《橡胶实验小结》word版.doc

目 录1.橡胶配方设计的原则41.1橡胶配方设计的原则42本实验设计的配方42.1题目42.2.高弹高强弹性体配方设计53实验分析63.1胶种的选择63.1.1天然橡63.1.2丁苯橡胶63.1.3顺丁橡胶63.1.4 胶料并用74.硫化体系74.1硫化体系与指标要求74.2拉伸强度与硫化体系的关系84.1.1交联密度对拉伸强度的影响84.2.2实验数据与指标差距84.2.撕裂强度与硫化体系的关系84.2.1交联密度对撕裂强度的影响84.2.2实验数据与指标差距94.2.3改进方法94.3 硬度与300%定伸应力与硫化体系的关系94.3.1交联密度对定伸应力和硬度的影响94.3.2实验数据与指标差距104.3.3 改进方法104.4弹性与硫化体系的关系104.4.1交联密度对弹性的影响104.3.2实验数据与指标差距104.5扯断伸长率114.5.1交联密度对扯断伸长率的影响114.5.2实验数据与指标差距114.3.3 改进方法115.填充体系与软化体系的影响115.1.拉伸强度115.1.1拉伸强度与填充体系的关系115.1.2.填充剂的最佳用量125.1.3.软化体系与拉伸强度的关系125.2 撕裂强度125.2.1撕裂强度与填充体系的关系125.2.2软化体系对撕裂强度的影响135.3定伸强度和硬度与填充体系的关系135.3.1提高硫化胶定伸应力和硬度的其他方法135.4弹性135.4.1.弹性与填充体系的关系135.4.2.软化剂对硫化胶弹性的影响145.5.扯断伸长率145.6 .改进方法146.橡胶的防护体系156.1橡胶的老化156.2防老剂优势156.3实验数据与指标差距156.4改进方法167.工艺性能167.1工艺性能167.2工艺流程167.2.1.加料顺序167.2.2.操作过程168.综合分析179.改进后的配方1710建议与想法1811.参考文献18橡胶工程实验小结1.橡胶配方设计的原则：1.1橡胶配方设计的原则：1) 保证硫化胶具有指定的技术性能，使产品优质；2) 在胶料和产品制造过程中加工工艺性能良好，使产品达到高产；3) 成本低、价格便宜；4) 所用的生胶、聚合物和各种原材料容易得到；5) 劳动生产率高，在加工制造过程中能耗少；6) 符合环境保护及卫生要求；任何一个橡胶配方都不可能在所有性能指标上达到全优。在许多情况下，配方设计应遵循如下设计原则【1】：1) 在不降低质量的情况下，降低胶料的成本；2) 在不提高胶料成本的情况下，提高产品质量。要使橡胶制品的性能、成本和加工工艺可行性三方面取得最佳的综合平衡。用最少物质消耗、最短时间、最小工作量，通过科学的配方设计方法，掌握原材料配合的内在规律，设计出实用配方。2本实验设计的配方：2.1题目： 高强高弹配方设计，具体指标为:硬度(邵氏) 605 300%定伸强度MPa 9.01.0抗张强度MPa 23.0伸长率% 450扯断永久变形% 20撕裂强度 kN/m 50老化系数(100*24h) 0.7阿克隆磨耗（ml/1。61km）0.5比重 g/ml 约1.1冲击弹性% 40硫化时间 145*15分2.2.高弹高强弹性体配方设计： 天然胶70140顺丁胶1020丁苯2040氧化锌510硬脂酸24防老剂4010NA1.53防老剂RD1.53炭黑HAF（N330）/ISAF(N220)30/2060/40机油510促CZ12促TT0.51硫磺1.53合计1733463实验分析3.1胶种的选择 本实验采用天然胶，丁苯胶，顺丁胶三种胶种的并用，制备NR/SBR/BR并用橡胶，这种并用胶物理机械性能优越，一般用于轮胎的胎侧胶。实验要求制品为高弹高强弹性体，因此配方设计中的胶料选择为NR/SBR/BR三种胶种的并用，分数比为70：10：20。