橡胶成型技术-塑炼ppt课件.ppt

1,本章主要讲解橡胶塑炼加工的有关知识，要求大家掌握塑炼的概念，了解塑炼的原理及影响因素，掌握塑炼方法、特性、工艺条件，理解塑炼常见质量问题解决方法，理解生胶的加工处理,目录,2,生胶塑炼的意义&可塑性测试方法,why,生胶为什么要进行塑炼？什么是塑炼？什么是塑炼胶？塑炼的目的是什么？塑炼结果怎样测试？,3,生胶塑炼的意义,高弹体,操作,塑炼,加工,变形,塑炼胶,高弹性是橡胶最宝贵的性能,机械加工、热处理、化学助剂,借助机械功或热能使橡胶软化为具有一定可塑性的均匀物的工艺过程,高弹性却给加工工艺带来极大的困难。因为在加工过程中所是假的机械功会无效地消耗在橡胶的可逆变形上。,使橡胶有强韧的高弹态变为柔软而便于加工的塑性状态,经塑炼而得到的具有一定可塑性的生胶,4,生胶塑炼是橡胶制品生产的基本工艺之一，是其他工艺过程的基础，其目的是使生胶获得适宜的可塑性，以满足加工过程的需要。,5,BUT：生胶可塑性也不能过大,生胶的可塑性并非越大越好，而是在满足工艺加工要求的前提下，以具有最小的可塑性为佳。生产上通过控制生胶和半成品的可塑性来保证橡胶加工工艺的顺利进行和产品质量,由于各种橡胶制品（部件）使用性能不同，胶料种类很多，对生胶的可塑性要求也不一样。见P15表2-1,6,大多数合成橡胶和某些天然橡胶品种在制造过程中控制了生胶的初始可塑度，一般门尼粘度60以下可不进行塑炼而直接混炼，除非有特别的要求，可以进一步提高可塑度,特别说明,7,可塑性测试方法,测试方法,威廉氏（Williams）法,华莱氏（Wallace）法,8,压缩法,在定温、定负荷下，用试样经过一定时间的高度变化来评定可塑度,圆柱状试样：=16mm，h=10mm，T=701C，预热3min，在次温度下于两平行板间加5kg负荷，压缩3min后除去负荷，取出试样，室温恢复3min，根据试样高度的压缩变形量及除掉负荷后的变形恢复量来计算试样的可塑度。数值越大表示可塑性越大。,以定温、定负荷、定时间下塑炼胶试样厚度的变化来表示可塑性。,测定时将厚约3mm的胶片冲裁出直径约13mm、体积恒定为0.40.04cm3的试样后，放至测试仪内，试验温度为1001C。然后迅速闭合压盘，将试样预压至1mm，进行预热15s后，施加10kg负荷，至第二个15s，测厚计指示读书即为塑炼胶的可塑度。规定0.01mm表示1个可塑度单位，若测厚仪测出试样厚度为0.46mm，即华莱氏可塑度为46。华莱氏数值越大，表示可塑性越小。,p:试样可塑度；h0：试样原高，mm,h1:、压缩3min后高度；h2：恢复3min后高度,9,门尼粘度法是用门尼粘度计来测试橡胶的可塑性的。依据试样在一定温度、时间和压力下，在活动面（转子）和固定面（上下模腔）之间变形时受到的扭力来确定橡胶的可塑性。测量结果以门尼粘度表示。门尼粘度值因测试条件不同而不同，所以结果要标注测试条件。通常用ML1+4100表示，其中M表示门尼，L1+4100表示用大转子（=38.1mm）在100下预热1min，转动4min时所测得的扭力值。门尼粘度测试范围在0200，数值越大表示粘度越大，可塑性越小。门尼粘度反映胶料在特定条件下的粘度，可直接作为胶料流变性质的指标，但因测量时速度较慢，切变速率较小，所以只能反映胶料在地切变速率下的流变性质。,门尼（Mooney）粘度法,10,塑炼机理,机械力作用,氧的作用,温度的作用,化学塑解剂的作用,静电的作用,11,Discuss高分子弹性体的高弹性来源,A,Question塑炼本质(分子量是如何变化的？),B,塑炼机理,12,橡胶塑炼时，分子链断裂的概率与作用于橡胶分子链上的机械功成正比，与胶料温度成反比。