橡膠和纖維的成型加工

1、橡膠和纖維的成型加工1. 引言 定義: 橡膠：本意是從橡膠樹中流出的膠乳中提取的彈性物質(zhì)，經(jīng)過硫化后產(chǎn)品。 高彈態(tài)是高聚物特有的基于分子運動的一種力學(xué)狀態(tài)。室溫下處在高彈態(tài)的高分子材料能產(chǎn)生高彈性變形。 但只有具有適當(dāng)交聯(lián)密度的高聚物，才能獲得基本可恢復(fù)的高彈變形。 通常，把具有物理交聯(lián)點的高彈性材料稱為熱塑性彈性體，而把具有化學(xué)交聯(lián)點的高彈性材料稱為橡膠。1. 引言 定義: 纖維：是一種天然的或人造的物品,其長度通常比寬度大幾百倍或幾千倍,具有相當(dāng)大的拉伸強度、柔韌性和耐力。 聚合物纖維，也稱合成纖維，是由聚合物材料制成的纖維。幾乎所有聚合物材料都可以制成細長的物體，但要滿足“相當(dāng)大的拉伸強

2、度”，應(yīng)該使分子在長度方向保持高度取向。即只有能夠保持高度分子取向的聚合物才能制成纖維。2. 橡膠的成型工藝過程 橡膠的成型的主要工藝過程包括： 煉膠，包括塑（素）煉和混煉 成型 硫化（交聯(lián)）生膠塑煉塑煉膠混煉膠硫化膠(制品)混煉硫化助劑：補強、填充劑，軟化(增塑)劑，硫化劑，促進劑，防老劑等2. 橡膠的成型工藝過程 2.1 煉膠煉膠 2.1.1 塑煉塑煉：天然橡膠的生膠分子量很大，不容易產(chǎn)生塑性變形，不便于與其他材料混合。塑煉的目的是使其降解，分子量變小。力、氧、熱、引發(fā)劑等化學(xué)助劑是造成聚合物降解的主要原因。 力（即機械）降解時，分子量越大的越容易斷鏈，而且斷鏈多發(fā)生在分子中間，結(jié)果使分子

3、量分布變窄。但分子量的降低存在極限，對天然膠，分子量在小于7萬時不再變小。順丁橡膠為4萬。溫度越低，越有利于機械斷鏈。 氧降解，作用于所有分子，高溫有利于氧降解的進行。溫度對塑煉效果的影響門尼粘度：（GB/T 1232.1 -2000）在規(guī)定的試驗條件下（100士0.5C），使轉(zhuǎn)子在充滿橡膠的模腔中轉(zhuǎn)動（4min ），測定橡膠對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時所施加的轉(zhuǎn)矩，并將規(guī)定的轉(zhuǎn)矩作為門尼粘度的計量單位。因此，塑煉往往采用低溫（冷卻輥筒）或高溫，而不太采用中等溫度。塑煉所要達到的效果還是與后續(xù)工藝要求有關(guān)，即合適的可塑程度，又不容易粘輥。過分塑煉導(dǎo)致分子量太低，也不利于最終制品的力學(xué)性能。 天然膠初始門尼粘度

4、一般95120門尼粘度計結(jié)構(gòu)示意圖模腔結(jié)構(gòu)塑煉工藝 開煉機塑煉： 屬低溫塑煉，小輥隙（因而稱為薄通），低輥溫，大輥筒速比（1：1.25到1：1.27） 密煉機塑煉： 屬高溫塑煉，溫度在120以上。天然膠一般在155 ，有的甚至高到160180 。 螺桿機塑煉： 中高溫塑煉，料筒溫度在95110 。機頭溫度8090 。各種橡膠開煉機塑煉溫度每次薄通以后，讓膠片通過長長的運輸帶冷卻以后再通過輥筒，也是保持低溫的一種辦法。 天然橡膠與合成橡膠塑煉特性比較項目天然橡膠 合成橡膠*塑煉難易*易難生熱小大增塑劑（促進降解助劑）有效效果低復(fù)原性小大收縮性小大粘著性大小*天然橡膠分子鏈易于斷裂，而且斷裂后生成