选择的原因如下三种胶的性能决定。3.1.1天然橡天然橡胶是不饱和的橡胶，每一个链节都含有一个双键，能够进行加成反应。在天然橡胶的各类化学反应中，最重要的是氧化裂解反应和结构化反应。前者是生胶进行塑炼加工的理论基础，也是橡胶老化的原因所在；后者则是生胶进行硫化加工制得硫化胶的理论依据。天然橡胶在常温下具有很好的弹性【2】。天然橡胶分子结构规整性好，外力作用下可以发生结晶，为结晶橡胶，具有自补强性。纯胶硫化胶的拉伸性能仅次于聚氨酯橡胶，可以达到17-25MPa，经过炭黑补强后可达25-35MPa，300%定伸应力可以达到6-10MPa，500%定伸应力为12MPa 以上，撕裂强度可以达到95MPa。但天然胶单用的胶料制品耐老化性能，耐磨性能等不佳，需要与其他胶种配合。3.1.2丁苯橡胶为了提高丁苯橡胶的生胶强度，以适应子午线轮胎工艺的需要，通过改性，研制了生胶强度高的丁苯橡胶。由于结构较紧密，所以耐油性和耐非极性溶剂性、耐化学腐蚀性、耐水性均比天然橡胶，顺丁橡胶好。又因含杂质少，所以电绝缘性也比天然橡胶稍好。耐老化性能也优于天然胶【2】。3.1.3顺丁橡胶顺丁橡胶的性质、性能特点如下：1.由于分子链非常柔顺、相对分子质量分布较窄，因此具有比天然橡胶还要高的回弹性，其弹性是目前橡胶中最好的；滞后损失小，动态生热低。此外，还具有极好的耐寒性（玻璃化温度为-105.C），是通用橡胶中耐低温性能最好的。由于是不饱和橡胶，易使用硫黄硫化，也易发生老化。但因所含双键的化学活性比天然橡胶稍低，故硫化反应速度较慢，介于天然橡胶和丁苯橡胶之间，而耐热氧老化性能比天然橡胶稍好。由于分子链柔性好，湿润能力强，因此可比丁苯橡胶和天然橡胶填充更多的补强填料和操作油，从而有利于降低胶料成本。在通常的使用条件下，顺丁橡胶无自补强性。其纯胶硫化胶的拉伸强度低，顺丁橡胶的撕裂强度也较低，特别在使用过程中，胶料会因老化而变硬变脆，弹性和伸长率下降，导致其出现裂口后的抗裂口展开性特别差【2】。3.1.4 胶料并用在通用橡胶中，顺丁橡胶、天然橡胶的弹性最好，丁苯橡胶和丁基橡胶，由于空间位阻效应大，阻碍分子链段运动，故弹性较差。为降低天然橡胶的结晶能力，在天然橡胶胶料中并用部分顺丁橡胶，可使其硫化胶的弹性提高【4】。综上胶种性能的比较，若想获取高弹高强的弹性体，可以有三种胶种并用，天然胶与顺丁胶可以提供良好的弹性，而丁苯可以为并用胶提供强度保证。因此配方设计中的胶料选择为NR/SBR/BR三种胶种的并用得当，分数比为60：30：10。4.硫化体系4.1硫化体系与指标要求 实验采用有效硫化体系，使用硫磺用量：1.5/100份生胶。制品的各项性能与硫化体系的关系如下：4.2拉伸强度与硫化体系的关系4.1.1交联密度对拉伸强度的影响一般随交联密度增加，拉伸强度增大，并出现一个极大值；然后随交联密度的进一步增加，拉伸强度急剧下降。在拉伸的初始阶段，拉伸强度的提高与能在变形时承受负荷的有效链的数量增加有关。适当的交联可使有效链数量增加，而断裂前每一有效链能均匀承载，因而拉伸强度提高。交联度过高时，有效网链数减少，网链不能均匀承载，易集中于局部网链上。这种承载的不均匀性，随交联密度的加大而加剧，因此交联密度过大时拉伸强度下降。拉伸强度随交联密度增加出现最大值的事实表明：欲获得较高的拉伸强度，必须使交联密度适度，即交联剂的用量要适宜。4.2.2实验数据与指标差距实验获得的拉伸强度为20.4MPa，而配方设计中的具体指标要求为：拉伸强度23.0MPa。实验所得的拉伸强度小于指标强度，改进配方时需要提高拉伸强度。 4.1.3改进方法综上所述，提高拉伸强度，可通过硫化体系提高拉伸强度，应采用硫黄-促进剂的传统硫化体系，并适当提高硫黄用量，同时促进剂选择噻唑类（与胍类并用，并适当增加用量），改进的配方中的硫磺用量1.5改为2质量份，促进剂可稍微调低些或者不变亦可促CZ0.5-1份，促TT0.5份。