橡胶加工基础-绪论

橡胶加工基础绪论一、橡胶的特性及橡胶工业的地位橡胶通常是一类分子链柔性好、内聚能密度较低的有机高分子材料。

未经加工的橡胶即生胶，其分子量一般很大，在几十万以上，甚至高达上百万，经过硫化加工后的橡胶即硫化胶则具有交联的体形网状结构。

橡胶具有低的玻璃化温度(远低于室温)，在室温上下宽阔温度范围内，表现出良好的高弹性。

所以橡胶也常被称为弹性体。

橡胶高弹性表现的程度与温度及外力的作用有关，还与橡胶的结构及分子参数有关。

生胶的分子量越大，越能表现出高弹性机制，在温度一形变曲线上有较宽的高弹区(如图1)。

有些生胶，虽具有结晶性，但由于溶点低，结晶度低，且由于分子量巨大，因此在室温上下较宽的温度范围内，能显示出突出的高弹性(如图2)。

图1分子量对温度形变曲线影响图2结晶高聚物的温度－形变曲线1－非结晶聚合物2－通常的结晶聚合物3－特高分子量结晶聚合物不过，生胶在显示出高弹性的同时，总还有较大的不可逆的塑性形变。

长时间力的作用会出现明显的塑性流动，甚至有的贮存过程中于自重作用下会发生“冷流”。

因此，使用状态的橡胶制品，不应是生胶状态，而应是硫化了的橡胶。

硫化胶由于存在在网络，限制了塑性流动，受外力作用时，塑性形变很小，充分显示出高弹性，温度－形变曲线上不再有粘性流动区(如图3)。

图3交联对温度－形变曲线的影响1－线型低聚物2－线型高聚物（如生胶）3－交联型聚合物（如硫化胶）橡胶的高弹性使其获得了广泛的应用，并且任何其它材料难以取代。

此外，橡胶优异的耐疲劳特性、阻尼特性、高的耐水性、不透气性、对腐蚀介质的稳定笥、优良的电绝缘性和耐低瘟性，更扩大了橡胶的应用范围，成为重要的工业材料，广泛用于轮胎、胶管、胶带、胶鞋、工业制品(如减震制品、密封制品、化工防腐材料、绝缘材料、胶辊、胶布及其制品等)以及电线电缆的制造。

从日常生活到工农业各个部门，交通运输、能源建设、医疗卫生、文化体育等都需要大量的橡胶制品。

在现代科学技术领域里，如原子能工业、电子计算机、各种精密仪器仪表、海洋开发、空间技术等方面，具有各种特殊性能的橡胶制品更是大显身手。

据估计，目前世界橡胶制品的品种规格的总数约有十万种之多，全世界生胶消耗量已从1900年的五万吨增长到1990年前的一千五百余万吨(见表1)。

橡胶工业已成为一个重要的工业领域，在国民经济中占有极其重要的地位。

高弹性形变会使生胶在成型时表现出强烈的弹性记忆应，给成型加工带来一定的困难。

除了高弹性外，生胶在加温度下的高粘度对成型极为不利。

由于通常生胶分子量高，分子链缠结十分严重，分子整链移动困难，可塑性欠佳。

并且橡胶的粘度对温度敏感性较小，加之硫化剂的使用，在很大程度上限制了橡胶的加工温度。

如何降低生胶的弹性，而提高其塑性，以便于成型？如何使橡胶成为高弹性和综合性能良好的硫化胶？如何得到具有各种特定性能以适应不同用途的橡胶制品？为了解决这些问题，必须掌握橡胶加工工艺技术，同时致力于橡胶配方设计。

