橡膠硫化收縮率分析

劉　洪，魏福智，強(qiáng)福智，汪　起

（湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003）

橡膠硫化收縮率分析

劉洪，魏福智，強(qiáng)福智，汪起

（湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003）

由于配合劑參與了復(fù)雜的物理分散過程和化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)的緣故，橡膠材料是一種經(jīng)混煉后制得的不均質(zhì)復(fù)合材料，導(dǎo)致其質(zhì)量性能呈復(fù)雜性和不確定性，故而橡膠收縮率迄今也沒有精確地計(jì)算方法。橡膠收縮率是影響橡膠模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，為了解決這一問題，廣大從業(yè)人員從多種途徑進(jìn)行了不懈的探索。本文介紹了在這個(gè)領(lǐng)域的一些進(jìn)展。

橡膠；收縮率；模具

橡膠模具在橡膠制品制造過程中占有重要作用，其功能是保障橡膠制品獲得所需的構(gòu)型和尺寸。橡膠制品的膠料在硫化過程中，在壓力和溫度的作用下內(nèi)部發(fā)生形變和交聯(lián)反應(yīng)，從而產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力。當(dāng)硫化結(jié)束膠料冷卻后，熱膨脹應(yīng)力趨于消除，橡膠制品的線性尺寸成比例地縮小，因而，為了獲得橡膠制品的正確尺寸，必須適當(dāng)增大模腔尺寸。這種硫化后橡膠制品與模具之間總存在著尺寸差異的現(xiàn)象在橡膠行業(yè)稱為收縮。收縮率即是用于表征此類尺寸差異的現(xiàn)象，通常用百分比表示，可以用如下公式表示：

式中：

S——膠料收縮率，%；

D——室溫時(shí)測得的模腔尺寸，mm；

d——室溫時(shí)測得的制品尺寸，mm。

橡膠模具設(shè)計(jì)時(shí)，必須正確掌握收縮率，才能使成品尺寸處于允許的公差范圍之內(nèi)，確保質(zhì)量。確定合理的收縮率后，可以優(yōu)化模具加工中的余量，加快模具投入生產(chǎn)的進(jìn)度。

1　影響收縮率的因素分析

1.1橡膠種類的影響

不同膠種由于分子結(jié)構(gòu)不同，對(duì)溫度的作用、化學(xué)反應(yīng)及分子取向也不同，從而導(dǎo)致收縮率不同。在圖1中，顯示了不同流向和不同位置處的含膠量均為50%的天然膠與丁腈-18的收縮率。由此可知，在模腔的任一點(diǎn)上，不論流向如何，丁腈-18的收縮率都比天然膠大。這是因?yàn)槎‰婺z是極性的，而天然膠為非極性的。極性橡膠分子間的作用力大，松弛時(shí)間長，被拉伸的分子尚未恢復(fù)原狀，就被硫化交聯(lián)反應(yīng)所固定，因而所產(chǎn)生的回縮應(yīng)力大，收縮也就大；而天然膠分子鏈柔性大、松弛快、回縮應(yīng)力小，收縮也就小。各種橡膠收縮率從小到大的順序是：天然膠＜氯丁膠＜丁腈膠＜丁苯膠＜氟橡膠＜硅橡膠。

