1、,橡 膠 配 方 設(shè) 計 Rubber Formula Design 肖建斌 高分子科學(xué)與工程學(xué)院, 青島科技大學(xué),1,橡膠配方設(shè)計課程目的及意義：,提高橡膠制品的質(zhì)量； 改善加工工藝； 配合體系的生產(chǎn)及應(yīng)用研究； 橡膠加工設(shè)備及測試儀器； 成本分析； 計算機建模預(yù)測性能等。,理論指導(dǎo) 實踐應(yīng)用,橡膠配方設(shè)計,2,3,第一章 橡膠配方設(shè)計的基本概念（4學(xué)時） 第二章 橡膠配方設(shè)計原理（14學(xué)時） 第三章 特種橡膠與功能性橡膠配方設(shè)計（6學(xué)時) 第四章 配方設(shè)計優(yōu)化方法（6學(xué)時) 第一節(jié) 單因素變量設(shè)計 第二節(jié) 多因素變量設(shè)計 第五章 橡膠制品配方設(shè)計要點（2學(xué)時),第一節(jié) 橡膠配方設(shè)計與硫化膠

2、物性的關(guān)系 第二節(jié) 橡膠配方設(shè)計與工藝性能的關(guān)系 第三節(jié) 橡膠配方設(shè)計與成本的關(guān)系,4,目的和要求： 了解橡膠配方設(shè)計的定義、特點。 掌握配方設(shè)計的原則和表示方法。 學(xué)會計算材料的含膠率、密度、成本。 了解橡膠產(chǎn)品的種類、結(jié)構(gòu)，對橡膠制品的使用條件和加工條件有所了解。 掌握原材料的特性及配合規(guī)律。 掌握膠料加工及物性檢測方法及數(shù)值大小對性能的影響。,第一章 橡膠配方設(shè)計的基本概念,5,一、橡膠配方設(shè)計，就是根據(jù)橡膠產(chǎn)品的性能要求和工藝條件合理選用原材料，確定各種原材料的用量配比關(guān)系，使得膠料的物性、工藝性和成本三者取得最佳平衡。,工藝性,物理機械性能,成本,一 、 橡膠配方設(shè)計的定義,6,二、

3、橡膠配方設(shè)計特點,1橡膠配方設(shè)計是多因素的問題; 2橡膠配合劑種類及用量影響力不同的問題; 3橡膠配方中各種原材料之間的交互作用強烈; 4工藝因素有時對橡膠配方設(shè)計起決定性作用; 5橡膠配方設(shè)計中盡力排除試驗誤差; 6配方經(jīng)驗規(guī)律與統(tǒng)計數(shù)學(xué)相結(jié)合。,7,三、橡膠配方設(shè)計的原則與程序,1、原則： 配方設(shè)計人員應(yīng)用理論知識，用最少的物質(zhì)消耗，最短的時間，最少的工作量，通過科學(xué)的橡膠配方設(shè)計方法，掌握原材料配合的內(nèi)在規(guī)律，設(shè)計出實用配方，使制品的性能、成本和工藝可行性等方面取得最佳的綜合平衡。 2、程序： 基礎(chǔ)配方：原材料試驗鑒定 性能配方：針對性能指標(biāo)制定的配方 實用配方：經(jīng)驗證符合要求的配方 生

4、產(chǎn)配方：投入生產(chǎn)使用的配方,8,四、橡膠配方的組成及表示方法,橡膠配方簡單地說，就是表示生膠和配合劑用量配比表。表示方法： 質(zhì)量份數(shù)表示：以生膠分?jǐn)?shù)為100，其余配合劑相應(yīng)質(zhì)量份數(shù)表示。 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：以混煉膠料總質(zhì)量為100，生膠和配合劑所占比例數(shù)來表示。 體積百分?jǐn)?shù)表示：即以膠料的總體積為100%，將基本配方中生膠及各種配合劑的重量分?jǐn)?shù)分別除以各自的相對密度，求出體積份數(shù)。 符合生產(chǎn)使用要求的質(zhì)量配方稱為生產(chǎn)配方，取煉膠機的裝膠量Q除以基本配方總質(zhì)量即得換算系數(shù)，乘以基本配方中各組分的質(zhì)量份，即得實際用量。,9,舉例：摩托車胎配方：采用密煉機煉膠，總裝膠量為40kg 配合劑 質(zhì)量份數(shù) 質(zhì)量百

5、分?jǐn)?shù) 生產(chǎn)配方 密度 價格 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 機油 5 2.5 1kg 0.93 5 固馬隆 6 3 1.2kg 1.06 6 S 2 1 400g

