中篇　橡膠加工工藝及未硫化膠性能測試

在現代橡膠工業中，加工性能的變化正越來越被人們所重視。因為大多數由生膠轉變為成品的加工過程是不可逆的，為保證產品質量、提高生產效率、減少浪費、降低成本，就要把好半成品質量關。為此，對橡膠加工性能的預測和控制是最基本的要求。

在橡膠加工過程中，絕大多數橡膠產品都要經過煉膠和硫化兩個加工過程，也是決定產品質量和性能的兩個非常重要的生產環節。有些結構復雜的產品（如輪胎、膠帶、膠管等）還要進行壓延、擠出、成型等加工過程。本章主要介紹煉膠和硫化這兩個最基本的加工工藝實驗方法以及未硫化膠的性能測試。

煉膠包括生膠的塑煉、膠料的混煉兩部分內容。為了保證后續加工工藝的正常進行和產品的質量，膠料的流動性或可塑度必須達到一定的要求。有些生膠如天然橡膠、丁腈橡膠、長期保存的氯丁橡膠等門尼黏度高、彈性和韌性大、流動性差，需要通過機械剪切的方法降低橡膠的分子量、減小彈性、提高可塑度和流動性，完成這一轉變的工藝過程就稱為塑煉。一般門尼黏度超過60的生膠需要進行塑煉，常用的丁苯橡膠、順丁橡膠、丁基橡膠、乙丙橡膠、異戊橡膠在合成時已控制了門尼黏度，一般不需要塑煉。塑煉膠要求具有一定的可塑度，而且可塑度要分布均勻，因此塑煉膠需要檢測可塑度。目前用于生膠塑煉的設備主要有開煉機、密煉機和螺桿塑煉機，其中開煉機使用較多，在大規模生產時用密煉機塑煉效率很高。開煉機塑煉有包輥法、薄通法和化學增塑塑煉法三種，其中薄通法塑煉效果好，實驗室中主要采用這種方法塑煉。密煉機塑煉有一段塑煉、分段塑煉和化學增塑塑煉法三種，其中化學增塑塑煉法效果好。丁腈橡膠密煉機塑煉時容易產生凝膠，塑煉效果很差，通常采用開煉機薄通法塑煉。氯丁橡膠高溫塑煉時易粘輥，一般采用低溫開煉機塑煉。天然橡膠既可用開煉機塑煉，又可以用密煉機塑煉。本書塑煉加工的內容主要以天然橡膠為基礎，并主要介紹天然膠的開煉機塑煉工藝方法。

膠料混煉是將生膠與各種配合劑混合均勻，制備符合性能要求的混煉膠的工藝操作過程，是橡膠加工過程中最為重要的一個環節，混煉膠的質量好壞直接決定了膠料和制品的性能高低。混煉膠不僅要求配合劑分散均勻，而且要達到一定的分散度，膠料的物理機械性能要好。目前，用來混煉膠料的設備主要有開煉機和密煉機，其中密煉機在大規模生產中有著廣泛的應用，螺桿混煉機主要用于連續混煉，有很好的發展前途。本書中主要介紹開煉機和密煉機混煉工藝方法。

橡膠性能測試時大多采用硫化膠來測試，橡膠制品也必須經過硫化才具有使用性能。由于硫化是將橡膠線型大分子轉變成立體網狀結構的過程，如果硫化后出現質量問題，制品只能成為次品或廢品。因此硫化工藝過程是決定產品質量的關鍵工序，硫化時一定要嚴格控制工藝條件，盡可能降低產品的不合格率。橡膠硫化要在一定的溫度、壓力下，經過一定的時

間才能完成，如果硫化不熟（欠硫），產品的性能低下；若過硫，易產生硫化返原，制品的性能也會下降。因此產品硫化程度一定要合適。實驗室中測性能的樣品均用平板硫化機硫化，在實際生產中還有許多其他的硫化設備和硫化方法。