二、橡胶加工基本工艺过程橡胶制品虽然种类繁多，但生产各种橡胶制品的原材料、工艺过程及设备都有许多共同之处。

它们的主要原材料是生胶及各种配合剂，有的还需采用纤维织物和金属材料作骨架，其生产的基本工艺过程包括塑炼、混炼、压出、压延、硫化等基本工序。

其主要工艺流程示意如图4。

生胶块一般都较大，通常称“捆包胶”。

它是由天然或合成胶乳经凝聚、干燥、捆包而成的胶块，一般重约三十公斤。

所以必须进行切胶。

对有些结晶性的生胶，在加工前要进行烘胶，使结晶熔融，即解晶。

前已述及，生胶的高粘度和高弹性对成型加工极为不利。

为了使各个工序顺利进行，必须通过塑炼时降低生胶的弹性，获得良好的可塑性。

所谓塑炼，是指生胶经过机械或化学作用后，橡胶大分子链断裂成分子量较小的过程。

随着分子量的降低，温度一形变降低，弹性和粘度下降，可塑性得以提高，为混炼、成型工序曲线的高弹区缩小，Tf创造必要的条件。

通过塑炼，生胶成为具有合乎工艺要求的有一定塑性的塑炼胶。

为了提高橡胶制品的物理机械性能，降低成本，改善加工工艺，除选用合适的橡胶外，还要通过混炼加入各种配合剂。

所谓配合剂是指橡胶加工中用的硫化剂、硫化促进剂、活化剂、防老化剂、补强剂、填充剂、软化剂、着色剂等各类化学药品。

所谓混炼，是将具有一定可塑性的塑炼胶(或生胶)与配方规定的各种配合剂在(密炼机、开炼机、螺杆混炼机)上进行混合，使配合剂均匀分散在橡胶中的过程。

橡胶与配合剂混炼后的材料—混炼胶或胶料。

胶料是生产橡胶制品的最基本的材料，可用不同方法由胶料制得各种橡胶制品的半成品。

用压出的方法可以从胶料制备长尺寸的型材；用压延的方法可制造光滑的或者具有一定断面的胶片：用模压法和注射法可制备复杂的制件。

胶料也可复盖在纺织物、金属及其它表面上。

在橡胶制品的生产中，硫化是最后完成的过程，也是最重要的过程。

所谓硫化是使具有可塑性的胶料半成品通过加热和其它处理后发生交联成为体型网状结构的过程。

绝大多数胶料只有通过硫化才有实用价值。

橡胶通过硫化，塑性的胶料变为高弹性硫化胶。

由此可见，在硫化阶段，胶料性质发生根本的不可逆的变化。

在前面的塑炼虽然降低了分子量，使T f 下降，减小T g --T f 区间，但硫化后粘流态消失，从T g 以上，直到交联分子降解，一直具有高弹性，保持宽阔的高弹性温度区间。

不过，如果这种交联过程一旦发生在未成形以前，胶料的可塑性降低，难以流动甚至不再流动，这样就会影响成形加工过程的正常进行。

这种现象称为早期硫化，又叫焦烧。

综上所述，整个橡胶加工工艺过程，主要是解决塑性和弹性的矛盾过程。

先使弹性的橡胶变成具有塑性的胶料，并制成半成品，然后通过硫化的方法使具有塑性的半成品又变成弹性高、物理一机械性能好的橡胶制品。

因此，胶料的组成(配方)、胶料的制备和硫化起着决定性的作用。

在生产中，须对这些工序严格把关，以制备具有良好工艺性能的胶料和优良物理—机械性能的硫化胶。

三、胶料的工艺性能胶料(或称未硫化胶)的工艺性能代表着胶料在各工艺过程中的加工行为，它是胶料最重要的质量指标。

在生产实践中，制定与贯彻一套措施来保证在橡胶制品生产各主要阶段，对胶料工艺性能进行分析和控制，具有特殊的现实意义，胶料的工艺性能通常用可塑度、门尼粘度、焦烧时间(硫化诱导期)和硫化特性曲线(硫化曲线)来表征。

1、可塑度(P)可塑度是表示未硫化胶料塑性的一种习惯用语，常用来表征生胶、塑炼胶和混炼胶变形难易的程度和除去变形负荷后形变的不可逆程度。

而变形的难易决定于柔软性和物料的粘度。

因此，可塑度也是胶料柔软性和流动性好坏的参数。

工业生产中常用威氏塑性计(如图5)测定。

其原理(如图5)是根据两平行平板之间压缩试样的高度的变化来测定可塑性。

测试是在一定温度、时间和负荷下进行的，所以又叫定负荷压缩塑性计。

试验时，先对直径为16±0.5㎜、高为10±.3㎜的圆柱试样测量准确h O (精确到0.01㎜)。

然后将试样放入已恒温到70±1℃的恒温箱中预热3分钟，再将试样调整在底板的正中，于49.00±0.05N(5.00±0.005㎏f)负荷下压缩3分钟，通过百分比观测试样在负荷作用下的高度h 1，再立即去掉负荷取出试样，在室温下放置3分钟测其高度h 2。

