2026年青岛科技大学橡胶工艺学期末考试复习题及参考答案

2026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：表征生胶或混炼胶在一定温度（通常100℃）、转子转速（2r/min）下，于门尼粘度计中转动时所受剪切阻力的指标，数值越大表示胶料的粘度越高、可塑性越低，是衡量胶料加工性能的重要参数。2.焦烧时间：指胶料在加工过程中从开始受热到出现早期硫化（交联）的时间，通常用门尼焦烧试验中门尼粘度上升5个单位所需的时间（t5）表示，反映胶料的操作安全性。3.喷霜：橡胶制品中配合剂（如硫磺、促进剂、防老剂等）因过饱和、相容性差或温度变化等原因，从胶料内部迁移至表面并析出的现象，会导致制品表面发粘、龟裂或外观缺陷。4.动态硫化：在热塑性弹性体（如TPV）制备过程中，将橡胶相（如EPDM）与塑料相（如PP）共混时，通过交联剂在高温剪切作用下使橡胶相发生硫化，同时保持塑料相为连续相的工艺，可赋予材料橡胶的弹性和塑料的可回收性。5.正硫化时间：胶料在一定硫化温度下，达到最佳物理机械性能（如拉伸强度、定伸应力、弹性等）的硫化时间，通常通过硫化仪（如MDR）测定的t90（硫化程度达到90%的时间）或工艺正硫化时间确定。二、简答题（每题6分，共30分）1.简述炭黑的结构对橡胶补强性能的影响。炭黑的结构由其聚集体中初级粒子的连接程度决定，常用DBP吸油值（邻苯二甲酸二丁酯吸油值）表示，DBP值越高，结构度越高。高结构炭黑聚集体呈链枝状，内部空隙多，与橡胶分子的物理缠结和化学吸附作用更强，可提高胶料的拉伸强度、撕裂强度和定伸应力；但结构过高会导致胶料粘度增大、加工性能下降（如混炼能耗高、挤出膨胀率大）。低结构炭黑聚集体呈球状，空隙少，补强性较低但加工流动性较好，适用于需要低生热或高回弹性的制品（如轮胎胎侧胶）。2.混炼过程中生胶塑炼的主要目的是什么？常用的塑炼方法有哪些？塑炼的主要目的：①降低生胶分子量，提高可塑性（门尼粘度降低），改善其在混炼中的流动和分散性；②消除生胶的弹性记忆效应，使其在后续压延、挤出等加工中易成型；③使生胶分子链断裂提供自由基，为后续与配合剂（如炭黑）的化学结合创造条件。常用方法：①机械塑炼法（开炼机塑炼、密炼机塑炼），通过机械剪切力破坏分子链；②化学塑炼法（加入塑解剂如五氯硫酚，降低分子链断裂所需能量）；③热塑炼法（在高温下利用热氧化作用降解分子链，如用螺杆塑炼机）。3.橡胶压延工艺中“贴胶”与“擦胶”的区别是什么？各自适用的场景有哪些？贴胶是将胶料通过压延机辊筒间隙，在纺织物（如帘布、帆布）表面覆盖一层薄胶的工艺，胶料仅与织物表面接触，未渗透到织物内部，适用于要求胶层薄、织物保持原有强度的场合（如轮胎缓冲层、输送带覆盖胶）。擦胶是通过压延机辊筒的速比（上辊快、下辊慢）产生剪切力，将胶料挤入织物缝隙并包覆纤维的工艺，胶料与织物结合更紧密，适用于需要高粘合强度的场合（如轮胎帘布层、胶管增强层）。4.硫磺硫化体系中，促进剂的主要作用是什么？常用促进剂按化学结构可分为哪几类？促进剂的主要作用：①缩短硫化时间（活化硫磺，降低硫化反应活化能）；②减少硫磺用量（提高硫磺利用率）；③改善硫化胶性能（如提高交联密度、减少返原）。按化学结构分类：①噻唑类（如M（2-巯基苯并噻唑）、DM（二硫化二苯并噻唑））；②次磺酰胺类（如CZ（N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺）、NS（N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺））；③胍类（如D（二苯胍））；④秋兰姆类（如TMTD（四甲基秋兰姆二硫化物））；⑤二硫代氨基甲酸盐类（如ZDC（二乙基二硫代氨基甲酸锌））；⑥黄原酸盐类（如ZBX（正丁基黄原酸锌））。5.简述白炭黑在橡胶中的应用特点及需配合使用硅烷偶联剂的原因。