,橡胶置于炼胶机中塑炼时，会受到炼胶机辊筒间的剪切力作用，分子链会被拉直，并使长链分子链在中间部位发生断裂。机械断链一般只对一定长度的橡胶分子链有效，一般分子量10万的NR和30万的顺丁橡胶的分子链基本上不再受到机械力作用而断链。这是因为分子链长的橡胶分子内聚力大，机械作用产生的切应力亦大，则接卸断裂的效果亦好。而不同橡胶在分子量小到一定程度后，因内聚力小，链段相对运动容易，机械力作用产生的切应力小，则不足以使其断裂。由于机械力作用主要是分子量较大的橡胶分子断裂，而相对分子量小的不起作用，因此，在机械力作用下，橡胶平均分子量变小的同时，分子量分布会变窄，而且塑炼后分子量很低的级分较少。,机械力的作用,分子链的断裂还与组成分子链的化学键键能有关。,橡胶分子链被机械剪切力扯断的同时，产生橡胶分子自由基，势必引起各种化学变化。,13,氧的作用,A,实验表明：在氧气中塑炼，橡胶的可塑性增加的更快，而在相同温度下于氮气中长时间塑炼时，橡胶的可塑性几乎没有变化。,机械力作用的同时，氧化作用也发生，没有氧的作用，塑炼是不能得到预期效果的,B,实验表明：生胶结合0.03%的氧，就能使分子量降低50%。,氧在橡胶塑炼中所起的作用一是稳定橡胶自由基，而是使橡胶分子连发生氧化断链。前者在低温下进行，后再在较高温度下发生。,R-RR+R,R+OR,14,温度的作用,橡胶较硬，受到的机械破坏作用剧烈，较长的分子链容易为机械应力扯断，而此时氧的化学活泼性较小，所以，在低温阶段主要靠机械破坏作用引起橡胶分子链的降解而获得塑炼效果。,随着温度的升高，橡胶变软，橡胶分子链在机械应力作用下容易发生滑动而难以被扯断，从而使锁链效果下降。但当温度经过一个临界点后，由于温度的进一步升高使得氧直接引发氧化破坏作用加剧，加快了橡胶分子链的氧化降解速度，从而使塑炼效果迅速增大。,天然橡胶塑炼30min,注意：高温塑炼时，氧化对分子量大和小部分作用相同，所以高温塑炼在平均分子量变小的同时，分子量分布不发生变化。,15,化学塑解剂能增强生胶塑解能力，缩短塑解时间，提高塑炼效率。化学塑解剂本质上可以看做是一种氧化催化剂，其生成自由基的能力越大，塑解能力也就越大。一般情况下，其塑解作用岁温度升高而增大。,化学塑解剂的作用,16,化学塑解剂的作用,低温塑解剂（适用开炼机）：二甲苯基硫酚、五氯硫酚,混合塑解剂（开炼机和密炼机都适用）促进剂M，DM,高温塑解剂（适用密炼机）二甲苯基二硫化物,17,静电的作用,电位差高,塑炼时，生胶受到炼胶机的剧烈摩擦而产生静电。实验测定：辊筒或转子的金属表面与橡胶接触处产生的平均电位差在2kv6kv之间，个别可以达到15kv。因此在辊筒和堆积胶间经常有电火花。这种放电作用促使生胶表面的氧激发活化，提高氧对橡胶分子链的断链作用。,18,塑炼反应机理,低温塑炼没有化学塑解剂时，橡胶分子链在机械作用下断裂生成自由基，然后被氧化，生成较稳定的分子量较小的橡胶过氧化物。氧作为自由基的接受体。而有塑解剂时，塑解剂作为自由基接受体。,橡胶分子与氧直接进行氧化反应，使橡胶分子链讲解。这种热氧化裂解过程属于自动催化氧化连锁反应。,19,塑炼工艺方法及影响因素,生胶,烘胶,切胶,破胶,塑炼,可塑性检查,准备工序,生胶塑炼工艺流程图,20,21,热塑炼,不常用,机械塑炼,广泛采用。