中篇　橡胶加工工艺及未硫化胶性能测试

在现代橡胶工业中，加工性能的变化正越来越被人们所重视。因为大多数由生胶转变为成品的加工过程是不可逆的，为保证产品质量、提高生产效率、减少浪费、降低成本，就要把好半成品质量关。为此，对橡胶加工性能的预测和控制是最基本的要求。

在橡胶加工过程中，绝大多数橡胶产品都要经过炼胶和硫化两个加工过程，也是决定产品质量和性能的两个非常重要的生产环节。有些结构复杂的产品（如轮胎、胶带、胶管等）还要进行压延、挤出、成型等加工过程。本章主要介绍炼胶和硫化这两个最基本的加工工艺实验方法以及未硫化胶的性能测试。

炼胶包括生胶的塑炼、胶料的混炼两部分内容。为了保证后续加工工艺的正常进行和产品的质量，胶料的流动性或可塑度必须达到一定的要求。有些生胶如天然橡胶、丁腈橡胶、长期保存的氯丁橡胶等门尼黏度高、弹性和韧性大、流动性差，需要通过机械剪切的方法降低橡胶的分子量、减小弹性、提高可塑度和流动性，完成这一转变的工艺过程就称为塑炼。一般门尼黏度超过60的生胶需要进行塑炼，常用的丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、异戊橡胶在合成时已控制了门尼黏度，一般不需要塑炼。塑炼胶要求具有一定的可塑度，而且可塑度要分布均匀，因此塑炼胶需要检测可塑度。目前用于生胶塑炼的设备主要有开炼机、密炼机和螺杆塑炼机，其中开炼机使用较多，在大规模生产时用密炼机塑炼效率很高。开炼机塑炼有包辊法、薄通法和化学增塑塑炼法三种，其中薄通法塑炼效果好，实验室中主要采用这种方法塑炼。密炼机塑炼有一段塑炼、分段塑炼和化学增塑塑炼法三种，其中化学增塑塑炼法效果好。丁腈橡胶密炼机塑炼时容易产生凝胶，塑炼效果很差，通常采用开炼机薄通法塑炼。氯丁橡胶高温塑炼时易粘辊，一般采用低温开炼机塑炼。天然橡胶既可用开炼机塑炼，又可以用密炼机塑炼。本书塑炼加工的内容主要以天然橡胶为基础，并主要介绍天然胶的开炼机塑炼工艺方法。

胶料混炼是将生胶与各种配合剂混合均匀，制备符合性能要求的混炼胶的工艺操作过程，是橡胶加工过程中最为重要的一个环节，混炼胶的质量好坏直接决定了胶料和制品的性能高低。混炼胶不仅要求配合剂分散均匀，而且要达到一定的分散度，胶料的物理机械性能要好。目前，用来混炼胶料的设备主要有开炼机和密炼机，其中密炼机在大规模生产中有着广泛的应用，螺杆混炼机主要用于连续混炼，有很好的发展前途。本书中主要介绍开炼机和密炼机混炼工艺方法。

橡胶性能测试时大多采用硫化胶来测试，橡胶制品也必须经过硫化才具有使用性能。由于硫化是将橡胶线型大分子转变成立体网状结构的过程，如果硫化后出现质量问题，制品只能成为次品或废品。因此硫化工艺过程是决定产品质量的关键工序，硫化时一定要严格控制工艺条件，尽可能降低产品的不合格率。橡胶硫化要在一定的温度、压力下，经过一定的时

间才能完成，如果硫化不熟（欠硫），产品的性能低下；若过硫，易产生硫化返原，制品的性能也会下降。因此产品硫化程度一定要合适。实验室中测性能的样品均用平板硫化机硫化，在实际生产中还有许多其他的硫化设备和硫化方法。

胶料混炼后，需要考察混炼胶的质量和加工性能，通常需要测定混炼胶的流动特性如门尼黏度、可塑度、应力松弛，硫化特性如门尼焦烧、硫化曲线，挤出特性如口型膨胀以及密度、硬度和炭黑分散度等。其中门尼黏度、可塑度、门尼焦烧、硫化曲线、口型膨胀等用混炼胶测试，密度、硬度用硫化胶测试，炭黑分散度既可以用混炼胶测试，也可以用硫化胶测试。

第3章　硫化试样的制备

硫化试样的制备主要包括配合、塑炼、混炼、成型、硫化等工序。橡胶加工工艺方法和工艺条件等对橡胶的物理机械性能有着较大的影响。为了保证测试结果的准确性和可比性，有必要将试样制备工艺规范化，参照标准GB 6038—2006。