圖1　不同膠種收縮率

1.2含膠量的影響

從圖2可以看出，膠料的收縮率隨含膠量的增加而增大。

1.3硬度的影響

一般說來硬度越大，收縮率越小，但當(dāng)超過一定值后，其收縮率反而急驟上升。圖3中顯示了橡膠制品收縮率隨硫化后硬度的增加而成馬鞍形變化的趨勢。

圖2　含膠量與收縮率關(guān)系

圖3　硬度與收縮率關(guān)系

1.4硫化溫度的影響

從圖4和表1中都可以看出，膠料的收縮率隨硫化溫度的升高而增大。

圖4　溫度與收縮率關(guān)系

表1　幾種橡膠在不同溫度硫化時(shí)的收縮率 /%

1.5硫化程度的影響

膠料的收縮率因隨硫化程度不同而表現(xiàn)各異，具體變化規(guī)律如圖5所示，隨欠硫至正硫而減小，隨正硫至過流而增大。

圖5　硫化程度與收縮率關(guān)系

1.6配合劑的影響

配合劑中影響最大的是填充劑和炭黑。填充劑對(duì)硫化膠收縮率的影響較大。用量增多，硫化膠收縮率降低。填料類型不同其影響程度也不相同。產(chǎn)生這種效應(yīng)的原因是填料的線脹溫度系數(shù)較小，基本上與模具金屬材料相近，而比橡膠小得多，如表2所示。

表2　常用橡膠、填充劑、金屬的線膨脹溫度系數(shù)

2　收縮率計(jì)算方法

在實(shí)際應(yīng)用中，有以下兩種收縮率計(jì)算方法可供選擇。

2.1線脹溫度系數(shù)法

式中：

S——膠料收縮率；

α——膠料線脹溫度系數(shù)；

β——模具材料線脹溫度系數(shù)；

ΔT——硫化溫度與室溫（20 ℃）之差值。

2.2橡膠體積分法

式中：

S——膠料收縮率；

α——膠料線脹溫度系數(shù)；

β——模具材料線脹溫度系數(shù)；

ΔT——硫化溫度與室溫（20℃）之差值；

K——橡膠體積分+丙酮抽出物。

第一種計(jì)算法適用于模具和產(chǎn)品實(shí)樣均已具備的情況，對(duì)生產(chǎn)單位比較適用；而第二種方法適用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙及膠料配方已經(jīng)具備，但模具尚在加工之中的情況。為了減少模具修改、返工的工作量，可按第二式計(jì)算，為模具加工提供參考數(shù)據(jù)。

3　結(jié)束語

由于配合劑參與了復(fù)雜的物理分散過程和化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)的緣故，橡膠材料是一種經(jīng)混煉后制得的不均質(zhì)復(fù)合材料，故而導(dǎo)致其質(zhì)量性能具有復(fù)雜性和不確定性特性。在模具設(shè)計(jì)過程中，可以利用經(jīng)驗(yàn)公式先進(jìn)行基值設(shè)計(jì)，再結(jié)合實(shí)際檢測數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使制品的收縮量得到有效的控制，以確保產(chǎn)品尺寸滿足客戶需求。

［1］ 虞福榮. 橡膠模具實(shí)用手冊(cè). 化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

［2］ 塑料模設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組. 塑料模設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］ 曹宏深，趙仲治. 塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［4］ 牽學(xué)峰. 型腔模設(shè)計(jì)［fM］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社. 1996.

［5］ 紀(jì)奎江. 實(shí)用橡膠制品生產(chǎn)技術(shù)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［6］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二分冊(cè)）［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 1998.

再生橡膠綠色生產(chǎn)的世界性難題被成功破解

再生橡膠生產(chǎn)中的二次污染這一世界性難題，已被成功破解。2015年8月6日，江蘇強(qiáng)維橡塑科技有限公司，在年產(chǎn)5 000 t顆粒再生橡膠連續(xù)化生產(chǎn)車間既沒有聞到刺鼻的氣味，也沒有看到無組織排放的白煙。中國輪胎循環(huán)利用協(xié)會(huì)會(huì)長朱軍在生產(chǎn)現(xiàn)場對(duì)記者表示，再生橡膠綠色生產(chǎn)之門終于被敲開，而實(shí)現(xiàn)這一突破性變革的技術(shù)名為多階螺桿連續(xù)脫硫綠色制備顆粒再生橡膠成套技術(shù)裝備。