可以分为开炼机塑炼、密炼机塑炼和螺杆塑炼机塑炼,22,开炼机塑炼,简介,最早使用的一种塑炼方法,将生胶置于开炼机辊筒之间，借助辊筒的剪切力作用使橡胶分子链受到拉伸而断裂，从而获得可塑性。劳动强度大，生产效率低，操作条件差，但塑炼胶可塑性均匀、热可塑性小，适应面宽，机动灵活，投资小。,23,开炼机基本结构,24,开炼机规格表示,XK400：X表示橡胶，K表示开炼机，400表示辊筒直径；SK400：S表示塑料，K表示开炼机，400表示辊筒直径；X（S）K400：X（S）表示橡胶塑料通用，K表示开炼机。,25,塑炼方法,01,薄通塑炼法是将生胶在辊距0.51mm下通过辊缝，不包辊薄通落盘，重复薄通至规定次数或时间，直至获得所需的可塑性为止。,一次塑炼法（包辊塑炼法）将生胶在较大辊剧下包辊后连续过辊直至规定的时间。在塑炼过程中不停放，多次割刀用于散热及获得均匀的可塑性。适用胶的掺和及易包辊的合成橡胶。,02,04,03,化学塑解剂塑炼法是在薄通塑炼法和一次塑炼法的基础上添加化学塑解剂进行的塑炼方法,分段塑炼法是当塑炼胶的可塑性要求较高，用一次塑炼或薄通塑炼达不到目的时而采用的一种有效方法。,塑炼效果好，可塑性较高且均匀，适用各种橡胶，特别是机械塑炼效果差的合成橡胶，广泛使用，主要缺点是生产效率低,生产效率高，塑炼胶可塑性高且均匀，生产中广泛应用。生产管理麻烦，占地面积大，不适合连续生产,能够提高塑炼效率，缩短塑炼时间，降低塑炼胶弹性复原和收缩,26,工艺条件及其对塑炼效果的影响,开炼机塑炼需要在低温进行,27,辊温对塑炼效果的影响,开炼机塑炼宜采用低温。温度低时，橡胶的弹性大，受到的机械作用力大，塑炼效果好。而温度升高，则橡胶变软，所受机械作用力小，塑炼效率降低。如右图所示。为了提高塑炼效果，应加强开炼机塑炼时的冷却辊筒温度，严格控制辊温，尤其是合成橡胶。辊温偏高，使生胶产生热可塑性而达不到塑炼效果。,辊温偏低虽然能够提高塑炼效果，但动力消耗大，设备耗损严重。实际生产采用合适的辊温冷却胶片是提高塑炼效果有效的方法。,塑炼温度对生胶可塑性的影响,28,辊距对塑炼效果的影响,辊筒速度恒定时，辊距减小会增大橡胶收到的力的作用，提高塑炼效果，同时胶片变薄，易于冷却，进一步协同塑炼效果。,如右图所示：当辊距从4mm减小到0.5mm时，天然橡胶的门尼黏度迅速降低，可塑性迅速提高。薄通塑炼就是基于这个道理。,29,天然橡胶在不同转速下塑炼时的降解,辊筒转速快，即单位时间内生胶通过辊缝的次数多，所受机械力作用大，塑炼效果好。如右图所示，辊速过快时，塑炼胶升温快，反而会使塑炼效果下降，同时操作也不安全。因此辊速不宜过快，一般为1318r/min。,辊速&速比对塑炼效果的影响,辊筒之间的速度比越大，速度梯度越大，剪切力越大，塑炼效果越明显。但速比过大时，激烈的摩擦作用导致橡胶温度上升过快，反而降低塑炼效果，而且电机负荷大，安全性差。,30,天然橡胶可塑度与塑炼时间的关系,生胶塑炼效果与时间有一定关系，在一定的时间范围内，塑炼时间越长，塑炼效果越好。超过某个时间范围之后可塑性趋于平稳。如右图所示，在塑炼的最初1015min内，塑炼胶的可塑性增加较快。超过20min后，可塑性增加不在明显。出现此现象的原因是由于在经过一段时间塑炼后，生胶的温度逐渐升高而软化，此时橡胶分子链变得容易滑移，降低了机械作用对橡胶的塑炼效果。