第七章 橡膠配方設計

第七章橡膠配方設計第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日2第一節(jié)概述一、橡膠配方設計內容1、確定制品硫化膠的性能指標及范圍；2、確定配方的組成及用量；3、確定加工工藝條件及范圍。二、橡膠配方分類與表示1、分類

基礎配方（標準配方）：生膠或配合劑鑒定（各膠的基礎配方；

性能配方（技術配方）：為達到某種性能而進行的配方設計，產品研發(fā)時所做的試驗配方即為性能配方；

實用配方（生產配方）：實際生產時所采用的配方。第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日32、表示方法（1）基本配方：以質量份表示的配方，以生膠的質量為100份，其他配合劑用量都以相應的質量份表示的配方；（2）質量分數配方：以質量分數表示的配方，以膠料的總質量為100％，生膠和配合劑都以質量分數表示的配方；（3）體積分數配方：以膠料的總體積為100％，生膠和配合劑都以相應的體積分數表示的配方；（4）生產配方：符合生產要求的質量配方，配方總質量等于煉膠機的實際容量。三、橡膠配方設計的原則1、適應性原則：適應性能要求、適應加工要求；2、經濟原則：在不降低產品質量的情況下盡可能降成本；3、環(huán)保安全原則：配合劑要求無毒、無污染；4、穩(wěn)定原則：原材料質量可靠穩(wěn)定，來源穩(wěn)定，性能穩(wěn)定5、簡化原則：配方盡可能簡單。6、協(xié)同原則：配合劑之間不能相互抵消，要相互促進。第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日4四、橡膠配方的設計程序1、基本配方設計（1）生膠的選擇：根據制品的主要性能要求、工藝、使用條件和成本選取（2）硫化體系確定：根據膠種、膠料性能、工藝方法及要求（如焦燒時間、正硫化時間）確定，重點選取硫化劑和促進劑（3）補強填充體系確定：根據制品顏色、膠料性能、工藝要求、成本等確定（4）防護體系確定：根據制品顏色、使用條件來確定（5）增塑體系確定：根據膠種、性能要求、工藝要求、成本等確定（6）操作助劑選取：根據實際需要確定（7）特種配合體系：根據實際需要確定第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日52、實用配方的設計程序（1）調查研究階段調查產品的使用條件、使用壽命等技術要求，了解生產設備和工藝方法，查找文獻資料，收集同類或相近產品的配方、工藝條件等；（2）制定試驗計劃階段根據性能和工藝要求及文獻資料，提出產品的物理性能、使用性能、和工藝性能的指標范圍，確定關鍵指標，根據經驗和參考資料提出試驗配方及變量范圍，確定合適的試驗設計方法；（3）實驗室試驗階段在實驗室中，按計劃進行試驗，優(yōu)選配方進行擴試；（4）擴試階段在生產或擴試條件下進行擴試，制備膠料進行工藝性能和物理性能試驗，調整工藝條件和配方至滿足要求；（5）產品試制階段按照規(guī)定的標準和技術條件，試制產品，測試性能和使用性能。第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日6五、橡膠配方性能的檢測1、未硫化膠的加工性能檢測（1）可塑度的檢測：威氏塑性計、華氏塑性計、德弗塑性計（2）門尼粘度的檢測：門尼粘度計（100℃下預熱1min，旋轉4min）（3）門尼焦燒的檢測：門尼粘度計（120℃下t5）（4）硫化特性的檢測：硫化儀（5）口型膨脹率的測定：毛細管流變儀（6）配合劑分散性測定：ASTMA法、B法、分散度儀、間接法（7）應力松弛：應力松弛試驗機（8）綜合加工性能測定：Brabender塑性儀、橡膠加工分析儀第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日72、硫化膠性能測試（1）力學性能測試：拉伸、撕裂、伸長率、定伸、永久變形用拉力機；硬度用硬度計、壓縮變形（恒定形變壓縮永久變形、靜壓縮永久變形）；磨耗性能用阿克隆磨耗試驗機或DIN磨耗試驗機；疲勞破壞性能（有拉伸疲勞和壓縮疲勞、屈撓龜裂等）用屈撓疲勞試驗機；（2）粘彈性測試：回彈性用沖擊彈性試驗機；蠕變用蠕變試驗儀（壓縮型、拉伸型、剪切型）；應力松弛用應力松弛儀（拉伸、壓縮）；有效彈性和滯后損失用拉力機；動態(tài)粘彈性用動態(tài)模量儀、動態(tài)粘彈譜儀；（3）老化性能測試：熱空氣老化、臭氧老化、自然老化、人工天候老化、濕熱老化、光臭氧老化、耐黃變試驗等，用各種老化箱；（4）低溫性能測試：脆性溫度、耐寒系數、吉門扭轉、玻璃化溫度、溫度－回縮試驗等；（5）熱性能測試：導熱率、比熱容、線膨脹系數、分解分度、馬丁耐熱性、維卡耐熱性等；（6）耐介質性、阻燃性、電性能、擴散和滲透性、粘接性能測試等。第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日8第二節(jié)橡膠配方設計與硫化膠性能的關系一、拉伸強度設計要點：

