实验3 橡胶成型加工实验

橡胶的混炼工艺实验

（一）实验目的

1.了解橡胶混炼的目的意义和橡胶配方设计及其混炼、硫化操作的基本要点；

2.了解影响开炼机混炼的主要因素；

3. 熟悉开炼机混炼工艺的操作方法。

（二）实验原理

混炼是在塑炼胶的基础上进行的一个炼胶工序，本实验操作是在开炼机上进行的。为了取得具有一定可塑度的、性能均匀的混炼胶，除了控制开炼机的辊距的大小及适宜的辊温（小于90℃）之外，还必须注意按一定的加料顺序进行棍炼。量小难分散的配合剂应首先加到塑炼胶中，让它有较长时间进行分散；量大的配合剂一般迟些加；硫磺用量虽小，但一般都是在最后加入，以防止胶料出现焦烧等质量事故。不同的制品及不同的成型工艺要求混炼胶的可塑度、硬度等都是不同的，混炼过程要随时抽样测定，并且要严格控制棍炼的工艺条件。

本实验所列的配方表明是要通过实验制备一些软质橡胶试片。橡胶制品的硬度主要取决于橡胶的硫化程度，通常可按软硬程度将硫化胶分为硬质胶、半硬质胶和软质胶三种。本实验配方中硫磺的用量在5份以下，交联度较小，制品质地较柔软。所选用的两种促进剂对天然胶和丁苯橡胶的硫化都有促进作用，不同的促进剂同时使用是因为他们的活性强弱及活性温度有所不同，在硫化时将使促进交联作用更加协调、充分显示交联效果。助促进剂即活化剂在炼胶和硫化时起活化作用。化学防老剂多为抗氧剂，用来防止橡胶大分子在加工及应用过程中的氧化降解，从而达到稳定的效果。石蜡与大多数橡胶的相容性不良，能集结于制品表面起到滤光阻氧等防老化效果，并且对于成型加工有润滑作用。碳酸钙和滑石粉等有增容和降低制品成本的作用，其用量多少对制品的物理机械性能也有较大的影响。

表3-1中所列的5个试验配方可以反映几个常见的配方变量关系，通过配方1和配方2可考察不同硫化体系对胶料硫化特性和物理性能的影响规律；通过配方2和配方3可考察不同补强填充体系对胶料物理性能的影响规律；通过配方2、4和5可考察橡胶共混体系对胶料硫化特性和物理性能的影响规律。通过本组试验可使同学对橡胶配方设计及其混炼、硫化操作的基本要点有所了解，也可改变

试验配方及变量参数。

表3-2 原料配方

注：为保证混炼过程操作比较方便，实验时表中数据均乘以3。

（三）主要设备及原料

1．设备：

（1）XK-160A型双辊筒开炼机，上海第一橡胶机械厂；主要参数为辊筒工作直径：160mm；辊筒工作长度：320mm；辊筒转速：24r/min（前辊），17.8r/min（后辊）；最小压片厚度：0.2mm；加料量：100-1000g。

（2）GT-7060-S型橡胶威廉氏可塑性试验仪，高铁检测仪器（东莞）限公司；（3）QP-16型切片机，高铁检测仪器（东莞）限公司；

（4）工具：割胶刀、天平、剪刀、镊子、测厚仪等。

2.原料：塑炼胶350g

（四）实验步骤

1.塑炼天然胶，使天然胶的可塑度控制在0.30~0.40的范围内。

2.调节辊筒的温度在50~60℃之间，后辊温度较前辊略低些。

3.制备共混橡胶：将天然橡胶与丁苯橡胶在开炼机上通过薄通充分混合均匀。

4.包辊：塑炼胶置于辊缝间，调整辊距使塑炼胶既包辊又能在辊缝上部有适当的堆积胶。经2~3min的辊压、翻炼后，使之均匀连续的包裹在前辊筒上，形成光滑无隙的包辊胶层。取下胶层，放宽辊距至1.5mm左右，再把胶层投人辊缝使其包于后辊，然后准备加入配合剂。

5.吃粉：不同配合剂一般可要按下列顺序分别加入：

（1)首先加入固体软化剂（如古马隆树脂），这是为了进一步增加胶料的塑性以便混炼操作，同时因为固体分散剂往往分散较困难，早些加入可使其有较长的时问混合分散。

（2）加入促进剂、防老剂和硬脂酸。促进剂和防老剂用量少，分散均匀度要求高，也应早些加入多混些时间，以便分散。此外，有些促进剂（如DM类）对胶料有增塑效果，早些加入有利于混炼。防老剂早些加入则可以防止混炼时因温升而可能导致的胶料的老化现象。硬脂酸是表面活性剂，它可以改善亲水性的配合剂和高分子之间的润湿性，当硬脂酸加入后，就能在胶料中得到良好的分散。

