橡胶配方设计基础

第1章橡胶配方设计基础1.1配方表示形式一、概述1.概念橡胶配方设计：根据橡胶产品的性能要求和工艺条件，合理地选用原材料，并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。橡胶配方：生胶和多种配合剂按照一定比例的一种组合。五大体系：生胶体系(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。2.配方设计的意义①是橡胶制品生产过程中的重要技术依据.②对产品质量有决定性的影响.③对产品的经济成本也有决定性的影响例：设计胶管的内层胶使用环境：输送气体、输送泥浆、酸、碱、油类液体。EPDMCRNBREPDMSBRBRSBRNR,NBRNRIIR刹车液：、油类：、酸、碱：、、泥浆：要求耐磨性好、、橡胶输送气体：气密性好的生胶的确定二、橡胶配方的组成及表示形式1.橡胶配方的组成橡胶配方简单地说就是一份生胶和各种配合剂用量的配比表。生产上的橡胶配方包含：胶料的名称代号及用途，生胶及各种配合剂的用量、含胶率，比重、成本及胶料的物机性能等。2.配方的表示形式1.基本配方以质量份数表示（mi）：以生胶分数为100份，其余配合剂相应质量份数表示2.质量百分数（mi%）：=mi/∑mi×100%以胶料总质量为100，生胶和配合剂质量所占比例数来表示，主要用于计算原材料质量成本和含胶率。3.体积百分数表示（Vi%）：=Vi/∑Vi×100%以胶料总体积为100，生胶和配合剂体积所占比例数来表示，主要用于计算原材料体积成本。4.生产配方（Mi,kg）：=Q/∑mi×mi取胶料的总质量等于炼胶机的装胶量Q，各组分以实际用量表示。原材料名称，(g/cm3)基本配方,质量份质量分数配方/％体积分数配方/％生产配方，kgNR0.92硫磺2.05促进剂M1.42ZnO5.57St0.92C.B.1.8010031525062.20①1.860.603.101.2431.0076.70②1.030.500.631.5419.6050.0③1.50.52.51.025.0合计161100.00100.0080.5表1-1橡胶配方的表示形式1.2配方换算①质量分数配方计算：mi%=mi×(100/∑mi)②体积分数配方计算：Vi%=mi/ρi×[100/∑(mi/ρi)]③生产配方计算：Mi=mi×(Q/∑mi)作业：将下述基本配方换算成其它形式表示的配方，假设炼胶机的容量为31.50Kg，要求写出换算公式。组分质量/份密度/体积/份质量体积生产配方（g/cm3）百分数/%百分数/%/KgNR100.000.92108.7063.4977.3020.00S2.752.05促M0.751.42ZnO5.005.57硬脂酸3.000.92炭黑45.001.80防老剂1.001.12合计157.50—140.622019/8/14例如：促进剂M母胶配方NR100促进剂M20ZnO5合计125原材料名称基本配方质量份生产配方kgNRS促MZnOStC.B.10031525050.01.50.52.51.025.0合计16180.5原材料名称基本配方质量份生产配方kgNRS促M母胶ZnOStC.B.9536.254.7525047.51.53.1252.375125合计16180.5X促M母=1/(20/125)=6.25份母胶中：XNR=6.25×(100/125)=5份XZnO=6.25×(5/125)=0.25份含配合剂母胶的配方计算：2019/8/14由生产配方计算基本配方：mi=Mi×（100/∑M胶）mi——基本配方中各组分的份数；Mi——生产配方中各组分的实际质量，kg；∑M胶——生产配方中生胶的总质量。