項(xiàng)目牽頭人北京化工大學(xué)教授張立群告訴記者，該項(xiàng)目為“十二五”國家“863”項(xiàng)目，由北京化工大學(xué)牽頭，聯(lián)合江蘇強(qiáng)維橡塑科技有限公司共同完成。項(xiàng)目組針對(duì)傳統(tǒng)廢橡膠脫硫制備再生橡膠技術(shù)污染大、能耗高、不安全、產(chǎn)品質(zhì)量差且不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，首創(chuàng)雙螺桿動(dòng)態(tài)連續(xù)脫硫與螺桿動(dòng)態(tài)連續(xù)剪切降低門尼黏度的聯(lián)動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從膠粉到再生橡膠整個(gè)制備過程的綠色、節(jié)能、連續(xù)、高效生產(chǎn)，達(dá)到了“近零排放”。而且，該技術(shù)適用性較廣，可用于高性能輪胎再生橡膠、丁基再生橡膠、超低黏度液體再生橡膠等廢橡膠資源的循環(huán)再利用綠色制備。

張立群介紹，這項(xiàng)技術(shù)中的脫硫設(shè)備采用的技術(shù)配方中不使用水，并在密閉的條件下完成膠粉制備脫硫膠粉的升溫、降溫過程，就從源頭上解決了傳統(tǒng)高溫再生橡膠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的水污染和空氣污染問題；降門尼黏度環(huán)節(jié)是在密閉低溫條件下，改善脫硫膠粉的加工性能，制備（顆粒）再生橡膠的過程，從而解決了傳統(tǒng)開放式精煉機(jī)高溫強(qiáng)剪切所帶來的空氣污染問題。

據(jù)宿遷市環(huán)境保護(hù)局監(jiān)測結(jié)果顯示，強(qiáng)維公司再生橡膠裝置附近空氣質(zhì)量符合環(huán)保要求；所生產(chǎn)的顆粒再生橡膠性能優(yōu)異穩(wěn)定，經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，達(dá)到并優(yōu)于再生橡膠國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13460—2008）的各項(xiàng)要求。

據(jù)玲瓏輪胎、風(fēng)神輪胎、無錫寶通帶業(yè)等公司反映，采用該工藝生產(chǎn)的顆粒狀再生橡膠產(chǎn)品性能優(yōu)異且穩(wěn)定，門尼黏度反彈小，解決了傳統(tǒng)塊狀再生橡膠下游應(yīng)用時(shí)混煉難分散、能耗高、易門尼焦燒的難題，高效低耗地應(yīng)用于橡膠制品加工。目前，采用該工藝生產(chǎn)的顆粒再生橡膠的轎車輪胎和全鋼載重子午線輪胎已經(jīng)試制成功。

據(jù)介紹，除“近零排放”外，該技術(shù)在節(jié)能、安全等方面也有很大優(yōu)點(diǎn)，其噸產(chǎn)品的能耗≤650 kW·h時(shí)，較傳統(tǒng)工藝約減少20%；且不存在傳統(tǒng)高溫高壓反應(yīng)罐的高壓危險(xiǎn)、高速開放式精煉機(jī)的人員操作危險(xiǎn)以及有害氣體對(duì)操作工人的身體危害等安全隱患。全程自動(dòng)化控制，也讓用工人數(shù)降為傳統(tǒng)工藝的1/4目前，這一國際首創(chuàng)的技術(shù)已擁有發(fā)明專利13項(xiàng)，并已由南京綠金人橡塑高科有限公司組織工業(yè)化成套設(shè)備的制造。除江蘇強(qiáng)維橡塑科技有限公司外，北京路德永泰環(huán)?？萍加邢薰竞秃贾葜胁呦鹉z循環(huán)科技有限公司、廣東領(lǐng)格資源再生科技股份有限公司也在應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)線建設(shè)。

摘編自《中國化工報(bào)》

Analysis of rubber vulcanization shrinkage rate

TQ330.13

1009-797X（2015）19-0060-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.19.018

劉洪（1968-），男，高級(jí)工程師，主要從事橡膠減振制品研制。

2014-12-24