橡胶类产品母料加工工艺.ppt

橡胶类产品母料加工工艺 长园电子研发部王华东 内容 1橡胶的基本概念 2橡胶的配合剂 3橡胶母料的加工工艺 4我司用胶介绍 1 橡胶的基本概念 定义和用途 橡胶 具有可逆形变的高弹性聚合物材料 其伸长率可达100 1000 除去外力后能恢复原状 橡胶属于完全无定型聚合物 它的玻璃化转变温度 Tg 低 其分子量一般都在10万以上 有的甚至达到100万以上 橡胶是高弹性的高分子材料 由于橡胶具有其他材料所没有的高弹性 因而也称作弹性体 橡胶经过硫化可将线型高分子交联成三维网状高分子量聚合物 这种已硫化交联的橡胶称作硫化橡胶 俗称熟橡胶 未硫化的橡胶俗称生胶或生橡胶 用途 广泛用于制造轮胎 胶管 胶带 电缆及其他各种橡胶制品 具有橡胶状弹性 具有粘弹性 有缓冲减震作用 对温度依赖性大 具有电绝缘性 有老化现象 需进行硫化 必须加入配合剂 橡胶的共性 拉伸强度定伸应力撕裂强度伸长率永久变形回弹性硬度 表征橡胶物理机械性能的指标 分类 通用合成橡胶 凡是性能与天然橡胶相近 物理机械性能和加工性能较好 能广泛用于轮胎和其他一般橡胶制品的 称为通用合成橡胶 1丁苯橡胶2顺丁橡胶3异戊橡胶4乙丙橡胶5丁基橡胶6氯丁橡胶 特种合成橡胶 凡是具有特殊性能 专门用于制作耐热 耐寒 耐化学物质腐蚀 耐溶剂 耐辐射等特种橡胶制品橡胶称为特种合成橡胶 1丁腈橡胶2硅橡胶3氟橡胶4聚氨酯橡胶5丙烯酸酯橡胶6氯磺化聚乙烯 2 橡胶的配合剂 橡胶配合剂 硫化剂硫化剂是一类使橡胶由线形长链分子转变为网状大分子的物质 这种转变称为硫化 硫化剂 硫磺 一氯化硫 硒 碲及其氯化物 硝基化物 有机过氧化物以及某些金属氧化物 橡胶配合剂 硫化促进剂硫化促进剂可促进橡胶的硫化作用 降低硫化所需温度 缩短硫化时间 并改善硫化胶的物理机械性能 硫化促进剂的种类很多 无机类硫化促进剂 如氧化铅 氧化镁等 硫化效果较差 已被淘汰 目前主要使用有机类硫化促进剂 橡胶配合剂 防老剂橡胶的老化 橡胶在加工 贮存和使用过程中 由于受到各种外界因素 如热 氧 臭氧 金属离子 电离辐射 光 机械力等 的作用 而逐步失去其原有的优良性能 以至最后丧失了使用价值 添加防老剂的目的 抑制橡胶的老化现象 物理防老剂 石蜡化学防老剂 热稳定剂 抗氧剂 紫外吸收剂 光屏蔽剂 橡胶配合剂 填充剂补强填充剂提高硫化橡胶的强力 撕裂强度 定伸强度 耐磨性等物理机械性能 炭黑 白炭黑 活性陶土 超细活性碳酸钙 惰性填充剂增加胶料体积 节约成本 改善加工性能 云母粉 滑石粉 沉淀碳酸钙 硫酸钡 橡胶配合剂 软化剂和增塑剂目的 改善橡胶的加工和成型性能 增加橡胶的塑性 物理增塑剂 使橡胶溶胀 增大橡胶分子间的距离 降低分子间的作用力 从而使胶料的塑性增加 化学增塑剂 加速橡胶分子在塑炼时的断链作用 并使已断链的橡胶分子趋于稳定 3 橡胶母料的加工工艺 橡胶的主要性能指标 可塑度门尼粘度门尼烧焦抗张强度 定伸强度 扯断伸长率和扯断永久变形磨耗弹性耐低温性能 塑炼 混炼 成型 硫化 挤出 去边 橡胶制品的工艺流程图 压制 母料加工工艺 一 塑炼 高弹性是橡胶最可宝贵的性能 但却给加工工艺带来极大的困难 这是因为在加工过程中施加的机械功会无效地消耗在橡胶的可逆变形上 为此 需将生胶经过机械加工 热处理或加入某些化学助剂 