橡胶的成型原理

.15.06.2020，作为橡胶的聚合物化合物的特征是：低内聚能密度、大分子量、宽分子量分布等。橡胶和塑料在常温下处于不同的状态。因此，它的加工与塑料有所不同，但都属于聚合物加工，所以也有许多相似之处。塑料和橡胶的区别：15.06.2020，橡胶成型是指通过一系列化学和物理作用，由生橡胶及其混合成分制造橡胶产品的过程。生橡胶，即橡胶成型的原材料，是通过化学处理或加工天然或合成聚合物化合物制备的浓缩胶乳(胶体水分散体系)和干橡胶。该复合剂类似于塑料添加剂，与生胶配合使用，提高橡胶制品的加工和使用性能，降低成本。加工程序：生橡胶的塑化，塑化橡胶的混合、成型和硫化，15.06.2020，教学目标和要求1，掌握橡胶成型的基本方法和原理2，成型产品结构与性能的关系3，硫化机理的重点和难点1，塑化混炼机理2，硫化机理，15.06.2020，第1节生胶和复合剂，橡胶成分：生胶；橡胶合成化学品。因为橡胶分子之间的力很小，当温度稍高时就会变软变粘，在较小的力下就会产生塑性流动。很难保持一定的形状。它易于溶胀和溶解在溶剂中，并且其机械性能非常低。因此，不协调的生橡胶没有实际应用。此外，由于使用过程中的结构原因，它很容易老化。因此，在生胶加工过程中添加复合剂是必要的。由于添加复合剂的原因，在生胶中应添加各种复合剂，并交联形成网络结构，从而具有实际应用价值。生橡胶：硫化剂：将橡胶从线性长链分子转变成网状大分子的物质。这一过程也称为硫化。硫化促进剂：促进橡胶硫化，降低硫化温度，缩短硫化时间，改善硫化橡胶的物理机械性能。硫化物活化剂：也称为活化剂和促进剂。防焦剂：也称为硫化阻燃剂。嘿。嘿。15.06.2020，抗氧化剂：抑制橡胶老化。增塑剂：目的软化生胶，增加可塑性，并加入炭黑等湿粉状配合剂。填料：分为增强填料和惰性填料。增强填料可以提高橡胶的强度，如炭黑；惰性填料，也称为增容剂，只是为了降低成本和节省生橡胶，如滑石。这是橡胶中最大的一种复合剂。能改善硫化橡胶物理机械性能如撕裂强度、拉伸强度、撕裂强度和耐磨性的填料称为增强剂，最常用的是炭黑，其次是白炭黑(沉淀二氧化硅)、超细活性碳酸钙、活性白土等。填料，填料由于橡胶的表面性质不同，活性也不同，根据表面特性可分为亲水性，如碳酸盐、粘土、氧化锌等。它们的特性不同于生橡胶，不容易被橡胶弄湿；疏水的，如各种炭黑，具有类似橡胶的表面性质，易于与橡胶混合。增强剂。15.06.2020，橡胶可以润湿炭黑，并很好地吸附在炭黑表面，形成物理结合(较弱)。炭黑表面的不均匀性当炭黑与橡胶混合并硫化橡胶化合物时，炭黑表面的活性点与橡胶自由基形成化学键(比物理键大得多)。强调了炭黑的强化机理。炭黑与橡胶的结合反应是炭黑增强橡胶的根本原因。15.06.2020。当炭黑的填充量大时，橡胶分子链可以吸附在几个炭黑颗粒上形成强凝胶。理论上，只要橡胶分子链的一个点与炭黑结合，整个分子链就会变成凝胶，变得松散。15.06.2020，弱键和强键理论，橡胶链的有限长度理论，布兰查德(B1anchard)和帕金森(ParKinson)在20世纪50年代提出的概念。15.06.2020，对于炭黑的增强效果，强键的数量是最重要的。因此，为了橡胶化合物的增强性能，要求炭黑颗粒小并且还具有大量强键，即炭黑必须是高活性的小颗粒。从2020年6月15日可以看出，具有大量强键的化合物非常耐磨。石墨化炭黑不耐磨，因为它失去了活性并且几乎没有强键。尽管硅酸钙颗粒很小，但它们没有活性，没有与橡胶的化学结合，也没有增强作用。该图比较了硫化橡胶和五种具有相似粒径的填料的耐磨性之间的关系。橡胶链在应力作用下的伸长有一定的限度，超过这个限度就会脱离炭黑表面或断裂。如图所示，碳黑颗粒有三个不同长度的分子链。在伸长过程中，最短的链A如果超过其最大长度，首先断裂，然后是链B和链C。(2)炭黑颗粒之间的橡胶链的有限长度理论只考虑炭黑颗粒和橡胶链形成的强键。根据布切的说法。