橡胶配方设计PPT课件.ppt

1、,橡 胶 配 方 设 计 Rubber Formula Design 肖建斌 高分子科学与工程学院, 青岛科技大学,1,橡胶配方设计课程目的及意义：,提高橡胶制品的质量； 改善加工工艺； 配合体系的生产及应用研究； 橡胶加工设备及测试仪器； 成本分析； 计算机建模预测性能等。,理论指导 实践应用,橡胶配方设计,2,3,第一章 橡胶配方设计的基本概念（4学时） 第二章 橡胶配方设计原理（14学时） 第三章 特种橡胶与功能性橡胶配方设计（6学时) 第四章 配方设计优化方法（6学时) 第一节 单因素变量设计 第二节 多因素变量设计 第五章 橡胶制品配方设计要点（2学时),第一节 橡胶配方设计与硫化胶

2、物性的关系 第二节 橡胶配方设计与工艺性能的关系 第三节 橡胶配方设计与成本的关系,4,目的和要求： 了解橡胶配方设计的定义、特点。 掌握配方设计的原则和表示方法。 学会计算材料的含胶率、密度、成本。 了解橡胶产品的种类、结构，对橡胶制品的使用条件和加工条件有所了解。 掌握原材料的特性及配合规律。 掌握胶料加工及物性检测方法及数值大小对性能的影响。,第一章 橡胶配方设计的基本概念,5,一、橡胶配方设计，就是根据橡胶产品的性能要求和工艺条件合理选用原材料，确定各种原材料的用量配比关系，使得胶料的物性、工艺性和成本三者取得最佳平衡。,工艺性,物理机械性能,成本,一 、 橡胶配方设计的定义,6,二、

3、橡胶配方设计特点,1橡胶配方设计是多因素的问题; 2橡胶配合剂种类及用量影响力不同的问题; 3橡胶配方中各种原材料之间的交互作用强烈; 4工艺因素有时对橡胶配方设计起决定性作用; 5橡胶配方设计中尽力排除试验误差; 6配方经验规律与统计数学相结合。,7,三、橡胶配方设计的原则与程序,1、原则： 配方设计人员应用理论知识，用最少的物质消耗，最短的时间，最少的工作量，通过科学的橡胶配方设计方法，掌握原材料配合的内在规律，设计出实用配方，使制品的性能、成本和工艺可行性等方面取得最佳的综合平衡。 2、程序： 基础配方：原材料试验鉴定 性能配方：针对性能指标制定的配方 实用配方：经验证符合要求的配方 生

4、产配方：投入生产使用的配方,8,四、橡胶配方的组成及表示方法,橡胶配方简单地说，就是表示生胶和配合剂用量配比表。表示方法： 质量份数表示：以生胶分数为100，其余配合剂相应质量份数表示。 质量百分数：以混炼胶料总质量为100，生胶和配合剂所占比例数来表示。 体积百分数表示：即以胶料的总体积为100%，将基本配方中生胶及各种配合剂的重量分数分别除以各自的相对密度，求出体积份数。 符合生产使用要求的质量配方称为生产配方，取炼胶机的装胶量Q除以基本配方总质量即得换算系数，乘以基本配方中各组分的质量份，即得实际用量。,9,举例：摩托车胎配方：采用密炼机炼胶，总装胶量为40kg 配合剂 质量份数 质量百

5、分数 生产配方 密度 价格 NR 60 30 12kg 0.92 20 SBR 40 20 8kg 0.95 15 ZnO 5 2.5 1kg 5.57 15 SA 2 1 400g 0.92 10 促CZ 1 0.5 200g 1.32 20 促M 1 0.5 200g 1.42 25 防老4010NA 1.5 0.75 300g 1.17 28 防RD 1.5 0.75 300g 1.02 18 N330 50 25 10kg 1.8 8 CaCO3 25 12.5 5kg 2.6 1 机油 5 2.5 1kg 0.93 5 固马隆 6 3 1.2kg 1.06 6 S 2 1 400g