使其由强韧的弹性状态转变为柔软而便于加工的塑性状态 塑炼结果 使生胶获得一定的可塑性 适合于混炼等后段工序 使生胶的可塑性均匀化 使胶料的质量均匀 改善胶料的流动性 便于压延 压出操作 塑炼 塑炼机理 橡胶经塑炼以增加其可塑性 其实质乃是使橡胶分子链断裂 降低大分子长度 橡胶的分子链很长 分子间吸引力大且线性分子之间存在大量缠结点 大大阻碍了长链分子的位移运动 要增加橡胶的可塑性或塑性变形 必须使橡胶分子易于发生大分子链的位移运动 所以减少橡胶分子链的长度 降低分子量 是降低分子间作用力 增大橡胶分子的塑性变形的最有效方法 一般门尼粘度在60以下的均可不经过塑炼而直接混炼 塑炼 由于橡胶在塑炼时 遭受到氧 热 机械力和增塑剂等因素的作用 所以塑炼机理与这些因素密切相关 机械力的作用氧的作用温度的作用增塑剂的作用 橡胶分子链断裂的主要影响因素 生胶在塑炼机械剧烈的拉伸 挤压和剪切应力的反复作用下 长链分子产生局部应力集中 致使分子链断裂 然后断链的活性自由基为氧或其他自由基受体所俘获而稳定 变成较短的分子而增加了可塑性 机械断链一般只对一定长度的橡胶分子链有效 当橡胶分子量小到一到一定程度后 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 机械力的作用 当温度一定时 随着施加于橡胶上的总机械功的增大 如增加塑炼机械的转速 增加薄通次数等 分子链降解程度就愈大 机械力的作用 塑炼的结果 使橡胶的分子量变小 分子量分布变窄 在低温塑炼时 橡胶大分子受机械力的作用 分子链被切断而形成自由基 这种自由基能迅速地与氧产生化学反应 从而使断链后自由基得到稳定 无氧 氮气保护 存在时 断链所形成的自由基可发生偶合或支化反应 此时则得不到塑炼效果 氧的作用 低温塑炼 分子链断裂的主要原因是由于机械力的作用 随着温度的升高 生胶粘度的降低 分子滑动性增加 塑炼时遭受机械力的作用降低 因此 在低温塑炼时要注意降温 防止随着炼胶时间的增加 胶料温度升高 温度的作用 高温塑炼 主要是氧化使分子链断裂 适当的高温有利于胶料的热氧断链 但要注意 温度过高 胶料降解严重 会影响物理机械性能 低温塑炼 高温塑炼 增塑剂的作用 使用化学塑解剂能提高塑炼效果 它在塑炼中的作用与氧相似 不同塑解剂的作用机理也各不相同 根据他们的使用温度 可分为 低温塑解剂 苯醌和偶氮苯高温塑解剂 过氧化苯甲酰 偶氮二异丁腈高低温通用型塑解剂 硫醇及其二硫化物类 二邻苯甲酰胺二苯基二硫化物低温塑解剂起自由基受体的作用 使断链的橡胶自由基稳定 从而生成较短的分子 高温塑解剂在高温时分解成极不稳定的自由基 促使橡胶分子生产自由基 进而氧化断链 起引发剂的作用 而高低温通用型的塑解剂兼有上述两项功能 机械塑炼法 采用开炼机 密炼机 螺杆塑炼机等的机械作用切断分子链而获得生胶可塑性 化学塑炼法 在化学药品的作用下 使橡胶大分子链解聚而达到塑化的目的 塑炼方法 A 开炼机优点 比较机动灵活 投资小 适用于变化较多的场合 缺点 劳动强度大 生产效率低 操作条件差 开炼机的两个滚筒的速比 前比后 1 1 15 1 27 操作方法 薄通塑炼法 包辊塑炼 分段塑炼法 化学塑解剂法 塑炼的机器 开炼机 开炼机塑炼的主要影响因素 辊温辊距辊速时间容量 辊温 开炼机塑炼为低温塑炼 