膠料混煉后，需要考察混煉膠的質量和加工性能，通常需要測定混煉膠的流動特性如門尼黏度、可塑度、應力松弛，硫化特性如門尼焦燒、硫化曲線，擠出特性如口型膨脹以及密度、硬度和炭黑分散度等。其中門尼黏度、可塑度、門尼焦燒、硫化曲線、口型膨脹等用混煉膠測試，密度、硬度用硫化膠測試，炭黑分散度既可以用混煉膠測試，也可以用硫化膠測試。

第3章　硫化試樣的制備

硫化試樣的制備主要包括配合、塑煉、混煉、成型、硫化等工序。橡膠加工工藝方法和工藝條件等對橡膠的物理機械性能有著較大的影響。為了保證測試結果的準確性和可比性，有必要將試樣制備工藝規范化，參照標準GB 6038—2006。

3.1　原材料配合

3.1.1　原材料的貯備和保管

（1）貯備的各種原材料，必須經過化學分析檢驗，合格后才可使用。

（2）各種原材料必須分類保管，嚴禁亂放。各種原材料應及時登記入賬，注明名稱、產地、數量。庫房應通風，防潮，防腐，各種原材料應使用專用器具和專用勺，嚴禁混用。

（3）在貯存期間，有必要對各種原材料進行抽查。為保證實驗材料質量的相對穩定性，實驗用原材料存放時間不要超過一年，易吸潮變質的配合劑（如氧化鋅、次磺酰胺類促進劑等），貯存期不能超過半年。

（4）原材料倉庫應保證清潔干燥，嚴禁長期受日光、燈光照射以及與熱源接觸。配合劑干燥處理后應存放于防潮密封容器內。

（5）凡需要加工處理（干燥、篩選、粉碎、脫水過濾等）的配合劑，應按技術要求進行加工處理。目的是減少原材料中的雜質和水分，便于稱量和混煉操作，以保證實驗膠料獲得滿意的性能。

3.1.2　配合

根據一次加工所制得的膠料總量，計算出生膠和各種配合劑的實際用量，采用合適的衡器稱量。實驗室應配備100g、200g、500g天平和5kg臺秤。稱量允許的誤差為：生膠和炭黑的稱量應精確至1g；油類應精確至1g或±1%；硫黃和促進劑精確至0.02g；氧化鋅和硬脂酸精確至0.1g，所有其他配合劑應精確至±1%。天平精確度最好為±0.01g。

配料應在標準溫度和濕度下進行。當日配完的實驗膠料，應當日用完，不得過夜。若確實需要過夜，應存放于干燥器內。配合就是根據膠料的配方要求，對各種原材料進行稱量。

配合時應注意以下幾點：

（1）配合前后檢查基本配合量與實際用量是否有差異，并核對是否正確。

（2）按配方對原材料品種、規格、用量的要求，準備所需的原料，配合時檢查各種原材料的外觀、色澤有無異常，防止配錯或原材料變質。必要時需要對某些原材料補充加工后配合，如干燥、粉碎等。

（3）配合量一般為基本配方的3～4倍，生膠至少不小于200g。

混煉膠的批量　一般用標準開放式煉膠機每批次混煉量應該是基本配方的四倍。若采用較小的批混煉量，誤差較大，結果可能不同，建議最低混煉生膠質量為200g。標準密煉機每次批混煉量應等于密煉機額定容量乘以混煉膠的密度。

3.2　混煉

混煉是在機械的作用下，將各種配合劑均勻分散在橡膠中的工藝過程。由于混煉操作程序，配合劑分散性對橡膠物理機械性能影響很大，因此必須嚴格控制工藝條件和操作過程。

膠料混煉設備主要為實驗室用開放式煉膠機（應符合HG/T 3-1615標準）和1.57L小型密煉機。規格尺寸見開煉機、密煉機混煉實驗。膠料混煉要按照規定的加料順序和時間混煉，開始實驗前要將煉膠設備調整到規定的工藝條件要求（如溫度、輥距、轉速等）。同一批混煉的不同膠料進行性能對比實驗，要保證各配方膠料混煉時的輥距、輥溫、加料順序和加料方式、切割翻煉次數、混煉時間等都要相同，得出的結果才具有重現性，才有可比性；如果工藝條件控制不準，實驗結果誤差較大，測出的性能變化不知道到底是配合劑變量變化引起的還是工藝條件變化引起的，導致很難分析實驗結果。