,塑炼时间对塑炼效果的影响,31,开炼机塑炼的工艺条件总结,辊温：4555以下辊距：采用较小的辊距塑炼时间：不超过20min辊速和速比：11.151.27,V塑炼容量，L；K经验系数，取值一般为0.00650.0085，L/cm3；D辊筒直径，cm；L辊筒工作部分长度，cm合成橡胶塑炼时生热大，装胶容量应比NR少,装胶容量：V=KDL,总之，若塑炼控制“低温，小辊距，不超20min，控制投料量”，则塑炼效率高。,32,密炼机塑炼,简介,是目前我国橡胶制品大规模生产的主要设备,密炼机塑炼属于高温氧化塑炼，相比开炼机塑炼，密炼机塑炼具有如下特点：密炼机转速高，生产能力大转子的断面结构复杂转子的短突棱具有一定导角密炼室的温度较高自动化程度高劳动强度和卫生条件都可以得到改善,33,密炼机的结构,六个部分混炼部分Mixingsection加料部分Feedmodulesection压料部分Pressureramsection卸料部分Dischargesection传动装置部分Drivesection底座,五个系统加热冷却系统Heatingcoolingsystem气压系统Compressedairsystem液压系统Hydrauliesystem电控系统Elestriccontroller(system)润滑系统Lubricationsystem,34,与开炼机相比密炼机塑炼的特点,密炼机转速高，生产能力大转子转速为每分钟20、40、60r甚至高达80或100r。转子的断面结构复杂转子表面各点与轴心距离不等，因此产生不同的线速度，使两转子间的速比变化很大(1:0.91l.47之间)，促使生胶受到强烈的摩擦、撕裂和搅拌作用。此外，胶料不仅在两转子的间隙中受到剪切作用；而且还在转子与密炼室腔壁之间以及转子与上、下顶栓的间隙之间都受到剪切作用，因此可得到较高的塑炼效率。,35,转子的短突棱具有一定导角(一般为45o角)能使胶料作轴向移动和翻转，起到开炼机手工捣胶作用，使生胶塑炼均匀。密炼室的温度较高(一般为140左右)因此能使生胶受到剧烈的氧化裂解作用，使胶料能在短时间内获得较大的可塑性。自动化程度高密炼机塑炼不仅生产能力大，塑炼效率高，而且自动化程度高，电力消耗少。劳动强度和卫生条件都可以得到改善密炼机塑炼时，由于胶料受到高温和氧化裂解作用，会使硫化胶的物理机械性能有所下降设备造价较高，占地面积大，设备清理维修较困难，适应面较窄，一般适用于胶种变化少，耗胶量大的工业生产,与开炼机相比密炼机塑炼的特点,36,啮（ni）合型转子,剪切型转子,37,密炼机塑炼的方法通常有：1.按次数分（1）一段塑炼（2）分段塑炼2.按是否添加化学塑解剂（1）普通塑炼（2）添加化学塑解剂塑炼,密炼机塑炼方法,38,一段塑炼：工艺：将生胶一次投入密炼室中，在一定温度及压力条件下连续塑炼至所需可塑性要求。特点：此法与分段塑炼相比较，塑炼周期短，塑炼胶占地面积小，且操作较为简便，但塑炼胶的可塑性较低。应用：适用于可塑性要求不太高的塑炼胶(如轮胎胎面塑炼胶)的制备。,39,分段塑炼：工艺：和开炼机分段塑炼法相同，塑炼工艺分数次（2）完成，可以在一台密炼机也可在数台密炼机上完成，中间经停放。是用于制备较高可塑性塑炼胶的一种工艺方法。特点：此法与一段塑炼相比较，可使塑炼胶的可塑性较高，均匀性较好，但塑炼周期长，中间塑炼胶停放占地面积大。应用：较高可塑性的塑炼胶(如轮胎帘布胶)时，常用分段塑炼法塑炼。,40,添加化学塑解剂塑炼：对密炼机高温塑炼更为有效。此法与一段塑炼相同，化学塑解剂的添加量一般为生胶量的0.3%0.5%，并以母胶形式加入，以提高分散效果。使用化学塑解剂后，塑炼温度可以降低。