（1）選用自補強性橡膠或結晶性、極性生膠；分子量要大，低分子少；（2）選用CV(普通硫化體系)體系，促進劑采用M（噻唑類）/D(胍類)并用，適當提高硫黃用量；（3）選用粒徑小、表面活性大的炭黑，用量40～60份，或白炭黑與Si-69并用；（4）選用與橡膠相容性好的增塑劑，用量在5份以內；（5）其他方法：橡膠與樹脂并用、橡膠化學改性、填料表面改性等。第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日9二、定伸應力和硬度設計要點：（1）選用分子量大、分布窄，且能結晶或帶極性基團的橡膠；（2）提高交聯(lián)密度，增大硫黃和促進劑用量；（3）選用粒徑小、結構性高、表面活性大的炭黑，且增大用量；（4）盡可能少用或不用增塑劑；（5）其他方法：使用酚醛樹脂/硬化劑；使用苯甲酸；使用模量增強劑；使用短纖維；使用齊聚酯/過氧化物；使用液體橡膠/引發(fā)劑使用不飽和羧酸鹽等。第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日10三、撕裂強度設計要點：（1）選用分子量大、常溫下能結晶或滯后損失大的膠種；（2）采用CV硫化體系，硫黃用量2～3份，促進劑選用中等活性、平坦性好的品種，如DM(噻唑類）、CZ（次磺酰胺類）；（3）選用粒徑小、結構性低的炭黑，選用各項同性的填料；（4）少用增塑劑；（5）其他方法：使用5份以內的短纖維；使用分散劑，提高配合劑分散性；第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日11四、耐磨性設計要點：（1）選用彈性好或強度高或有共軛結構的生膠，如BR、NR、SBR、PU、IR、NBR、EPDM等；（2）選用硫黃/促進劑CZ（次磺酰胺類）或硫黃/促進劑CZ（主）/TMTD（秋蘭姆類）硫化體系，NR為主的膠料，硫黃用量1.8~2.5份；以BR為主膠料，硫黃用量1.5～1.8份；（3）選用粒徑小、表面活性大的炭黑，或新工藝炭黑，或白炭黑與偶聯(lián)劑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）少用增塑劑；（5）其他方法：貼聚氨酯使用短纖維并合理取向使用分散劑，提高炭黑分散性第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日12五、彈性設計要點：（1）選用分子量大，常溫下不能結晶，分子鏈柔順的生膠，如BR、NR、EPDM等；（2）選用硫黃/次磺酰胺（S/CZ=2.0/1.5）或硫黃/胍類（S/DOTG=4/1）并保持合適的交聯(lián)密度；（3）減少炭黑的用量，選用粒徑大、結構性低、表面活性低的炭黑；（4）少用或不用增塑劑；第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日13六、耐疲勞破壞性設計要點：（1）低應變下（＜120％）選擇Tg較高的生膠；高應變下（＞120％）選擇具有自補強性的生膠；橡膠并用可提高耐疲勞破壞性。（2）選用CV體系，對定負荷的疲勞條件，要加大硫黃的用量，提高交聯(lián)密度；對定變形的疲勞條件，要減少硫黃的用量，減小交聯(lián)密度；（3）選用粒徑小、結構度高、表面活性大的炭黑，在定負荷下，應增加炭黑的用量，在定變形下，應減少炭黑的用量；要少用惰性填料。（4）選用稀釋作用小的粘稠性大的增塑劑，用量要小。第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日14七、拉斷伸長率設計要點：（1）選用分子鏈柔順、強度高的生膠（如NR）或容易產生塑性流動的生膠（如IIR）；（2）選用CV體系，硫黃和促進劑的用量要適當降低；（3）選用粒子大、結構度低的炭黑，炭黑的用量要小，含膠率要高；（4）增加增塑劑的用量。