硫化壓力與溫度對膠料性能的影響

硫化壓力與溫度對膠料性能的影響
橡膠件硫化的三大工藝參數是：溫度、時間和壓力。其中硫化溫度是對製品性能影響*大的參數。溫度對橡膠製品的影響，在很多文獻資料中都可以查找得到，但是很多文獻都忽略了硫化壓力對膠料硫化的影響。橡膠硫化壓力，是保證橡膠零件幾何尺寸、結構密度、物理機械性能的重要因素，同時也能保證零件表麵光滑無缺陷，達到製品的密封、氣密的要求。硫化壓力並不是隨意的，硫化壓力過大除了能損壞模具、設備、消耗電能外，同樣也會影響製品的性能。帶骨架件會損壞骨架。壓力小了會直接影響製品幾何尺寸和物理機械性能。橡膠製品需要硫化壓力的目的一般認為是：

(1)防止膠料氣泡的產生，提高膠料的致密性；
(2)使膠料流動，充滿模腔；
(3)提高附著力，改善硫化膠物理性能[1]。

而國外在研究硫化壓力時，已經不單單局限於我們上麵的一些研究，已經通過調整硫化壓力的大小來達到產品的一些特殊性能的要求，根據本人掌握的情況，國外橡膠廠家有如下一些對於硫化壓力的共識。

(1)模壓及移模注壓的硫化方式，其模腔內的硫化壓力為：10～20mpa。
(2)注壓硫化方式其模腔內的硫化壓力為：0～150mpa。
(3)隨著硫化壓力的增大，產品的收縮率和產品的靜態剛度有如圖1的變化。
圖1硫化壓力與產品的徑向剛度和膠料收縮率之間的關係圖從圖1中可以明顯的看到，隨著硫化壓力的增大，其產品的靜態剛度在逐漸增大，而隨著硫化壓力的增大，其膠料的收縮率在逐漸的減小。

在國內的減振橡膠行業內，對於調整產品的剛度，普遍采用的依然是增加或者降低產品所使用的膠料硬度，而在國外，已經普遍采用了提高或者降低產品硫化時的膠料硫化壓力來調整產品的靜態剛度。

(4)隨著膠料的硫化壓力不斷提高，其膠料的收縮率會出現如圖2的現象：
圖2產品硫化壓力與膠料的收縮率之間的關係圖隨著硫化壓力的不斷提高，產品膠料的收縮率會出現一個反常的現象，即當產品膠料的硫化壓力達到83mpa時，產品膠料的收縮率為0，若產品膠料的硫化壓力繼續不斷上升，產品膠料的收縮率會出現負值，也就是說，在這種超高的產品膠料硫化壓力下，產品硫化出來經停放後，其橡膠部分的尺寸比模具設計的尺寸還要大。

本文希望通過對天然橡膠硫化壓力改變的試驗，得出一些硫化壓力與膠料性能和產品性能之間的規律，並對得出的結論進行一些理論分析。

1 試驗部分

1.1 原材料及儀器

天然橡膠(3#煙片)，進口；高耐磨炭黑(n330)，天津海豚；其餘助劑均為國產工業級。yh3350型50噸四柱油壓機，江西萍鄉無線電專用設備廠產品；whx20025型300噸油壓注壓機，無錫陽明橡膠機械廠產品；x(s)k160型開煉機，上海橡膠機械廠產品；pt124b100型壓力傳感器，上海朝輝壓力儀器製造廠產品；css55300型電子萬能拉力機，美國tms公司產品；lxa型硬度計；ur2010型無轉子硫化儀，台灣育肯科技股份有限公司產品；radio1644a高阻電橋測試儀。

1.2 測試方法

膠料性能測試均按照國家有關標準進行。

1.3 試驗工藝

1.3.1 膠料混煉工藝：

配合各種材料，在開煉機上混煉。加料順序為：

生膠炭黑及其它助劑硫化劑薄通下片。混煉溫度為40℃至50℃，時間為30分鐘；硫化試片測試。

1.3.2 常規模壓性能測試試片的製作：
圖3膠料常規性能模壓試片模具圖3顯示的是常規試片模具，本試驗在常規試片模具的上模板處加裝了壓力傳感器，用以測試試樣在模腔中的壓力變化。

1.3.3 常規注壓性能測試試片的製作：

注壓常規試片製作如圖4，是在常規模壓模具的上模板上開注膠孔，在注壓過程中包括了兩個壓力參數：一是鎖模力、一是注膠壓力，因而不能使用平板硫化機。注壓的時候需要鎖模力先把模具鎖緊，注膠壓力再把膠料注入模腔中，於是實驗選擇在注壓機上進行。注壓機先給模具一個120mpa的鎖模力，同時調節注膠壓力從3mpa到20mpa。同模壓常規製片一樣，通過壓力傳感器記錄模腔內的實際壓力。
圖4 膠料常規性能注壓試片製作示意圖1.3.4 模壓恒壓壓縮長久變形試樣的製備：

模壓恒定壓縮長久變形試樣的製備與gb/t7759-1996要求相同，為了測量模腔內的實際壓力，試驗在模具內的一邊鑽一個孔，保證壓力傳感器和其中的一個模腔相連。

1.3.5 注壓恒壓壓縮長久變形試樣的製備：

這一實驗也是在平板硫化機上完成，所用模具和模壓恒壓模具基本相同，見圖5，隻需要把上模板換成注膠缸就可以了。實驗的時候把未硫化膠料放在70oc的烘箱中20min，這是為了保證膠料在注壓過程中較好的流動性。
圖5 膠料恒定壓縮長久變形注壓試樣模具圖
1.導向銷；2.下模板；3.壓力傳感器；4、5.上模板；
6.注膠缸；7.頂出杆2.結果與討論