3.1　原材料配合

3.1.1　原材料的贮备和保管

（1）贮备的各种原材料，必须经过化学分析检验，合格后才可使用。

（2）各种原材料必须分类保管，严禁乱放。各种原材料应及时登记入账，注明名称、产地、数量。库房应通风，防潮，防腐，各种原材料应使用专用器具和专用勺，严禁混用。

（3）在贮存期间，有必要对各种原材料进行抽查。为保证实验材料质量的相对稳定性，实验用原材料存放时间不要超过一年，易吸潮变质的配合剂（如氧化锌、次磺酰胺类促进剂等），贮存期不能超过半年。

（4）原材料仓库应保证清洁干燥，严禁长期受日光、灯光照射以及与热源接触。配合剂干燥处理后应存放于防潮密封容器内。

（5）凡需要加工处理（干燥、筛选、粉碎、脱水过滤等）的配合剂，应按技术要求进行加工处理。目的是减少原材料中的杂质和水分，便于称量和混炼操作，以保证实验胶料获得满意的性能。

3.1.2　配合

根据一次加工所制得的胶料总量，计算出生胶和各种配合剂的实际用量，采用合适的衡器称量。实验室应配备100g、200g、500g天平和5kg台秤。称量允许的误差为：生胶和炭黑的称量应精确至1g；油类应精确至1g或±1%；硫黄和促进剂精确至0.02g；氧化锌和硬脂酸精确至0.1g，所有其他配合剂应精确至±1%。天平精确度最好为±0.01g。

配料应在标准温度和湿度下进行。当日配完的实验胶料，应当日用完，不得过夜。若确实需要过夜，应存放于干燥器内。配合就是根据胶料的配方要求，对各种原材料进行称量。

配合时应注意以下几点：

（1）配合前后检查基本配合量与实际用量是否有差异，并核对是否正确。

（2）按配方对原材料品种、规格、用量的要求，准备所需的原料，配合时检查各种原材料的外观、色泽有无异常，防止配错或原材料变质。必要时需要对某些原材料补充加工后配合，如干燥、粉碎等。

（3）配合量一般为基本配方的3～4倍，生胶至少不小于200g。

混炼胶的批量　一般用标准开放式炼胶机每批次混炼量应该是基本配方的四倍。若采用较小的批混炼量，误差较大，结果可能不同，建议最低混炼生胶质量为200g。标准密炼机每次批混炼量应等于密炼机额定容量乘以混炼胶的密度。

3.2　混炼

混炼是在机械的作用下，将各种配合剂均匀分散在橡胶中的工艺过程。由于混炼操作程序，配合剂分散性对橡胶物理机械性能影响很大，因此必须严格控制工艺条件和操作过程。

胶料混炼设备主要为实验室用开放式炼胶机（应符合HG/T 3-1615标准）和1.57L小型密炼机。规格尺寸见开炼机、密炼机混炼实验。胶料混炼要按照规定的加料顺序和时间混炼，开始实验前要将炼胶设备调整到规定的工艺条件要求（如温度、辊距、转速等）。同一批混炼的不同胶料进行性能对比实验，要保证各配方胶料混炼时的辊距、辊温、加料顺序和加料方式、切割翻炼次数、混炼时间等都要相同，得出的结果才具有重现性，才有可比性；如果工艺条件控制不准，实验结果误差较大，测出的性能变化不知道到底是配合剂变量变化引起的还是工艺条件变化引起的，导致很难分析实验结果。

（1）辊距　开炼机混炼时辊距的大小对胶料性能影响很大，不同工艺要求需要变更不同的辊距，因此混炼工艺要规定一定的辊距，而且认真掌握才能使实验数据具有可比性。故每次炼胶前均需要调准辊距大小。辊距调准的方法如下：

准备两根铅条和一块混炼胶。铅条长至少50mm、宽（10±3）mm；厚度比欲测辊距厚0.25～0.50mm；混炼胶尺寸约75mm×75mm×6mm，其门尼黏度大于50。调辊距前，将辊筒温度调节至混炼所要求的温度，再根据手轮指针将辊距大致调至所需数值，把两根铅条放在辊筒两端，在距挡胶板约25mm处各插一条，同时把混炼胶从两辊筒中心部位通过，然后用精度为0.01mm厚度计测铅条的厚度。若厚度超过允许偏差时，适当调整辊距后再按前述方法测定调整后的辊距，至符合辊距要求为止。辊距允许的偏差为：在辊距为0.2～0.5mm时为±0.05mm，在辊距为1.0～3.0mm时为±0.1mm，在辊距为3.0～8.0mm时允许偏差为±10%。

开炼机混炼辊距大小根据炼胶量确定，或调节挡胶板距离，以保持适宜的堆积胶。开炼机混炼时辊距大小可参考表3-1调整。天然橡胶与合成橡胶并用时，并用比例相等，总胶量可按天然橡胶来定辊距；合成橡胶大于天然橡胶比例时，总胶量可按合成橡胶定辊距。

