橡膠配方設計基礎(chǔ)

1、第1章 橡膠配方設計基礎(chǔ),1.1 配方表示形式 一、概述,1.概念 橡膠配方設計 ：根據(jù)橡膠產(chǎn)品的性能要求和工 藝條件，合理地選用原材料，并確定各種原材料的 用量配比關(guān)系，使得膠料的物性、工藝性和成本三 者取得最佳平衡,橡膠配方：生膠和多種配合劑按照一定比例的一種 組合,五大體系： 生膠體系(高聚物單用或并用)：母體材料或基體材料 硫化體系：與橡膠大分子起化學作用，使橡膠由線 型大分子變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高橡膠性能、穩(wěn)定形 態(tài)的體系。 補強填充體系：在橡膠中加入炭黑等補強劑或其它填 充劑，提高其力學性能，改善工藝性能，或者降低制 品成本。 防護體系：加入防老劑，延緩橡膠的老化，提高制品 的使用

2、壽命。 增塑體系：降低制品硬度和混煉膠的粘度，改善加工 工藝性能,2.配方設計的意義 是橡膠制品生產(chǎn)過程中的重要技術(shù)依據(jù). 對產(chǎn)品質(zhì)量有決定性的影響. 對產(chǎn)品的經(jīng)濟成本也有決定性的影響,例：設計膠管的內(nèi)層膠 使用環(huán)境：輸送氣體、輸送泥漿、酸、堿、油類液體,生膠的確定,二、 橡膠配方的組成及表示形式,1.橡膠配方的組成,橡膠配方簡單地說就是一份生膠和各種配合劑用量的配比表。 生產(chǎn)上的橡膠配方包含：膠料的名稱代號及用途，生膠及各種配合劑的用量、含膠率，比重、成本及膠料的物機性能等,2. 配方的表示形式 1. 基本配方 以質(zhì)量份數(shù)表示（mi）： 以生膠分數(shù)為100份，其余配合劑相應質(zhì)量份數(shù)表示 2.

3、 質(zhì)量百分數(shù)（mi%）：=mi /mi 100% 以膠料總質(zhì)量為100，生膠和配合劑質(zhì)量所占比例數(shù)來表示，主要用于計算原材料質(zhì)量成本和含膠率。 3. 體積百分數(shù)表示（Vi% ）： = Vi /Vi 100% 以膠料總體積為100，生膠和配合劑體積所占比例數(shù)來表示，主要用于計算原材料體積成本。 4. 生產(chǎn)配方（Mi,kg）： = Q/mi mi 取膠料的總質(zhì)量等于煉膠機的裝膠量Q，各組分以實際用量表示,表1-1 橡膠配方的表示形式,1.2 配方換算 質(zhì)量分數(shù)配方計算：mi%=mi(100/mi) 體積分數(shù)配方計算：Vi%=mi/i100/(mi/ i) 生產(chǎn)配方計算：Mi=mi(Q/ mi,作業(yè)

4、：將下述基本配方換算成其它形式表示的配方，假設煉膠機的容量為31. 50Kg，要求寫出換算公式,組分 質(zhì)量/份 密度/ 體積/份 質(zhì)量 體積 生產(chǎn)配方 （g/cm3） 百分數(shù)/% 百分數(shù)/% /Kg NR 100.00 0.92 108.70 63.49 77.30 20.00 S 2.75 2.05 促M 0.75 1.42 ZnO 5.00 5.57 硬脂酸 3.00 0.92 炭黑 45.00 1.80 防老劑 1.00 1.12 合計 157.50 140.62,例如：促進劑M母膠配方 NR 100 促進劑M 20 ZnO 5 合計 125,X促M母=1/(20/125)=6.25份

5、母膠中： XNR=6.25(100/125)=5份 XZnO=6.25 (5/125)=0.25份,含配合劑母膠的配方計算,由生產(chǎn)配方計算基本配方,mi=Mi（100/M膠） mi基本配方中各組分的份數(shù)； Mi生產(chǎn)配方中各組分的實際質(zhì)量，kg； M膠生產(chǎn)配方中生膠的總質(zhì)量,一）配方設計的內(nèi)容 1、確定硫化膠的主要性能及性能指標范圍 （1）已有成品：解剖成品，測試性能 （2）無成品：借鑒同類或相似產(chǎn)品或計算機模擬分析提出 2、確定合適的工藝條件及指標值的范圍 實驗研究確定 3、確定主體材料和配合劑的品種與用量 實驗研究確定 4、確定原材料的指標范圍 實驗研究確定，參考原材料出廠檢測指標，以滿足制

