫穿于橡膠硫化過程的始終。只是在硫化過程的不同階段兩種反應優(yōu)勢不同。進入過硫的早晚，即硫化平坦期的寬窄，主要取決于兩個方面：1）、配方（如TMTD）；2）、溫度。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page474、過硫階段（過硫期）d以后的部分為過硫化階段。在這一階段中，不同的橡膠表現的情況不同：天然橡膠由于氧化斷鏈反應程度較強，其各項物理機械性能下降；而大部分的合成橡膠，如EPDM、SBR、NBR由于熱交聯和熱氧化斷鏈兩種作用程度接近，因此，物理機械性能變化甚小或基本保持恒定。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page48硫化參數：1、T10：膠料從加熱開始至轉矩上升到最大轉矩的10%所需要的時間。M10=ML+（MH-ML）×10%2、誘導期（焦燒期）：從膠料放入模具至出現輕微硫化的整個過程所需要的時間叫硫化誘導期，又稱為焦燒時間。誘導期反應了膠料的加工安全性。誘導期短，加工安全性差；誘導期太長，會降低生產效率。3、焦燒：膠料在存放和加工過程中出現的早期硫化現象。4、T90工藝正硫化時間：膠料從加熱開始，至轉矩上升到最大轉矩的90%時所需要的時間。M90=ML+（MH-ML）×90%5、理論正硫化時間：交聯密度達到最大程度時所需要的時間。6、硫化返原：如果膠料再繼續(xù)硫化就會使交聯結構產生降解，性能下降，這種現象就稱為硫化返原。四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page49硫化時間計算：范特霍夫方程：τ1/τ2=k（t2-t1）/10

τ1=溫度在t1的正硫化時間,單位minτ2=溫度在t2的正硫化時間,單位minK=硫化溫度系數通過上述公式，我們可進行等效硫化時間的計算例：從門尼試驗得知一種膠料140℃時的正硫化時間為20min,求出130℃和150℃時的正硫化時間。解：已知t2=140℃，τ2=20min硫化溫度系數為2因為t1=130℃所以τ1=k（t2-t1）/10×τ2=2（140-130）/10×20=40min當t1=150℃τ1=k（140-150）/10×τ2=2-1×20=10min四、橡膠硫化2021/10/10星期日|Page50硫化方法依硫化條件的不同分為：冷硫化室溫硫化熱硫化直接硫化間接硫化混汽硫化硫化罐硫化平板硫化機硫化個體硫化機硫化注壓硫化四、橡膠硫化熱硫化是大多數橡膠制品采用的硫化方法。按介質分按設備分依硫化生產方式分為：間歇生產連續(xù)生產鹽浴硫化沸騰床硫化微波硫化高頻預熱硫化等2021/10/10星期日|Page51五、橡膠制品成型方法2021/10/10星期日|Page52五、橡膠制品成型方法1、模壓成型（壓制成型）基本原理及工藝過程模壓成型是將混煉過的經加工成一定形狀和稱量過的具有一定可塑性的半成品膠料放入敞開的模具型腔中，而后閉合模具，送入平板硫化機中加壓、加熱并保持一定的時間，膠料在熱和壓力的作用下而硫化成型。

2021/10/10星期日|Page532、壓注成型基本原理及工藝過程壓注成型亦稱傳遞式模壓成型或擠膠法成型。它是將混煉過的、形狀簡單、限量一定的膠條或膠塊半成品放入壓注模料腔中，通過壓注塞奪力擠壓膠料，并使膠料通過澆注系統進入模具型腔中硫化成型。五、橡膠制品成型方法2021/10/10星期日|Page54

3、注射成型基本原理橡膠注射成型是利用橡膠注射機的壓力將預熱的膠料直接由機筒經噴嘴注入模具型腔成型、硫化定型的一種生產方法。工藝過程：加料膠料軟化預熱注射硫化定型取出制品

五、橡膠制品成型方法2021/10/10星期日|Page554、擠出成型（壓出成型）基本原理及工藝過程橡膠擠出成型又稱壓出成型。它是在擠出機中對膠料進行加熱和塑化，通過螺桿或注塞推動連續(xù)不斷地向前傳送，然后借助于橡膠擠出成型模具（簡稱擠出模）擠出各種所需形狀半成品以完成造型或其它作業(yè)的工藝過程。五、橡膠制品成型方法2021/10/10星期日|Page56擠出設備包括擠出機、擠出機頭、擠出模具三大部分。機頭是擠出成型模具的主要部件，它有下述四種作用：1、使物料由螺旋運動變?yōu)橹本€運動2、產生必要的成型壓力，保證制品密實3、使物料得以進一步塑化4、成型制品的斷面形狀擠出機1擠出機頭擠出機2擠出設備擠出機出料口擠出口模定位頭底座定位頭擠出口型板1擠出口型板2擠出口型板3擠出口型板4膠料五、橡膠制品成型方法2021/10/10星期日|Page57橡膠擠出制品制造各種連續(xù)制品如膠管、板材(如止水帶)、電線電纜包覆、橡膠輪胎胎面條、內胎胎筒、密封條等，其生產效率高。五、橡膠制品成型方法2021/10/10星期日|Page58六、汽車密封條2021/10/10星期日|Page59六、汽車密封條汽車工業(yè)所涉及的橡膠制品，主要是車門窗密封條、車門框密封條、模壓制品和輪胎等。我們水星博惠公司為汽車配套的產品主要是汽車密封條和一些模壓制品。這里重點探討橡膠密封條。

橡膠密封條有單材質密封條（單一密實橡膠或單一海棉橡膠）、雙材質密封條（密實橡膠與海棉橡膠或密實橡膠與鋼帶骨架）、三材質密封條（密實橡膠+海棉橡膠+鋼帶骨架）、四材質密封條（密實橡膠+海棉橡膠+鋼帶骨架+顏色橡膠）2021/10/10星期日|Page60六、汽車密封條2021/10/10星期日|Page61密封條常用工藝介紹單擠出及復合擠出彩膠四復合彩膠+密實+海綿+骨架復合擠出復合耐磨PP帶密封條基體+耐磨PP帶復合擠出包覆植絨密封條表面靜電植絨，包覆裝飾水基噴涂密封條表面噴涂耐磨、光滑水基涂層六、汽車密封條2021/10/10星期日|Page62設計及驗證六、汽車密封條設計及驗證過程二維+三維設計CAE有限元分析仿真模擬驗證2021/10/10星期日|Page63密封條二維斷面簡圖六、汽車密封條2021/10/10星期日|Page64一款B級轎車門洞密封條三維示意圖

六、汽車密封條2021/10/10星期日|Page65為提高產品開發(fā)質量，縮短開發(fā)周期，我們前期對開發(fā)產品進行CAE分析，對產品性能進行定性測試分析，模擬產品在受力狀態(tài)下的變形情況，進