例如，使用促进剂M进行塑炼时，排胶温度可以从纯胶塑炼的170左右降低到140左右，而且塑炼时间可以比纯胶塑炼缩短30%50。,41,工艺条件及其对塑炼效果的影响,1.温度塑炼温度是影响密炼机塑炼效果好坏的最主要因素，温度对密炼机塑炼的影响如表和图所示。,密炼机温度对塑炼的影响,密炼机塑炼NR时温度与可塑度的关系,最佳温度范围,丁苯橡胶要控制在140以下，温度太高会发生枝化、交联等反应，降低可塑性。但温度也不能太低。否则达不到塑炼效果。,42,2.时间与开炼机不同，生胶的可塑性随在密炼机中塑炼时间的增长而不断地增大。,工艺条件及其对塑炼效果的影响,从图中可以看出，在塑炼初期，可塑性随着时间的增加可塑性呈直线上升，经过一段时间后，可塑性的增长速度降低，这是由于随着塑炼时间的增长，密炼室中充满大量的水蒸汽和低分子挥发性气体，它们阻碍了橡胶与周围空气中氧的接触，同时也使氧的浓度下降，从而使橡胶的氧化裂解反应减慢。,43,3.化学塑解剂在密炼机高温塑炼条件下，使用化学塑解剂比在开炼机中更为有效。因为高温对化学塑解剂的效能具有促进作用，从而能进一步缩短塑炼时间，并能相应降低塑炼温度，使塑炼温度低于纯胶塑炼温度。,工艺条件及其对塑炼效果的影响,44,4.转子转速在一定温度条件下，塑炼胶可塑度随转子转速的增加而增大。在实际生产中，转速通常是不变的，因而在制定塑炼条件时，转速一般不是考虑的因素。但如果存在不同转速的机台，则应根据转速的快慢确定不同的塑炼时间，以获得相同的塑炼效果。,工艺条件及其对塑炼效果的影响,转子转速对密炼机塑炼效果的影响,45,工艺条件及其对塑炼效果的影响,5.装胶容量密炼机塑炼时，必须首先合理确定装胶容量（称工作容量）。容量过大或过小，都影响生胶获得良好的塑炼效果。容量过小，生胶会在密炼室中打滚，不能获得有效塑炼；容量过大会使生胶塑炼不均匀，排胶温度升高，设备因超负荷运转而易于损坏。,6.上顶栓压力上顶栓压力的大小，对塑炼效果影响很大。实验表明，适当增加上顶栓压力，提高对胶料的剪切力作用，是缩短塑炼时间的有效方法。当压力不足时，上顶栓被塑炼胶推动产生上、下浮动，不能使胶料压紧，减小对胶料的剪切力作用。当压力太大，上顶栓对胶料阻力增大，使设备负荷增大。,46,作用原理螺杆挤出机塑炼是借助螺杆和带有锯齿螺纹线的衬套间的机械作用，使生胶受到破碎、磨擦、搅拌、并在高温下获得塑炼效果的一种连续塑炼方法。使用设备主要是单螺杆一段塑炼机和双螺杆两段塑炼机。,螺杆塑炼机塑炼,47,螺杆塑炼机塑炼,特点螺杆挤出机塑炼具有连续化、自动化程度高，生产能力大，动力消耗少，占地面积少，劳动强度低等优点。最适用于生胶品种少、耗胶量大的大规模工业生产。但从目前国内使用螺杆机塑炼来看，还存在一些如排胶温度高、塑炼胶热可塑性大、可塑性不均匀（夹生现象）和较低等缺陷，因此在应用上受到一定限制。,48,螺杆塑炼机塑炼,塑炼工艺目前，螺杆挤出机塑炼仅适用于天然橡胶。塑炼的工艺过程是，先将螺杆机工作部件预热至规定温度(机头8090，机身90110，机尾60以下)。然后将预热至7080的天然橡胶切胶胶块(质量为l0kg左右)通过输送带送入螺杆塑炼机加料口，并加压使生胶在机筒和螺杆间进行塑炼。当塑炼胶不断排出后，用输送带将塑炼胶片(或胶粒)送至开炼机上进行补充加工、下片、冷却并停放。塑炼胶必须停放24h，方可供下道工序使用。天然橡胶经螺杆塑炼机塑炼其可塑度一般可达，一段塑炼胶0.210.30(威氏)；二段塑炼胶0.310.40(威氏)。塑炼胶排胶温度一般为170180。