白炭黑（二氧化硅）的应用特点：①补强性接近炭黑，但能赋予胶料低滚动阻力、高抗湿滑性（适用于绿色轮胎胎面胶）；②表面含大量硅羟基（-SiOH），极性高，与非极性橡胶（如NR、BR）相容性差，易团聚；③混炼时生热大，需提高混炼温度或延长时间。需配合硅烷偶联剂（如Si69（双-（γ-三乙氧基硅丙基）四硫化物））的原因：偶联剂的烷氧基（-OEt）可与白炭黑表面的硅羟基缩合，形成共价键；另一端的硫醇基（-SH）或多硫键可与橡胶分子链（如双键）反应，在白炭黑与橡胶间建立“桥梁”，降低白炭黑表面极性，改善分散性，提高界面结合力，从而提升胶料的物理性能（如拉伸强度、耐磨性）和加工性能（降低门尼粘度）。三、论述题（每题10分，共30分）1.结合硫化三要素（温度、时间、压力），论述如何确定橡胶制品的硫化工艺条件。硫化三要素的选择需综合考虑胶料特性、制品结构和性能要求：（1）硫化温度：①温度升高可加快硫化速度（符合阿伦尼乌斯方程，温度每升高10℃，硫化时间约缩短1/2-1/3），但过高会导致胶料焦烧（尤其对热敏性胶料如NR）、交联键热分解（返原，如NR在140℃以上易返原）；②不同胶种的最佳硫化温度不同（如NR常用140-150℃，EPDM因双键少需160-170℃，硅橡胶需170-200℃）；③厚制品需降低温度（避免内外温差大导致外层过硫、内层欠硫）。（2）硫化时间：①由正硫化时间决定，需通过硫化仪测定t90并结合制品厚度修正（每增加1mm厚度，时间延长1-2min）；②需考虑后硫化效应（制品出模后内部继续硫化，薄制品可适当缩短时间）；③过硫会导致交联键断裂（返原），欠硫则交联密度不足（强伸性能差、易变形）。（3）硫化压力：①作用是防止胶料在硫化中产生气泡（排除空气和挥发分）、提高胶料流动性（确保充模）、增加胶料与骨架材料（如帘线）的粘合强度；②压力大小取决于胶料粘度（高粘度胶料需更高压力）、制品结构（复杂制品需5-15MPa，简单制品3-5MPa）；③压力过高会导致设备能耗增加、制品变形（如薄制品压溃）。实际生产中，需通过试验（如变量法）调整三要素，使制品内外均达到正硫化，同时满足物理性能（如拉伸强度≥18MPa、扯断伸长率≥400%）和外观要求（无气泡、无缺胶）。2.以载重轮胎胎面胶为例，分析其配方设计的关键要点及各组分的作用。载重轮胎胎面胶需满足高耐磨性、耐切割性、耐疲劳性和较低的生热，配方设计要点如下：（1）生胶体系：以天然橡胶（NR）为主（占60-80份），因其拉伸强度高、弹性好、耐撕裂；并用顺丁橡胶（BR，20-40份），BR的顺式1,4-结构含量高（≥96%），分子链柔顺，可提高耐磨性和耐低温性能；部分高端配方加入少量溶聚丁苯橡胶（SSBR）改善抗湿滑性。（2）补强体系：以高结构中超耐磨炭黑（如N234、N115）为主（50-60份），其DBP吸油值高（120-130cm³/100g），比表面积大（110-130m²/g），可提高胶料的拉伸强度和耐磨性；少量白炭黑（5-10份）并用，配合硅烷偶联剂（如Si69，1-2份），降低滚动阻力（适用于绿色轮胎）。（3）硫化体系：采用硫磺（1.5-2.5份）+后效性促进剂（如NS（0.8-1.2份））+促进剂D（0.2-0.5份）的平衡硫化体系。NS为次磺酰胺类促进剂，焦烧时间长（操作安全），硫化速度适中；D为胍类促进剂，可活化NS，提高交联密度，减少返原（NR在高温下易发生多硫键断裂）。（4）防护体系：防老剂4020（N-（1,3-二甲基丁基）-N’-苯基对苯二胺，1.5-2.0份）为主，其对臭氧、热氧老化防护效果优异；防老剂RD（2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合物，1.0-1.5份）辅助，抑制热氧老化；蜡（1.0-1.5份）在表面形成保护膜，防止臭氧龟裂。