橡胶加工工艺及配方设计全套课程

课程名称：橡胶加工工艺及配方学时：32（第8周2009-10-21~第15周2009-12-11）参考资料：1、《橡胶工业手册》第一、二、三分册2、教育部高职高专规化教材《橡胶材料与配方》（聂恒凯编）3、徐州工业职业技术学院橡胶工程教研室《橡胶通用工艺》4、张立群的期刊论文以及王作龄翻译的关于橡胶配合的期刊论文5、吴卫东提供的课程附件电子文件本节课主要内容目前弹性体模块毕业生所关心的几个问题点名和交流以及对学生的要求教师自我介绍以及弹性体中心简介初步总结焦作风神轮胎公司实习讲解本门课程设置的意义和所学主要内容专题报告：橡胶科学的历史现状和未来第8周周三第一节课-09-10-21本门课程所授内容要点第一部分橡胶原材料六大体系第二部分橡胶配方设计第三部分橡胶加工工艺和硫化胶性能第四部分上述三部分之间的联系第8周周五第二节课-09-10-23配方设计中的数学方法第一节随机变量及其分布第二节数学期望及方差第三节假设检验第四节方差分析第五节试验数据回归分析第六节试验优化与设计数学方法的四节课内容由刘力教授主讲，时间安排在第十一周和十二周（11-11~11-20）橡胶原材料六大体系（1）生胶及骨架材料——最重要的组成部分，决定了胶料的使用性能、工艺性能和产品的成本。橡胶工业手册第一部分（2）硫化体系——使橡胶大分子发生化学交联。（3）填充补强体系——提供胶料的强度和降低成本（4）防护体系——提高胶料的耐老化性能（耐臭氧、耐热和耐疲劳）。（5）软化增塑体系——改善胶料的加工性能，降低成本，提高硫化胶料的耐寒性）。（6）加工分散增粘等特种助剂体系：配方技术含量最高第9周周三第三节课-09-10-28橡胶配方设计主要介绍橡胶配方设计的基础知识和通用橡胶的配方设计原理橡胶加工工艺橡胶的塑炼机理及工艺方法，橡胶的混炼原理、混炼工艺及质量问题，橡胶的压延工艺，橡胶的挤出工艺及口型设计，橡胶的硫化工艺和硫化介质及硫化工艺的影响因素、硫化的质量问题。混炼胶的常规检验项目和性能指标输送带配方及加工工艺(SBR体系）SBR：100phrZnO10;SA:1;M:1;CZ:1;TT:1;S:1.0A:2;D:2;4010NA:1;wax:4(RD;DNP)磷酸三苯酯：6（Mg(OH)2:30~50)Oil:10HAF:40;CaCO3:15RS:3;RH:2;silica:15;分散助剂：1合计：190输送带配方及加工工艺（EPDM体系）EPDM：100phrZnO10;SA:1;MgO:3;(DCP:6;S:0.5)（M:2;ZDC:1;TT:1.5;S:2.5)D:2Waxoil:10~15HAF:50~60RS:3;RH:2;silica:15;分散助剂：1合计：190输送带配方及加工工艺（CR体系）CR：100phr(RFL)ZnO:5;SA:1~2;MgO:4;NA-22:0.5~14010NA:2~4aromaticoil:10~15(DOP;DBP)HAF:40~50;BaSO4:10~20RS:3;RH:2;silica:15(HRH);分散助剂：1合计：190橡胶原材料六大体系（1）生胶——最重要的组成部分，决定了胶料的使用性能、工艺性能和产品的成本。（2）硫化体系——使橡胶大分子发生化学交联。（3）填充补强体系——提供胶料的强度和降低成本（4）防护体系——提高胶料的耐老化性能（耐臭氧、耐热、阻燃、耐烧蚀等）。（5）软化增塑体系——改善胶料的加工性能，降低成本，提高硫化胶料的耐寒性）。