第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日15第三節(jié)配方設計與膠料工藝性能的關系一、膠料的粘度膠料的粘度影響幾乎所有的加工性能。影響膠料粘度的配方因素有：（1）膠種：分子量大、凝膠含量高、內聚能密度大的橡膠粘度高，如NR、NBR、CR等?？赏ㄟ^塑煉、充油等方法降低其粘度；（2）塑解劑：可有效地降低粘度，提高塑煉效果，縮短時間。常用塑解劑：促進劑M（噻唑類）、各種硫酚（雷納西、Renacit）等（3）填料的用量和性質：填料用量越大，膠料的粘度越高；粒徑小、結構性高、表面活性大的炭黑，膠料粘度高；（4）增塑劑：有效降低粘度，改善加工性能；影響膠料粘度的工藝因素有：溫度（高，粘度低）、剪切速率（高，粘度低）、塑煉時間（長，粘度低，后期下降趨緩）。第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日16二、擠出要求：膨脹小，收縮小，表面光滑，速度快。設計要點：（1）選用分子鏈柔順，平均分子量較小，支化度低的生膠；NR需塑煉，NBR、CR、SBR等橡膠塑煉后收縮率低；適當提高膠料可塑度，利于擠出。（2）適當增大填料的用量，降低含膠率，含膠率在30%~50%較好。（3）選用結構度高的炭黑；（4）適當增大增塑劑的用量；（5）選用焦燒時間長的促進劑；（6）配合劑的含水率和揮發(fā)份含量要低；（7）加入適量的硫化膠粉，可減小膨脹；（8）對于黏度很低的膠料，要適當提高補強劑的用量。工藝因素：擠出機機頭和口型溫度，螺桿轉速，口型與螺桿尺寸的比例；第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日17三、壓延技術要求：適宜的包輥性，良好的流動性，足夠的焦燒時間，低的收縮率，表面光滑，速度快。注意事項：（1）膠料的黏度要較低，壓片膠料門尼黏度50~60，貼膠膠料門尼40~50，擦膠門尼黏度30~40；（2）選用粒徑小，結構度高的炭黑，適當增大炭黑的用量，選用各向同性的填料；（3）適當增大增塑劑的用量；（4）選用焦燒時間長的硫化體系，120℃下焦燒時間控制在20~35min。工藝因素：輥筒溫度、轉速。第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日18四、包輥性注意事項：（1）分子量大，分布寬，有自補強性，支化少、凝膠含量低的橡膠包輥性好；（2）選用活性高、補強性好的填料；（3）硬脂酸、硬脂酸鹽、蠟類、石油基軟化劑、油膏等降低包輥性；高芳烴操作油、松焦油、古馬隆樹脂、烷基酚醛樹脂等改善包輥性；工藝因素：輥距大小，輥筒轉速及速比、輥筒溫度。第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日19五、自粘性

自粘性取決于分子鏈的活動能力及強度，活動能力強，強度高，膠料的自粘性好；極性橡膠和常溫下結晶的橡膠自粘性差；NR的自粘性最好；選用補強性好的填料，自粘性提高；加入增塑劑能降低自粘性；膠料中加入增粘劑能提高自粘性；容易噴出的配合劑如蠟、TT、S等，盡量少用第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日20六、焦燒性

取決于硫化體系中的促進劑品種和用量、加工溫度、時間和剪切速率；不同膠料門尼焦燒時間要求：

軟膠料：10~20min；大多數膠料：25~35min；高填充的硬膠料：35min以上。

NR容易焦燒，選用遲效性或臨界溫度高的促進劑，粒徑小、結構性高的堿性炭黑容易焦燒；使用白炭黑、陶土等酸性填料能抑制焦燒時間；增塑劑能延長焦燒時間，芳烴油有縮短焦燒時間的傾向；使用防焦劑，能有效延長焦燒時間。工藝因素：加工溫度和時間