6、2.05 3 合計 200 100 40kg,作業(yè)：求出混煉膠的含膠率、密度和成本,10,生產(chǎn)配方組成： 膠料用途 膠料的名稱及代號，生膠及各種配合劑的用量 合計（計算密度、含膠率、成本） 工藝條件 物理機械性能,11,原材料應(yīng)用 加工工藝 使用性能 產(chǎn)品結(jié)構(gòu),五、橡膠配方設(shè)計影響因素,12,1、 原材料應(yīng)用,生膠（高聚物單用或并用）：母體材料或基體材料 硫化體系：與橡膠大分子起化學(xué)作用，使橡膠由線型大分子變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高橡膠性能、穩(wěn)定形態(tài)的體系。 補強填充體系：在橡膠中加入炭黑等補強劑或其它填充劑，提高其力學(xué)性能，改善工藝性能，或者降低制品成本。 防護體系：加入防老劑，延緩橡膠的老化，

7、提高制品的使用壽命。 增塑體系：降低制品硬度和混煉膠的粘度，改善加工工藝性能。 加工及功能助劑：改善膠料的加工和物理性能。,13,2、橡膠加工工序 1）塑煉：降低生膠的分子量，增加塑性，提高流 動性和可加工性。 2）混煉：采用開煉機或密煉機使生膠與配方中各 個組分混合均勻，制成混煉膠。,14,3）壓延：利用壓延機將混煉膠或與紡織物、鋼絲等骨架材料通過壓片、壓型、貼合、擦膠、貼膠等操作制成一定規(guī)格的半成品的過程。 4）壓出：利用擠出機將混煉膠通過口型壓出各種斷面半成品的過程，如內(nèi)胎、胎面、膠管等。 5）硫化：橡膠加工的最后一道工序，通過一定的溫度、壓力和時間后，使橡膠大分子由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀彈

8、性狀態(tài)的過程。,15,未硫化橡膠加工性能的測定,1、 混煉膠的流動性 可塑度：P=(h0-h2)/(h0+h1), 0 P1 h0：原始高度， h1：負(fù)荷作用3min后的高度， h2:恢復(fù)3min后的高度,可塑度的檢測儀器,16,2）門尼粘度：ML 1+4100,門尼粘度的測試原理,、混煉膠的均勻程度：切片觀察法、CB分散儀、 電子顯微鏡,、門尼焦燒（最低扭矩上升5個門尼值）,17,、擠出特性：材料的擠出膨脹比、擠出外觀 、應(yīng)力松弛：以時間長短來衡量 、 膠料加工綜合性能：混煉、壓出特性等。 Brabender, Hakke流變儀,18,混煉膠的質(zhì)量和配方總量之差與配方總量之比： ISO239

9、3規(guī)定無填料的混煉膠為0.3； 有填料的混煉膠為0.6 常規(guī)的混煉順序：生膠或塑煉膠共混 小藥（活性劑、促進劑、防老劑、固體軟化劑） 補強劑和填料 軟化劑 硫化劑,19,混煉工藝,溫度的影響 轉(zhuǎn)速的影響,20,、硫化特性: 焦燒時間（Ts1，Tc10），工藝正硫化時間（Tc90），最小轉(zhuǎn)矩（ML），最大轉(zhuǎn)矩（MH），硫化指數(shù)100/(Tc90-Tc10),21,最小轉(zhuǎn)矩ML:與膠料的流動性有關(guān)； 最大轉(zhuǎn)矩MH：與膠料交聯(lián)密度有關(guān)； 焦燒時間（T10）：又稱誘導(dǎo)期，指膠料從加入到模具中受熱開始到轉(zhuǎn)矩為M10所對應(yīng)的時間； M10=ML+（MHML）10 或 最小轉(zhuǎn)矩上升或個單位的時間（Ts1，T

10、s2） 理論正硫化時間（TH）：膠料從加入到模具中受熱開始到轉(zhuǎn)矩達到最大值所需要的時間； 工藝正硫化時間(T90)：膠料從加入到模具中受熱開始到轉(zhuǎn)矩達到M90所需要的時間。 M90=ML+（MHML）90,22,3、硫化橡膠的使用性能測試,1拉伸強度 P/bh，Mpa 2定伸應(yīng)力，Mpa 100%，300%，Mpa 3拉斷伸長率 ， （L1-L0）/L0*100% 4扯斷永久變形： S=(L2- L0)/ L0， 5撕裂強度： P/h，KN/m,23,6有效彈性和滯后損失,C,D,B,A,24,7硬度測定：邵爾A型 0100度 8磨耗測定： 磨耗體積 V=(m前-m后)/，cm3/1.61Km