6、品 性能要求為準。 5、計算成本,1.3 橡膠配方設計的種類、原則和步驟,二） 配方設計的種類,基礎(chǔ)配方：標準配方，僅包括最基本的組分，采用 傳統(tǒng)的配合量，以生膠和配合劑鑒定為目的，反映 膠料基本工藝性能及硫化膠基本物理機械性能的配 方。 基礎(chǔ)配方的獲得： （1）ASTM標準 （2）根據(jù)實驗的基本情況進行擬定 （3）借鑒同類或類似產(chǎn)品的生產(chǎn)配方,性能配方：技術(shù)配方，全面考慮各種性能的搭配，增 加或調(diào)整基礎(chǔ)配方的內(nèi)容，以滿足制品使用條件的配 方。 實用配方：生產(chǎn)配方，在滿足要求的性能配方基礎(chǔ)上 ，結(jié)合實際生產(chǎn)條件所得的實用投產(chǎn)配方。 基礎(chǔ)配方、性能配方、實用配方是相互制約、相互影響的。 例：橡膠

7、基礎(chǔ)配方： 生膠：100份；硫磺：0.5-3.5份；促進劑：0.5-1.5份 ZnO:1-10份；Hst：0.5-2.0份；防老劑：0.25-1.5份,三）配方設計的原則 1.宗旨 使橡膠制品的性能、成本和工藝可行性三方面取得最 佳的綜合平衡，以最低的原材料消耗，最短的時間，最少 工作量設計出性能優(yōu)良并滿足現(xiàn)有生產(chǎn)設備要求的配方。 2. 基本原則 （1）在不降低產(chǎn)品質(zhì)量的情況下降低成本 （2）在保持成本不變的情況下提高產(chǎn)品的性能 3. 一般原則 （1）滿足制品的性能要求；（2）設計的配方易于加工 （3）原材料價廉易得； （4）重點設計主要性能 （5）充分考慮交互作用； （6）配方成本低，能耗低

8、 （7）配方盡可能簡化 （8）符合環(huán)保與衛(wèi)生要求,四） 配方設計的基本程序,1）確定膠料的技術(shù)要求 膠料的技術(shù)要求包括： 產(chǎn)品用途、使用部位及應起的作用；產(chǎn)品具體使用條件， 包括工作溫度范圍、工作壓力、工作周期、頻率及使用 壽命等；膠料的工藝性能等,2）收集技術(shù)資料 主要是了解前人或有關(guān)單位對同類產(chǎn)品或類似產(chǎn)品所作 過的配方試驗情況，技術(shù)經(jīng)驗。收集有關(guān)同類產(chǎn)品或類似 產(chǎn)品研試技術(shù)，為進行配方設計時作參考,3）制訂基本配方和性能試驗項目,基本試驗 配方的制訂,確定性能 試驗項目,確定生膠的品種和用量,確定硫化體系,確定補強填充劑,確定軟化增塑劑,確定防老劑,確定其他專用配合劑,加工性能,物機性能

9、,使用性能,其他性能：視產(chǎn)品而定,4）進行試驗并選取最佳配方（試驗室進行,塑煉 混煉 制成硫化膠試樣 性能測試 數(shù)據(jù)整理 對比，取舍 初選最佳配方 （5）復試并擴大中試（車間中進行,試驗配方 復試3-5次,車間規(guī)模 試驗,檢驗膠料的工藝性能、 硫化膠的物機性能 和成品的機床性能,初步確定 最佳工藝條件,6）確定完整的生產(chǎn)配方,生產(chǎn)配方內(nèi)容包括： 配方組分、用量，膠料性能指標（指膠料的名稱， 代號，用途），工藝條件（主要指塑混煉條件， 硫化條件）及檢驗方法等整套資料,以上配方設計程序可示意于下圖,調(diào)查研究收集技術(shù)資料,原材料性能分析,制品的使用分析,加工工藝分析,制訂基本配方和性能試驗項目,試