5、的自由基更穩(wěn)定，不易發(fā)生支化和交聯(lián)反應(yīng)。*如今，大多數(shù)合成橡膠在合成時通過控制分子量具有可塑性，可以不經(jīng)過塑煉工序。2. 橡膠的成型工藝過程 2.1 煉膠 2.1.2混煉： 混煉的目的是將橡膠與各種配合劑（助劑）混合均勻。 混煉所使用的設(shè)備與塑煉相同。 混煉可以緊接著塑煉進行。如果是密煉，也可以把塑煉和混煉合并進行（稱為一段混煉）；當(dāng)配方中有大量難以分散的粉料時，還是塑煉、混煉分開（稱為二段混煉）更好。 混煉溫度：與塑煉溫度相似，需要選擇能很好包輥又便于剝離的合適溫度橡膠包輥狀況與混煉天然橡膠和丁苯橡膠僅出現(xiàn)1區(qū)和2區(qū)，基本不出現(xiàn)3區(qū)；順丁橡膠低溫下出現(xiàn)1區(qū)和2區(qū)， 50以上即進入3區(qū)，即使減

6、小輥距（增大剪切速率）也回不到2區(qū)；2區(qū)到3區(qū)的轉(zhuǎn)變是生膠在剪切作用下的斷裂過程的表現(xiàn)，與可拉伸倍數(shù)有關(guān)，溫度提高，生膠的可拉伸倍數(shù)下降，進入易斷裂的3區(qū)。分子量分布寬的橡膠，容易進入4區(qū)，3區(qū)范圍小。生膠的斷裂性能與混煉加工性能bbcbUU實際生膠的斷裂能密度理想生膠的斷裂能密度生膠拉伸前的長度度生膠被拉至斷裂點的長d0bll支化、M分布窄分布寬2.2 橡膠的成型 成型的原理：獲得塑性變形 經(jīng)過塑煉的橡膠，具有一定的可塑性，可以通過塑性變形的方法進行成型。理論上，溫度越高，橡膠（聚合物）變形時塑性成分越大，變形越容易。理論上，可以在粘流溫度以上采用任何成型方法成型橡膠制品。 成型溫度不宜過高

7、，要防止在這個階段發(fā)生硫化（交聯(lián)）。 橡膠的成型有時候分兩步，第一步獲得膠片，第二步通過模型硫化完成最終成型最終成型和硫化的工作。2.2 橡膠的成型 最常用的成型半成品方法是： 壓延：可以制備光滑片材、有花紋片材、與織物復(fù)合的片材。 壓出（擠出）：可以成型管、棒、板、片等各種形狀制品壓延和壓出的半成品可以直接進行硫化，也可以通過進一步的操作和粘貼、壓合制成其他半成品橡膠制品工藝流程2.2 橡膠的成型 成型溫度范圍： 如果成型與硫化是分開的，則成型溫度比較低，例如壓延溫度： 如果成型與硫化是合并進行，例如模壓和注壓，則模具溫度較高膠片種類輥筒溫度/上中下外胎緩沖膠片707520含膠85%工業(yè)品

8、757215含膠25%工業(yè)品 454515含膠75%球膽959015含膠50%球膽757515天然橡膠壓片溫度合成橡膠的壓片溫度膠料輥筒溫度/上中下氯丁橡膠9010060653040丁腈橡膠607535505060丁基橡膠951007080801052.3 橡膠的硫化原理：原理：硫化是橡膠加工的最后一個工序，實際上就是使聚合物分子交聯(lián)成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著硫化時間延長（交聯(lián)程度）提高，橡膠的定伸強度提高。達到獲得最佳性能的交聯(lián)程度就是硫化的目標(biāo)。過硫階段的平坦期長短反映了橡膠的耐熱性。返原性多由于形成過多多硫鍵，鍵能較低，因而發(fā)生降解而降低強度。2.3.1 硫化工藝方法 熱硫化 直接硫化： 直

9、接蒸汽硫化罐 熱水硫化 間接硫化：制品不直接接觸蒸汽 加壓硫化： 平板硫化 液壓立式硫化罐 個體硫化機硫化 連續(xù)硫化法：熱空氣、蒸汽管道、鼓室硫化機、液體介質(zhì)、沸騰床、高頻或微波。液體介質(zhì)連續(xù)硫化工藝示意圖液體介質(zhì)都采用低熔點共熔鹽，所以也稱鹽浴硫化。例如硝酸鉀53%+亞硝酸鈉40%+硝酸鈉7%組成的混合物，熔點142，沸點500。壓出制品在230 時1min就可以完成硫化。2.3.1 硫化工藝方法 冷硫化：在室溫下硫化的主要是膠粘劑、自然硫化膠漿等，主要用于薄制品和現(xiàn)場施工的場合。 室溫硫化橡膠通常做成雙組分 有些硅膠是單組分的，通過空氣中的濕氣來固化。2.3.2 硫化條件（熱硫化） 硫化溫