4.2.撕裂强度与硫化体系的关系4.2.1交联密度对撕裂强度的影响撕裂强度随交联密度增大而增大，但达到最大值后，交联密度再增加，则撕裂强度下降，交联密度比拉伸强度达到最佳值时要低。多硫键具有较高的撕裂强度，故在选用硫化体系时，要尽量使用传统的硫黄*促进剂硫化体系。硫黄用量以2质量份为宜，促进剂选用中等活性、平坦性较好的品种，如DM,CZ等。在天然橡胶中，如用有效硫化体系代替普通硫化体系时，撕裂强度明显降低，但过硫对其影响不大。而用普通硫化体系时，过硫则对撕裂强度有显著的不良影响，撕裂强度会显著降低【3】。4.2.2实验数据与指标差距实验获得的撕裂强度：41kN/m，而配方设计中的具体指标要求为：撕裂强度50 kN/m，由此可看出实验所得撕裂强度小于指标要求，改进时需提高。4.2.3改进方法因撕裂强度随交联密度增大而增大，可通过硫化体系提高撕裂强度，应采用硫黄-促进剂的传统硫化体系，并适当提高硫黄用量，改进的配方中的硫磺用量1.5改为2质量份，促进剂可稍微调低些或者不变亦可促CZ0.5-1份，促TT0.5份。4.3 硬度与300%定伸应力与硫化体系的关系4.3.1交联密度对定伸应力和硬度的影响定伸应力与交联密度的关系十分密切，影响显著。不论是纯胶、硫化胶还是填充炭黑的硫化胶，随交联密度增加，定伸应力和硬度也随之直线增加。在配方设计中，为了保持硫化胶定伸应力恒定不变，需要减少多硫键含量；而减少硫黄用量时，应当增加促进剂的用量，使硫黄用量和促进剂用量之积（硫黄用量促进剂用量）保持恒定。4.3.2实验数据与指标差距实验获得的硬度：69。而配方设计中的具体指标要求为：硬度605(邵氏)。实验获得的300%定身强度：7.4MPa，而配方设计中的具体指标要求为：300%定伸强度9.01.0MPa由此可看出实验所得硬度大于指标要求，改进时需降低。实验所得的300%定伸强度小于指标要求，改进时需提高。4.3.3 改进方法因随交联密度增加，定伸应力和硬度也随之直线增加，而实验所得的数据为硬度偏大，定伸强度偏小。故需综合两者平衡，选取合适的硫磺用量，改进的配方中的硫磺用量1.5改为2质量份可满足要求，促进剂可稍微调低些或者不变亦可促CZ0.5-1份，促TT0.5份。4.4弹性与硫化体系的关系4.4.1交联密度对弹性的影响随交联密度增加，硫化胶弹性增大，并出现最大值，交联密度继续增大，弹性则呈下降趋势。因为分子链间无交联时，易在力场的作用下产生分子链间的相对滑动，形成不可逆形变，此时弹性较差。适度的交联，可以减少或消除分子链间彼此的滑移，有利于弹性的提高。交联过度又会因分子链的活动受阻，而使弹性下降。因此适当提高硫化程度对弹性有利，也就是说硫化剂和促进剂的用量可适当地增加。4.3.2实验数据与指标差距实验获得的冲击弹性：50。而配方设计中的具体指标要求为：冲击弹性40%。由此可看出实验所得硬度满足指标要求，对于此指标无需改进配方。4.5扯断伸长率4.5.1交联密度对扯断伸长率的影响扯断伸长率随交联密度增加而降低，因此制造高扯断伸长率的制品，硫化程度不宜过高，稍欠硫的硫化胶扯断伸长率比较高些。降低硫化剂用量也可使扯断伸长率提高。4.5.2实验数据与指标差距实验获得的伸长率：404%。而配方设计中的具体指标要求为：伸长率450%。4.3.3 改进方法实验所得的数据为偏小。故需综合以上性能间的平衡，选取合适的硫磺用量，改进的配方中的硫磺用量1.5改为2质量份可满足要求，促进剂可稍微调低些或者不变亦可促CZ0.5-1份，促TT0.5份。5.填充体系与软化体系的影响 本实验中填充体系为炭黑HAF（N330）/ISAF(N220)，用量为30/20质量份。软化体系为机油，用量为5份。5.1.