15.06.2020，在没有炭黑的情况下，橡胶链断裂后，其应力由相邻的链承受，并且很容易一个接一个地断裂。在炭黑存在的情况下，颗粒之间有许多橡胶链，一条链断裂，应力由其它链分担，因此炭黑起到均匀应力的作用，并减少整体开裂。当伸长率较大时，炭黑颗粒也会移动，这使得应力松弛起到缓解应力的作用。炭黑的增强机理是均匀的和应力松弛的。15.06.2020，炭黑颗粒的表面活性不均匀，有几个强活性点和一系列不同能量的吸附点。炭黑表面的橡胶链具有不同的结合能，大多数是弱范德华吸附，少数是强化学结合。(3)分子链滑移理论。15.06.2020，弱键在应力作用下会滑动和拉伸，其机理可以表述为，(a)两个炭黑颗粒之间有三条分子链，而橡胶链的长度不同；(此时，橡胶链处于松弛状态)，(b)当伸长率不大时，颗粒间最短的链被完全拉直并承受应力；当伸长率增加时，最短的片段不断裂，而是滑动伸长率。此时，应力由两个直线段承受，起到均匀施加的作用。这是炭黑增强的一个重要因素。因为滑动所需的能量比链条切断或脱落所需的能量小得多，(d)表明当伸长率继续增加时，更多的片段由于滑动而定向，并能承受更大的应力，这是炭黑增强的另一个重要因素。(e)最后，由于滑动摩擦，橡胶混合物具有高滞后损失，这将消耗部分外力并将其转化为热量，从而防止橡胶损坏是炭黑增强的另一个因素。15.06.2020，在去除外力后，收缩缓解后的状态将恢复到松弛状态，这是由于在应变下硫化橡胶网络结构的损坏而不能完全恢复的。更重要的是，由于链的滑动颗粒中的三个链的长度变得相等，链再次被拉伸而没有任何应变链，这降低了应力并软化了应力。从图中可以看出，炭黑的量有一个峰值。炭黑增强橡胶的扫描电镜照片显示，在峰值之前，炭黑主要以单颗粒形式分散在橡胶中。峰值之后，炭黑以粒料的形式部分分散在橡胶中，这阻碍了其增强效果。影响炭黑补强效果的因素包括炭黑的种类、用量、粒径和结构，15.06.2020，第二节橡胶胶料的加工原理，生胶是一种高弹性材料，需要加工成一定的可塑性(塑化)并与配合剂混合(混炼)制成各种产品(成型)。模塑后或模塑过程中，橡胶可以恢复和增强弹性(硫化橡胶，15.06.2020，含量，1，橡胶混合物的流动性2，生橡胶混合物的塑化3，橡胶混合物的混合，15.06.2020、橡胶加工过程涉及胶料的流动性能，胶料的流动性能是加工过程中最重要的性能，影响加工性能的流变性能主要包括粘度、弹性记忆效应、断裂过程的力学性能(断裂性能)，1、胶料的流动性能，15.06.2020、在橡胶加工温度条件下，橡胶可视为一种粘度很高的液体， 但它在加工过程中具有不遵循牛顿定律的粘弹性橡胶流动行为，表现出机械剪切力作用下的粘性响应和弹性响应，即粘性流动效应和弹性松弛效应同时存在。 橡胶在加工过程中的流变性本质上是粘度和弹性同时作用的结果，15.06.2020、橡胶的粘度和塑性最终与橡胶的流动性有关，即橡胶的粘度，因此粘度对橡胶加工有很大影响。可塑性：当橡胶在外力作用下变形时，在外力消除后，它仍然保持变形的能力。在橡胶加工中，涉及到塑化、混合、成型和硫化过程，而这些过程要求橡胶具有一定的可塑性。15.06.2020，橡胶的可塑性大：低粘度、高流动性、塑化、混合或成型时的流动性好、塑化时的缠绕辊适中、薄膜表面光洁度高等。但是，塑性太大，粘辊太小，不需要卷包，收缩率大，膜表面粗糙。影响粘度的因素有：温度、剪切应力和剪切速率、分子量、分子量分布、支化度、再生胶等。例如，15.06.2020，弹性记忆，这种弹性恢复对生橡胶的尺寸有很大影响。弹性记忆效应中一个非常重要的参数是应力松弛时间。如果松弛时间很短，比观察时间短得多，那么观察过程中保留的变形就不再存在，也看不到弹性恢复，这可以看作是一个短的弹性记忆。如果当观察到该效应时，弛豫时间长并且可恢复变形大，则可以看到弹性变形，即，弹性记忆没有被遗忘。弹性记忆，即所谓的弹性恢复，是指生橡胶在加工过程中粘弹性的弹性成分。