11、， 磨耗指數(shù)V標(biāo)/V試,阿克隆磨耗,滾筒磨耗,25,9疲勞的測試： （1）壓縮疲勞：1)溫升 2)變形 （2）屈撓龜裂：裂口大小及 出現(xiàn)裂口的時間 （3）拉伸疲勞：疲勞壽命計算 10壓縮永久變形 K=(h0-h2)/(h0-h1)*100% 11粘彈性 （1）擺錘式回彈儀 （2）蠕變 （3）應(yīng)力松弛 （4）動態(tài)粘彈性能(DMA)、動態(tài)模量及tg,26,12老化性能： (1)熱空氣老化：拉伸強度、硬度、扯斷伸長率的變化率或保持率。 (2)臭氧老化：表面狀態(tài) 13低溫性能：1)脆性溫度：斷裂時的最低溫度 2)玻璃化溫度的測定：差熱分析儀 14熱性能：1)導(dǎo)熱系數(shù)、熱傳導(dǎo) 2)分解溫度或氧化起始溫度

12、 15阻燃性:(1)氧指數(shù)：氧指數(shù)越大，阻燃性越好 裝飾及汽車配件 (2)錐形量熱儀：熱釋放速率、煙量、 點燃時間、有害氣體成份等。,27,16絕緣性： 1) 表面電阻率和體積電阻率大小 1015cm以上 2) 介電損耗 介電損耗越大，絕緣性越差 3) 擊穿電壓強度 擊穿電壓/厚度 17導(dǎo)電性：體積電阻率 10cm以下 抗靜電 10610cm 高分子導(dǎo)電、導(dǎo)電填料 18擴散與滲透性能 1)透氣性：內(nèi)胎、瓶塞 2)透濕性和透水性：防水卷材、水壩、房屋 3)油擴散:密封件,28,19耐液體：耐油、耐化學(xué)溶劑、耐酸堿 體積、重量變化率及物理性質(zhì)的變化率 20粘合強度：膠料與膠料之間：剝離強度 膠料與

13、簾線及鋼絲之間：H抽出法,29,加工性能和物理機械性能測試要求： 1)變異性：a.材料本身不完全均勻 b.試驗步驟的變異性 2)準(zhǔn)確度表示測定值與真實值相符的程度 3)精密度表示各次測定值彼此間相符的程度 4)重復(fù)性是指同一實驗室中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度 5)再現(xiàn)性是指不同實驗室間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,30,4、產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 一、輪胎配方設(shè)計原則（整體設(shè)計、各部位設(shè)計）,31,1各部位膠料定伸應(yīng)力的匹配 輪胎使用過程中產(chǎn)生復(fù)雜變形，各部位之間相應(yīng)產(chǎn)生了剪切應(yīng)力、壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，如果各部件膠料應(yīng)力-應(yīng)變性能分布不當(dāng)時，會因局部應(yīng)力過大而導(dǎo)致輪胎早期損壞。 2各部件膠料硫化速度的匹配 膠料與簾線材料均為熱的不良導(dǎo)體

14、，各部位膠料在硫化過程中，受熱狀態(tài)差異較大，這就要求各部位膠料硫化速度應(yīng)協(xié)調(diào)同步。合理調(diào)配各部件膠料的硫化速度，達到同步硫化，即在相同的硫化時間內(nèi)，各部件膠料均達到最佳的硫化程度。,32,硫化膠囊,33,1、普通膠管 普通膠管主要是指在常溫下輸送空氣或其它氣體以及輸送水或其它液體的夾布膠管。膠管各部件的膠料包括內(nèi)層膠、擦布膠、填充膠(中膠)和外層膠等。 2、特種膠管 特種膠管品種繁多，根據(jù)其使用條件和輸送的介質(zhì)不同，主要有耐油膠管，耐酸、堿膠管，耐熱膠管，液壓膠管，耐磨膠管，泥漿噴射膠管，剎車、制動膠管，潛水膠管，食品專用膠管等。,二、膠管膠料配方設(shè)計原則,34,35,1、輸送帶 輸送帶的覆蓋