为提高塑炼效果 应加强辊筒的冷却 严格控制辊温 生产中 由于辊筒冷却受到各种条件的限制 如辊筒导热性差和冷却水温度不易降低等 使辊温不易达到理想要求 因此 采用冷却胶片的方法是提高塑炼效果的有效措施 如使用胶片循环爬架装置以及采用薄通塑炼和分段塑炼等均属于这类措施 开炼机 注 合成橡胶的塑炼温度一般为 30 45 当添加了化学塑解剂后 为了使化学塑解剂产生最佳效果 炼胶温度一般以70 75 为宜 辊距 辊筒的速度恒定时 辊距减小会使生胶通过辊缝时所受的摩擦 剪切力 挤压力增大 同时胶片变薄易于冷却 辊速 塑炼时 辊筒转速快 即单位时间内生胶通过辊缝次数多 所受机械力的作用大 塑炼效果好 但辊筒速度过快 塑炼胶升温快 反而会使塑炼效果下降 同时操作也不安全 开炼机 时间 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 超过这个时间范围后 可塑性趋于平稳 在用开炼机作包辊塑炼时 般塑炼时间不宜超过20min 开炼机 B 密炼机密炼机主要部件包括密炼室 转子 上顶栓 下顶栓 冷却系统 润滑系统 密封装置和传动装置 优点 生产效率高 操作方便 劳动强度低 可塑度比较均匀 缺点 高温氧化裂解会使胶料的物理机械性能有所下降 造价较高 占地面积大 设备清理维修较困难 操作方法 称量 投料 塑炼 排胶 倒合 压片 冷却下片 存放 密炼机 密炼机主要部件包括密炼室 转子 上顶栓 下顶栓 冷却系统 润滑系统 密封装置和传动装置 密炼机塑炼的主要影响因素 转子转速 温度 时间 容量和上顶栓压力 密炼机 温度 密炼机塑炼为高温塑炼 温度一般在120 以上 随着塑炼温度的提高 胶料可塑度几乎按比例迅速增大 但是温度过高会导致橡胶分子过度降解 使物理机械性能下降 密炼机 可塑度 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 但到后期 可塑度增长放缓 可根据实际情况确定塑炼时间 密炼机 转子转速 一定温度条件下 塑炼胶可塑度随转子转速的增加而增大 但是 转子转速不宜过快 否则会使生胶温度过高 致使橡胶分子剧烈氧化裂解 或引起支化交联而产生凝胶 密炼机 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 装胶容量应根据密炼室壁和转子突棱磨损后的缝隙大小 通过实验确定 通常 装胶容量为密炼室容量的55 75 即填充系数为0 55 0 75 密炼机 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 但压力太大 上顶栓对胶料阻力增大 使设备负荷增大 密炼机 螺杆机塑炼 C 螺杆机塑炼螺杆机塑炼的特点是高温下连续进行 在螺杆机中 生胶一方面受到螺杆的强烈机械搅拌作用 另一方面由于生胶受螺杆与机身间的摩擦而产生大量热 温度可高达150 180 从而加速氧化裂解 获得塑炼效果 螺杆机塑炼的主要影响因素 机温 胶温 填胶速度 出胶空隙 螺杆机塑炼 C 螺杆机塑炼螺杆机塑炼具有连续化 自动化程度高 生产能力大 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 二 混炼 将配合剂加入到橡胶中去制成混合胶 为了提高橡胶产品使用性能 