试样的可塑度(P)按下式计算 ， 1020h h h h P +-= (1) 当h 2=h 0时，P=0，表示完全是弹性变形而无塑性流动，为完全弹性体。

当h 2=h 1=0时，P=1,表示完全是塑性流动，而无弹性变形，为完全塑性体。

所以按上式的可塑度值在0～1之间。

其值越大，表示可塑性越好。

反之，值越小，可塑性越小。

一般P ＜0.25的胶料称为“硬胶料”；P ＞0.50的胶料称为“软胶料”。

图5 定负荷压缩塑性计结构示意图1－上压板2－重锤3－支架4－百分表5－温度计图6 定负荷压缩塑性测定原理图2、门尼粘度门尼粘度也是一种表示未硫化胶塑性或流动性好坏的参数，通过门尼粘度计测得。

门尼粘度计结构如图7。

1和5组成试样的密闭室，1为上密闭室，5为下密闭室，分别由电热丝加热。

温度可自动控制，内部填入被测胶料。

密闭室通过压缩弹簧对胶料施加压力为3.5～6.0MPa。

3为转子，由蜗轮蜗杆带动。

转子直径Ф==38.1㎜，厚度为5.54㎜转子转速2rpm／min,转子表面有方形齿。

转动时，胶料对转子产生剪切阻力。

该阻力所产生扭矩(即转矩)则通过蜗杆传递至弹簧板6，根据弹簧板的形变大小，在百分表显示出来，故百分表的读数既是弹簧板形变量，又是转子的转矩。

当转矩值为8.4N.㎝时，弹簧板的形变量为0.01㎜，并设定为1个门尼粘度单位。

百分表上100格(100个门尼粘度单位)正好是8.4Nm。

测定门尼粘度是在一定温度、一定时间下进行的。

测定时，先将上下密闭室加热至规定温度并恒温，再将试样放入密闭室预热1分钟，开动试验机，转动规定时间后读取百分表的数值即为门尼粘度值。

门尼粘度的表示方法视试验条件不同而异。

我国通常以100ML表示(M表示门尼粘度，L为大转子，1是指预热1分钟，4指转动4分钟时的读数)。

41门尼粘度越高，橡胶的可塑性越低。

图7 门尼粘度计结构示意图1－上密闭室2－胶料3－转子4－蜗杆5－下密闭室6弹簧板7－百分表3、焦烧时间胶料在加工和贮存时，由于橡胶和已加入的硫化剂的相互作用，可塑性可能发生不适当的变化，即早期硫化。

胶料的早期硫化称为焦烧。

焦烧的倾向可用在一定温度下胶料可塑性基本保持不变的时间来表征。

目前，最广泛使用门尼粘度计来测定胶料的焦烧时间(称为门尼焦烧时间)。

测定时，换成Ф30.5㎜的小转子，温度控制在120±1℃的范围内，先将试样在密闭室内预热1分钟，然后开动试验机，粘度值开始下降，然后趋向平坦，硫化反应开始后粘度急剧上升。

从粘度最低值再转入上升5个门尼粘度单位所需的时间即为焦烧时间，参见图8。

图8 胶料门尼粘度曲线4、硫化曲线用门尼粘度计虽可测定胶料在一定温度下可塑性的保持时间，但是，由于胶料在硫化过程中可塑性下降，抵抗变形的能力显著提高，同时，失去流动性，这使得应用门尼粘度计来评价胶料的硫化特性限制。

为了测得胶料的硫化特性，常采用转子振动硫化仪。

转子振动硫化仪由主体部份、电气控制部份组成。

仪器结构原理如图9。

硫化仪的测定原理就是在一定硫化温度下对被测定的胶料加上小振幅的往复振动形变，测定胶料对此形变的抵抗力，即阻力矩(或称扭矩)。

用它可以迅速而精确地绘出胶料的起始粘度，焦烧时间、正硫化时间、硫化平坦性等整套硫化特性数据。

仪器运行时，电动机带动减速器，减速器的主轴上安有偏心机构8，此偏心机构由力矩传感器6传递，使主轴5产生左右3o的摆动。

在主轴上套有两个向心球轴承及一个推力轴承，使其既可以自由摆动，又可以承受轴向压力，下平板4装有电热器，设有下模腔，下模腔中心有一个圆孔，转子插入孔内就可同主轴连接。