6、2.05 3 合计 200 100 40kg,作业：求出混炼胶的含胶率、密度和成本,10,生产配方组成： 胶料用途 胶料的名称及代号，生胶及各种配合剂的用量 合计（计算密度、含胶率、成本） 工艺条件 物理机械性能,11,原材料应用 加工工艺 使用性能 产品结构,五、橡胶配方设计影响因素,12,1、 原材料应用,生胶（高聚物单用或并用）：母体材料或基体材料 硫化体系：与橡胶大分子起化学作用，使橡胶由线型大分子变为三维网状结构，提高橡胶性能、稳定形态的体系。 补强填充体系：在橡胶中加入炭黑等补强剂或其它填充剂，提高其力学性能，改善工艺性能，或者降低制品成本。 防护体系：加入防老剂，延缓橡胶的老化，

7、提高制品的使用寿命。 增塑体系：降低制品硬度和混炼胶的粘度，改善加工工艺性能。 加工及功能助剂：改善胶料的加工和物理性能。,13,2、橡胶加工工序 1）塑炼：降低生胶的分子量，增加塑性，提高流 动性和可加工性。 2）混炼：采用开炼机或密炼机使生胶与配方中各 个组分混合均匀，制成混炼胶。,14,3）压延：利用压延机将混炼胶或与纺织物、钢丝等骨架材料通过压片、压型、贴合、擦胶、贴胶等操作制成一定规格的半成品的过程。 4）压出：利用挤出机将混炼胶通过口型压出各种断面半成品的过程，如内胎、胎面、胶管等。 5）硫化：橡胶加工的最后一道工序，通过一定的温度、压力和时间后，使橡胶大分子由塑性状态转变为网状弹

8、性状态的过程。,15,未硫化橡胶加工性能的测定,1、 混炼胶的流动性 可塑度：P=(h0-h2)/(h0+h1), 0 P1 h0：原始高度， h1：负荷作用3min后的高度， h2:恢复3min后的高度,可塑度的检测仪器,16,2）门尼粘度：ML 1+4100,门尼粘度的测试原理,、混炼胶的均匀程度：切片观察法、CB分散仪、 电子显微镜,、门尼焦烧（最低扭矩上升5个门尼值）,17,、挤出特性：材料的挤出膨胀比、挤出外观 、应力松弛：以时间长短来衡量 、 胶料加工综合性能：混炼、压出特性等。 Brabender, Hakke流变仪,18,混炼胶的质量和配方总量之差与配方总量之比： ISO239

9、3规定无填料的混炼胶为0.3； 有填料的混炼胶为0.6 常规的混炼顺序：生胶或塑炼胶共混 小药（活性剂、促进剂、防老剂、固体软化剂） 补强剂和填料 软化剂 硫化剂,19,混炼工艺,温度的影响 转速的影响,20,、硫化特性: 焦烧时间（Ts1，Tc10），工艺正硫化时间（Tc90），最小转矩（ML），最大转矩（MH），硫化指数100/(Tc90-Tc10),21,最小转矩ML:与胶料的流动性有关； 最大转矩MH：与胶料交联密度有关； 焦烧时间（T10）：又称诱导期，指胶料从加入到模具中受热开始到转矩为M10所对应的时间； M10=ML+（MHML）10 或 最小转矩上升或个单位的时间（Ts1，T

10、s2） 理论正硫化时间（TH）：胶料从加入到模具中受热开始到转矩达到最大值所需要的时间； 工艺正硫化时间(T90)：胶料从加入到模具中受热开始到转矩达到M90所需要的时间。 M90=ML+（MHML）90,22,3、硫化橡胶的使用性能测试,1拉伸强度 P/bh，Mpa 2定伸应力，Mpa 100%，300%，Mpa 3拉断伸长率 ， （L1-L0）/L0*100% 4扯断永久变形： S=(L2- L0)/ L0， 5撕裂强度： P/h，KN/m,23,6有效弹性和滞后损失,C,D,B,A,24,7硬度测定：邵尔A型 0100度 8磨耗测定： 磨耗体积 V=(m前-m后)/，cm3/1.61Km