10、驗 室 研 究 分 析,選 取 最 佳 配 方,復 試 并 擴 大 中 試,確定完整的生產(chǎn)配方,1.4 橡膠配方設計方法,橡膠配方設計主要依賴于人們在生產(chǎn)當中積累的經(jīng)驗規(guī)律，通過大量而繁復的試驗來優(yōu)化配方，造成大量人力、物力的浪費。 隨著科學技術(shù)在各個領(lǐng)域的進步和發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，橡膠行業(yè)已經(jīng)開始采用計算機進行配方設計,1.單因素設計方法,因素：需要考察的影響試驗膠料性能指標的因素, 如橡膠配方組分中的硫化劑、補強劑、防老劑等； 水平：每個試驗因素可能取值的狀態(tài) 單因素配方試驗設計主要就是研究某單一試驗因素，如促進劑、炭黑、防老劑或某一新型原材料，在某一變量區(qū)間內(nèi)，確定哪一個值

11、的性能最優(yōu)。 這樣的設計方法主要包括：黃金分割法（0.618法）、平分法（對分法）、分批試驗法、拋物線法、爬山法,黃金分割法 黃金分割點在線段L的0.618處，故此法又稱0.618法。 這個方法的要點是先在配方試驗范圍a，b的0.618點作第一次試驗，再在其對稱點(試驗范圍的0.382處)作第二次試驗，比較兩點試驗的結(jié)果，去掉“壞點”以外的部分。在剩下的部分繼續(xù)取已試驗點的對稱點進行試驗、比較和舍取，逐步縮小試驗范圍,應用實例 子午線輪胎子口包膠使用齊聚酯增硬。膠料要求為：硬度（邵氏A）達到85度；拉伸強度不小于20MPa；扯斷伸長率不小于200,試驗結(jié)果：齊聚酯用量的合理范圍為2.25.7質(zhì)

12、量份,平分法(對分法) 如果在試驗范圍內(nèi)，目標函數(shù)是單調(diào)的，要找出滿足一定條件的最優(yōu)點，可以用平分法。平分法和黃金分割相似，但平分法逼近最佳范圍的速度更快，在試驗范圍內(nèi)每次都可以去掉試驗范圍的一半，而且取點方便。 要求膠料物理性能要有一個標準或具體指標，否則無法鑒別試驗結(jié)果好壞，以決定試驗范圍的取舍。 要知道原材料的化學性能及其對膠料物理性能的影響規(guī)律。能夠從試驗結(jié)果中直接分析該原材料的量是取大了或是取小了，并作為試驗范圍縮小的判別原則,實例：得到膠料與黃銅鋼絲簾線粘合力最高的680C用量。 基本配方：天然膠SMR5 90，BR 10，ZnO 5，SA 0.5， HAFCB 60，芳香操作油

13、4，促進劑 0.7，防焦劑PVI 0.4， S 3，Manbond 680C的用量為02份,試驗結(jié)果：該配方中應用Manbond 680C的最佳用量范圍為0.751.25份,分批試驗法 這種方法是每批試驗配方均勻地安排在試驗范圍內(nèi)。例如：每批做4個實驗，我們可以先將實驗范圍(a，b)均分為5份，在其4個分點x1，x2，x3，x4處做4個實驗。 將4個實驗結(jié)果比較，如果x3好，則去掉小于x2和大于x4的部分，留下(x2，x4)的范圍。然后將留下的部分再均分為6份，在未做過實驗的四個點上再做4個實驗。 這樣不斷地做下去，就能找到最佳的配方變量范圍,2.多因素設計方法,在大多數(shù)橡膠配方研究中，通常需

14、要同時考慮 確定兩個或多個變量因素對橡膠性能的影響規(guī)律， 這就是多因素橡膠配方設計的問題。 多因素的全面試驗遇到的最大問題就是試驗次 數(shù)太多，有時無法承受。如果有8個因素對性能指標 有影響，每個因素取兩個水平進行比較，那么就有 28=256個不同的水平組合，這里需要對256個試驗處 理進行比較，假定每個因素取三個水平的話，那么就 有38=6561個不同的試驗處理需要進行比較，再加上 重復，處理的數(shù)量就會更多，這在實際中是不可行的,1.4.1. 正交設計法簡介,幾個概念： 因素：需要考察的影響試驗膠料性能指標的因素, 如橡膠配方組分中的硫化劑、補強劑、防老劑等； 水平：每個試驗因素可能取值的狀態(tài)