（2）辊温　辊筒温度对混炼胶质量也有重要影响，而且用开炼机混炼时辊筒的温度会随着胶料的剪切摩擦生热而不断变化，不同的胶料，混炼时辊筒的温度要求也不一样，因此混炼时要随时控制辊筒的温度。通常，辊筒温度用冷却水来控制，调整冷却水的流量合适，流量过大或过小均不能有效控制辊温。混炼过程中要经常测辊筒表面的温度，控制温度在允许的偏差范围内。开炼机混炼辊温的允许偏差为±5℃。不同胶料混炼时辊筒温度要求见表3-2。

（3）加料顺序　混炼时加料顺序应遵循以下原则：用量少、作用大的配合剂先加；在胶料中难分散的配合剂如氧化锌和固体软化剂（如石蜡、松香、树脂）先加；临界温度低、化学活性大、对温度敏感的配合剂要后加；硫化剂和促进剂要分开加。天然橡胶开炼机混炼的一般加料顺序为：

生胶（塑炼胶、母炼胶、再生胶）→固体软化剂→小料（促进剂、活化剂、防老剂、防焦剂等）→填料（炭黑、陶土、碳酸钙等）→液体油料（石蜡油、环烷油、芳烃油等）→硫黄。传统的密炼机混炼也可以采用该加料顺序进行混炼。液体软化剂用量较少时，也可在填料之前加，合成胶配方中填料和油料的用量较大，油料只能放在填料之后加或与填料交替分批投加。某些特殊配方，加料顺序可以适当调整，如硬质胶中硫黄用量多，应在其他配合剂之前加，以保证混合均匀；海绵胶料混炼时油料应在加入硫黄之后添加；丁腈橡胶混炼时，由于硫黄与丁腈橡胶相容性差，难分散，因此硫黄应在各种配合剂之前加。如果配方中有白炭黑，白炭黑应在加胶之后，其他配合剂之前分批加入，保证白炭黑分散均匀。

（4）称重、停放　混炼后胶料应称重，胶料质量与所有原材料总质量之差为0.5%～1.5%。混炼胶应放置在平整、干净、干燥的金属表面上冷却至室温，用铝箔或塑料薄膜包好，以防污染，并贴标签注明胶料配方编号，混炼日期。如果混炼过程分段完成，在胶料进行下一段混炼操作之前，混炼胶至少要停放30min或至胶料达到室温，两个混炼阶段之间最长放置时间为24h。

3.3　硫化

硫化是在一定的温度和压力下，经过一定时间，使橡胶大分子由线型结构转变为网状结构的过程。通过硫化使橡胶在加工过程中失去的弹性重新恢复，物理机械性能大大提高。

混炼后的胶料要在标准温度、湿度下调节2～24h，才可进行硫化操作。胶料硫化前尽可能不要返炼，若需要返炼，应按混炼时的辊温进行返炼。

试样用平板硫化机硫化，对硫化机平板、模具和硫化的要求如下：

①硫化机对模具压力应不低于3.5MPa。

②硫化机两热板加压面应相互平行，当热板在150℃满压下闭合时，其平行度应在0.25mm/m范围之内。

③同一热板内各点间及各点与中心点间的最大温差不超过1℃，相邻两热板之间其对应位置点的温差不超过1℃，热板中心处的最大温度偏差不超过±0.5℃。

④模具的形状、尺寸应与所要求的测试试样相适应，材料采用中碳钢或不锈钢，模具表面应镀铬或抛光，粗糙度Ra不大于1.6，模具的模盖与模底的厚度不应低于10mm。

⑤硫化之前要将模具放在闭合的平板上预热至规定的硫化温度±1℃范围内，并在该温度下保持20min。连续硫化时可不再预热。硫化时每层热板仅允许放置一个模具。

⑥模具受到规定的压力时开始计算硫化时间。硫化期间模腔压力不得少于3.5MPa，硫化时间允许误差为±20s。

⑦平板一打开立即取出硫化胶片，放入室温水或低于室温水中冷却10～15min，用于电学测量的胶片应放在金属板上冷却。冷却好的胶片在标准温度和湿度下存放一段时间，停放时间一般不少于16h，不大于3个月。

3.4　试样制备

（1）实验用片状试样可以从专门的模压样品上裁切。在裁切和实验之前在标准温度、湿度下调节一段时间，经砂轮打磨的样品，裁切试样前在标准温度下调节时间不应少于16h，内部质量控制试样温度的调节不应少于2h。

（2）成品试样的制备应按产品标准规定进行。

（3）试样厚度应符合有关实验方法的规定，一般建议模压胶片试样使用下列厚度：（1±0.1）mm；（2±0.2）mm；（4±0.2）mm；（6.3±0.3）mm；（12.5±0.5）mm。

