青岛科技大学橡胶配方设计

KeyLabofRubber-Plastics(QingdaoUniversityofScienceandTechnology)MinistryofEducation,ChinaKeyLabofRubber-Plastics(QingdaoUniversityofScienceandTechnology)MinistryofEducation,China橡胶配方设计RubberFormulaDesign肖建斌高分子科学与工程学院,青岛科技大学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原材料组分测试项目1#ML1+4100℃51NR100硫化仪t10，min2:51ZnO5硫化仪t90，min12:25硬脂酸3硬度，邵A71石蜡0.5拉伸强度，MPa26.4防RD/4010NA1/1拉断伸长率，%526促进剂CZ1100%定伸应力，MPa2.96HAF50300%定伸应力，MPa14机油5扯断永久变形，%19S2.25撕裂强度，KN/m98无机填料？弹性/%46矿物油？磨耗体积，cm3/1.61km0.175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（12学时）第三章特种橡胶与功能性橡胶配方设计（8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（2学时)第一节橡胶配方设计与硫化胶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目的和要求：•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。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二、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产配方：投入生产使用的配方四、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：1.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。2.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。3.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。4.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。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分数生产配方密度价格NR603012kg0.9525SBR40208kg0.9520ZnO52.51kg5.515SA21400g0.910促CZ10.5200g1.320促M10.5200g1.415防老40101.50.75300g1.228防RD1.50.75300g1.118N330502510kg1.88CaCO32512.55kg2.61机油52.51kg0.95固马隆631.2kg1.16S21400g2.03合计20010040kg作业：求出混炼胶的含胶率、密度和成本生产配方组成：1)胶料用途2)胶料的名称及代号，生胶及各种配合剂的用量3)合计（计算密度、含胶率、成本）4)工艺条件5)物理机械性能•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，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。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。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性状态的过程。未硫化橡胶加工性能的测定1、混炼胶的流动性(1)可塑度：P=(h0-h2)/(h0+h1),0P1h0：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2）门尼粘度：ML1+4100门尼粘度的测试原理３、混炼胶的均匀程度：切片观察法、CB分散仪、电子显微镜２、门尼焦烧（最低扭矩上升5个门尼值）４、挤出特性：材料的挤出膨胀比、挤出外观５、应力松弛：以时间长短来衡量６、胶料加工综合性能：混炼、压出特性等。Brabender,Hakke流变仪混炼工艺温度的影响转速的影响•混炼胶的质量和配方总量之差与配方总量之比：ISO2393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７、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)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+（MH—ML）×10％或最小转矩上升１或２个单位的时间（Ts1，Ts2）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+（MH—ML）×90％3、硫化橡胶的使用性能测试1．拉伸强度σ＝P/bh，Mpa2．定伸应力，Mpa100%，300%，Mpa3．拉断伸长率，％є＝[（L1-L0）/L0]*100%4．扯断永久变形：S=(L2-L0)/L0，％5．撕裂强度：Φ＝P/h，KN/m6．有效弹性和滞后损失0246810120100200300400500600伸长率，％拉伸强度，MPa拉伸曲线回缩曲线CDBA7．硬度测定：邵尔A型0－100度8．磨耗测定：磨耗体积V=(m前-m后)/ρ，cm3/1.61Km，磨耗指数＝V标/V试阿克隆磨耗滚筒磨耗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tgδ12．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。16．绝缘性：1)表面电阻率和体积电阻率大小1015Ω·cm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10Ω·cm以下抗静电106～10Ω·cm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：剥离强度胶料与帘线及钢丝之间：H抽出法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汽车配件Materials材料Percentage百分比%Elastomers弹性体16.7Plastics塑料6.5Aluminium铝3.0Copper,Lead,Zinc铜、铅、锌3.5Others其它4.3Steel钢66.0汽车用原材料重量比例产品种类：1、轮胎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，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。轮胎各部位胶料配方设计（1）胎面胶、胎侧胶配方设计胎面上层胶（胎冠胶）性能要求:由于胎面是轮胎与路面直接接触的部位，承受着轮胎最苛刻的外应力作用，经常出现的损坏形式为胎面磨光、刺扎损坏、花纹崩花及裂口，胎面损坏易导致胎体爆破，影响轮胎的使用寿命。胎面胶应具有优越的耐磨性，较高的拉伸强度和撕裂强度，良好的耐老化、耐屈挠、耐热、抗刺扎和抗花纹沟裂口等性能。两方三块胎面结构三方四块胎面结构胎面下层胶（基部胶）要求：分散应力和缓冲能量，减少外力对缓冲层及胎体胶的损坏，要求胶料的弹性好、生热低、耐屈挠龟裂和裂口增长。胎侧胶性能要求：胎侧是侧向变形最大的部位，胎侧胶较薄，用以保护胎体免受机械损伤及日光、风雨的侵蚀，其损坏形式为屈挠龟裂、机械损伤。因此，胎侧胶应具有良好的强伸性能及耐屈挠龟裂、耐大气老化等性能。（2）胎体胶料配方设计胎体胶料包括缓冲层、外帘布层及内帘布层胶料和油皮胶等。缓冲层是胎面胶与帘布层之间的过渡层，在轮胎行驶过程中，不但是承受剪切应力最大的部位，而且还要缓和和分散外部冲击应力，避免因局部应力过大造成帘布层早期损坏。因此要求胶料具有较高定伸应力、弹性和抗剪切性能，同时要求生热低、耐热性好。帘布层因帘线密度不同分为外帘布层和内帘布层，外帘布层位于缓冲层与内帘布层之间，形成过渡层结合。因此要求胶料与帘线具有良好的粘合性能，使胎体成为牢固的整体，并要求胶料生热低、耐热及耐屈挠疲劳性好。油皮胶位于外胎的内表面，在内帘布层的里层，起保护内胎及避免空气和水分侵蚀帘布层的作用。因此要求胶料有一定的强伸性能和较好的耐老化性能，而且要求胶料硫化起点较快,可塑性不宜过大，防止在硫化过程中向帘布层迁移影响帘布层的性能。（3）胎圈胶料配方设计胎圈由多部件组成，有钢丝圈、填充胶条、钢圈包布、胎圈包布，要求部件之间胶料有良好的粘合性能;使胎圈形成一个牢固整体。钢丝圈胶料要求与钢丝有较强的粘合性能胶料硬度较高，因此胶料中宜选用纯天然橡胶与高硫黄量的配合，硫黄用量为7～10份，甚至高达20份，氧化锌用量可略增加。钢丝圈胶料为半硬质胶，采用大量的半补强炉黑和无机填充剂，如碳酸钙、陶土等，还可以掺用少量再生胶，利于改善胶料的工艺性能，又可降低成本，软化剂可选用