现代橡胶配方设计.ppt

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1、2008.9,现代橡胶配方设计,吴明生高分子科学与工程学院,2023/2/8,主要内容：,绪论第一章 橡胶配方的鉴定及测试第二章 配方设计的基本原理第三章 配方试验设计方法,2023/2/8,一、橡胶配方设计的概念 所谓橡胶配方设计，就是根据橡胶产品的性能要求和工艺条件合理选用原材料，确定各种原材料的用量配比关系，使得胶料的物性、工艺性和成本三者取得最佳平衡。,配方设计的意义,（1）决定产品成本及质量（2）保证加工过程的顺利进行,橡胶配方：生胶和多种配合剂按照一定比例的一种组合。,绪 论,2023/2/8,例：设计胶管的内层胶 使用环境：输送气体、输送泥浆、酸、碱、油类液体。,生胶的确定,20

2、23/2/8,二、橡胶配方设计的发展历史,1839年以前，空白1839年Goodyear发明硫化，配方组成：NR+硫黄1844年胶料中加入碱式碳酸铅、PbO等，硫化速度加快1876年天然橡胶树在东南亚大面积种植获得成功1906年原配方体系基础上加入苯胺，配方组成：NR+硫黄+PbO+苯胺1906年开始加入炭黑着色，1912年发现炭黑有补强作用1921年用ZnO代替PbO1926年发现活化剂硬脂酸1926年以后，由于炭黑用量增加，配方中开始使用软化剂1930年开始在配方中加入防老剂，配方组成趋于完善1931年合成橡胶开始工业化生产1931年以后，配方设计快速发展，配合剂品种不断更新，硫化速度大大

3、加快，硫化时间大大缩短，硫化胶的性能不断提高。至此，生胶的品种增多，具有同种功能的配合剂品种增多，加上产品性能要求不断提高，性能要求多样化，使得配方设计成为一门技术。配方实验设计方法由单因素设计逐步发展到多因素设计，并结合统计数学和计算机技术，采用正交实验设计、回归实验设计、计算机辅助设计等，配方设计成为一种科学。,2023/2/8,特点：橡胶配方设计是多因素的试验问题橡胶配方设计是水平数不等的试验问题橡胶配方中各种原材料之间的交互作用较多而且强烈。工艺因素对橡胶配方设计有显著影响。橡胶配方设计中必须尽力排除实验误差。配方经验规律与统计数学结合。,2023/2/8,四、影响配方设计的因素,1.

4、原材料应用 包括：生胶、硫化体系、补强填充体系、增塑体系、防护体系等2.加工工艺 包括：塑炼、混炼、压延、压出、硫化3.产品结构4.使用工况,2023/2/8,（一）配方设计的内容 1、确定硫化胶的主要性能及性能指标范围（1）已有成品：解剖成品，测试性能（2）无成品：借鉴同类或相似产品或计算机模拟分析提出 2、确定合适的工艺条件及指标值的范围 实验研究确定 3、确定主体材料和配合剂的品种与用量 实验研究确定 4、确定原材料的指标范围 实验研究确定，参考原材料出厂检测指标，以满足制品性能要求为准。5、计算成本,五、配方设计的内容、原则与程序,2023/2/8,（二）配方设计的原则1、宗旨 使橡胶

5、制品的性能、成本和工艺可行性三方面取得最佳的综合平衡，以最低的原材料消耗，最短的时间，最少工作量设计出性能优良并满足现有生产设备要求的配方。2、基本原则（1）在不降低产品质量的情况下降低成本（2）在保持成本不变的情况下提高产品的性能3、一般原则（1）满足制品的性能要求；（2）设计的配方易于加工（3）原材料价廉易得；（4）重点设计主要性能（5）充分考虑交互作用；（6）配方成本低，能耗低（7）配方尽可能简化（8）符合环保与卫生要求,2023/2/8,（三）配方设计的程序,2023/2/8,基础配方：标准配方，仅包括最基本的组分，采用传统的配合量，以生胶和配合剂鉴定为目的，反映胶料基本工艺性能及硫化

6、胶基本物理机械性能的配方。基础配方的获得：（1）ASTM标准（2）根据实验的基本情况进行拟定（3）借鉴同类或类似产品的生产配方性能配方：技术配方，全面考虑各种性能的搭配，增加或调整基础配方的内容，以满足制品使用条件的配方。实用配方：生产配方，在满足要求的性能配方基础上，结合实际生产条件所得的实用投产配方。,2023/2/8,实用配方的设计程序：（1）确切了解制品的使用条件，提出性能要求（2）研究分析同类或相似产品所使用的配方和工艺（3）根据性能要求及近似产品配方，提出基本配方（4）确定变量及变量范围（5）确定性能测试内容和方法（6）实验室小试，检测性能并优化配方至满足性能要求（7）中试，确定工