15、膠主要有耐磨、難燃、耐熱、耐酸堿、導(dǎo)靜電、食品輸送等類型。 2、傳動帶 (一)普通V帶 膠料配方較多，有包布層膠、伸張層膠、簾布層膠、壓縮層膠、線繩浸膠等。 (二)汽車V帶 汽車V帶是在較高的環(huán)境溫度下使用。普通V難以滿足使用要求。 (三)同步帶 同步帶是一種工作面帶有齒狀結(jié)構(gòu)，集齒輪、鏈輪和帶傳動的優(yōu)點于一體的新型傳動帶。由帶背、強力層、帶齒和帶齒包布層組成。,三、膠帶膠料配方設(shè)計原則,36,37,高強力阻燃輸送帶覆蓋膠,汽車同步帶,38,1、橡膠減震器 （一）主要性能要求 具有一定的動態(tài)阻尼性能，以提供良好的減震效果。 與各種金屬有良好的粘合性，粘合強度高。 適宜的彈性模量，盡可能地減小硫

16、化膠的蠕變。 良好的耐疲勞、耐動態(tài)老化性能。,四、減震橡膠制品,39,2、橡膠空氣彈簧 橡膠空氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)與無內(nèi)胎輪胎相似，由外層膠、簾布層、內(nèi)層膠和鋼絲圈組成。 膠料的主要性能要求為：外層膠要求耐屈撓、耐天候老化和臭氧老化，與簾線的粘著強度高。一般采用天然橡膠和氯丁橡膠并用。簾布層膠要求耐屈撓，與簾布粘著力高。通常采用天然橡膠。內(nèi)層膠要求透氣性小，與簾布的附著強度高，耐老化性能好。,40,1、密封圈（O形圈、矩形墊等） 根據(jù)O形圈的工作條件如介質(zhì)、溫度、壓力、受力狀態(tài)等進行膠料配方設(shè)計。用作動態(tài)密封的O形圈，除了耐介質(zhì)、壓縮永久變形小之外，還要求膠料具有良好的抗撕裂性、耐磨性、耐熱性和抗

17、擠壓性。,五、密封制品,41,2、油封 主要性能要求：與密封介質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性好，膠料在密封介質(zhì)中（主要是各種油類）不發(fā)生溶脹、硬化等現(xiàn)象，否則會使徑向力降低，改變過盈量尺寸，導(dǎo)致密封失效。具有良好的耐熱性、耐磨性，摩擦系數(shù)要小，這對線速度較高的油封尤為重要。具有適度的彈性，能適應(yīng)軸的粗糙度和偏心度的變化，對動態(tài)偏心有較好的跟隨能力（隨動性）。,42,3、密封條 橡膠密封條主要用于密封車輛及建筑物門窗，所用的膠料必須具有： 優(yōu)異的耐天候老化、耐臭氧老化性能，以保證密封條有較長的使用壽命。 壓縮永久變形小、耐寒性好，以保證密封條在-50-70下，具有良好的密封性能。 膠料的壓出工藝性能要好。,43

18、,44,4、制動皮碗和密封接頭 主要性能要求 應(yīng)具有良好的耐制動液（醇型制動液、礦物油、合成油）的性能，使用中不發(fā)生溶脹，不產(chǎn)生沉淀和有害金屬，對金屬配件無腐蝕性。具有較好的耐熱性和耐寒性，在-50-120能正常工作。彈性好，壓縮永久變形小，耐磨性好，以保證制動皮碗能迅速的傳遞壓力并具有良好的密封性能。,45,1、造紙膠輥 造紙膠輥是一種直徑大、膠層厚的大型厚壁制品。不同用途的造紙膠輥對膠層硬度都有一定的要求，而且對硬度的要求很嚴(yán)格。 2、印染膠輥 在印染機械中作印花、軋染、軋液、導(dǎo)布之用。一般主動輥要求高硬度(邵爾A 98-100 度) ，不需要彈性；被動輥的硬度一般在70-85 度(邵爾A) ，要求具有彈性。 3、印刷膠輥 主要性能要求是:硬度低(邵爾A 20-40 度)、耐油性好、生熱小、易清洗、表面性能好，具有一定的吸附和傳遞油墨的性能。 4、礱谷膠輥，又稱磨米膠輥。 要求輥面膠具有良好的耐磨性、耐熱性、抗撕裂性和適宜的硬度。硬度(邵爾A) 在75 度以下時，膠質(zhì)軟，稻谷的脫殼效率低。硬度過高在90 度以上時，雖然脫殼容易，但易將米磨碎，一般情況下，以80-90 度為宜。,六、膠輥,46,47,七、膠板,性能要求：耐磨、絕緣、導(dǎo)電