15、 交互作用：各試驗因素間的相互綜合影響的作用,正交試驗設計法：利用依據(jù)數(shù)學原理制作好的一種規(guī)格化表-正交表來設計實驗及分析實驗結(jié)果的方法。 正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，具備了“均勻分散，整齊可比”的特點,舉例：吸水膨脹橡膠的研究。 試驗目的：研究白炭黑、吸水樹脂、交聯(lián)劑硫黃的用量對吸水橡膠吸水性能和膠料性能的影響,A因素是白炭黑用量，設A1、A2、A3 3個水平；B因素是吸水樹脂用量，設B1、B2、B3 3個水平；C因素為硫黃用量，設C1、C2、C3 3個水平。這是一個3因素3水平的試驗，各因素的水平之間全部可能組合有27

16、種,全面實驗法 實驗安排見下表，其實驗點分布見圖2,圖2 全面實驗法的實驗點分布,共有3=27次實驗，即立方體上的27個節(jié)點,全面試驗：可以分析各因素的效應 ，交互作用，也可選出最優(yōu)水平組合。但全面試驗包含的水平組合數(shù)較多，工作量大 ，在有些情況下無法完成 。 若試驗的主要目的是尋求最優(yōu)水平組合，則 可利用正交表來設計安排試驗,正交設計就是從全面試驗點（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗點（水平組合）來進行試驗,利用正交表L9(34)從27個試驗點中挑選出來的9個試驗點。即： (1)A1B1C1 (2)A2B1C2 (3)A3B1C3 (4)A1B2C2 (5)A2B2C3 (6)A3B2C

17、1 (7)A1B3C3 (8)A2B3C1 (9)A3B3C2 保證了A因素的每個水平與B因素、C因素的各個水平在試驗中各搭配一次 。對于A、B、C 3個因素來說，是在27個全面試驗點中選擇9個試驗點 ，僅 是全面試驗的 三分之一,圖1 正交表安排實驗時實驗點分布,L9(34) 正交表安排實驗，只需作9次,從圖中可以看到 ，9個試驗點在選優(yōu)區(qū)中分布是均衡的，在立方體的每個平面上 ，都恰是3個試驗點；在立方體的每條線上也恰有一個試驗點。 9個試驗點均衡地分布于整個立方體內(nèi) ，有很強的代表性,運用正交試驗設計法可以較好的解決在多因素試驗中的幾個比較典型的問題： 對性能指標的影響，哪個因素重要，哪個

18、因素不重要 每個因素中以哪個水平為好？ 各因素以哪種水平搭配起來對性能指標較好,正交實驗法的優(yōu)點有： 實驗點代表性強，實驗次數(shù)少； (2) 不需做重復實驗，就可以估計實驗誤差； (3) 可以分清因素的主次； (4) 可以使用數(shù)理統(tǒng)計的方法處理實驗結(jié)果,2. 正交表的表示,正交表是試驗設計法中合理安排試驗并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的主要工具。常用的正交表有： L4（23），L8（27），L12（211），L16（215）， L20（219），L32（231），L8（423）， L16（4229），L16（4326），L16（4423），L9（34），L27（313），L16（45），L25（56） 正

19、交表的符號以L4（23）為例，說明如下： L表示正交試驗表； 4代表試驗次數(shù)； 2標準正交表上可安排的因素水平數(shù)； 3代表列數(shù)(試驗的因素數(shù),表1-8 L4（23）正交表,上述L4（23）正交表，表示該正交表做4次試驗；因素可安排的水平數(shù)為2；表中有三列可供安排因素和誤差,3. 正交表的性質(zhì),1）每一列中代表不同水平的數(shù)字出現(xiàn)次數(shù)相等,例如, L8(27)中不同數(shù)字只有1和2，它們各出現(xiàn)4次；L9(34)中不同數(shù)字有1、2和3，它們各出現(xiàn)3次,2）任意兩列中同一橫行的數(shù)字序數(shù)對出現(xiàn)次數(shù)相等。 例如, L8(27)中(1, 1), (1, 2), (2, 1), (2, 2)各出現(xiàn)兩次；L9(3