改进橡胶工艺性能和降低成本 必须在生胶中加入各种配合剂 混炼就是通过机械作用使生胶与各种配合剂均匀混合的过程 混炼是橡胶加工过程中最易影响质量的工序之一 混炼不良 胶料会出现配合剂分散不均 胶料可塑度过低或过高 燋烧 喷霜等现象 使后续工序难以正常进行 并导致成品性能下降 混炼 混炼 分散程度的提高与配合剂的表面性质有着重要的联系 配合剂类别虽多 但依据表面性质基本分为两类 亲水性配合剂 碳酸镁 碳酸钙 硫酸钡 陶土 氧化锌 锌钡白 氧化镁 氧化钙和其它碱性无机物等 这类配合剂的表面特性与生胶不同 两者界面极性相差很大 因此与生胶作用的活性较小 不易被橡胶润湿 在混炼中难以均匀分散 疏水性即亲胶性配合剂 如各种炭黑 这类配合剂粒子表面特性与生胶相近 两者界面极性相差较小 相互作用活性较大 混炼 为了提高配合剂 特别是亲水性配合剂 的分散程度 行之有效的方法是在胶料内加入表面活性剂 常用的有硬脂酸 高级醇 含氮化合物 某些树脂和增塑剂等 它们的分子结构中含有不同性质的基团 其中一部分为 OH NH2 COOH NO2 NO或 SH等极性基团 有亲水性 能产生很强的水合作用 另一部分为非极性碳氢键或苯环式烃基 具有疏水性 混炼 混炼过程分为两个阶段 第一阶段 湿润阶段或吃粉阶段 在此阶段中 配合剂聚集在一起 比表面积很大 橡胶与配合剂的接触面积就非常巨大 显然 要使橡胶能全部包围炭黑颗粒的表面 而且要渗入到炭黑凝聚体的空隙里形成高浓度的炭黑一橡胶团块 这就要求橡胶应具有很好的流动性 橡胶的黏度越低 对配合剂的湿润性就越好 吃粉也就越快 混炼 第二阶段 分散阶段 在此阶段通过加工中对胶料施加剪切力来克服配合剂聚集体粒子之间的内聚力 使其尽可能分散成为接近于单独的聚集体的过程 因此 增加胶料黏度和提高切变速率都能相应地提高胶料的剪切应力 以克服配合剂聚集体内聚力对分散的阻碍 从而提高分散效果 混炼的两个阶段对橡胶黏度的要求是相互矛盾的 为此 正确选择橡胶的可塑性和混炼温度对确保混炼质量是至关重要的 A 开炼机混炼开炼机混炼可分为 包辊 吃粉和翻炼三个阶段 1 包辊 将生胶包于前辊 用3 5分钟有个短时的预热过程2 吃粉过程 把需要加入的助剂按照一定的顺序加入 加入时要注意堆积胶的体积 当加入配合剂时 由于堆积胶的不断翻转和更替 便把配合剂带进堆积胶的绉纹沟中并进而带入辊缝中 少了难于混合 多了会打滚不容易混炼 混炼仪器 加料顺序 塑炼胶 再生胶 合成胶 或母炼胶 固体软化剂 小料 促进剂 活性剂 防老剂 大料 补强剂 填充剂 液体软化剂 硫化机 超促进剂3 翻炼过程 能更好 更快 更均匀的混炼 刀法 a 斜刀法 八把刀法 b 三角包法c 打扭操作法d 捣胶法 走刀法 开炼机混炼 B 密炼机混炼 密炼机混炼是在快速 高温 高压条件下进行的 其装胶容量大 混炼时间短 生产效率高 配合剂飞扬损失小 环境卫生条件较好 但炼胶温度难以控制 通常在140 以上 易出现焦烧现象 冷却水耗量大 不适宜混炼对温度敏感的胶料 浅色胶料 特殊胶料及品种变换频繁的胶料 密炼机混炼 密炼机混炼工艺 一段混炼 一次混炼好 通常采用慢速密炼机 转速20r min 混炼的程序 生胶 小料 补强剂 软化剂 排胶 压片机加硫磺 促进剂 下片 冷却停放 二段混炼 分两段混炼第一段 生胶 小料 补强剂 