(2025年)青岛科技大学橡胶工艺学期末考试复习题及参考答案

(2025年)青岛科技大学橡胶工艺学期末考试复习题及参考答案一、名词解释（每题3分，共15分）1.门尼粘度：衡量生胶或混炼胶在一定温度、时间和转子转速下的剪切粘度指标，通过门尼粘度计测定，数值越大表示胶料流动性越差，加工性能越低。2.焦烧时间：胶料在加工过程中从开始加热到出现早期硫化（交联）的时间，通常指门尼粘度上升5个单位所需的时间（ML(1+4)100℃中的“t5”），是胶料加工安全性的重要参数。3.硫化三要素：指硫化过程中控制硫化效果的三个关键参数，即硫化温度、硫化时间和硫化压力。三者协同作用决定橡胶制品的交联密度和物理机械性能。4.动态粘弹性：橡胶材料在周期性应力或应变作用下表现出的粘性（能量损耗）和弹性（能量储存）的综合特性，常用储能模量（G'）、损耗模量（G''）和损耗因子（tanδ）表征。5.补强剂：能显著提高橡胶力学性能（如拉伸强度、撕裂强度、耐磨性能）的填充剂，主要通过与橡胶分子链形成物理吸附或化学结合（如炭黑的“结合橡胶”）实现补强，典型代表为炭黑和白炭黑。二、简答题（每题6分，共30分）1.简述塑炼与混炼的主要区别。塑炼是通过机械剪切或化学作用降低生胶分子量、提高可塑性的过程，目的是改善胶料的加工流动性；混炼是将塑炼胶与配合剂（硫化剂、促进剂、补强剂等）均匀混合的过程，核心是实现配合剂在橡胶中的分散。二者区别在于：塑炼以降低分子量为主，对象是生胶；混炼以均匀分散配合剂为主，对象是塑炼后的胶料；塑炼影响胶料的基础加工性能，混炼直接决定胶料的最终性能均匀性。2.炭黑补强橡胶的主要机理包括哪些？炭黑补强机理主要有三点：①物理吸附作用：炭黑表面的活性基团与橡胶分子链形成氢键或范德华力，限制分子链滑动；②化学结合作用：炭黑表面的自由基与橡胶分子链反应提供化学键（结合橡胶），形成“橡胶-炭黑”网络；③填料网络作用：炭黑粒子间通过范德华力形成聚集体网络，在外力作用下通过网络的破坏与重建消耗能量，提高材料的抗撕裂和耐磨性能。3.促进剂按作用速度可分为哪几类？举例说明其典型应用。促进剂按作用速度分为：①超超速级（如二硫代氨基甲酸盐类，ZDMC），适用于室温硫化或薄制品；②超速级（如噻唑类，M），通用型促进剂，用于多数橡胶制品；③中速级（如胍类，D），常与超速级并用作为第二促进剂；④慢速级（如醛胺类，H），用于需要长时间焦烧安全的厚制品。例如，轮胎外胎胶常用M（噻唑类）与D（胍类）并用，平衡焦烧时间与硫化速度。4.硫化过程中橡胶的物理机械性能如何变化？硫化初期（诱导期）：交联未开始，性能基本不变；硫化中期（正硫化阶段）：交联密度增加，拉伸强度、定伸应力、硬度上升，扯断伸长率下降，弹性提高；硫化后期（过硫阶段）：对于天然橡胶（NR）等含有多硫键的橡胶，会发生交联键断裂（返原），拉伸强度下降；对于丁苯橡胶（SBR）等以单硫键为主的橡胶，交联继续进行，性能趋于稳定。5.压延工艺中影响胶片质量的主要因素有哪些？主要因素包括：①辊温与辊速：辊温过低易产生气泡，过高导致胶料粘辊；辊速过快影响胶料填充，速比（前后辊转速比）过大易产生内应力；②胶料可塑性：可塑性不足会导致胶片表面不光滑、收缩率大；③辊距与存胶量：辊距过小易产生裂纹，存胶量过多导致胶片厚度不均；④冷却与卷取：冷却不充分会引起胶片变形，卷取张力过大导致内部应力残留。三、论述题（每题10分，共40分）1.对比天然橡胶（NR）与丁苯橡胶（SBR）的加工特性差异，并分析其原因。NR与SBR的加工特性差异主要体现在以下方面：（1）塑炼性能：NR分子链含大量顺式异戊二烯结构，分子间作用力强，塑炼时易断链（机械塑炼效果显著）；SBR为无规共聚物，分子链规整性差，分子间作用力弱，塑炼时断链较少（需更高温度或更长时间）。（2）混炼性能：NR极性低，与非极性配合剂（如炭黑）亲和力好，混炼时吃粉快、分散容易；SBR极性略高，与炭黑的结合力稍弱，需提高混炼温度或延长时间以改善分散。（3）压延与压出性能：NR弹性高，压延后收缩率大（需调整辊温与速比），压出时口型膨胀率高；SBR弹性较低，压延收缩率小，压出口型膨胀率低，制品尺寸稳定性更好。（4）硫化特性：NR双键含量高，硫化速度快（需配合慢速促进剂防止焦烧）；SBR双键含量较低（约为NR的70%），硫化速度较慢（需用超速促进剂提高硫化效率）。