10、度：一般在130160之間，天然橡膠硫化較快，取較低溫度，合成橡膠硫化較慢，取較高溫度。厚制品也取較低溫度。 硫化時間：保證制品各部位都達到正硫化（各項性能都獲得最佳范圍），避免過硫化。 硫化壓力：指硫化時橡膠制品單位面積上所受的壓力。其作用在于使制品致密、使膠料充滿模型、滲入纖維中。硫化時間對性能的影響模型或平板加壓的壓力MPa汽車外胎（水胎加壓）2.52.8一般軟質(zhì)膠模型制品1.52.0輸送帶1.52.0傳動帶0.91.6硫化介質(zhì)直接加壓時的工作壓力汽車內(nèi)胎，蒸汽內(nèi)壓硫化0.50.6膠管纏水布、包鉛，蒸汽內(nèi)壓硫化0.30.5膠鞋、球膽、小膠管，直接蒸汽硫化0.20.4薄膠布、薄膠片，直接蒸

11、汽硫化0.10.3厚度0.5 mm以內(nèi)的膠料，熱水熱空氣常壓薄制品紅外線硫化常壓3. 纖維的成型工藝過程3.1 纖維用聚合物的性能3.2 纖維成型方法和原理3.3 纖維的后拉伸和熱處理3. 纖維的成型工藝過程3.1 纖維用聚合物的性能 線形高分子，分子量分布較窄，分子量較高。 玻璃化溫度高于使用溫度或可以結(jié)晶，熔融（粘流溫度）大大高于洗滌和熨燙溫度（100）。 好的著色性、對水等化學(xué)物質(zhì)的穩(wěn)定性等。纖維細度（線密度）的單位：特克斯（Tex） ：簡稱“特”，它是指1000米長的（單股）纖維或紗線在公定回潮率時的重量克數(shù)。有特（Tex）、分特（dtex）、毫特（mtex）。 但尼爾（Denier）

12、：簡稱旦，是指9000米長的（單股）纖維或紗線的重量克數(shù)。支數(shù)：1g單股絲的長度（m）。某些纖維聚合物的溫度特性/聚合物玻璃化溫度熔化溫度分解溫度聚丙烯腈75100200250聚乙烯醇7590200220聚己內(nèi)酰胺4060215300315PA664565264聚氨基庚酸4053223225聚己酸癸二胺3560226聚氨基十一酸4656185194聚氨酯180183PET60100263300350纖維素2202701802203. 纖維的成型工藝過程3.2 纖維成型方法和原理3.2.1 熔融紡絲法(熔法紡絲)3.2.2 溶液紡絲法：又分為干法紡絲和濕法紡絲3.2.3 其他紡絲方法干濕紡絲法液

13、晶紡絲法凍膠紡絲法相分離紡絲法乳液或懸浮液紡絲法反應(yīng)紡絲法3. 纖維的成型工藝過程3.2 纖維成型方法和原理3.2.1 熔法紡絲熔體通過紡絲泵打入噴絲頭，在一定的壓力下，熔體通過噴絲頭的小孔流出，形成細流。細流在紡絲通道中冷卻成為初生纖維。紡絲速度受冷卻速度限制。一般10001500 m/min，高的可達40005000 m/min。熔法紡絲的纖維細度為0.220特。3. 纖維的成型工藝過程3.2 纖維成型方法和原理3.2.1 熔法紡絲熔法紡絲若生產(chǎn)比較粗的單絲時，為了強化冷卻，可以采用冷卻?。ㄋ』蛉芤涸。?。可用于聚烯烴、聚酰胺、聚酯、聚氯乙烯等。但生產(chǎn)速度仍然不快，約30 m/min。3.

14、 纖維的成型工藝過程3.2.2 溶液紡絲法3.2.2.1 干法紡絲 聚合物溶液用紡絲泵喂料，從噴絲孔流出的溶液細流在成型通道里蒸發(fā)溶劑，成為固體。由于受溶劑蒸發(fā)速度的限制，紡絲速度一般在100500 m/min。 干法紡絲的纖維細度1020特。 主要纖維有醋酸纖維、聚乙烯醇、過氯乙烯等3. 纖維的成型工藝過程3.2.2 溶液紡絲法3.2.2.2 濕法紡絲 溶液用紡絲泵喂料，經(jīng)過濾后通入浸在凝固浴中的噴絲頭中。從噴絲頭出來的液體細流與凝固劑產(chǎn)生傳質(zhì)過程，最初 轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，然后轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w纖維。 由于傳質(zhì)過程不快，紡絲速度較慢，一般不高于20 m/min。絲線的細度最小約為0.1特，最大約為12特。