（1）輥距　開煉機混煉時輥距的大小對膠料性能影響很大，不同工藝要求需要變更不同的輥距，因此混煉工藝要規定一定的輥距，而且認真掌握才能使實驗數據具有可比性。故每次煉膠前均需要調準輥距大小。輥距調準的方法如下：

準備兩根鉛條和一塊混煉膠。鉛條長至少50mm、寬（10±3）mm；厚度比欲測輥距厚0.25～0.50mm；混煉膠尺寸約75mm×75mm×6mm，其門尼黏度大于50。調輥距前，將輥筒溫度調節至混煉所要求的溫度，再根據手輪指針將輥距大致調至所需數值，把兩根鉛條放在輥筒兩端，在距擋膠板約25mm處各插一條，同時把混煉膠從兩輥筒中心部位通過，然后用精度為0.01mm厚度計測鉛條的厚度。若厚度超過允許偏差時，適當調整輥距后再按前述方法測定調整后的輥距，至符合輥距要求為止。輥距允許的偏差為：在輥距為0.2～0.5mm時為±0.05mm，在輥距為1.0～3.0mm時為±0.1mm，在輥距為3.0～8.0mm時允許偏差為±10%。

開煉機混煉輥距大小根據煉膠量確定，或調節擋膠板距離，以保持適宜的堆積膠。開煉機混煉時輥距大小可參考表3-1調整。天然橡膠與合成橡膠并用時，并用比例相等，總膠量可按天然橡膠來定輥距；合成橡膠大于天然橡膠比例時，總膠量可按合成橡膠定輥距。

（2）輥溫　輥筒溫度對混煉膠質量也有重要影響，而且用開煉機混煉時輥筒的溫度會隨著膠料的剪切摩擦生熱而不斷變化，不同的膠料，混煉時輥筒的溫度要求也不一樣，因此混煉時要隨時控制輥筒的溫度。通常，輥筒溫度用冷卻水來控制，調整冷卻水的流量合適，流量過大或過小均不能有效控制輥溫。混煉過程中要經常測輥筒表面的溫度，控制溫度在允許的偏差范圍內。開煉機混煉輥溫的允許偏差為±5℃。不同膠料混煉時輥筒溫度要求見表3-2。

（3）加料順序　混煉時加料順序應遵循以下原則：用量少、作用大的配合劑先加；在膠料中難分散的配合劑如氧化鋅和固體軟化劑（如石蠟、松香、樹脂）先加；臨界溫度低、化學活性大、對溫度敏感的配合劑要后加；硫化劑和促進劑要分開加。天然橡膠開煉機混煉的一般加料順序為：

生膠（塑煉膠、母煉膠、再生膠）→固體軟化劑→小料（促進劑、活化劑、防老劑、防焦劑等）→填料（炭黑、陶土、碳酸鈣等）→液體油料（石蠟油、環烷油、芳烴油等）→硫黃。傳統的密煉機混煉也可以采用該加料順序進行混煉。液體軟化劑用量較少時，也可在填料之前加，合成膠配方中填料和油料的用量較大，油料只能放在填料之后加或與填料交替分批投加。某些特殊配方，加料順序可以適當調整，如硬質膠中硫黃用量多，應在其他配合劑之前加，以保證混合均勻；海綿膠料混煉時油料應在加入硫黃之后添加；丁腈橡膠混煉時，由于硫黃與丁腈橡膠相容性差，難分散，因此硫黃應在各種配合劑之前加。如果配方中有白炭黑，白炭黑應在加膠之后，其他配合劑之前分批加入，保證白炭黑分散均勻。