（3）加入氧化锌。氧化锌是亲水性的，在硬脂酸之后加入有利于在橡胶中的分散。

（4）加入补强剂和填充剂。这两种助剂用量较大，要求分散好本应早些加入，但由于混炼时间过长反而会引起粉料的结聚，固应采用少量、分批投料法，而且需要较长的时问才能逐步混入到胶料中。

（5）液体软化剂（如邻苯二甲酸二辛醋）具有润滑性，又会使填充剂和补强剂等粉料结团，不宜过早加入，通常要在填充剂和补强剂混入之后才能加入。

（6）硫磺是最后加入的，这是为了防止混炼过程中出现焦烧现象。但对于丁睛胶混炼时，硫磺则宜早些加入，因为它在丁腈胶中的分散尤其困难。另外，在配方中硫磺用量高达30~50份的硬质胶中，如果最后加硫则在较短时间内是难以分散均匀的，而若混炼时间较长又宜引起焦烧，在此倩况下，可以先加硫磺，而促进剂在最后加，即促进剂和硫磺必须前后分开加入。

另外，吃粉过程每加人一种配合剂后都要捣胶两次。在加入填充剂和补强剂时，要让粉料自然的进入胶料中，使之与橡胶均匀接触混合，而不必急于捣胶。

同时，混炼过程中要逐步调宽辊距，使辊筒上的堆积胶始终保持在适当的范围内。待粉料全部吃完后，由中央处割刀分往两端，进行捣胶操作使混炼更趋均匀。 6.翻炼：全部配合剂加人后，将辊距调至0.5~1. 0mm，用打三角包、打卷、折叠或走刀法等对胶料进行翻炼，直至胶料的均匀性和可塑度均符合要求为止。翻炼过程也应取样测定可塑度。

（1）打一确包法：将包辊胶割开，用右手捏住割下的胶片的左上角，将胶片翻右下角；用左手将右上角胶片翻至左下角，将此动作反复一直至胶料全部通过辊筒。

（2）打卷法：将包辊胶割开，顺势向下翻卷成圆筒状，直至胶料全部卷起，然后将卷筒形胶垂直插人辊筒间隙，这样反复至规定的次数，使混炼均匀为止。（3）走刀法：用割刀在包辊胶上交叉割刀，连续走刀，但不割断胶片，使胶料改变受剪切力的方向，更新堆积胶。翻炼操作通常进行3~4min，待胶料的颜色均匀一致，表面光滑即可停止，然后将混炼胶压成2mm左右厚的胶片停放待用。（五）实验数据处理

1.测定混炼胶的可塑度并加以分析说明；

2.重点分析影响开炼机混炼质量的主要因素。（见实验32）

（六）思考题

1.开炼机混炼操作中应注意哪些主要问题？

2.影响天然胶开炼机混炼的主要因素有哪些？

3.混炼过程中，硫磺是不是一定要在混炼的最后加入？为什么？

4.为什么胶料配方中的促进剂通常都是几种配合在一起使用的?

实验3 橡胶硫化工艺实验

（一）实验目的

1.了解橡胶硫化的目的意义；

2.了解橡胶硫化的原理和影响因素；

3.掌握硫化条件的确定方法——硫化仪法；

4.掌握橡胶硫化仪和平板硫化机的操作方法。

（二）实验原理

由于橡胶制品种类繁多，其成型方法也是多种多样的，最常见的有模压、注压、压出、压延等。由于橡胶大分子必须通过硫化处理才能成为最终的制品，所以橡胶制品的成型有很大部分仅限于半成品的成型。例如压出和压延等方法所得的具有固定断面形状的连续性制品、以及通过几部分半制品贴合而成的结构比较复杂的模型制品，都是半制品，其后还要经过硫化反应才能定型为制品。至于注压和模压成型的制品，其硫化已在成型的同时完成，所得的就是最终的制品。

本实验要求制取橡胶混炼工艺实验得到混炼胶的硫化片，其硫化方法采用模压法，通常又称为模型硫化。它是将一定量的混炼胶置于磨具的型腔内，通过平板硫化机在一定温度和压力下成型，同时经历一定的时间而发生了适当的交联反应，最终取得制品的过程。天然橡胶是异戊二烯的聚合物，大分子的主链上有双键，硫化反应主要发生在大分子间的双键上。