7、艺条件及胶料的控制指标（8）试制产品，按照标准和技术条件进行成品实验（9）调整配方至满足产品使用要求，确定生产工艺条件和胶料参数,2023/2/8,六、橡胶配方的表示方法及计算,橡胶配方，就是表示生胶和配合剂用量的配比表。（一）生产配方表的组成 1)胶料用途 2)胶料的名称及代号，生胶及各种配合剂的用量 3)合计（合算密度、含胶率、成本）4)工艺条件 5)物理机械性能,2023/2/8,（二）配方的表示方法与计算1.质量份数表示（mi）：以生胶分数为100份，其余配合剂相应质量份数表示。2.质量百分数（mi%）：=mi/mi 100%以胶料总质量为100，生胶和配合剂质量所占比例数来表示，主要

8、用于计算原材料质量成本和含胶率。3.体积百分数表示（Vi%）：=Vi/Vi 100%以胶料总体积为100，生胶和配合剂体积所占比例数来表示，主要用于计算原材料体积成本。4.生产配方（Mikg）：=Q/mi mi 取胶料的总质量等于炼胶机的装胶量Q，各组分以实际用量表示。,2023/2/8,转化为炼胶容量为80.5公斤的生产配方,质量分数配方计算：mi%=mi(100/mi)体积分数配方计算：Vi%=mi/i100/(mi/i)生产配方计算：Mi=mi(Q/mi),2023/2/8,含配合剂母胶的配方计算：,例如：促进剂M母胶配方 NR 100 促进剂M 20 ZnO 5 合计 125,X促M母

9、=1/(20/125)=6.25份母胶中：XNR=6.25(100/125)=5份XZnO=6.25(5/125)=0.25份,2023/2/8,由生产配方计算基本配方：,mi=Mi（100/M胶）mi基本配方中各组分的份数；Mi生产配方中各组分的实际质量，kg；M胶生产配方中生胶的总质量。,2023/2/8,七、橡胶配方的成本计算,1、含胶率的计算,含胶率=【100（生胶质量份）/胶料总质量份】100%,2、密度的计算,=mi/(mi/i),3、单位质量胶料成本的计算,Pm=(mipi)/mi=(mi%pi)mi%各组分质量百分数；pi各组分的单价，元/kg,4、单位体积胶料成本的计算,Pv

10、=(mipi)/(mi/i),5、单位产品胶料成本计算,P=VPv=mPm=VPm,2023/2/8,成本计算举例：,配方及各组分价格、密度如表所示。用配方1制作的制品的质量为1.2kg。若产品按件计价，价格为21.6元/件。配方1硫化时间为4min，配方2硫化时间为5min。假定炼胶成本1.2元/kg，硫化成本10元/h。请计算配方1、2的经济效益。,2023/2/8,解：配方1的密度：1=mi/Vi=164.5/143.42=1.147(g/cm3)配方1单位质量成本:Pm=(Pimi)/mi=2359.2/164.5=14.342（元/kg）配方1单位体积成本：Pv1=Pm=14.342

11、 1.147=16.450（元/L）配方1制作制品的体积：V1=m/=1200/1.147=1046.2（cm3）制品胶料成本：P胶1=Pv1V1=16.4501.0462=17.21（元）配方1的炼胶成本：P炼胶1=1.21.2=1.44（元）配方1硫化成本：P硫化1=（4/60）10=0.67（元）总成本：P总1=P胶1+P炼胶1+P硫化1=19.32（元）每件制品的利润：R1=P价格P总1=21.6-19.32=2.28(元),2023/2/8,配方2的密度：2=mi/Vi=214.5/161.28=1.330(g/cm3)配方2单位质量成本:Pm=(Pimi)/mi=2376.7/21

12、4.5=11.080（元/kg）配方2单位体积成本：Pv2=Pm=11.080 1.330=14.736（元/L）配方2制作制品的体积：V2=V1=m/=1200/1.147=1046.2（cm3）制品胶料成本：P胶2=Pv2V2=14.7361.0462=15.42（元）配方2的炼胶成本：P炼胶2=1.04621.3301.2=1.67（元）配方2硫化成本：P硫化2=（5/60）10=0.83（元）总成本：P总2=P胶2+P炼胶2+P硫化2=17.92（元）每件制品的利润：R2=P价格P总2=21.6-17.92=3.68(元),2023/2/8,总结：,（1）配方中加入填料均可降低胶料成本

13、，但不一定降低总成本。加入填料后，合格率下降，硫化时间延长，炼胶成本增大。（2）如产品按质量计价，配方中加入密度大的填料成本低；如按件计价，加入密度小的填料成本低。（3）加入填料，会牺牲制品的性能。（4）不加填料，加快硫化速度或胶料流动性，虽然胶料成本略有增加，但可降低炼胶成本和硫化成本，提高效益。（5）中低档及小制品采用加填料降成本；高档大型制品要多考虑制品合格率和工艺成本。,2023/2/8,价值工程：以最低的成本可靠地实现产品必要的功能。价值=功能/成本五种提高价值的途径：(1)功能不变，成本降低；(2)成本不变，提高性能；(3)功能提高，成本降低；(4)成本略有提高，功能大幅度提高；(