原材料名称生产配方统一单位配方/kg转换系数基本配方/份NRSBRS促MZnOSt防4020C.B.5kg3kg200g80g400g160g160g4kg530.20.080.40.160.164100/8=12.562.537.52.51.05.02.02.050.0合计13.0162.5（一）配方设计的内容1、确定硫化胶的主要性能及性能指标范围（1）已有成品：解剖成品，测试性能（2）无成品：借鉴同类或相似产品或计算机模拟分析提出2、确定合适的工艺条件及指标值的范围实验研究确定3、确定主体材料和配合剂的品种与用量实验研究确定4、确定原材料的指标范围实验研究确定，参考原材料出厂检测指标，以满足制品性能要求为准。5、计算成本1.3橡胶配方设计的种类、原则和步骤（二）配方设计的种类实用配方（生产配方）性能配方（技术配方）基础配方（标准配方）基础配方：标准配方，仅包括最基本的组分，采用传统的配合量，以生胶和配合剂鉴定为目的，反映胶料基本工艺性能及硫化胶基本物理机械性能的配方。基础配方的获得：（1）ASTM标准（2）根据实验的基本情况进行拟定（3）借鉴同类或类似产品的生产配方性能配方：技术配方，全面考虑各种性能的搭配，增加或调整基础配方的内容，以满足制品使用条件的配方。实用配方：生产配方，在满足要求的性能配方基础上，结合实际生产条件所得的实用投产配方。基础配方、性能配方、实用配方是相互制约、相互影响的。例：橡胶基础配方：生胶：100份；硫磺：0.5-3.5份；促进剂：0.5-1.5份ZnO:1-10份；Hst：0.5-2.0份；防老剂：0.25-1.5份（三）配方设计的原则1.宗旨使橡胶制品的性能、成本和工艺可行性三方面取得最佳的综合平衡，以最低的原材料消耗，最短的时间，最少工作量设计出性能优良并满足现有生产设备要求的配方。2.基本原则（1）在不降低产品质量的情况下降低成本（2）在保持成本不变的情况下提高产品的性能3.一般原则（1）满足制品的性能要求；（2）设计的配方易于加工（3）原材料价廉易得；（4）重点设计主要性能（5）充分考虑交互作用；（6）配方成本低，能耗低（7）配方尽可能简化（8）符合环保与卫生要求（四）配方设计的基本程序（1）确定胶料的技术要求胶料的技术要求包括：产品用途、使用部位及应起的作用；产品具体使用条件，包括工作温度范围、工作压力、工作周期、频率及使用寿命等；胶料的工艺性能等。（2）收集技术资料主要是了解前人或有关单位对同类产品或类似产品所作过的配方试验情况，技术经验。收集有关同类产品或类似产品研试技术，为进行配方设计时作参考。（3）制订基本配方和性能试验项目基本试验配方的制订确定性能试验项目①确定生胶的品种和用量②确定硫化体系③确定补强填充剂④确定软化增塑剂⑤确定防老剂⑥确定其他专用配合剂加工性能物机性能使用性能其他性能：视产品而定（4）进行试验并选取最佳配方（试验室进行）塑炼混炼制成硫化胶试样性能测试数据整理对比，取舍初选最佳配方（5）复试并扩大中试（车间中进行）试验配方复试3-5次车间规模试验检验胶料的工艺性能、硫化胶的物机性能和成品的机床性能初步确定最佳工艺条件（6）确定完整的生产配方生产配方内容包括：配方组分、用量，胶料性能指标（指胶料的名称，代号，用途），工艺条件（主要指塑混炼条件，硫化条件）及检验方法等整套资料。以上配方设计程序可示意于下图调查研究收集技术资料原材料性能分析制品的使用分析加工工艺分析制订基本配方和性能试验项目试验室研究分析选取最佳配方复试并扩大中试确定完整的生产配方1.4橡胶配方设计方法橡胶配方设计主要依赖于人们在生产当中积累的经验规律，通过大量而繁复的试验来优化配方，造成大量人力、物力的浪费。随着科学技术在各个领域的进步和发展，尤其是计算机技术的迅速发展，橡胶行业已经开始采用计算机进行配方设计。2019/8/141.