20、4) 中 (1, 1), (1, 2), (1, 3), (2, 1), (2, 2), (2, 3), (3, 1), (3, 2), (3, 3)各出現(xiàn)1次。即每個因素的一個水平與另一因素的各個水平互碰次數(shù)相等，表明任意兩列各個數(shù)字之間的搭配是均勻的。從而說明實驗點在實驗范圍內(nèi)排列規(guī)律整齊，分布均勻,1.4.2 正交試驗設計步驟： （1）確定因素(主要因素)、水平(要拉開)、交互作用; 在配方設計前，應先有些小型的探索性實驗基礎(chǔ)，以便決定正式實驗的價值和可行性。要選擇好起主要作用的因素。合理選擇水平，使兩水平的距離要適當拉開。最后還要注意各因素間的交互作用等,2）選擇合適的正交表（列數(shù)大于

21、等于因素數(shù)） 對m個因素2水平試驗設計，一般選用L4（23）、 L8（27）、L16（215,對 m個因素3水平試驗設計,選用L9（34）、L27（313,對 m個因素4水平試驗設計,選用L16（45）； 對 m個因素5水平試驗設計,選用L25（56,3）表頭設計（最難、最重要） 所謂表頭設計，就是把試驗因素和要考察的交互作用分別安排到正交表的各列中去的過程。 在不考察交互作用時，各因素可隨機安排在各列上；若考察交互作用，就應按所選正交表的交互作用列表安排各因素與交互作用，以防止設計“混雜,在可能的情況下，選擇較小的正交表為好，這樣可減少實驗次數(shù)。如對3水平多因素實驗設計，一般可采用L9(34

22、)/ L18(313)選擇前者,一般表頭設計可按以下步驟進行： 首先考慮有交互作用和可能有交互作用的因素，按不可混雜的原則和正交法安排原則，將這些因素和交互作用分別在表頭上。 余下那些估計可以忽略交互作用的因素，任意安排在剩下的各列上 例如，有配方因素A、B、C、D，每個因素各有2個水平，需要考察交互作用有AB， AC， BC。首先把最重要的配方因素A和B放入第l、2列；由L8（27）的交互作用表查得AB占第3列；接著把有交互作用的因素C放在第4列；而AC由L8（27）交互作用表查得應占第5列。BC占第6列，第7列放因素D,交互作用表的查法,表中所有的數(shù)字都是列號。（ ）分別代表的是因素所在的

23、列號，其余為交互作用的列號,第1列的因素與第4列的因素的交互作用列在第5列,表1-10 L8（27）交互作用表,把正交表中安排各因素的列（不包含欲考察的交互作用列）中的每個水平數(shù)字換成該因素的實際水平值，便形成了正交試驗方案,說明：試驗號并非試驗順序，為了排除誤差干擾，試驗中可隨機進行； 安排試驗方案時，部分因素的水平可采用隨機安排,結(jié)果分析,方法,直觀分析法（計算平均值及極差畫圖,方差分析法（計算偏差平方和自由度，查表,直觀分析法： 計算出各因素不同水平時數(shù)據(jù)的平均值，并計算最大 平均值與最小平均值的差值（極差），比較不同因素、 不同水平數(shù)據(jù)平均值的大小，選出影響較大的因素和對 性能指標最有

24、利的水平。極差大的因素影響大。 或繪制直觀分析圖（因素和不同水平指標平均值的關(guān) 系圖）。各點高低相差（極差）大，此因素重要,舉例,研究硫化體系、補強體系、酚醛樹脂對膠料硬度的影 響。需要考察的因素和水平如表2所示，正交表及試驗結(jié)果 如表3所示。請分析哪個因子對硬度影響顯著，各因素之間 如何搭配膠料的硬度高。（不考慮交互作用,試驗因素及水平,試驗安排及結(jié)果,解：計算各因素不同水平結(jié)果的平均值 A因素：A1：（67+74+78）/3=73 極差：75-73=2 A2：（72+81+69）/3=74 A3：（80+70+75）/3=75 B因素：B1：（67+72+80）/3=73 極差：75-73