14、5)功能略有降低，成本大幅度下降。,2023/2/8,低成本配方设计要点：,（1）降低生胶成本是降低胶料成本最有效的途径 选用价格便宜、密度低、可填充量大的生胶；生胶并用；橡塑共混；再生胶及胶粉的使用；边角料及返回胶的使用（注意比例）；生胶替代（如用IR替代NR、ENR替代IIR等）。（2）加入填料是降成本另一重要途径 增加炭黑与油的用量；用表面活化改性的碳酸钙、陶土、高岭土部分取代炭黑或白炭黑；加入价格低廉的填料如轻钙、滑石粉、云母粉、石英粉、活性硅粉等。（3）适当加快硫化速度可降低生产成本 促进剂并用；适当增加促进剂用量；适当提高温度,2023/2/8,第一章 橡胶配方的鉴定与测试,“三方

15、块”设计方案分析：第一方块 第二方块 第三方块,原材料及加工条件,微观分析,常规测试项目,NMR、IR、DSC、DMA、TEM等,加工性能和物理机械性能,2023/2/8,一、生胶、混炼胶的流变性,1、可塑度测试 采用压缩方式测定胶料流动性大小的一种试验方法。,威廉姆塑性计,华莱氏快速塑性计,仪器,德弗塑性计,第一节 未硫化橡胶加工性能的试验,2023/2/8,华莱氏可塑度计,华氏可塑度：P=1h,2023/2/8,威廉氏可塑度计,h0 试样原始高度，mm；h1试样压缩3min后的高度，mm；h2恢复3min后的高度，mm,2023/2/8,2、门尼粘度的测试 以转动的方式测定胶料流动性大小的

16、一种试验，通过测定转子在转动过程中转动力矩的大小来表征胶料的流动性。表示方法,门尼粘度计（EEKON),2023/2/8,3、流变性测试 了解和评价胶料的加工性能十分重要。采用毛细管压出的方法来测量胶料的粘度与切变速率、切变应力、温度的关系。,2023/2/8,1、门尼焦烧的测试 考察混炼胶的加工安全性，反映胶料早期硫化情况。用门尼粘度计测门尼焦烧时间和硫化指数。GB1233规定，门尼焦烧时间：当用大转子转动的门尼粘度值下降到最低值后再转入上升5个门尼粘度值对应的时间。硫化指数：硫化指数小，表示硫化速度快，反之则慢。,二、混炼胶硫化特性测定,2023/2/8,2、硫化曲线的测定 采用硫化仪测定

17、混炼胶的硫化曲线，通过硫化仪可了解一些主要的性能参数。如：初始粘度、焦烧时间、正硫化时间、硫化速度、最高转矩、硫化平坦期、硫化返原性等。测定硫化曲线的意义：(1)评价并控制一些主要性能参数(2)快速检查炼胶质量及原材料质量,2023/2/8,硫化仪（Gotech),2023/2/8,三、未硫化胶弹性效应测定1、应力松弛测试 采用压缩或拉伸或剪切胶料测定应力松弛时间或弹性复原性，考察胶料的弹性记忆效应。设备：门尼粘度计、压缩性应力松弛实验机、动态应力松弛实验机等。2、口型膨胀的测定 反映未硫化胶压延、挤出时弹性收缩性。设备：毛细管流变仪 测量压出胶料的断面尺寸与毛细管尺寸的比值。,2023/2/

18、8,四、配合剂在混炼胶中分散性检测,1、分散度直接测定法 以撕裂、拉伸或切割等方法制得胶料的新鲜表面，再用肉眼或借助仪器观察表面，或对胶料超薄切片，用TEM观察切片。具体方法有：（1）ASTM D2663标准法A法：定性分析法（肉眼判断法）与标准照片对照 1级、2级、3级、4级、5级，大于3级合格B法：定量分析法（凝聚块计数法）TEM观察凝聚块 D=100-0.22u（u超过半个单元格的凝聚块数）分散度大于90%合格。,2023/2/8,（2）显微照相法（R-S法，GB6030）用SEM观察硫化胶新鲜撕裂断面或快速切割断面，对断面形貌照相，分析炭黑的分散度。（3）炭黑分散度计法 用炭黑分散度计

19、（反射光显微镜）观察新鲜切割断面（4）汞针式表面粗糙度仪法 用带有位移传感器的汞针水平扫描新鲜切割断面，绘制扫描曲线，用计算机统计计算分散度。DI=100-10expAlg(fh+B)A、B常数，由实验确定 f峰的数目 h平均峰高，m,2023/2/8,2、分散度间接测定法 使用特定的仪器，对试样进行某些物理性能的测定，其结果与直接测定分散度结果相对照，从而得到胶料中炭黑的分散度。（1）电阻法（体积或表面电阻计）（2）超声波法（3）微波法（4）精确相对密度法（5）动态模量法（RPA2000橡胶加工分析仪）,2023/2/8,用一种仪器可测出胶料多方面的工艺性能，如密炼机混炼时的转矩时间曲线，通