（5）软化体系：高芳烃油（如环烷油，5-10份），与NR、BR相容性好，降低胶料粘度，改善加工性能；避免使用低芳烃油（如石蜡油），以免降低炭黑分散性。3.分析混炼过程中“分散不均”的主要原因及解决措施。分散不均指配合剂（如炭黑、硫磺、促进剂）在胶料中未均匀分布，导致制品性能波动（如局部强伸性能低、老化不均）。主要原因及解决措施如下：（1）配合剂本身性质：①炭黑粒径过小（如N110比表面积＞130m²/g）或结构过高（DBP＞120cm³/100g），易团聚；②硫磺、促进剂熔点低（如硫磺115℃），混炼温度过高会熔化结团。解决措施：选择合适结构的炭黑（如载重轮胎用N234，结构适中）；硫磺采用不溶性硫磺（IS），避免熔化迁移；促进剂可预先造粒或与硬脂酸等分散剂混合加入。（2）混炼工艺参数：①密炼机装胶容量过大（超过额定容量的85%），胶料受剪切不足；②混炼温度过低（＜120℃），生胶粘度高，配合剂难分散；③混炼时间过短（＜5min），未达到最佳分散阶段（炭黑分散需经历湿润、破碎、分布三个阶段，总时间约8-12min）。解决措施：控制装胶容量为额定容量的70%-80%；NR混炼温度控制在130-150℃（避免超过160℃导致焦烧）；延长混炼时间至10-12min，或通过功率曲线判断分散终点（功率稳定后再混炼1-2min）。（3）设备状态：①密炼机转子磨损（棱顶与室壁间隙＞2mm），剪切力下降；②开炼机辊距调节不当（初始辊距过大，胶料未形成包辊层）。解决措施：定期检查转子磨损情况，间隙超过1.5mm时修复或更换；开炼机混炼时先调小辊距（1-2mm）使生胶包辊，再加配合剂，加完后放大辊距（3-4mm）翻炼5-8次。（4）操作顺序：①先加小料（如促进剂、防老剂）后加炭黑，小料易被炭黑吸附，分散更均匀；若先加炭黑后加硫磺，硫磺易被炭黑包裹，导致分散不均。解决措施：遵循“生胶→小料（防老剂、活性剂）→补强剂（炭黑、白炭黑）→软化剂→硫磺、促进剂”的加料顺序，硫磺和促进剂在排胶前5min加入（避免早期硫化）。四、计算题（共25分）1.某NR胶料硫化仪测试数据如下：硫化温度150℃，t10=3min，t90=12min，硫化强度（K）=0.2min⁻¹。现需硫化一个厚度为20mm的制品，已知胶料的硫化温度系数（K₁₀）=2（温度每变化10℃，硫化时间变化K₁₀倍）。若实际硫化温度为140℃，计算该制品的硫化时间（要求考虑厚制品的滞后效应，滞后时间为0.5min/mm）。（10分）解：（1）计算150℃下的正硫化时间（t90）=12min；（2）温度降低10℃（150→140℃），硫化时间需延长K₁₀=2倍，故140℃下的等效正硫化时间=12min×2=24min；（3）厚制品滞后时间=厚度×0.5min/mm=20mm×0.5min/mm=10min；（4）总硫化时间=等效正硫化时间+滞后时间=24min+10min=34min。答：该制品在140℃下的硫化时间为34min。2.某丁苯橡胶（SBR）配方如下（质量份）：SBR100，炭黑N33050，氧化锌5，硬脂酸2，硫磺1.5，促进剂CZ1.0，防老剂40202.0，操作油10。已知各组分密度：SBR=0.92g/cm³，炭黑N330=1.80g/cm³，氧化锌=5.60g/cm³，硬脂酸=0.85g/cm³，硫磺=2.07g/cm³，促进剂CZ=1.27g/cm³，防老剂4020=1.03g/cm³，操作油=0.95g/cm³。计算胶料中炭黑的体积分数（保留2位小数）。（15分）解：（1）计算各组分的质量（假设总质量为100+50+5+2+1.5+1.0+2.0+10=171.5g）；（2）计算各组分的体积：SBR体积=100g/0.92g/cm³≈108.70cm³；炭黑体积=50g/1.80g/cm³≈27.78cm³；氧化锌体积=5g/5.60g/cm³≈0.89cm³；硬脂酸体积=2g/0.85g/cm³≈2.35cm³；