单因素设计方法因素：需要考察的影响试验胶料性能指标的因素,如橡胶配方组分中的硫化剂、补强剂、防老剂等；水平：每个试验因素可能取值的状态单因素配方试验设计主要就是研究某单一试验因素，如促进剂、炭黑、防老剂或某一新型原材料，在某一变量区间内，确定哪一个值的性能最优。这样的设计方法主要包括：黄金分割法（0.618法）、平分法（对分法）、分批试验法、抛物线法、爬山法。黄金分割法黄金分割点在线段L的0.618处，故此法又称0.618法。这个方法的要点是先在配方试验范围[a，b]的0.618点作第一次试验，再在其对称点(试验范围的0.382处)作第二次试验，比较两点试验的结果，去掉“坏点”以外的部分。在剩下的部分继续取已试验点的对称点进行试验、比较和舍取，逐步缩小试验范围。ax2x1（大点）b（小点）ax2x1（大点）b（小点）ax2x1（大点）b（小点）应用实例子午线轮胎子口包胶使用齐聚酯增硬。胶料要求为：硬度（邵氏A）达到85度；拉伸强度不小于20MPa；扯断伸长率不小于200%。试验结果：齐聚酯用量的合理范围为2.2～5.7质量份。齐聚酯用量（质量份）02.2(0.382)3.6(0.618)5.7胶料硬度（邵氏）79838586拉伸强度/Mpa21.822.322.522.8扯断伸长率/%250225218200齐聚酯用量（质量份）05.7(0.382)9.3(0.618)15胶料硬度（邵氏）79868889拉伸强度/Mpa21.822.831.235.1扯断伸长率/%250200180150x2x1(0.618)(0.382)05.79.315平分法(对分法)如果在试验范围内，目标函数是单调的，要找出满足一定条件的最优点，可以用平分法。平分法和黄金分割相似，但平分法逼近最佳范围的速度更快，在试验范围内每次都可以去掉试验范围的一半，而且取点方便。①要求胶料物理性能要有一个标准或具体指标，否则无法鉴别试验结果好坏，以决定试验范围的取舍。②要知道原材料的化学性能及其对胶料物理性能的影响规律。能够从试验结果中直接分析该原材料的量是取大了或是取小了，并作为试验范围缩小的判别原则。实例：得到胶料与黄铜钢丝帘线粘合力最高的680C用量。基本配方：天然胶SMR590，BR10，ZnO5，SA0.5，HAFCB60，芳香操作油4，促进剂0.7，防焦剂PVI0.4，S3，Manbond680C的用量为0～2份。试验次数第一次试验第二次试验第三次试验Manbond680C／质量份0120.51.50.751.25粘合力/kg（1.27cm）-130564453515554•试验结果：该配方中应用Manbond680C的最佳用量范围为0.75—1.25份。分批试验法这种方法是每批试验配方均匀地安排在试验范围内。例如：每批做4个实验，我们可以先将实验范围(a，b)均分为5份，在其4个分点x1，x2，x3，x4处做4个实验。将4个实验结果比较，如果x3好，则去掉小于x2和大于x4的部分，留下(x2，x4)的范围。然后将留下的部分再均分为6份，在未做过实验的四个点上再做4个实验。这样不断地做下去，就能找到最佳的配方变量范围。ax1xxxb234xxx2342.多因素设计方法在大多数橡胶配方研究中，通常需要同时考虑确定两个或多个变量因素对橡胶性能的影响规律，这就是多因素橡胶配方设计的问题。多因素的全面试验遇到的最大问题就是试验次数太多，有时无法承受。如果有8个因素对性能指标有影响，每个因素取两个水平进行比较，那么就有28=256个不同的水平组合，这里需要对256个试验处理进行比较，假定每个因素取三个水平的话，那么就有38=6561个不同的试验处理需要进行比较，再加上重复，处理的数量就会更多，这在实际中是不可行的2019/8/141.4.1.正交设计法简介：几个概念：因素：需要考察的影响试验胶料性能指标的因素,如橡胶配方组分中的硫化剂、补强剂、防老剂等；水平：每个试验因素可能取值的状态交互作用：各试验因素间的相互综合影响的作用正交试验设