11、， 磨耗指数V标/V试,阿克隆磨耗,滚筒磨耗,25,9疲劳的测试： （1）压缩疲劳：1)温升 2)变形 （2）屈挠龟裂：裂口大小及 出现裂口的时间 （3）拉伸疲劳：疲劳寿命计算 10压缩永久变形 K=(h0-h2)/(h0-h1)*100% 11粘弹性 （1）摆锤式回弹仪 （2）蠕变 （3）应力松弛 （4）动态粘弹性能(DMA)、动态模量及tg,26,12老化性能： (1)热空气老化：拉伸强度、硬度、扯断伸长率的变化率或保持率。 (2)臭氧老化：表面状态 13低温性能：1)脆性温度：断裂时的最低温度 2)玻璃化温度的测定：差热分析仪 14热性能：1)导热系数、热传导 2)分解温度或氧化起始温度

12、 15阻燃性:(1)氧指数：氧指数越大，阻燃性越好 装饰及汽车配件 (2)锥形量热仪：热释放速率、烟量、 点燃时间、有害气体成份等。,27,16绝缘性： 1) 表面电阻率和体积电阻率大小 1015cm以上 2) 介电损耗 介电损耗越大，绝缘性越差 3) 击穿电压强度 击穿电压/厚度 17导电性：体积电阻率 10cm以下 抗静电 10610cm 高分子导电、导电填料 18扩散与渗透性能 1)透气性：内胎、瓶塞 2)透湿性和透水性：防水卷材、水坝、房屋 3)油扩散:密封件,28,19耐液体：耐油、耐化学溶剂、耐酸碱 体积、重量变化率及物理性质的变化率 20粘合强度：胶料与胶料之间：剥离强度 胶料与

13、帘线及钢丝之间：H抽出法,29,加工性能和物理机械性能测试要求： 1)变异性：a.材料本身不完全均匀 b.试验步骤的变异性 2)准确度表示测定值与真实值相符的程度 3)精密度表示各次测定值彼此间相符的程度 4)重复性是指同一实验室中数据的准确度 5)再现性是指不同实验室间数据的准确度,30,4、产品结构 一、轮胎配方设计原则（整体设计、各部位设计）,31,1各部位胶料定伸应力的匹配 轮胎使用过程中产生复杂变形，各部位之间相应产生了剪切应力、压缩应力和拉伸应力，如果各部件胶料应力-应变性能分布不当时，会因局部应力过大而导致轮胎早期损坏。 2各部件胶料硫化速度的匹配 胶料与帘线材料均为热的不良导体

14、，各部位胶料在硫化过程中，受热状态差异较大，这就要求各部位胶料硫化速度应协调同步。合理调配各部件胶料的硫化速度，达到同步硫化，即在相同的硫化时间内，各部件胶料均达到最佳的硫化程度。,32,硫化胶囊,33,1、普通胶管 普通胶管主要是指在常温下输送空气或其它气体以及输送水或其它液体的夹布胶管。胶管各部件的胶料包括内层胶、擦布胶、填充胶(中胶)和外层胶等。 2、特种胶管 特种胶管品种繁多，根据其使用条件和输送的介质不同，主要有耐油胶管，耐酸、碱胶管，耐热胶管，液压胶管，耐磨胶管，泥浆喷射胶管，刹车、制动胶管，潜水胶管，食品专用胶管等。,二、胶管胶料配方设计原则,34,35,1、输送带 输送带的覆盖