,49,螺杆塑炼机塑炼,塑炼效果螺杆机塑炼效果取决于机温、胶温、填胶速度和出胶空隙等因素。温度是螺杆机塑炼时必须严格控制的主要工艺条件。机温过低不能获得良好的塑炼效果，设备负荷大；温度过高则影响橡胶的加工性能及物理机械性能。当机身温度高于110时，生胶的可塑性增加不大，而当温度高于120时，则排胶温度太高，使胶片(或胶粒)发粘而产生粘辊，不易进行补充加工，并使物理机械性能严重下降。生胶块在送入螺杆机之前，若胶温低于预热规定温度7080时，则容易产生塑炼不均匀(夹生)的现象，并易造成设备负荷过大而引起停机现象。,50,螺杆塑炼机塑炼,塑炼效果,填胶速度应均匀，并与机身容量相适应。填胶速度过快，机筒内积胶多，就会形成较大的静压力，使胶料容易析出机头；由于胶料在机筒内的停留时间短，得不到充分的塑炼，因而塑炼胶的可塑性小且不均匀；反之，填胶速度过慢，胶料在机筒内的停留时间长，致使塑炼胶可塑性过大，严重时会呈现粘流状。实际操作时，为让胶块连续自动进入机身内，必要时可利用风筒适当加压，以帮助胶块顺利进入螺杆机内，使塑炼顺利进行。出胶空隙主要指机头与螺杆端部之间的环形间隙，它可通过调整螺杆的装置来调节。如间隙大，机头部位阻力小，出胶量大，塑炼胶可塑性小；反之，间隙小，塑炼胶的可塑性则较大。例如，用300的螺杆机塑炼天然橡胶时，当出胶空隙调至最小时，塑炼胶的可塑度可达0.4(威氏)左右。,51,常用橡胶的塑炼特性,52,天然橡胶容易塑炼的原因,分子量较高，分子链易被扯断,诱导效应和共轭效应活化了-次甲基位上的氢原子，使天然橡胶容易进行氧化反应，且生成的氢过氧化物，主要呈降解反应,大分子自由基稳定性较高，不易产生再结合，机械塑炼效果好,甲基对双键的诱导效应和共轭效应的加和作用，使分子主链中链节间的结合键能较低,53,合成橡胶塑炼特性,A,分子链较短,C,大分子自由基的稳定性低,B,不易形成结晶,D,在高温氧化时更易产生交联形成凝胶,此外，合成橡胶中的防老剂，会对塑炼时加入的化学塑解剂起抑制作用，降低塑炼效果。生产上，为克服合成橡胶在塑炼加工中的困难，通常已在合成阶段通过控制聚合度等方法，制成具有较低门尼黏度的生胶，无须塑炼加工，只有硬丁腈橡胶等高门尼黏度的合成橡胶才需进行塑炼加工。,54,天然橡胶(NR),开炼机塑炼,通常采用低温(4050)薄通(辊距0.51mm)塑炼法和分段塑炼法效果最好。,密炼机塑炼,温度宜在155以下，时间约在13min左右；塑炼时间增加，可塑性随之增大，但不要过炼，否则可塑性变得过高而使物理机械性能下降。,常用橡胶的塑炼特性,天然橡胶是生胶塑炼的主要胶种，用开炼机和密炼机进行塑炼均能获得良好效果,天然橡胶塑炼后，为使橡胶分子链得到松弛和可塑性均匀，需停放一定时间(48h)，才能供下道工序使用,55,丁苯橡胶（SBR）,开炼机塑炼,薄通法比较有效，辊距越小，塑炼效果越好；通常辊距为0.51mm，辊温为3045,密炼机塑炼,严格控制塑炼温度和时间，温度过高或时间过长，都易生成凝胶，使塑炼效果降低；温度以137139为宜，不应超过140。,常用橡胶的塑炼特性,软丁苯橡胶的初始门尼黏度在4060之间，能满足加工要求，一般无需塑炼；适当塑炼可改善压延、压出等工艺性能,56,顺丁橡胶(BR),开炼机塑炼,顺丁橡胶分子量分布较窄，分子链很柔顺，低温塑炼对顺丁橡胶的可塑性影响很小；适当塑炼（薄通塑炼，辊温40左右，辊距1mm以下），使其质地均匀，可提高硫化胶的物理机械性能,密炼机塑炼,高温塑炼，可使顺丁橡胶的黏度显著下降；