软化剂 排胶 压片 冷却 第二段 母胶 硫磺 促进剂 压片 冷却 第一段混炼可采用40r min密炼机进行 第二段混炼采用20r min慢速密炼机或压片机进行 密炼机混炼 常见的混炼胶的质量毛病A 配合剂结团主要原因有 生胶塑炼不充分 辊距过打 装胶容量过大 辊温过高 粉状配合剂中含有粗粒子或者结团 B 喷霜主要是由于某些配合剂用量过大 超过其常温下在橡胶中的溶解度造成的 当白色填充过多时也会有白色物质喷出 这时则称为喷粉 C 焦烧 胶料的早期硫化现象 原因 助剂配合不当 炼胶操作不当 冷却停放不当 气候影响等 混炼 4 我司用胶介绍 硅橡胶 为分子主链中为 Si O 无机结构 侧基为有机基团的一类弹性体 属于半无机的饱和的 杂链 非极性弹性体 典型的代表是甲基乙烯基硅橡胶 其中的乙烯基提供交联点 二甲基硅橡胶 甲基乙烯基硅橡胶为通用型 苯基链节在5 以下的甲基苯基硅橡胶为耐寒型 苯基链节达12 的甲基苯基硅橡胶为耐燃型 甲基苯基乙烯基硅橡胶为耐油型 硅橡胶 二甲基硅橡胶 甲基乙烯基硅橡胶 1 耐高温 低温性能好使用温度范围 100 300 高温性能与氟橡胶相当 工作范围广 耐低温性能在所有橡胶材料中是最好的 2 优异的耐臭氧老化 热氧老化和天候老化 3 优良的电绝缘性能4 具有优良的生物医学性能 可植入人体内 有高的透气性 可以作保鲜材料 缺点 拉伸强度和撕裂强度低 在所有的橡胶材料中是最低的 纯胶拉伸强度只有0 3MPa 价格昂贵 硅橡胶的性能 硫化 硅橡胶一般用过氧化物硫化 补强剂 硅橡胶必须用补强剂 最有效的补强剂是气相法白炭黑 结构控制剂 同时要配合结构控制剂和耐热配合剂 常用的耐热配合剂是金属氧化物 一般用Fe2O33 5份 常用的结构控制剂是二苯基硅二醇 硅橡胶的配合与加工 氟橡胶 氟橡胶 指分子链侧基含有氟的弹性体 有10种 其中普遍使用的是偏氟乙烯与全氟丙烯或再加上四氟乙烯的共聚物 我国称这类橡胶为26型橡胶 杜邦公司称为Viton型氟橡胶 结构如下 性能 1 氟橡胶一般具有较高的拉伸强度和硬度 但弹性较差 2 耐高温性能优异氟橡胶的耐高温性能在橡胶中是最好的 250 下可以长期工作 320 下可以短期工作 3 耐油性能优异其耐油性能在橡胶材料中也是最好的 4 耐化学药品及腐蚀介质性能优异氟橡胶耐化学药品及腐蚀介质性能在橡胶中也是最好的 可耐王水的腐蚀 性能 5 具有阻燃性 属于离火自熄性橡胶 6 耐侯性 耐臭氧性好 7 其耐低温性能差 弹性差 耐水等极性物质性能差 加工性差 价格昂贵 据是否加入第三单体分为 二元乙丙橡胶 EPM 和三元乙丙橡胶 EPDM EPDM根据第三单体的不同 分为 乙丙橡胶 EPDM的结构 EPM是完全饱和的橡胶 EPDM主链完全饱和 侧基仅有1 2 mol 的不饱和第三单体 因此 EPDM具有极高的化学稳定性和较高的热稳定性 耐候性 可与不饱和橡胶并用 但是耐热性和老化性下降 另外 乙丙橡胶不易被极化 不产生氢键 是非极性橡胶 耐极性介质作用 而且电绝缘性能极佳 比重为0 86 是所有橡胶中比重最小的 乙丙橡胶 EPDM的性能 优秀的耐臭氧性能 乙丙橡胶被誉为 无龟裂橡胶 在通用橡胶中它的耐臭氧性能是最好的 其次为IIR 再其次是CR 优秀的耐热老化性能 乙丙橡胶的耐老化性能在通用橡胶中是最好的 在130 下可以长期使用