20、过功率积分仪求单元功（与胶料的门尼黏度、炭黑分散性、结合橡胶等有相关性）。RPA2000橡胶加工分析仪可同时测胶料的门尼黏度、硫化特性、混炼胶和硫化胶的动态模量随温度、频率、振幅的变化曲线，反映胶料中炭黑与炭黑、炭黑与橡胶之间的相互作用。布拉本达（Brabender)流变仪、HAAKE转矩流变仪可测混炼过程中的功率消耗、单元功、焦烧时间、硫化速率，还可进行压出试验等。,五、胶料加工综合性能的测试,2023/2/8,第二节 硫化胶性能的测试,1.拉伸性能（GB528）拉伸强度定义：橡胶试样被拉断时单位面积上所承受负荷的大小。单位：MPa试样形状：哑铃形 断裂部位宽度：4mm，6mm,一、硫化橡胶

21、力学性能的测试,2023/2/8,拉伸强度计算公式：:拉伸强度，MPa,P:拉断时试样所承受的负荷，b:试样工作部分宽度，h：试样工作部分厚度。测试仪器：电子拉力机,2023/2/8,电子拉力机（Gotech),2023/2/8,裁刀和试样,2023/2/8,（2）定伸应力 定义：橡胶试样拉伸至一定长度时，单位面积上所承受负荷。一般测定100、200、300、500定伸应力。,2023/2/8,(3)扯断伸长率定义：试样扯断时，其伸长部分占原始长度的百分率。,(4)拉断永久变形 定义：橡胶试样被拉断后，其不可恢复部分占原始长度的百分率。,2023/2/8,2、撕裂强度 定义：试样被撕裂时，单位

22、厚度上所承受的负荷。单位：KN/m,撕裂强度计算公式：Fsz直角型试样撕裂强度，kN/m；F撕裂试样的最大作用力，N；d试样厚度，mm。,2023/2/8,直角型试样(GB530),圆弧型试样(GB529),2023/2/8,裤形试样（BS903/A3）,裤形试样在试验机上的位置,2023/2/8,德耳夫特型试样（ISO 816）(单位：mm),2023/2/8,（1）硫化胶硬度定义：橡胶抵抗外力压入的能力。有弹簧式硬度和定负荷硬度两大类。橡胶硬度一般在2090,3、抗压性能测试,弹簧式硬度,邵尔硬度,阿斯卡硬度：邵尔W硬度，测海绵制品硬度,邵尔A硬度：测软质橡胶,邵尔C硬度：测半硬质橡胶,邵

23、尔D硬度：测硬质橡胶,定负荷硬度,国际硬度（IRHD）：与邵尔A硬度相关性好，值相同,赵氏硬度,邵波尔硬度,2023/2/8,（2）压缩永久变形 包括：恒定形变压缩永久变形试验（GB1683）和静压缩试验（GB1684）。,K压缩永久变形，%h0压缩前试样的高度，mm;h1限位器的高度，mm;h2压缩后试样恢复高度，mm;,恒定形变压缩永久变形,橡胶硬度（IRHD）压缩率（%）80 25 8090 15 90 10,2023/2/8,4、硫化胶的磨耗性能测试,阿克隆磨耗（GB1689）邵坡尔磨耗(DIN磨耗)格拉西里磨耗皮克磨耗GHK磨耗,GB1689V=(g1-g2)/V试样磨耗体积,cm3

24、.(1.61km)-1g1试样在试验前的质量，g;g2试样在试验后的质量，g;试样的密度，g.cm-3,2023/2/8,5、疲劳性能测试,拉伸疲劳试验：耐疲劳性，进行寿命计算压缩疲劳试验：温升、变形、疲劳寿命屈挠龟裂试验：初始龟裂性，裂口增长性回转屈挠疲劳试验：两向受力下屈挠，疲劳寿命,压缩疲劳试验,屈挠疲劳试验,2023/2/8,自然老化试验热空气老化试验吸氧老化试验臭氧老化试验人工天候老化试验湿热老化试验光臭氧老化试验,二、硫化橡胶老化性能的测试,自然老化：评估橡胶的耐候性和贮存寿命。包括：大气静态老化；动态大气老化；大气加速老化；自然贮存老化,2023/2/8,三、硫化橡胶低温性能的测