原因：NR的分子结构（顺式1,4-聚异戊二烯）具有高规整性和高不饱和性，而SBR为苯乙烯（23.5%）与丁二烯的无规共聚物，分子链规整性差、不饱和程度低，导致二者在分子间作用力、链段运动能力、反应活性等方面存在差异。2.论述橡胶配方设计中硫化体系的选择原则，并举例说明。硫化体系选择需遵循以下原则：（1）匹配橡胶类型：不饱和橡胶（如NR、BR）常用硫磺硫化体系；饱和橡胶（如EPDM）需用过氧化物或树脂硫化；极性橡胶（如NBR）可选用硫磺或金属氧化物（如MgO）硫化。例如，NBR耐油胶常用硫磺-促进剂体系，兼顾硫化效率与耐油性。（2）平衡硫化速度与焦烧安全性：薄制品（如胶管）需快速硫化（超超速促进剂+硫磺）；厚制品（如轮胎）需长焦烧时间（中速促进剂+防焦剂）。例如，轮胎胎面胶常用CZ（次磺酰胺类，慢速促进剂）与硫磺并用，延长焦烧时间避免内部过硫。（3）目标性能要求：需高弹性（如密封圈）选择硫磺硫化（多硫键为主）；需耐热性（如发动机密封件）选择低硫高促（单硫键为主）或过氧化物硫化（无硫键）。例如，EPDM耐热胶管常用DCP（过氧化二异丙苯）硫化，提高热老化性能。（4）工艺可行性：混炼时促进剂需与硫磺分散均匀（避免结团）；硫化温度需与设备匹配（平板硫化机常用140-160℃，连续硫化常用180-200℃）。例如，模压制品选用低熔点促进剂（如M），避免分散不良。3.分析轮胎胎面胶配方设计的关键要点，并说明各组分的作用。胎面胶直接接触地面，需具备高耐磨、抗撕裂、低滚动阻力（省油）、良好湿滑抓着力等性能，配方设计要点如下：（1）生胶选择：以NR（高弹性、抗撕裂）与SBR（耐磨、低滚动阻力）并用为主，高性能轮胎加入BR（顺丁橡胶，耐寒、耐磨）。例如，NR:SBR:BR=50:30:20，平衡弹性与耐磨。（2）补强体系：主用高结构中超耐磨炭黑（如N234），提高耐磨与抗撕裂；部分绿色轮胎加入白炭黑（降低滚动阻力），并配合硅烷偶联剂（改善白炭黑与橡胶的结合）。例如，炭黑用量50-60份，白炭黑20-30份（绿色轮胎）。（3）硫化体系：采用低硫高促（硫磺1.5-2.0份，促进剂0.8-1.2份），以单硫键为主，提高耐热老化性能；加入防焦剂（如CTP），防止混炼焦烧。例如，硫磺1.7份，CZ（促进剂）1.0份，CTP0.2份。（4）防护体系：加入胺类防老剂（如4020，抗臭氧）与喹啉类（如RD，抗热氧）并用，用量2-3份，延长使用寿命。（5）软化体系：使用芳烃油（与SBR相容性好）或环烷油（低污染），用量5-10份，改善加工性能并调节硬度。4.论述混炼胶质量控制的关键指标及检测方法。混炼胶质量控制的关键指标包括：（1）门尼粘度（ML(1+4)100℃）：反映胶料流动性，过高（>80）加工困难，过低（<50）易焦烧。检测方法：门尼粘度计，100℃预热1min，转子转动4min后读数。（2）门尼焦烧（t5/t35）：t5为焦烧时间（安全加工时间），t35为硫化速度，需满足工艺要求（如轮胎胶t5>20min，t35<40min）。检测方法：门尼粘度计，120℃下测定粘度上升5和35个单位的时间。（3）硫化特性（T10/T90）：T10为诱导期（防止早期硫化），T90为正硫化时间（确保充分交联）。检测方法：硫化仪（如RPA2000），150℃下测定转矩-时间曲线。（4）分散度：配合剂（尤其是炭黑）的分散均匀性，分散不良会导致性能下降（如拉伸强度降低20%以上）。检测方法：切片法（显微镜观察）或仪器法（如分散度仪，评级1-10级，≥7级合格）。（5）密度与硬度：密度偏差>±0.02g/cm³表示配合剂称量错误；硬度偏差>±2度（邵尔A）影响制品尺寸。检测方法：密度计（阿基米德法）、邵尔硬度计。（6）拉伸性能（拉伸强度、扯断伸长率）：反映胶料交联与补强效果，需符合标准（如NR胶拉伸强度≥20MPa，伸长率≥500%）。检测方法：拉力机，按GB/T528标准测试。四、计算题（每题7.5分，共15分）1.某轮胎胎面胶配方如下（质量份）：NR100，SBR50，BR30，炭黑N23460，芳烃油15，硫磺1.8，促进剂CZ1.2，防老剂40202.0，氧化锌5.0，硬脂酸2.0。计算：（1）胶料总质量（以100份NR为基准）；（2）炭黑在胶料中的质量分数（保留2位小数）。解：（1）总质量=100（NR）+50（SBR）+30（BR）+60（炭黑）+15（芳烃油）+1.8（硫磺）+1.2（促进剂）+2.0（防老剂）+5.0（氧化锌）+2.0（硬脂酸）=267.0份。（2）炭黑质量分数=60/267.0×100%≈22.