硫化反应的机理简述如下：在适当的温度、特别是当达到促进剂的活性温度时，由于活性剂的活化以及促进剂的分解成游离基，促使硫磺成为活性硫，同时异戊二烯主链上的双键打开，形成橡胶大分子自由基，活性硫原子作为交联键桥使橡胶大分子间交联起来而成为立体网状结构。双键处的交联程度与交联剂硫磺的用量有关。硫化胶作为立体网状结构并非橡胶大分子所有的双键处都发生了交联，交联度与硫磺用量甚本上是成正比关系的。所得的硫化胶制品实际上是松散的、不完全的交联结构。成型时施加一定的压力有利于活性点的接近和碰撞，促进了交联反应的进行，也有利于胶料的流动，以便取得具有适宜的密度和与模具型腔形状相符的制品。硫化过程要保持一定的时间，主要是由胶料的工艺性能来决定的，也是为了使交联反应达到配方设计所要求的程度。硫化完成后，制品不必冷却即可脱模，因为模具内的胶料已交联定型为橡胶制品。

在硫化历程中，橡胶的各种性能都随硫化条件（硫化温度、硫化压力和硫化时间）而变化，当硫化胶的综合性能达到最佳值时的硫化状态称为正硫化，达到正硫化状态所需要的时间称为正硫化时间。处在正硫化前期的状态称为欠硫，后期则称为过硫，两种硫化胶的物理机械性能均较差。

正硫化时间可由物理化学法、物理

机械性能法及专用仪器法等多种方法测

定，只有采用相同方法测得的数据间才

有可比性。本试验采用硫化仪法测定硫

化曲线，如图3-1所示。随着硫化时间

的增加，胶料的扭矩值先是下降，至最

低点后又上升。一般正硫化时间直接由

硫化仪测得：

正硫化时间＝Tc90 (min)

同时，可得到Ts1、Ts2、ML、MH及硫化曲线、硫化速率曲线、全扭矩曲线等图形，据此可获得胶料的焦烧时间、硫化时间、硫化平坦型、硫化胶的物理性能等有用信息，为橡胶配方研究提供参考依据。

（三）主要设备及原料

1．设备：

（1）QLB-D350×350×2（Z）型0.25兆牛（D）平板硫化机，上海第一橡胶机械厂；

（2）橡胶试片压制模具；

（3）GT-M2000一FA型发泡橡胶无转子硫化仪，高铁检测仪器有限公司。2．原料：混炼胶350g，石蜡。

（四）实验步骤

1．测得混炼胶胶试样在一定温度下（如145℃）的硫化曲线，确定正硫化时间。2．硫化胶试样的模压成型：

（1）混炼胶首先经开炼机热炼成柔软的厚胶片，然后裁剪成一定的尺寸备用。胶片裁剪的平面尺寸应略小于模腔面积，而胶片的体积则要求略大于模腔体积。（2）模具预热：模具经清理干净后，可以在模具内表面涂上少量脱模剂（石蜡），

然后置于硫化机的平板上，在硫化温度（如145℃）下预热3min。

（3）加料模压硫化：将已准备好的胶料试样毛坯放入已预热好的模腔内，并立即合模置于平板硫化机的中心位置，然后开动压机加压，胶料硫化压力控制在5~7MPa，硫化时间则按正硫化时间确定。

（4）若实际硫化温度与硫化曲线的测定温度不一致，则应先按有关公式计算等效硫化时间，并按等效硫化时间制备硫化胶片。

3．硫化胶试片的停放和性能测试：刚脱模的试片性状较脆，一般试片要在平整的台面上冷却并停放6~12h，才能对硫化胶进行各项物理机械性能测试。（五）实验数据处理

1.分析影响混炼胶正硫化时间长短的主要因素；

2.讨论如何由硫化曲线确定正硫化时间；

3.讨沦影响硫化胶质量的生要因素。

注：

（l）硫化仪和平板硫化机都必须在专业人员指导下正确操作；

（2）平板硫化机和压片模具温度较高，操作中应戴好防护于套，防止烫伤。（六）思考题

1．正硫化时间如何确定？

2．影响胶料硫化质量的主要因素有哪些（请从胶料组成和硫化工艺两方而考虑）？

3．天然生胶、塑炼胶、混炼胶及硫化胶的材料结构和物理性能有何不同？