25、试,脆性温度试验耐寒系数试验吉门扭转试验玻璃化温度试验温度回缩试验,L0未拉伸状态试样的长度；Le拉伸状态试样的长度；Li在观测温度下试样的长度,2023/2/8,1、静态粘弹性试验（1）冲击弹性（回弹性）（2）蠕变：包括：压缩型蠕变、拉伸型蠕变、剪切型蠕变（3）应力松弛 包括：压缩应力松弛、拉伸应力松弛2、动态粘弹性试验,四、硫化橡胶粘弹性能的测试,2023/2/8,2023/2/8,1、导热系数 橡胶试样在单位厚度上温度相差1K时，单位时间通过单位截面的热量。2、比热容 单位质量的硫化胶，温度上升1所需的热量。3、线膨胀系数 温度每升高1，每厘米橡胶试样伸长的长度。4、分解温度5、耐热性能

26、（1）马丁耐热（2）维卡耐热6、燃烧性能,五、硫化橡胶热性能的测试,2023/2/8,1、绝缘电阻率 测量硫化胶的体积电阻系数和表面电阻系数2、介电常数和介电损耗角正切3、击穿电压强度4、导电性和抗静电性,六、硫化橡胶电性能的测试,电阻率，cm；S试样断面面积，cm2;L电压两极两刃口的距离，cm;R电阻值，,R=U/IU电压两极两刃口间电压，VI电流计的读数，A,2023/2/8,七、硫化橡胶的扩散和渗透性能试验八、硫化橡胶耐介质性能试验九、硫化橡胶粘结性能试验 剪切强度、剥离强度,2023/2/8,一、试样准备（GB6038-93）1、配料（1）配合剂的要求：各种配合剂应符合国家或企业颁布

27、的相关技术标准的规定；凡要求加工处理（如干燥、粉碎、筛选等）后使用的配合剂，应按加工技术条件进行处理，目的是便于称量，减少原材料中的杂质和水分，便于混炼操作，以保证实验胶料获得满意的性能；配合剂干燥处理后应存放于防潮密封容器内；为保证质量的相对稳定性，实验用原材料存放时间不要超过一年，易吸潮变质的配合剂（如氧化锌、次磺酰胺类促进剂等），储存期不能超过半年；生胶、炭黑和各种配合剂应分别存放，各种原材料应及时登记入账，注明名称、产地、数量；库房应通风，防潮，防腐，各种原材料应使用专用器具和专用勺，严禁混用。,第三节 橡胶测试的一般要求,2023/2/8,（2）混炼胶的批量 又称批混炼量，指一次加工

28、所制得的胶料总量。一般，用标准开放式炼胶机每批次混炼量应该是基本配方的四倍。若采用较小的批混炼量，误差较大，结果可能不同，建议最低混炼生胶质量为200g。标准密炼机每次批混炼量应等于密炼机额定容量乘以混炼胶的密度。,2023/2/8,（3）称量配合 根据批混炼量，计算出生胶和各种配合剂的实际用量，采用合适的衡器称量。实验室应配备100g、200g、500g天平和5Kg台称。称量允许的误差为：生胶和炭黑的称量应精确至1g；油类应精确至1g或1%；硫黄和促进剂精确至0.02g；氧化锌和硬脂酸精确至0.1g，所有其它配合剂应精确至1%。天平精确度最好为0.01g。配料应在标准温度和湿度下进行。当日配

29、完的实验胶料，应当日用完，不得过夜。若确实需要过夜，应存放于干燥器内。,2023/2/8,2、混炼 胶料混炼设备主要为实验室用开放式炼胶机（应符合HG/T 3-1615标准）和1.57升小型密炼机。同一批混炼的不同胶料进行性能对比实验，要保证各配方胶料的混炼工艺条件相同，如辊距、辊温、加料顺序和加料方式、切割翻炼次数、混炼时间等都要相同。（1）辊温,表1-1 不同胶料开炼机混炼时辊筒温度,2023/2/8,（2）辊距 辊距允许的偏差为：在辊距为0.20.5mm时为0.05mm；在辊距为1.03.0mm时为0.1mm；在辊距为3.08.0mm时辊距允许偏差为10%。,表1-2 辊距大小与装胶量的

30、关系,2023/2/8,（3）加料顺序 原则：用量少、作用大的配合剂先加；在胶料中难分散的配合剂如氧化锌和固体软化剂（如石蜡、松香、树脂）先加；临界温度低、化学活性大、对温度敏感的配合剂后加；硫化剂和促进剂要分开加。天然橡胶开炼机混炼的一般加料顺序为：生胶（塑炼胶、母炼胶、再生胶）固体软化剂小药（促进剂、活化剂、防老剂、防焦剂等）填料（炭黑、陶土、碳酸钙等）液体油料（石蜡油、环烷油、芳烃油等）硫黄。传统的密炼机混炼也可以采用该加料顺序进行混炼。液体软化剂用量较少时，也可在填料之前加，合成胶配方中填料和油料的用量较大，油料只能放在填料之后加或与填料交替分批投加。,2023/2/8,（4）混炼操作