15、其他濕法紡絲示意圖3. 纖維的成型工藝過程3.2.2 溶液紡絲法3.2.2.2 濕法紡絲用濕法成型的纖維品種主要有：聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯醇、粘膠纖維等紡絲的細流的形成過程3. 纖維的成型工藝過程3.2.3 其他紡絲方法干濕紡絲法液晶紡絲法凍膠紡絲法相分離紡絲法乳液或懸浮液紡絲法反應(yīng)紡絲法：聚氨酯彈性纖維（氨綸），將預(yù)聚物噴入含有硬化劑的溶液中，與其中的水和二元胺反應(yīng)，形成部分交聯(lián)的高分子3. 纖維的成型工藝過程3.3 纖維的后拉伸和熱處理 初生纖維的分子取向度還不夠高，需要通過拉伸來進一步提高取向度，從而提高纖維的強度。 拉伸后高度取向的纖維內(nèi)應(yīng)力比較大，需要通過熱處理消除內(nèi)應(yīng)力，提高纖

16、維使用過程的穩(wěn)定性。多孔纖維 多孔纖維最早出現(xiàn)在1965年美國杜邦公司的防污尼龍制造工業(yè)中。它利用纖維內(nèi)的孔隙隱藏污垢，并利用光線反射原理給人們留下了中空纖維具有耐污性能的印象。1968年日本東洋紡公司首先發(fā)明了滌綸中空纖維，主要用于絮棉，商品名為埃斯阿波。此后，杜邦、Eastman公司先后推出了中空卷曲纖維，這種纖維具有優(yōu)良的蓬松性、質(zhì)地輕、回彈性好，可用于地毯、毛絨織物等，特別適合于制作絮棉。王依民，倪建華，潘湘慶.多孔高彈性纖維的研究和應(yīng)用. 中國石油和化工分析報告2002730多孔纖維 七十年代初， 日本尤尼吉卡公司發(fā)明了偏心中空的三維卷曲纖維，JP79112242介紹了制備四中空纖維

17、的方法，但形成的中空趨向長方形，且四孔彼此連接，引起中空纖維的蓬松性和剛彈性變差。杜邦公司則于94年申請了七中空纖維專利。 如果在聚合物中加入具有防紫外功能的微粒，再在以后進行堿減量加工，可成為表面多孔結(jié)構(gòu)的吸汗、防紫外功能的纖維?？椢锉砻婵晌?5的400nm紫外線，還有涼爽吸汗功能。王依民，倪建華，潘湘慶.多孔高彈性纖維的研究和應(yīng)用. 中國石油和化工分析報告2002730多孔纖維我國最早由中國紡織火學(xué)和張家港第二合成纖維廠完成滌綸單中空纖維的研究，于1981年通過紡織部主持的鑒定。江蘇省紡研所與江陰化纖廠合作于83年試制U形PET中空短纖，1986年達100噸年生成能力；1987年一198

18、8年，鎮(zhèn)江、佛山化纖廠也先后紡制成功三維卷曲中空滌綸短纖。1989年9月，儀征化纖公司從L|本東洋紡引進4000噸年規(guī)模的中空滌綸短纖生產(chǎn)裝置。1990年4月首次試生產(chǎn)出三維卷曲滌綸中空短纖維：同年，上海第十三化纖廠也生產(chǎn)出滌綸中空短纖維。北京化纖廠和上海金山石化于1991年開發(fā)了三維卷曲滌綸但產(chǎn)品只有單孔中空和四孔纖維。繼四孔纖維后，中國紡織大學(xué)還與儀征化纖聯(lián)合丌發(fā)成功七孔纖維。王依民，倪建華，潘湘慶.多孔高彈性纖維的研究和應(yīng)用. 中國石油和化工分析報告2002730多孔纖維的制造(一)孔型設(shè)計紡制多孔纖維的關(guān)鍵之一是噴絲孔形的設(shè)計。巧妙地利用BARNS效應(yīng)，即有粘彈性的熔體在離開噴絲孔時由于入口記憶效應(yīng)，在徑向發(fā)生脹大而相互粘連成孔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴絲孔狹縫間隙0.10.14為最佳。(二)絲熔體溫度的影響研究發(fā)現(xiàn)，隨熔體溫度的下降，中空度增大，但若溫度太低，孔口膨化加劇，紡絲將無法繼續(xù)，一般控制在275282為好。王依民，倪建華，潘湘慶.多孔高彈性纖維