25、=2 B2：（74+81+70）/3=75 B3：（78+69+75）/3=74 C因素：C1：（67+69+70）/3=68.7 極差：79.7-68.7=11 C2：（74+72+75）/3=73.7 C3：（78+81+80）/3=79.7,由于C因素極差大，即酚醛樹脂對膠料硬度影響最大； 制備高硬度膠料最佳搭配為A3B2C3，即硫化體系采用硫 黃2.5，促CZ1.0，促TMTD0.5；補強體系采用N234與 N660并用；205樹脂7，DCP0.7的配合膠料硬度高,舉例1,研究某一橡膠制品膠料的配方，其主要的性能要求為 伸長率、永久變形和耐屈撓性。選定四個因素，每個 因素選四個水平，各

26、因素的水平如下表所示。 表1-15 因素及水平設計表,選擇正交表并安排表頭 如不考慮交互作用，四個因素全考慮四個水平，選用 L16（45），四個因素放在表的任四列，表頭設計見下 表,2）試驗 正交表選定后，按表內(nèi)規(guī)定分組進行試驗 表1-18 因素及水平安排表,表 1-19 試驗安排及實驗結(jié)果表,3）正交表的直觀分析 試驗結(jié)果有很多分析方法，直觀分析是其中比較簡單的方法 表1-20 直觀分析表,從表1-20和圖1-2可以得出以下結(jié)論： （1）各因素對每個性能指標影響的大小順序 伸長率：A B C D 永久變形：C A B D 屈撓：A B D C （2）各因素各水平對性能指標的影響 從直觀分析圖

27、中可以看出，各水平對性能的影響 （3）每個因素選最佳水平 對伸長率的影響的主要因素為A因素，A因素的各 水平中以A3為最好；其次是B因素，以B1最好； 再次是C因素，以C4最好；影響最小的為D因素， 以D4最好，因而最佳（伸長率）的配合為 A1B1C4D4,多項性能綜合考慮是先從處于主要矛盾地位的 性能指標進行。 綜合三個性能指標A取A1，B取B1，C在變形 指標中居主要地位，在其余指標中居次要地位，故 C由變形指標來定，C取C1;D在伸長率、變形中是 最次要因素，故可由屈撓指標來定D，D取D3或D4。綜合考慮，最佳配方組合為A1B1C1D3或A1B1C1D4,1.5 橡膠配方的成本計算,1、

28、含膠率的計算,含膠率=100（生膠質(zhì)量份）/膠料總質(zhì)量份100,2、密度的計算,mi/(mi/i,3、單位質(zhì)量膠料成本的計算,Pm=(mipi)/mi= (mi%pi) mi%各組分質(zhì)量百分數(shù)； pi各組分的單價，元/kg,4、單位體積膠料成本的計算,Pv= (mipi)/(mi/i,5、單位產(chǎn)品膠料成本計算,P=VPv=mPm=VPm,成本計算舉例,配方及各組分價格、密度如表所示。用配方1制作的制品的質(zhì)量為1.2kg。若產(chǎn)品按件計價，價格為21.6元/件。配方1硫化時間為4min，配方2硫化時間為5min。假定煉膠成本1.2元/kg，硫化成本10元/h。請計算配方1、2的經(jīng)濟效益,解：配方1

29、的密度： 1=mi/Vi=164.5/143.42=1.147(g/cm3) 配方1單位質(zhì)量成本: Pm=(Pimi)/ mi=2359.2/164.5=14.342（元/kg） 配方1單位體積成本： Pv1=Pm =14.342 1.147=16.450（元/L） 配方1制作制品的體積： V1=m/ =1200/1.147=1046.2（cm3） 制品膠料成本： P膠1=Pv1V1=16.4501.0462=17.21（元） 配方1的煉膠成本：P煉膠1=1.21.2=1.44（元） 配方1硫化成本：P硫化1=（4/60）10=0.67（元） 總成本：P總1= P膠1+ P煉膠1+ P硫化1=19.32（元） 每件制品的利潤：R1=P