31、 开炼机混炼（规定辊距、辊温、辊速和速比）：加胶包辊 23min，左右割刀或打三角包；加小料34min，左右割刀23次；加大料510min，左右割刀34次；加油35min，左右割刀23次；加硫化剂23min，左右割刀23次。薄通打三角包56遍。密炼机混炼（规定起始温度、转子转速）：加胶1min；加小料1.5min;加大料3min;加油1.5min；排胶至开炼机上加硫化剂和超速级促进剂混2min，薄通打三角包。称重检查：GB6038规定，损失1.0%,2023/2/8,3、试样毛坯 混炼胶停放条件和时间：224h;毛坯质量：m=V 4、模压硫化 胶料硫化前尽可能不要返炼，需要返炼，应按混炼时的辊

32、温进行返炼。在规定的硫化条件下（温度、压力、时间）硫化5、试样的裁切 胶片厚度4mm；一次只能裁切一个试样，不准重刀。裁刀在裁片时用水或中性肥皂水溶液湿润；试样的工作部分不应有任何缺陷和机械损伤；裁片时片状试样受力方向应与压延方向一致；同一批试样要用同一方法、同一设备制备，试样规格要一样，使用同一裁刀裁切样品。,2023/2/8,二、试样调节和试验条件1、试样的贮存期和调节期（1）贮存期 非产品：硫化与试验之间的间隔：16h4w;产品：贮存期不超过3个月。（2）调节期 试样在标准温度和标准湿度下停放不小于16h。只要求温度时，试样在试验前在标准温度下调节应不少于3h。如果是内部质量控制试样温度

33、调节应不少于30min。2、试验条件 标准温度应为232，标准相对湿度为50%5%；与纺织物有关的实验可采用20，相对湿度为65%的条件进行。,2023/2/8,三、试验结果处理,表1-3 实验结果的取值,2023/2/8,第二章 橡胶配方设计基本原理,设计要点：（1）选用自补强性橡胶或结晶性、极性生胶；分子量要大，低分子少；（2）选用CV体系，促进剂采用M/D并用，适当提高硫黄用量；（3）选用粒径小、表面活性大的炭黑，用量4060份，或白炭黑与Si-69并用；（4）选用与橡胶相容性好的增塑剂，用量在5份以内；（5）其他方法：橡胶与树脂并用、橡胶化学改性、填料表面改性等。,一、拉伸强度,第一节

34、 配方设计与胶料物理性能的关系,2023/2/8,二、定伸应力和硬度,设计要点：（1）选用分子量大、分布窄，且能结晶或带极性基团的橡胶；（2）提高交联密度，增大硫黄和促进剂用量；（3）选用粒径小、结构性高、表面活性大的炭黑，且增大用量；（4）尽可能少用或不用增塑剂；（5）其他方法：使用酚醛树脂/硬化剂；使用苯甲酸；使用模量增强剂；使用短纤维；使用齐聚酯/过氧化物；使用液体橡胶/引发剂 与TPI并用，硫黄用量在2.5份以内；使用不饱和羧酸盐等。,2023/2/8,三、撕裂强度,设计要点：（1）选用分子量大、常温下能结晶或滞后损失大的胶种；（2）采用CV硫化体系，硫黄用量23份，促进剂选用中等活性

35、、平坦性好的品种，如DM、CZ；（3）选用粒径小、结构性低的炭黑，选用各项同性的填料（4）少用增塑剂；（5）其他方法：使用5份以内的短纤维；使用分散剂，提高配合剂分散性；,2023/2/8,四、耐磨性,设计要点：（1）选用弹性好或强度高或有共轭结构的生胶，如BR、NR、SBR、PU、ACM、IR、NBR、EPDM等；（2）选用硫黄/促进剂CZ或硫黄/促进剂CZ（主）/TMTD硫化体系，NR为主的胶料，硫黄用量1.82.5份；以BR为主胶料，硫黄用量1.51.8份；（3）选用粒径小、表面活性大的炭黑，或新工艺炭黑，或白炭黑与偶联剂Si-69并用；炭黑用量NR中4550份，IR和非充油SBR中50

36、55份，充油SBR中6070份，BR中90100份；（4）少用增塑剂；（5）其他方法：贴聚氨酯 使用短纤维并合理取向 使用CEC胶；使用分散剂，提高炭黑分散性,2023/2/8,五、弹性,设计要点：（1）选用分子量大，常温下不能结晶，分子链柔顺的生胶，如BR、NR、EPDM等；（2）选用硫黄/次磺酰胺（S/CZ=2.0/1.5）或硫黄/胍类（S/DOTG=4/1）并保持合适的交联密度；（3）减少炭黑的用量，选用粒径大、结构性低、表面活性低的炭黑；（4）少用或不用增塑剂；,2023/2/8,六、耐疲劳破坏性,设计要点：（1）低应变下（120）选择Tg较高的生胶；高应变下（120）选择具有自补强性