15.06.2020，生胶的分子量和分子量分布会影响松弛时间：大分子量、高分子量分数和长支链会增加松弛时间，使弹性记忆显著，恢复弹性增加。此外，橡胶类型、胶料中橡胶含量、炭黑、软化剂含量、温度、剪切速率等都对弹性回复率有影响。影响松弛时间的因素，15.06.2020，2。生胶的塑化：塑化是将弹性生胶转变成塑性橡胶的工艺过程。为什么橡胶比塑料少？橡胶分子之间的作用力相对较小，但橡胶的平均分子量很大Mn=(1 10) 105，而且每个分子链上的总作用力很大，因此橡胶分子链的相对位移很困难，而且粘度很高。此外，它在加工过程中具有高弹性和弹性。因此，为了满足各种加工技术的要求，生橡胶必须从强弹性状态转变为软塑性状态。降低分子量是获得生橡胶塑性的最有效方法。只有这样，粘度才能降低，塑性才能提高。降低分子量实质上是破坏分子链。橡胶塑化的本质，(1)获得适合各种加工工艺要求的塑性，并达到均匀的塑性；(2)有利于橡胶材料进行各种成型操作；然而，过度塑化会降低硫化橡胶的强度、弹性和耐磨性。塑化。15.06.2020，高温塑化：自动氧化降解是增强橡胶与氧气接触的主要机械力，塑化法，机械塑化法，化学塑化法，低温塑化：机械降解是主要机械降解，机械塑化是主要方法，橡胶塑化法，15.06.2020，机械塑化在塑化过程中，由于强烈的摩擦、挤压和剪切的反复作用，卷曲和缠结的大分子链相互拉直，易于局部集中机械应力。当应力大于大分子链上键的断裂能时，大分子链断裂，分子量降低，从而获得塑性。在塑化过程中，断裂过程并不混乱，而是遵循一定的规律。当大分子链受到剪切力时，它沿流动方向拉伸，分子链的中心部分受力最大，链段的两端保持一定的卷曲。因此，大分子链的中心部分首先断裂(理论上，10条链中只有一条距离中心1/3，其余链在中心断裂)。可以通过使用以下公式进行理论分析：15.06.2020，其中：-分子链断裂概率；K1，K2-常数；电子分子化学键能；链断裂伸长率；F0作用在分子链上的力；F0链条断裂时的机械功；最长分子的相对分子质量；平均相对分子质量；=-作用在分子链上的剪切力、15.06.2020，橡胶的粘度越大，剪切速率越大，分子应力越大；相对分子质量越大，应力越大。当外力施加的机械功大于化学键能时，分子断裂的概率增加，即断裂经常发生在键能低的化学键上。由于橡胶大分子的主链比侧链长得多，大分子之间范德华力和几何位移的纠缠使得主链上的应力比侧链上的应力大得多，因此主链断裂的可能性比侧链断裂的可能性大得多。从公式中可以看出，分子链断裂的概率与作用在分子链上的机械力、橡胶化合物的温度和大分子链的键能有关。15.06.2020，因此中等相对分子质量分数增加，这使得生橡胶的相对分子质量降低，而其相对分子质量分布变窄。机械作用的结果是，生橡胶的最大相对分子质量分数先断裂后消失，而低相对分子质量分数几乎不变。15.06.2020。在低温下，机械作用首先破坏橡胶大分子，产生大分子自由基。R-R2R自由基的化学性质非常活跃，产生的自由基将重新结合，从而无法获得预期的塑化效果。因此，氧的作用，光靠机械力的作用是不够的。实践证明，在惰性气体中长时间塑化的塑性几乎不变，而生胶的粘度在氧塑化中迅速下降。在实际的塑化过程中，橡胶与周围空气中的氧气接触。氧不仅能直接与橡胶大分子反应氧化和裂解大分子，还能作为活性自由基的稳定剂，将自由基转化为稳定的分子，即氧起着极其重要的双重作用。15.06.2020，温度的影响，从曲线上可以看出：在110以下，在低温塑化区，塑化效果随着温度的升高而降低；然而，在110以上的高温塑化区，塑化效果随着温度的升高而增强。随着低温区温度的升高，橡胶混合物受热时会变软，分子链容易滑动，难以切断。因此，施加在橡胶化合物上的机械力将显著降低，这将降低机械力对分子链的影响，并降低生橡胶的塑化效率。在高温区，虽然机械力减小，但由于高温和大热，氧的自动催化氧化急剧增加，加速了氧化和降解速度，塑化效果随着温度的升高而增强。在低温和高温(11