2.1 硫化壓力在模腔中的變化：

通過試驗，得出了硫化常規試片過程中，模壓硫化方式模腔內硫化壓力的變化情況結果如圖6所示，注壓硫化方式模腔內硫化壓力的變化情況結果如圖7所示。
圖6常規模壓模腔內硫化壓力的變化情況圖7常規注壓模腔內硫化壓力的變化情況根據以上的試驗結果可以看出，常規模壓和注壓試片在硫化時，壓力首先升高，到達峰值後再降低並達到平坦狀態。分析為：當將膠料放入模腔內後，膠料受熱膨脹，模腔內的膠料壓力快速升高，當膠料硫化達到正硫化點後，因為膠料已經發生了硫化交聯，束縛了大分子鏈的活動，微觀發生的現象是，同一時間撞擊壓力傳感器探頭的分子數量減小，宏觀的表現是壓力下降並達到平坦狀態。

同時從圖6和圖7還可以比較看出，膠料在注壓方式下(硫化壓力相對較大)到達膠料硫化壓力的*高點比模壓方式下(硫化壓力相對較小)要早，這種現象也就說明，硫化壓力的提高會明顯的提高膠料的硫化速率。

2.2 硫化壓力對硫化膠常規性能的影響：

通過試驗得出，模壓硫化方式與注壓硫化方式隨著硫化時硫化壓力的提高，其膠料的300%定伸應力、拉伸強度、扯斷伸長率和撕裂強度變化趨勢一致，以下是以模壓硫化方式時，隨著硫化時硫化壓力的提高，其膠料性能的變化情況：

2.2.1 硫化壓力對硫化膠的300%定伸應力、拉伸強度和扯斷伸長率變化情況如下：

從圖8、圖9和圖10可以看出，隨著硫化壓力的不斷增加，其膠料的300%定伸應力逐漸增大，拉伸強度逐漸增大，扯斷伸長率逐漸減小。分析現象為：隨著硫化壓力的不斷增大，其大分子鏈之間的距離逐漸減小，導致硫化交聯效率的提高，從而引起膠料的交聯密度增大，這一微觀的變化導致了300%定伸應力逐漸增大、拉伸強度逐漸增大和扯斷伸長率逐漸減小的現象。
圖8硫化壓力對膠料300%定伸應力的影響圖9硫化壓力對膠料拉伸強度的影響
圖10硫化壓力對膠料扯斷伸長變化率的影響2.2.2 硫化壓力對硫化膠撕裂強度的影響：

通過試驗，其膠料隨著硫化時硫化壓力的不斷提高，其膠料的撕裂強度如圖11所示。
圖11硫化壓力對膠料撕裂強度的影響可以從圖11看出，隨著膠料在硫化時的硫化壓力不斷提高，其撕裂強度隨之卻不斷降低，分析原因為：根據傳統的硫化理論，硫化膠之間的交聯鍵既有多硫鍵，也有單、雙硫鍵。因多硫鍵比單、雙硫鍵有更高的撕裂強度[2]。所以，當多硫鍵增加時膠料的撕裂強度會增加，當單、雙硫鍵增加時膠料的撕裂強度會減小。本試驗當中隨著硫化壓力的不斷提高，橡膠大分子鏈距離減小和交聯密度增加，這也就是說硫化後的橡膠大分子鏈之間的平均距離減小了。平均距離減小，使得單、雙硫鍵的數目增加，單、雙硫鍵數目增加，多硫鍵的減少導致硫化膠的撕裂強度不斷降低。

2.3 硫化壓力對膠料的壓縮長久變形的影響：

隨硫化壓力的增加，其膠料的壓縮長久變形變化如圖12所示，可以看出，隨著產品硫化壓力的增大，其膠料的壓縮長久變形也隨之下降，分析現象為：隨著硫化壓力的不斷增大，其大分子鏈之間的距離逐漸減小，橡膠大分子鏈雙鍵之間發生交聯的機率增大，從而導致硫化交聯效率的提高。宏觀表現為膠料的交聯密度增大，膠料的壓縮長久變形顯著減小。
圖12硫化壓力對膠料壓縮長久變形的影響2.4 硫化壓力對減震橡膠產品性能的影響：

對於硫化壓力對減震橡膠產品的影響，我們以*常見的減震橡膠墊進行了相應的試驗，在模具的型腔麵打孔並安裝壓力傳感器。對比了模壓和注壓兩種硫化方式下硫化壓力的變化對產品性能的影響，試驗結果如下：通過表1可以看出，注壓硫化方式其膠料硫化時的壓力比模壓硫化方式要高一倍以上。另外，達到相同的產品靜剛度，注壓方式的硫化膠料要明顯比模壓方式時的硫化膠料硬度低，這對減震橡膠製品高硬度膠料靜剛度的調節提供了另外一種途徑。*為重要的是，產品的壓縮長久變形減少了42％，這就相應的提高了減震橡膠產品在變形方麵的壽命。表1硫化壓力對減震橡膠產品的性能影響
3.結論

1.在模壓和注壓方式下，模腔內膠料的硫化壓力隨著時間的延長，其硫化壓力總是先增高後減小，並*終處於平坦狀態。
2.隨著膠料硫化壓力的提高，其膠料的300％定伸和拉伸強度均隨之提高，其膠料的扯斷伸長率、撕裂強度和壓縮長久變形卻隨之下降。
3.在減震橡膠製品硫化過程中，注壓硫化方式中模腔內膠料的壓強比模壓硫化方式的壓強高一倍以上。產品達到相同的靜剛度所需的膠料硬度有較大差彆。隨產品硫化時的硫化壓力提高，產品在壓縮長久變形性能方麵有明顯的提高。