37、的生胶；橡胶并用可提高耐疲劳破坏性。（2）选用CV体系，对定负荷的疲劳条件，要加大硫黄的用量，提高交联密度；对定变形的疲劳条件，要减少硫黄的用量，减小交联密度；（3）选用粒径小、结构度高、表面活性大的炭黑，在定负荷下，应增加炭黑的用量，在定变形下，应减少炭黑的用量；要少用惰性填料。（4）选用4010NA、DOPD等防老剂，或与AW、微晶蜡并用（5）选用稀释作用小的粘稠性大的增塑剂，用量要小。,2023/2/8,七、拉断伸长率,设计要点：（1）选用分子链柔顺、强度高的生胶（如NR）或容易产生塑性流动的生胶（如IIR）；（2）选用CV体系，硫黄和促进剂的用量要适当降低；（3）选用粒子大、结构度低的

38、炭黑，炭黑的用量要小，含胶率要高；（4）增加增塑剂的用量。,2023/2/8,第二节 配方设计与胶料工艺性能的关系,胶料的粘度影响几乎所有的加工性能。影响胶料粘度的配方因素有：（1）胶种：分子量大、凝胶含量高、内聚能密度大的橡胶粘度高，如NR、NBR、CR等。可通过塑炼、充油等方法降低其粘度；（2）塑解剂：可有效地降低粘度，提高塑炼效果，缩短时间。常用塑解剂：促进剂M、各种硫酚（雷纳西、Renacit）等；DM对CR有抑制凝胶作用，提高塑炼效果；（3）填料的用量和性质：填料用量越大，胶料的粘度越高；粒径小、结构性高、表面活性大的炭黑，胶料粘度高；（4）增塑剂：有效降低粘度，改善加工性能；影响胶

39、料粘度的工艺因素有：温度（高，粘度低）、剪切速率（高，粘度低）、塑炼时间（长，粘度低，后期下降趋缓）。,一、胶料的粘度,2023/2/8,二、挤出,要求：膨胀小，收缩小，表面光滑，速度快。设计要点：（1）选用分子链柔顺，平均分子量较小，支化度低的生胶；NR需塑炼，NBR、CR、SBR等橡胶塑炼后收缩率低；适当提高胶料可塑度，利于挤出。（2）适当增大填料的用量，降低含胶率，含胶率在30%50%较好。（3）选用结构度高的炭黑；（4）适当增大增塑剂的用量；（5）选用焦烧时间长的促进剂；（6）配合剂的含水率和挥发份含量要低；（7）加入适量的硫化胶粉，可减小膨胀；（8）对于黏度很低的胶料，要适当提高补强

40、剂的用量。工艺因素：挤出机机头和口型温度，螺杆转速，口型与螺杆尺寸的比例。,2023/2/8,三、压延,技术要求：适宜的包辊性，良好的流动性，足够的焦烧时间，低的收缩率，表面光滑，速度快。注意事项：（1）胶料的黏度要较低，压片胶料门尼黏度5060，贴胶胶料门尼4050，擦胶门尼黏度3040；（2）选用粒径小，结构度高的炭黑，适当增大炭黑的用量，选用各向同性的填料；（3）适当增大增塑剂的用量；（4）选用焦烧时间长的硫化体系，120下焦烧时间控制在2035min。工艺因素：辊筒温度、转速。,2023/2/8,四、包辊性,注意事项：（1）分子量大，分布宽，有自补强性，支化少、凝胶含 量低的橡胶包辊性

41、好；（2）选用活性高、补强性好的填料；（3）硬脂酸、硬脂酸盐、蜡类、石油基软化剂、油膏等 降低包辊性；高芳烃操作油、松焦油、古马隆树脂、烷基酚醛树脂等改善包辊性；工艺因素：辊距大小，辊筒转速及速比、辊筒温度。,2023/2/8,五、自粘性,自粘性取决于分子链的活动能力及强度，活动能力强，强度高，胶料的自粘性好；极性橡胶和常温下结晶的橡胶自粘性差；NR的自粘性最好；塑炼能提高粘性。选用补强性好的填料，自粘性提高；加入增塑剂能降低自粘性；胶料中加入增粘剂能提高自粘性；容易喷出的配合剂如蜡、TT、S等，尽量少用。,2023/2/8,方法：A 胶料中加增粘剂，如增粘树脂、松焦油等 B 粘合面涂胶浆；C

42、 粘合面刷汽油等良溶剂；D 升高粘合面温度，增加粘合压力；E 粘合面加增粘层；F 粘合面刺毛；G 通过塑炼、混炼、热炼等提高胶料的可塑度；H 胶料中加相容性好的增塑剂，提高流动性；I 保持粘合面清洁，粘合前用塑料薄膜包覆粘合面；J 防止胶料喷霜（从配方、加工工艺上改进）K 尽可能少用或不用外润滑性的助剂，如蜡、凡士林。,提高未硫化胶粘性的方法,2023/2/8,六、焦烧性,胶料产生焦烧现象的主要原因是促进剂选用不当，还与加工温度、时间和剪切速率有关。不同胶料门尼焦烧时间要求：软胶料：1020min；大多数胶料：2535min；高填充的硬胶料：35min以上。NR容易焦烧，选用迟效性或临界温度高