（6）加工分散增粘等特种助剂体系：配方技术含量最高第9周周三第四节课-09-10-28下午橡胶加工工艺加工工艺：炼胶车间：塑炼；密炼机混炼；开炼机加硫磺；出片停放（性能测试）；成型车间：返炼出片－－压延、贴胶复合；挤出；半成品准备；缠绕成形（滚筒或胶辊）、轮胎成型机、切割V带成型机－－半成品修饰和停放；硫化车间：硫化特性测试，硫化三要素后处理：修饰、切割成型、包装橡胶加工工艺性能开炼机混炼工艺（填料分散性评价）；测试样品的制备和平板硫化（硫化仪和门尼）；混炼胶的测试项目；填料分散性；生胶强度；硫化特性；门尼粘度；流变特性；硫化橡胶的测试项目；硬度；拉伸力学性能；动态力学性能加工工艺性能粘度混炼特性；难以分散的填料，用混炼胶薄膜压片包辊性：分子间作用力大的生胶品种；混炼胶强度焦烧性；门尼焦烧—100degree喷雾性：EPDM100S1.5TT1.5M0.5压延性能（包辊性、流动性、抗焦烧性、低收缩性，擦胶30~40；贴胶:40~50;压片50~60）挤出性能粘着性能（自粘性和互粘性）；增粘助剂硫化工艺：模压硫化；大型硫化罐（厚制品）；连续硫化（挤出）；注压硫化（橡胶密封O型圈）橡胶配方设计原理和工艺配方设计定义橡胶材料是生胶与多种配合剂构成的多相体系。橡胶制品的性能取决于橡胶分子本身，以及各种配合剂性质及它们之间的相互作用关系。定义：根据产品的性能要求及工艺条件，合理选用原材料，制订各种原材料的用量配比关系的设计方法。配方设计决定着产品质量、成本和加工性能。需掌握的知识形态结构机械流变加工性能常规测试仪器分析测试技术原材料配合剂聚合物复合材料共混理论高化高物加工工艺原理配合剂化学优选法实验设计回归分析最优化技术配方设计配方设计过程绝不是各种材料的简单搭配，而是在了解各种原理的基础上，充分地发挥整个配方系统的协同效果，利用新技术得到最佳配比关系。需有厚实的高物、高化、橡胶工艺原理知识，并良好运用。橡胶配方设计的原则与程序一、设计原则使产品性能满足使用的要求或给定的指标。在保证满足使用性能或给定的指标情况下，尽量节约原材料和降低成本，或者在不提高成本情况下提高质量。使胶料适合于混炼、压延、压出、硫化等工艺操作，以及有利于提高设备生产效率。要考虑产品各部位不同橡胶的整体配合，使各部件胶料在硫化速度上和硫化性能上达到协调。例如，轮胎胎面胶和缓冲层、帘布层间。保证质量前提下，尽可能简化配方。最终使橡胶的性能、成本和工艺可行性三方面取得综合平衡二、设计程序1．确定胶料技术要求进行调查研究，了解产品使用时的负荷、工作温度、接触介质、使用寿命以及胶料在产品结构中所起的作用，作为配方设计依据。2．收集技术资料收集国内外有关同类产品或类似产品研制的技术资料作为配方设计参考。3．制定基本配方和性能试验项目制定基本配方步骤如下：1）确定生胶的品种和用量。根据主要性能指标确定主体胶料品种，用量与含胶率有关。2）确定硫化体系。根据生胶的类型和品种，硫化工艺及产品性能要求来确定。3）确定补强剂品种和用量。根据胶料性能、比重及成本确定。4）确定软化剂品种和用量。根据生胶及填料种类，胶料性能及加工条件确定。5）确定防老剂品种和用量。根据产品使用环境的条件来确定。6）确定其它专用配合剂的品种和用量。（如着色剂，发泡剂等）4．进行试验并选取最佳配方小试试验，选出最佳配方5．复试和扩大中试6．确定生产配方生产配方包括：配方组份和用量，胶料性能指标，塑炼、混炼条件，硫化条件等整套资料。补充：配方研究包括三方面：基础配方性能配方生产配方橡胶配方设计的组成、表示方法及测试配方组成重量份重量百分数％密度（g/cm3)体积百分数％生产配方（kg)NR10062.110.9276.7050S31.862.051.001.5M10.621.420.500.5ZnO53.15.570.602.5SA21.240.921.601炭黑5031.061.8019.6025合计16110010080.5有些配合剂以母胶形式加入胶料中，配方需进行相应换算。