（4）过厚试样、表面不平试样应按标准（GB 9863.1—1996、ISO 4661-1）规定进行切割、打磨，切割采用旋转刀设备或切割机，打磨设备采用砂轮或挠性打磨带。

（5）试样在停放过程中不应受机械应力、热的作用及阳光直接照射，不与溶剂及腐蚀性介质接触。

（6）试片裁刀在裁片时用水或中性肥皂水溶液湿润。

（7）用裁片机裁片时，一次只准裁一个试样，不准叠在一起，不准重刀（一次裁断）。

（8）试样的工作部分不应有任何缺陷和机械损伤。

（9）裁片时片状试样受力方向应与压延方向一致。

（10）用分度为1/100mm的测厚计按GB 5723规定的方法测量试样工作部分的厚度或高度。

（11）同一批试样要用同一方法、同一设备制备，试样规格要一样，使用同一裁刀裁切样品，其实验结果才有可比性。

3.5　实验条件

（1）实验室标准温度和湿度

标准温度应为（23±2）℃。在亚热带地区也可以在27℃的温度下进行实验，但只能作为内部控制质量的暂用温度，仲裁鉴定实验的温度必须是23℃。对温度要求高时，温度公差为±1℃，环境平均温度应接近于规定的标准温度。

实验温度为23℃时，标准相对湿度为50%±5%；实验温度为27℃时，相对湿度为65%±5%。对湿度要求较高时，湿度公差为±2%，环境平均湿度应接近于规定的相对湿度。

当不需要采用标准温度和湿度时，可采用通用的环境温度和湿度，如与纺织物有关的实验可采用20℃、相对湿度为65%的条件进行。

需要在高温或低温下实验时，应优先在下列温度中选用一个或几个温度（单位：℃）：

①-80、-70、-55、-40、-25、-10、0；

②40、50、70、85、100、125；

③150、175、200、225、250、275、300。

当实验温度在100℃以下时允许公差为±1℃；当实验温度在101～200℃之间时允许公差为±2℃；当实验温度超过201℃时，允许公差为±3℃。

（2）实验与硫化之间的时间间隔

如果没有特殊的规定，实验与硫化之间的时间间隔应遵守如下的规定：

①所有橡胶物理实验，硫化与实验之间的时间间隔最短是16h；

②非产品实验，硫化与实验之间的时间间隔最长为四个星期，比较实验应在相同的时间间隔内进行；

③产品实验，在可能的情况下，实验与硫化之间的时间间隔不得超过三个月。在其他情况下，实验应在需方从收货日期算起两个月内进行。

（3）试样调节

对温度和湿度均有要求时，试样实验前在标准温度和湿度下调节不应少于16h；

只要求温度时，试样在实验前在标准温度下调节应不少于3h。如果是内部质量控制试样温度调节应不少于30min；

如果是在高温或低温下实验，实验前应把试样置于测试温度下，经过足够长的时间调节，使试样与环境温度相平衡，或者根据实验材料和产品的有关规定处理。

橡胶试样调节期间，应尽可能使每个试样的整个表面都暴露于环境调节中，并避免试样受到各种应力的作用和阳光的直接照射。

如果没有别的规定，实验应在调节的标准温度和湿度条件下进行。

温度计、裁刀、厚度计、硬度计、拉力机等实验工具、仪器须经校正合格后方能使用。

3.6　实验数据处理

标准中规定用算术平均值或中位数表示实验项目的实验结果，其数据整理按以下规定进行：

（1）用同一项全部实验数据计算出算术平均值，各实验数据对算术平均值的偏差不能超过标准规定。若超过规定的偏差，则应把这个数据舍去，取舍后，剩下的数据不应少于原数据的60%，然后再计算平均值，直到每一数据对算术平均值的偏差都符合规定为止。橡胶各种性能中，撕裂强度、橡胶与织物和金属的黏合强度、剥离强度、密度、永久变形、磨耗性能、耐寒系数、压缩疲劳、耐介质性、硬质胶的耐热温度、抗折断强度、冲击强度等，实验结果取平均值。

（2）取同一项全部实验数据的中位数，实验数据应按数值递增顺序排列。若实验数据个数为奇数，取中间一个数值为中位数。如拉伸强度为10MPa、11MPa、12MPa、13MPa、14MPa取12MPa为中位数；若实验数据数为偶数，则取中间两个数值的平均值为中位数，如10MPa、11MPa、12MPa、13MPa中位数为11.5MPa。

（3）表示实验结果平均值的试样数量不准少于实验方法中规定的最少数量，否则实验数据全部作废，重作实验。

（4）实验数据的取值方法和允许偏差应符合相应实验方法标准的规定。实验结果按表3-3要求取值、填写实验报告。