43、的促进剂，粒径小、结构性高的碱性炭黑容易焦烧；使用白炭黑、陶土等酸性填料能抑制焦烧时间；增塑剂能延长焦烧时间，芳烃油有缩短焦烧时间的倾向；使用防焦剂，能有效延长焦烧时间。工艺因素：加工温度和时间、停放温度和时间、剪切速率,2023/2/8,七、喷霜,喷霜的危害：（1）降低自粘性，对成型工艺不利，影响粘合效果；（2）影响产品外观质量；（3）引起焦烧，降低耐老化性；（4）硫化不均匀，降低胶料强度；（5）危害身体健康。喷蜡：提高硫化胶耐老化性。喷霜产生的原因：（1）配合剂用量过多；（2）配合剂与橡胶相容性差（内在原因）；（3）配合剂分散不均匀；（4）炼胶温度过高，硫化温度过高，硫化不熟；过硫（5）胶

44、料的可塑度过大。容易喷霜的配合剂：S、TT、DM、M、NA-22、防老剂D、4010、H、DNP、MB、石蜡、ZnO、硬脂酸、CTP、轻钙、碳酸镁、机油、酯类增塑剂。,2023/2/8,第三章 橡胶配方设计方法,第一节 单因素设计方法,方法,黄金分割法（0.618法）,平分法,分数法,分批实验法,爬山法,抛物线法,2023/2/8,第二节 多因素设计方法,方法,正交实验设计法,回归实验设计法,正交设计法简介：,因子：需要考察的影响试验胶料性能指标的因素水平：每个试验因子可能取值的状态交互作用：各试验因素间的相互综合影响的作用,正交设计法的优点：（1）判定哪个因素对性能指标影响大；（2）判定每个

45、因素中哪个水平为好；（3）判定各因素以什么水平搭配对性能指标较好。,几个概念：,2023/2/8,正交表的表示：,La（bc）L正交表a试验次数b各因素可安排的水平数（几个变量）c 列数（试验因素数）,应用较多的正交表：,L4（23）、L8（27）、L9（34）、L16（45）等 在合理安排试验又能满足要求的情况下尽可能选用较小的正交表。,2023/2/8,正交表设计：,原则：（1）每一列中代表不同水平的数字出现次数相等；（2）任意两列中同一横行的数字序数对出现次数相等。,设计步骤：（1）确定因素数(主要因素)和各因素的水平(要拉开);（2）选择合适的正交表（列数大于等于因素数）m个因素2水平

46、试验设计，选用L4（23）、L8（27）等；m个因素3水平试验设计，选用L9（34）、L27（313）；m个因素4水平试验设计，选用L16（45）；m个因素5水平试验设计，选用L25（56）；（3）表头设计（最难、最重要）每列至多安排一个因素或交互作用；先安排有或可能有交互作用的重要因素，余下的任意安排。,2023/2/8,结果分析：,方法,直观分析法（计算平均值及极差画图）,方差分析法（计算偏差平方和、自由度，查表）,直观分析法：计算出各因素不同水平时数据的平均值，并计算最大平均值与最小平均值的差值（极差），比较不同因素、不同水平数据平均值的大小，选出影响较大的因素和对性能指标最有利的水平。

47、极差大的因素影响大。或绘制直观分析图（因素和不同水平指标平均值的关系图）。各点高低相差（极差）大，此因素重要。,2023/2/8,举例：,研究硫化体系、补强体系、酚醛树脂对胶料硬度的影响。需要考察的因子和水平如表2所示，正交表及试验结果如表3所示。请分析哪个因子对硬度影响显著，各因子之间如何搭配胶料的硬度高。（不考虑交互作用）,试验因素及水平,试验安排及结果,2023/2/8,解：计算各因素不同水平结果的平均值A因素：A1：（67+74+78）/3=73 极差：75-73=2 A2：（72+81+69）/3=74 A3：（80+70+75）/3=75B因素：B1：（67+72+80）/3=73 极差：75-73=2 B2：（74+81+70）/3=75 B3：（78+69+75）/3=74C因素：C1：（67+69+70）/3=68.7 极差：79.7-68.7=11 C2：（74+72+75）/3=73.7 C3：（78+81+80）/3=79.7,由于C因素极差大，即酚醛树脂对胶料硬度影响最大；制备高硬度胶料最佳搭配为A3B2C3，即硫化体系采用硫黄2.5，促CZ1.0，促TMTD0.5；补强体系采用N330与N660并用；205树脂7，DCP0.7的配合胶料硬度高。,