NR100S2.75促M0.75ZnO5.00SA3.00防A1.00炭黑45.00合计157.5NR90促M10合计100促M以母胶配方加入，母胶配方：配方：主体橡胶硫化体系填充补强体系软化体系防护体系其它助剂混炼条件压延条件硫化条件时间温度压力结构和形态：SEM、TEMDSCXRD化学组成及化学反应：色谱红外核磁共振物理机械性能：可塑度，焦烧硫化特性扯断强度定伸应力伸长率永久变形回弹性撕裂强度耐磨性生热性老化、耐油等三方块原则：第一大体系：各种橡胶的性能特点天然橡胶（NR）丁苯橡胶（SBR）顺丁橡胶（BR）氯丁橡胶（CR）丁基橡胶（IIR）丁腈橡胶（NBR）三元乙丙橡胶（EPDM）硅橡胶（SiR）氟橡胶（FKM）聚氨酯橡胶（PUR）聚丙烯酸酯橡胶（ACM）氯醚橡胶（ECO）天然橡胶（NR）NR的主要成分是异戊二烯的均聚物，其中顺式加成结构达97％。性能优点：（1）NR是一种结晶性橡胶，可拉伸结晶，且NR具有较高的分子量。NR纯胶硫化后强度可达25MPa；用炭黑增强后可达35MPa。（2）NR的撕裂强度也很高，最高可达120kN/m。（3）回弹性高，滞后损失小，生热低，良好的耐疲劳性。（4）NR具有较高的耐磨性。（5）混炼胶黏合性强，生胶强度高，挺性好。性能缺点：耐热性不高，常期使用温度低于90oC，可在100oC下可短期使用；耐老化，耐O3性能不高——主链上存在大量的不饱和双键。NR的耐燃料油性差——非极性橡胶与烃类油相容性高。天然橡胶的典型用途：．天然橡胶的应用天然橡胶主要应用于轮胎、胶带、胶管、电线电缆和多数橡胶制品，是应用最广的橡胶。丁苯橡胶（SBR）丁苯橡胶，高反式聚锡偶联溶聚丁苯橡胶醇烯溶聚丁苯橡胶烷基锂溶聚丁苯橡胶溶液聚合丁苯橡胶羧基丁苯橡胶液体丁苯橡胶高苯乙烯丁苯橡胶系列母炼胶低温充油丁苯橡胶炭黑系列低温充油丁苯橡胶系列胶低温丁苯橡胶炭黑母炼系列低温丁苯橡胶系列高温丁苯橡胶乳液聚合丁苯橡胶丁苯橡胶-41-)(1800)(1700)(1600)(1500)(1000苯乙烯含量50％～70％自由基聚合机理（ESBR）阴离子聚合机理（SSBR）SBR的性能特点：非结晶性橡胶，必须使用增强填料补强。补强后的强度能达到NR纯硫化胶的水平。耐磨性较好（特别是高温），耐寒性较差（比NR），内耗大，生热高，弹性较低。耐热氧老化特性优于NR，硫化速度较NR慢（因SBR的双键浓度较低和苯环的体积位阻效应）；SBR的使用上限温度比NR高10-20℃。SBR的耐溶剂性能以及电绝缘性能与NR相似，因为均为非极性二烯类橡胶。SSBR比ESBR的弹性好，滚动阻力低，抓着力高。加工性能比NR稍差，尤其是S-SBR包辊性差，自粘互粘性差。SBR的典型用途：应用广泛，除要求耐油、耐热、耐特种介质等特殊性能外的一般场合均可使用。主要用于轮胎工业，如轿车胎、拖拉机胎、摩托车胎中应用比例较大，载重及子午胎中应用比例较小些。在无特殊要求的胶带、胶管及一些工业制品中也获得了广泛的应用，如输水胶管、鞋大底等。溶聚丁苯橡胶溶聚丁苯橡胶(S-SBR)是以丁二烯、苯乙烯为单体，烷基锂为催化剂，在有机溶剂中进行阴离子共聚的产物。由于聚合条件的不同，可使苯乙烯和丁二烯的结合方式不同，分为无规型、嵌段并存型三大类。无规型为通用型溶聚丁苯橡胶，可用于轮胎、鞋类和工业橡胶制品；嵌段型和无规型属热塑性弹性体；无规型与嵌段并存型是新型溶聚丁苯橡胶，乙烯基含量高，其特点是滚动阻力小，且抗湿滑性小。此外，还有发、以充油、充炭黑溶聚丁苯橡胶，以及反式-1，4-丁苯橡胶和锡偶联溶聚丁苯橡胶等特殊品种。无规型溶聚丁苯橡胶与低温乳聚丁苯橡胶相比，其橡胶烃含量较高，支链少，相对分子质量分布较窄，而且在微观结构上丁二烯的顺式-1，4结构、1，2结构含量比例增多，反式-1，4结构比例减少。因此这种无规型的溶聚丁苯橡胶，适于填充大量的炭黑，硫化胶的耐磨性好，弹性、耐寒性、永久变形等都介于低温乳聚丁苯橡胶之间，故适用于轮胎生产。顺丁橡胶（BR）CH2CHCH2HCCH2CCHCH2HCH2xyCCH