拉伸强度5.1.1拉伸强度与填充体系的关系补强剂是影响拉伸强度的重要因素之一。试验表明：填料的粒径越小，比表面积越大，表面活性越大，则补强效果越好。至于结构性与拉伸强度的关系则说法不一，其影响程度远不如粒径和表面活性那么大。填充补强剂对不同橡胶的拉伸强度的影响，其规律性也不尽相同。以结晶型橡胶（如天然橡胶）为基础的硫化橡胶，拉伸强度随填充剂用量增加，可出现单调下降。而非结晶型橡胶（如丁苯橡胶）为基础的硫化橡胶，其拉伸强度随填充剂用量增加而增大，达到最大值，然后下降。这两类橡胶产生不同补强效果的主要原因是：天然橡胶属于结晶型橡胶，拉伸时可产生拉伸结晶而具有自补强性，生胶强度较高，因此炭黑加入后补强效果不明显；而丁苯橡胶属于非结晶型橡胶，其生胶强度很低，所以炭黑对它的补强效果很明显。5.1.2.填充剂的最佳用量填充剂的最佳用量与填充剂的性质、胶种以及胶料配方中的其他组分有关。例如炭黑的粒径越小、表面活性越大，达到最大拉伸强度时的用量趋于减少；胶料配方中含有软化剂时，炭黑的用量比未添加软化剂的要大一些。5.1.3.软化体系与拉伸强度的关系一般来说，加入软化剂会降低硫化橡胶的拉伸强度。但软化剂的用量如果不超过5质量份时，硫化胶的拉伸强度还可能增大，因为胶料中含有少量软化剂时，可改善炭黑的分散性。拉伸强度达到最大值之后，如继续增加软化剂用量，则拉伸强度急剧下降。芳烃油对非极性的不饱和橡胶（异戊二烯橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶）硫化胶的拉伸强度影响较小5.2 撕裂强度5.2.1撕裂强度与填充体系的关系随炭黑粒径减小，撕裂强度增加。在粒径相同的情况下，能赋予高伸长率的炭黑，也即结构度较低的炭黑对撕裂强度的提高有利。在天然橡胶中增加高耐磨炭黑的用量，可使撕裂强度增大。在丁苯橡胶中增加高耐磨炭黑时，出现最大值，然后逐渐下降。一般合成橡胶使用炭黑补强时，都可明显的提高撕裂强度。一般来说，撕裂强度达到最佳值时所需的炭黑用量，比拉伸强度达到最佳值所需的炭黑用量高。使用各向同性的补强填充剂，如炭黑、白炭黑、白艳华、立德粉和氧化锌等，可获得较高的撕裂强度。5.2.2软化体系对撕裂强度的影响通常加入软化剂会使硫化胶的撕裂强度降低，尤其是石蜡油对丁苯橡胶硫化胶的撕裂强度极为不利，而芳烃油则可保证丁苯橡胶硫化胶具有较高的撕裂强度。5.3定伸强度和硬度与填充体系的关系定伸强度和硬度都是表征橡胶材料刚性（刚度）的重要指标，两者均表征硫化胶产生一定形变所需要的力。定伸应力与较大的拉伸形变有关，而硬度则与小的压缩形变有关。5.3.1提高硫化胶定伸应力和硬度的其他方法通常提高硫化胶定伸应力和硬度的方法，就是增加炭黑和其他填充剂的用量。但是炭黑的填充量也是有一定限度的，因其用量过大，不仅给混炼工艺带来困难，而且硫化胶的硬度（邵尔A）很难达到90。各种橡胶的最佳填充量，按下列顺序增大：NRIR不充油SBR 充油BR。单用的胶种：天然橡胶中的最佳用量为45-50 质量份；充油丁苯橡胶中为60-70质量份；顺丁橡胶中为90-100质量份。一般用作胎面胶的炭黑最佳用量，随轮胎使用条件的苛刻程度提高而增大。5.4弹性5.4.1.弹性与填充体系的关系实践表明，硫化胶的弹性完全是橡胶分子提供的，所以提高含胶率是提高弹性最直接、最有效的方法。因此为了获得高弹性，应尽量减少填充剂用量而提高生胶含量。但是为了降低成本，还要选用适当的填料。炭黑粒径越小、表面活性越大、补强性能越好的炭黑，对硫化胶的弹性越是不利。补强性高的活性炭黑对硫化胶的回弹性有不利的影响；随各种炭黑用量增加，回弹性均下降【2】。5.4.2.软化剂对硫化胶弹性的影响软化剂的影响与软化剂和橡胶的相容性有关。软化剂与橡胶的相容性越小，硫化胶的弹性越差。