橡胶硫化工

首页上一页下一页末页1第7章橡胶的硫化工艺首页上一页下一页末页27.2硫化历程7.3正硫化及其测定方法7.1硫化对结构与性能的影响7.4硫化条件的选取及确定7.5硫化介质及硫化热效应目录7.6硫化方法首页上一页下一页末页37.1硫化对结构与性能的影响在橡胶制品生产过程中，硫化是最后一道加工工序。在这道工序中，橡胶经过一系列复杂的化学反应，由线型结构变成体型结构，失去了混炼胶的可塑性具有了交联橡胶的高弹性，进而获得优良的物理机械性能、耐热性、耐溶剂性及耐腐蚀性能，提高橡胶制品的使用价值和应用范围。首页上一页下一页末页4硫化前线形结构，分子间以范德华力相互作用性能：可塑性大，伸长率高，具可溶性。硫化时分子被引发，发生化学交联反应硫化后网状结构，分子间主要已以化学键结合结构：1）化学键；2）交联键的位置；3）交联程度；4）交联性能：1）力学性能（定伸强度、硬度、拉伸强度、伸长率、弹性）；2）物理性能；3）化学稳定性首页上一页下一页末页5硫化后橡胶的性能变化：以天然橡胶为例，随硫化程度的提高：1）力学性能的变化弹性扯断强度定伸强度撕裂强度提高硬度伸长率压缩永久变形疲劳生热降低首页上一页下一页末页62）物理性能的变化透气率、透水率降低不能溶解，只能溶胀耐热性提高3）化学稳定性的变化化学稳定性提高。原因：a.交联反应使化学活性很高的基团或原子不复存在，使老化反应难以进行。b.网状结构阻碍了低分子的扩散，导致橡胶老化的自由基难以扩散。首页上一页下一页末页77.2硫化历程在硫化过程中，各种性能均会随硫化的进程而发生变化，这种变化曲线能够反映胶料的硫化历程，故称为硫化历程图。下图为用硫化仪测出的硫化历程曲线。该曲线反映胶料在一定硫化温度下，转子的转矩随硫化时间的变化。A.焦烧阶段；B.热硫化阶段；C.平坦硫化阶段；D.过硫化阶段A1.操作焦烧时间；A2.剩余焦烧时间首页上一页下一页末页8首页上一页下一页末页91.焦烧阶段（焦烧期－硫化起步阶段，硫化诱导期）图中的ab段称为胶料的焦烧阶段，此时交联尚未开始，胶料在模腔内具有良好的流动性，也称为硫化诱导阶段。胶料焦烧时间的长短决定胶料的焦烧性能和操作安全性。胶料焦烧时间受胶料中硫化促进剂和胶料本身的热历史的影响较大。焦烧时间既包括橡胶在加工过程中由于热积累消耗掉的焦烧时间A1，称为操作焦烧时间；也包括胶料在模腔中保持流动性的时间A2，称为剩余焦烧时间。首页上一页下一页末页10硫化起步——硫化时，胶料开始变硬而后不能进行热塑性流动的那一点时间（焦烧）。焦烧期的长短：决定了胶料的焦烧性及操作安全性。取决于配方，特别是促进剂。可用迟效性促进剂：CZ。焦烧时间的起点：实际上是从混炼时加入硫磺的那一时刻开始。焦烧阶段的终点胶料开始发硬并丧失流动性。首页上一页下一页末页11焦烧时间操作焦烧时间——混炼，停放，成型残余焦烧时间——进入模具后加热开始到开始硫化这段时间若：操作焦烧时间焦烧时间，就发生焦烧防止焦烧：A具有较长的焦烧时间：配方B混炼、停放要低温，成型时要迅速，即减少操作焦烧时间首页上一页下一页末页122.热硫化阶段（欠硫期－预硫阶段）热硫化阶段即图中的bc段，在该阶段橡胶的交联以一定的速度开始进行。诱导期后，开始交联，至正硫化。热硫化的速度和时间取决与胶料的配方和硫化的温度。在此阶段，交联度低，即使在此阶段的后期，性能（主要是拉伸强度、弹性等）尚未达到预期的要求。但其抗撕性、耐磨性，则优于正硫化胶料，若要求这些性能时制品可以轻微欠硫。首页上一页下一页末页133.硫化平坦阶段（正硫期－正硫化阶段）硫化平坦阶段即图中的cd段，此时交联反应已趋于完成，反应速度已较为缓和。硫化胶的综合物理机械性能已达到或接近最佳值。A.正硫化在平坦硫化阶段，橡胶制品的综合物理机械性能达到最佳值，这种硫化状态称为正硫化，也称最宜硫化。正硫化前期成为欠硫；正硫化后期则成为过硫，欠硫或过硫，橡胶的物理机械性能均较差。首页上一页下一页末页14B．