（4）稱重、停放　混煉后膠料應稱重，膠料質量與所有原材料總質量之差為0.5%～1.5%。混煉膠應放置在平整、干凈、干燥的金屬表面上冷卻至室溫，用鋁箔或塑料薄膜包好，以防污染，并貼標簽注明膠料配方編號，混煉日期。如果混煉過程分段完成，在膠料進行下一段混煉操作之前，混煉膠至少要停放30min或至膠料達到室溫，兩個混煉階段之間最長放置時間為24h。

3.3　硫化

硫化是在一定的溫度和壓力下，經過一定時間，使橡膠大分子由線型結構轉變為網狀結構的過程。通過硫化使橡膠在加工過程中失去的彈性重新恢復，物理機械性能大大提高。

混煉后的膠料要在標準溫度、濕度下調節2～24h，才可進行硫化操作。膠料硫化前盡可能不要返煉，若需要返煉，應按混煉時的輥溫進行返煉。

試樣用平板硫化機硫化，對硫化機平板、模具和硫化的要求如下：

①硫化機對模具壓力應不低于3.5MPa。

②硫化機兩熱板加壓面應相互平行，當熱板在150℃滿壓下閉合時，其平行度應在0.25mm/m范圍之內。

③同一熱板內各點間及各點與中心點間的最大溫差不超過1℃，相鄰兩熱板之間其對應位置點的溫差不超過1℃，熱板中心處的最大溫度偏差不超過±0.5℃。

④模具的形狀、尺寸應與所要求的測試試樣相適應，材料采用中碳鋼或不銹鋼，模具表面應鍍鉻或拋光，粗糙度Ra不大于1.6，模具的模蓋與模底的厚度不應低于10mm。

⑤硫化之前要將模具放在閉合的平板上預熱至規定的硫化溫度±1℃范圍內，并在該溫度下保持20min。連續硫化時可不再預熱。硫化時每層熱板僅允許放置一個模具。

⑥模具受到規定的壓力時開始計算硫化時間。硫化期間模腔壓力不得少于3.5MPa，硫化時間允許誤差為±20s。

⑦平板一打開立即取出硫化膠片，放入室溫水或低于室溫水中冷卻10～15min，用于電學測量的膠片應放在金屬板上冷卻。冷卻好的膠片在標準溫度和濕度下存放一段時間，停放時間一般不少于16h，不大于3個月。

3.4　試樣制備

（1）實驗用片狀試樣可以從專門的模壓樣品上裁切。在裁切和實驗之前在標準溫度、濕度下調節一段時間，經砂輪打磨的樣品，裁切試樣前在標準溫度下調節時間不應少于16h，內部質量控制試樣溫度的調節不應少于2h。

（2）成品試樣的制備應按產品標準規定進行。

（3）試樣厚度應符合有關實驗方法的規定，一般建議模壓膠片試樣使用下列厚度：（1±0.1）mm；（2±0.2）mm；（4±0.2）mm；（6.3±0.3）mm；（12.5±0.5）mm。

（4）過厚試樣、表面不平試樣應按標準（GB 9863.1—1996、ISO 4661-1）規定進行切割、打磨，切割采用旋轉刀設備或切割機，打磨設備采用砂輪或撓性打磨帶。

（5）試樣在停放過程中不應受機械應力、熱的作用及陽光直接照射，不與溶劑及腐蝕性介質接觸。

（6）試片裁刀在裁片時用水或中性肥皂水溶液濕潤。

（7）用裁片機裁片時，一次只準裁一個試樣，不準疊在一起，不準重刀（一次裁斷）。

（8）試樣的工作部分不應有任何缺陷和機械損傷。

（9）裁片時片狀試樣受力方向應與壓延方向一致。

（10）用分度為1/100mm的測厚計按GB 5723規定的方法測量試樣工作部分的厚度或高度。

（11）同一批試樣要用同一方法、同一設備制備，試樣規格要一樣，使用同一裁刀裁切樣品，其實驗結果才有可比性。

3.5　實驗條件

（1）實驗室標準溫度和濕度

標準溫度應為（23±2）℃。在亞熱帶地區也可以在27℃的溫度下進行實驗，但只能作為內部控制質量的暫用溫度，仲裁鑒定實驗的溫度必須是23℃。對溫度要求高時，溫度公差為±1℃，環境平均溫度應接近于規定的標準溫度。