15、胶主要有耐磨、难燃、耐热、耐酸碱、导静电、食品输送等类型。 2、传动带 (一)普通V带 胶料配方较多，有包布层胶、伸张层胶、帘布层胶、压缩层胶、线绳浸胶等。 (二)汽车V带 汽车V带是在较高的环境温度下使用。普通V难以满足使用要求。 (三)同步带 同步带是一种工作面带有齿状结构，集齿轮、链轮和带传动的优点于一体的新型传动带。由带背、强力层、带齿和带齿包布层组成。,三、胶带胶料配方设计原则,36,37,高强力阻燃输送带覆盖胶,汽车同步带,38,1、橡胶减震器 （一）主要性能要求 具有一定的动态阻尼性能，以提供良好的减震效果。 与各种金属有良好的粘合性，粘合强度高。 适宜的弹性模量，尽可能地减小硫

16、化胶的蠕变。 良好的耐疲劳、耐动态老化性能。,四、减震橡胶制品,39,2、橡胶空气弹簧 橡胶空气弹簧的基本结构与无内胎轮胎相似，由外层胶、帘布层、内层胶和钢丝圈组成。 胶料的主要性能要求为：外层胶要求耐屈挠、耐天候老化和臭氧老化，与帘线的粘着强度高。一般采用天然橡胶和氯丁橡胶并用。帘布层胶要求耐屈挠，与帘布粘着力高。通常采用天然橡胶。内层胶要求透气性小，与帘布的附着强度高，耐老化性能好。,40,1、密封圈（O形圈、矩形垫等） 根据O形圈的工作条件如介质、温度、压力、受力状态等进行胶料配方设计。用作动态密封的O形圈，除了耐介质、压缩永久变形小之外，还要求胶料具有良好的抗撕裂性、耐磨性、耐热性和抗

17、挤压性。,五、密封制品,41,2、油封 主要性能要求：与密封介质的化学稳定性好，胶料在密封介质中（主要是各种油类）不发生溶胀、硬化等现象，否则会使径向力降低，改变过盈量尺寸，导致密封失效。具有良好的耐热性、耐磨性，摩擦系数要小，这对线速度较高的油封尤为重要。具有适度的弹性，能适应轴的粗糙度和偏心度的变化，对动态偏心有较好的跟随能力（随动性）。,42,3、密封条 橡胶密封条主要用于密封车辆及建筑物门窗，所用的胶料必须具有： 优异的耐天候老化、耐臭氧老化性能，以保证密封条有较长的使用寿命。 压缩永久变形小、耐寒性好，以保证密封条在-50-70下，具有良好的密封性能。 胶料的压出工艺性能要好。,43

18、,44,4、制动皮碗和密封接头 主要性能要求 应具有良好的耐制动液（醇型制动液、矿物油、合成油）的性能，使用中不发生溶胀，不产生沉淀和有害金属，对金属配件无腐蚀性。具有较好的耐热性和耐寒性，在-50-120能正常工作。弹性好，压缩永久变形小，耐磨性好，以保证制动皮碗能迅速的传递压力并具有良好的密封性能。,45,1、造纸胶辊 造纸胶辊是一种直径大、胶层厚的大型厚壁制品。不同用途的造纸胶辊对胶层硬度都有一定的要求，而且对硬度的要求很严格。 2、印染胶辊 在印染机械中作印花、轧染、轧液、导布之用。一般主动辊要求高硬度(邵尔A 98-100 度) ，不需要弹性；被动辊的硬度一般在70-85 度(邵尔A) ，要求具有弹性。 3、印刷胶辊 主要性能要求是:硬度低(邵尔A 20-40 度)、耐油性好、生热小、易清洗、表面性能好，具有一定的吸附和传递油墨的性能。 4、砻谷胶辊，又称磨米胶辊。 要求辊面胶具有良好的耐磨性、耐热性、抗撕裂性和适宜的硬度。硬度(邵尔A) 在75 度以下时，胶质软，稻谷的脱壳效率低。硬度过高在90 度以上时，虽然脱壳容易，但易将米磨碎，一般情况下，以80-90 度为宜。,六、胶辊,46,47,七、胶板,性能要求：耐磨、绝缘、导电