正硫化时间正硫化时间是指达到正硫化状态所需的最短时间，也称为“正硫化点”。C．工艺正硫化时间在实际操作中，往往是从制品的某些主要性能指标进行选择，从而确定正硫化时间，与理论上的综合物理性能有所区别，具有工艺上的概念。因此，将通过这种确定的正硫化时间称为工艺正硫化时间。一般橡胶制品的“工艺正硫化时间”应取其胶料的应力、应变最高值稍前一点。首页上一页下一页末页15制品达到适当的交联度的阶段，此时各项力学性能均达到或接近最佳值，其综合性能最好。正硫化是一个阶段——各项性能基本上保持恒定或变化很少，也称硫化平坦期。硫化平坦期的宽窄取决于：配方、温度等。正硫化时间的选取：拉伸强度达到最高值略前的时间。主要是考虑“后硫化”。首页上一页下一页末页164.过硫阶段（过硫期）d以后的部分为过硫化阶段。在这一阶段中，不同的橡胶表现的情况不同：天然橡胶由于氧化断链反应程度较强，其各项物理机械性能下降；而大部分的合成橡胶，如SBR、NBR由于热交联和热氧化断链两种作用程度接近，因此，物理机械性能变化甚小或基本保持恒定。首页上一页下一页末页17正硫化后，继续硫化进入过硫化。进入过硫化后：性能下降：硫化返原（断链多于交联，NR、IIR）性能恒定甚至上升：非返原（交联占优、环化）交联和氧化断链两种反应贯穿于橡胶硫化过程的始终。只是在硫化过程的不同阶段两种反应优势不同。进入过硫的早晚，即硫化平坦期的宽窄，主要取决于两个方面：1）配方（如TMTD）；2）温度。首页上一页下一页末页18根据制品的性能和用途不同，橡胶材料的硫化过程可采用多种不同的硫化方法。分类方法：⑴硫化温度：冷硫化、室温硫化及热硫化三种工艺方法，其中热硫化是目前大多数橡胶制品普遍采用的方法，如各种轮胎制品的硫化。⑵硫化介质：热水法、热空气法、热空气和水蒸汽的混合气体法以及固体介质法等。⑶硫化设备：平板机硫化、硫化罐硫化、个体硫化机硫化以及注压硫化等。⑷生产方式：间歇生产和连续生产，前者如轮胎及各种橡胶注件的制备，后者如各种长条形橡胶制品比如汽车及各种门窗密封条在微波作用下的连续硫化。首页上一页下一页末页197.3正硫化及其测定方法（一）正硫化及正硫化时间1．正硫化：橡胶制品性能达到最佳值时的硫化状态。2．正硫化时间：达到正硫化状态所需要的时间。3．欠硫：处于正硫化前期，或者说硫化最佳状态之前的状态。4．过硫：处于正硫化后期，或者说硫化最佳状态之后的状态。首页上一页下一页末页20（二）正硫化时间的测定方法1．物理—化学法（1）游离硫测定法（理论正硫化时间）（2）溶胀法（理论正硫化时间）2．物理机械性能测定法（1）300%定伸应力法（理论正硫化时间）（2）拉伸强度法（工艺正硫化时间）（3）压缩永久变形法（理论正硫化时间）（4）综合取值法首页上一页下一页末页213．专用仪器法用于测定橡胶硫化特性的测试仪器有各类硫化仪和门尼粘度计。（1）硫化仪法（2）门尼粘度仪门尼焦烧时间t5：随硫化时间增加，胶料门尼值下降到最低点又开始上升，一般由最低点上升至5个门尼值的时间称为门尼焦烧时间。硫化特性曲线⎯初始粘度、最低粘度、焦烧时间、硫化速度、正硫化时间、活化能。+测定原理：胶料的剪切模量与交联密度成正比。G＝D·R·T胶料剪切模量交联密度气体常数温度首页上一页下一页末页22门尼硫化时间t35：由最低点上升至35个门尼值所需硫化时间称为门尼硫化时间。正硫化时间=t5+10（t35-t5）门尼硫化速度（Δt30）：Δt30=t35-t5膨胀法是公认的测定正硫化时间的标准方法，所测得的正硫化时间为理论正硫化时间。物理机械性能测定法和硫化仪法所测定的结果均为工艺正硫化时间。