實驗溫度為23℃時，標準相對濕度為50%±5%；實驗溫度為27℃時，相對濕度為65%±5%。對濕度要求較高時，濕度公差為±2%，環境平均濕度應接近于規定的相對濕度。

當不需要采用標準溫度和濕度時，可采用通用的環境溫度和濕度，如與紡織物有關的實驗可采用20℃、相對濕度為65%的條件進行。

需要在高溫或低溫下實驗時，應優先在下列溫度中選用一個或幾個溫度（單位：℃）：

①-80、-70、-55、-40、-25、-10、0；

②40、50、70、85、100、125；

③150、175、200、225、250、275、300。

當實驗溫度在100℃以下時允許公差為±1℃；當實驗溫度在101～200℃之間時允許公差為±2℃；當實驗溫度超過201℃時，允許公差為±3℃。

（2）實驗與硫化之間的時間間隔

如果沒有特殊的規定，實驗與硫化之間的時間間隔應遵守如下的規定：

①所有橡膠物理實驗，硫化與實驗之間的時間間隔最短是16h；

②非產品實驗，硫化與實驗之間的時間間隔最長為四個星期，比較實驗應在相同的時間間隔內進行；

③產品實驗，在可能的情況下，實驗與硫化之間的時間間隔不得超過三個月。在其他情況下，實驗應在需方從收貨日期算起兩個月內進行。

（3）試樣調節

對溫度和濕度均有要求時，試樣實驗前在標準溫度和濕度下調節不應少于16h；

只要求溫度時，試樣在實驗前在標準溫度下調節應不少于3h。如果是內部質量控制試樣溫度調節應不少于30min；

如果是在高溫或低溫下實驗，實驗前應把試樣置于測試溫度下，經過足夠長的時間調節，使試樣與環境溫度相平衡，或者根據實驗材料和產品的有關規定處理。

橡膠試樣調節期間，應盡可能使每個試樣的整個表面都暴露于環境調節中，并避免試樣受到各種應力的作用和陽光的直接照射。

如果沒有別的規定，實驗應在調節的標準溫度和濕度條件下進行。

溫度計、裁刀、厚度計、硬度計、拉力機等實驗工具、儀器須經校正合格后方能使用。

3.6　實驗數據處理

標準中規定用算術平均值或中位數表示實驗項目的實驗結果，其數據整理按以下規定進行：

（1）用同一項全部實驗數據計算出算術平均值，各實驗數據對算術平均值的偏差不能超過標準規定。若超過規定的偏差，則應把這個數據舍去，取舍后，剩下的數據不應少于原數據的60%，然后再計算平均值，直到每一數據對算術平均值的偏差都符合規定為止。橡膠各種性能中，撕裂強度、橡膠與織物和金屬的黏合強度、剝離強度、密度、永久變形、磨耗性能、耐寒系數、壓縮疲勞、耐介質性、硬質膠的耐熱溫度、抗折斷強度、沖擊強度等，實驗結果取平均值。

（2）取同一項全部實驗數據的中位數，實驗數據應按數值遞增順序排列。若實驗數據個數為奇數，取中間一個數值為中位數。如拉伸強度為10MPa、11MPa、12MPa、13MPa、14MPa取12MPa為中位數；若實驗數據數為偶數，則取中間兩個數值的平均值為中位數，如10MPa、11MPa、12MPa、13MPa中位數為11.5MPa。

（3）表示實驗結果平均值的試樣數量不準少于實驗方法中規定的最少數量，否則實驗數據全部作廢，重作實驗。

（4）實驗數據的取值方法和允許偏差應符合相應實驗方法標準的規定。實驗結果按表3-3要求取值、填寫實驗報告。