一般说来，增加软化剂或增塑剂的用量，可使硫化胶的弹性降低（但三元乙丙橡胶是个例外）。所以在高弹性橡胶制品的配方设计中，应尽可能不加或少加软化剂。5.5.扯断伸长率添加补强性的填充剂，会使扯断伸长率大大降低，特别是粒径小、结构度高的炭黑，扯断伸长率降低更为明显。随填充剂用量增加，扯断伸长率下降。增加软化剂的用量，也可以获得较大的扯断伸长率【3】。5.6 .改进方法经过讨论，尝试更改炭黑用量：HAF（N330）/ISAF(N220)，用量为25/25质量份。软化体系为机油，用量为5份。需经过多次调整，获取最佳的用量。6.橡胶的防护体系6.1橡胶的老化生胶或橡胶制品在加工、贮存或使用过程中，会受到热、氧、光等环境因素的影响而逐渐发生物理及化学变化，使其性能下降，并丧失用途，这种现象称为橡胶的老化。橡胶老化的原因：橡胶发生老化现象源于其长期受热、氧、光、机械力、辐射、化学介质、空气中的臭氧等外部因素的作用，使其大分子链发生化学变化，破坏了橡胶原有化学结构，从而导致橡胶性能变坏【2】。由于橡胶的热氧老化是一种自由基链式自催化氧化反应。故选用的防老剂如下：6.2防老剂优势1.醛胺类：4010NA，用量：1.5份。1) 用于天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶和丁腈橡胶，也可用于胶乳，抗热、抗氧性能良好。2) 这类防老剂不易喷霜，对臭氧、屈挠龟裂没有防护作用。2.酮胺类：防老剂RD，用量：1.5份。基本特性：1) 用于天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶及胶乳，对热、氧化和天候老化有优良的防护性能。2) 氯丁橡胶能增加硫化活性，对其他橡胶硫化无影响。3) 本类防老剂有污染性，但不显著，在浅色制品中亦可少量使用。可以单用，也可与其他防老剂并用。在动态下使用的橡胶制品中（如轮胎和输送带）常与4010NA并用，产生协同效应。防老剂并用使用后的效果大于每种防老剂单独使用的效果之和【3】。6.3实验数据与指标差距实验获得的老化系数：Kg=0.69,Ks=0.46。而配方设计中的具体指标要求为：老化系数(100*24h)0.7，实验所得的老化系数小于指标系数。6.4改进方法实验所得小于指标要求，改进时可改动。但因为其他配料的平横，防老剂CZ：1.5与防老剂TT：1.5可以不用改变。7.工艺性能工艺性能通常指生胶或混炼胶（胶料）硫化前在工艺设备上可加工性的综合性能。工艺性能的好坏不仅影响产品质量，而且影响生产效率、产品合格率、能耗等一系列与产品成本有关的要素。研究生胶或胶料的工艺性能是配方设计的主要依据之一。7.1工艺性能工艺性能主要包括如下几方面：1.生胶和胶料的黏弹性，如黏度、压出性、压延性、收缩率、冷流性（挺性）；2.混炼性，如分散性、包辊性；3.自黏性；4.硫化特性，如焦烧性、硫化速度、硫化程度、抗硫化返原性。无论选择哪种生胶，都必须使其具有较低的门尼黏度值，以保证胶料良好的流动性。通常压延胶料的门尼黏度应控制在60以下。其中压片胶料为50-60；贴胶胶料为40-50；擦胶胶料为30-40【5】。7.2工艺流程：7.2.1.加料顺序：三种胶氧化锌和硬脂酸防老剂4010NA和RD促进剂CZ和TT炭黑和机油硫磺7.2.2.操作过程：1.塑炼：薄通10次出薄片2.混炼：开炼机炼胶顺序 （1） 混炼时将滚筒辊距调节到2m左右（过程需要开冷却水）薄通5次使之成为薄片状，前后切割橡胶，是堆积胶通过辊隙，促进胶料混合。随后加入氧化锌，硬脂酸和防老剂。再多次前后切割混炼几次。（2） 稍微开启辊距，将炭黑和机油缓缓加入胶料中，加炭黑的过程，从滚筒两端多次切割胶条并放入两辊间的堆积胶处。在炭黑添加完毕，且表面无明显颗粒后，在切割混炼几次。（3） 调整增大辊距，打卷和打三角包5次，出片