首页上一页下一页末页23首页上一页下一页末页24A加热器B上模具C下模具D转子E温度计F扭矩传感器；G轴承；H电动机和齿轮箱J气动夹持器首页上一页下一页末页25MLMH90%(MH-ML)10%(MH-ML)ts1EFGtc90Dtc10ACB硫化时间/min转矩首页上一页下一页末页26首页上一页下一页末页27对硫化曲线常用平行线法进行解析，就是通过硫化曲线最小转矩和最大转矩值，分别引平行于时间轴的直线，该两条平行线与时间轴距离分别为ML和MH，即ML—最小转矩值，反映未硫化胶在一定温度下的流动性；MH—最大转矩值，反映硫化胶最大交联度；焦烧时间和正硫化时间分别以达到一定转矩所对应的时间表示：焦烧时间ts1—从实验开始到曲线由最低转矩上升1kg·cm所对应的时间；起始硫化时间tc10：转矩达到ML+10%（MH—ML）时所对应的硫化时间；正硫化时间tc90—转矩达到ML+90%（MH—ML）时所对应的硫化时间。通常还以硫化速度指数VC=100/（tc90—tsx）。首页上一页下一页末页287.4硫化条件的选取及确定硫化条件通常指硫化压力、温度和时间——硫化三要素。一、硫化压力橡胶制品硫化时都需要施加压力，其目的是：防止胶料产生气泡，提高胶料的致密性；使胶料流动，充满模具，以制得花纹清晰的制品；提高制品中各层（胶层与布层或金属层、布层与布层）之间的粘着力，改善硫化胶的物理性能（如耐屈挠性能）。一般来说，硫化压力的选取应根据产品类型、配方、可塑性等因素决定。原则上应遵循以下规律：可塑性大，压力宜小些；产品厚、层数多、结构复杂压力宜大些；薄制品压宜小些，甚至可用常压。首页上一页下一页末页29首页上一页下一页末页30硫化加压的方式有以下几种：(1)液压泵通过平板硫化机把压力传递给模具，再由模具传递给胶料；(2)由硫化介质（如蒸汽）直接加压；(3)由压缩空气加压；(4)由注射机注射。首页上一页下一页末页31二、硫化温度和硫化时间硫化温度是硫化反应的最基本条件。硫化温度的高低，可直接影响硫化速度、产品质量和企业的经济效益。硫化温度高，硫化速度快，生产效率高；反之生产效率低。提高硫化温度会导致以下问题：(1)引起橡胶分子链裂解和硫化返原，导致胶料力学性能下降；(2)使橡胶制品中的纺织物强度降低；(3)导致胶料焦烧时间缩短，减少了充模时间，造成制品局部缺胶；(4)由于厚制品会增加制品的内外温差，导致硫化不均。硫化温度的选取应综合考虑橡胶的种类、硫化体系及制品结构等因素。各种橡胶的最宜硫化温度一般是：NR143℃；SBR180℃；IR、BR、CR151℃；IIR170℃；NBR180℃。首页上一页下一页末页321．等效硫化时间的计算（1）通过范特霍夫方程计算等效硫化时间根据范特霍夫方程，硫化温度和硫化时间的关系可用下式表示：式中τ1—温度为t1的正硫化时间，min；τ2—温度为t2的正硫化时间，min；K—硫化温度系数。例：已知某一胶料在140℃时的正硫化时间是20min，利用范特霍夫方程可计算出130℃和150℃时的等效硫化时间。130℃的等效硫化时间为40min；150℃的等效硫化时间为10min。10/)(2112/ttK首页上一页下一页末页33（2）利用阿累尼乌斯方程计算等效硫化时间阿累尼乌斯方程式如下：ln（τ1/τ2）=E/R（（t2-t1）/t2t1）式中τ1—温度为t1的正硫化时间，min；τ2—温度为t2的正硫化时间，min；R—气体常数，R=8.3143J/(mol.k)；E—硫化反应活化能，kJ/mol。利用以上公式可求出不同温度下的等效硫化时间。例如，已知胶料的硫化反应活化能E=92kJ/mol，在140℃时正硫化时间为30min，利用公式计算150℃时等效硫化时间。已知:τ1=30min；t1=（273+140）=413K；t2=（273+150）=423K；τ2=？log（30/τ2）=(92/（2.303×0.008314）)×(423-413)/423×413τ2=15.7min首页上一页下一页末页342．硫化效应的计算（1）硫化效应的计算硫化效应等于硫化强度和硫化时间的乘积，即：E=I·t式中E—硫化效应；I—硫化强度；t—硫化时间硫化强度是胶料在一定温度下单位时间内所达到的硫化程度。它与硫化温度系数和硫化温度有关。I=K（T-100）/10式中K—硫化温