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[技術(shù)資料] 橡膠配方設(shè)計的相關(guān)性原理
P:2007-09-18 14:55:25
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橡膠配方設(shè)計的相關(guān)性原理
摘要：研究了橡膠配方設(shè)計中存在的兩類相關(guān)關(guān)系，提出了硫化膠和混煉膠的性能是其膠料組分的函數(shù)，而硫化膠某些性能(如使用性能)是膠料其他物化性能的函數(shù)。由此導(dǎo)出橡膠配方設(shè)計的相關(guān)性原理，并為橡膠配方計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的編制提供了理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：橡膠 配方設(shè)計 計算機(jī)軟件 引言 關(guān)于橡膠配方設(shè)計，目前流行著兩種觀點(diǎn)一種觀點(diǎn)認(rèn)為，橡膠膠料的配合與其說是一門科學(xué)，不如說是一門藝術(shù)川。此說認(rèn)為配方設(shè)計十分復(fù)雜，幾乎無科學(xué)規(guī)律可言，難以捉摸。它在一定程度上否定了橡膠配方設(shè)計存在著規(guī)律和科學(xué)性，其危害性或消極影響是顯而易見的。 另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，橡膠配方設(shè)計的原理就是著名的三大要求說:即要求(l)橡膠制品使用性能優(yōu)良(2)膠料工藝性能良好;(3)膠料成本較低。其實(shí)，此說僅僅是對配方設(shè)計提出了三好要求，而沒有揭示配方設(shè)計的客觀規(guī)律，當(dāng)然無法指導(dǎo)膠料配方設(shè)計。因此，三好說并不具備橡膠配方設(shè)計原理的條件。 作為橡膠配方設(shè)計理論，必須具備兩個基本條件:一、能揭示客觀存在的橡膠配方設(shè)計的一般性規(guī)律，二、能指導(dǎo)橡膠膠料配方設(shè)計實(shí)踐。 近年來，橡膠材料科學(xué)的發(fā)展，逐步揭示了橡膠材料的性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，盡管十分復(fù)雜，但其客觀規(guī)律性是存在的。研究表明，建立橡膠配方設(shè)計的一般性原理不僅十分必要，而且可能。 1 兩類相關(guān)性 根據(jù)表象學(xué)研究，在橡膠配方設(shè)計中存在著兩類相關(guān)關(guān)系。 研究表明，橡膠配方組分與硫化膠及混煉膠的性能之間存在著相關(guān)關(guān)系，配方組分的品種、類型和用量對硫化膠和混煉膠的性能具有決定性影響。這是第一類相關(guān)性。 研究表明，硫化膠的性能與性能之間也存在著相關(guān)關(guān)系，即硫化膠的某些性能對橡膠制品的使用性能具有決定性影響。這是第二類相關(guān)性。 對于第一類相關(guān)性，人們早已熟知。例如，炭黑、填充劑與橡膠強(qiáng)力性能之間存在著相關(guān)性，如圖1所示。 又如，硫化體系與橡膠的強(qiáng)度性能之間，增塑劑與橡膠的耐寒性能之間，防老劑與橡膠的耐老化性能之間，都存在著相關(guān)性。依此類推。 第二類相關(guān)性是更重要的一類相關(guān)性，但往往被忽視。它是指硫化膠有許多性能，它們互相之間存在著一定的關(guān)系，特別是制品的使用性能與材料的一般性能之間。尋找并應(yīng)用這類相關(guān)性，就有可能打開通往橡膠配方設(shè)計的大門。因此，研究硫化橡膠性能之間的相關(guān)性，對尋找配方設(shè)計規(guī)律和橡膠配方設(shè)計原理具有特別重要的意義。 舉例說明，輪胎是一種要求耐磨的橡膠制品，其耐磨耗性能與哪些性能相關(guān)呢? 根據(jù)研究，橡膠磨耗與其硫化膠拉伸強(qiáng)度等5項指標(biāo)的關(guān)系如表1所示。 相關(guān)系數(shù)大于0.80者，可判為具有高相關(guān)性，由表1可見，與硫化膠磨耗性能相關(guān)的機(jī)械性能只有兩項:高溫拉伸強(qiáng)度P100和300%定伸應(yīng)力M300。P100和M300對硫化膠相對磨耗強(qiáng)度的影響如圖2所示。 圖中，陰影部分為預(yù)測不可靠區(qū)域;在可靠區(qū)域內(nèi)，當(dāng)M300在10MPa以下時，耐磨耗性與它呈線性關(guān)系:當(dāng)M300值超過10MPa時，則呈非線性關(guān)系。M300值從5MPa增加到12MPa時，耐磨性增長10%;從12MPa增加到14一15MPa時，耐磨性實(shí)際上沒有變化;進(jìn)一步增加M300，則耐磨性將下降。 耐磨性能與高溫拉伸強(qiáng)度P100呈線性關(guān)系，P100增加2MPa，耐磨性則提高6%。 從事橡膠技術(shù)工作時，首先會面對下述各問題： ─—什么叫做橡膠配方？ ─—如何設(shè)計橡膠配方？ ─—成功的橡膠配方是什么？ 事實(shí)上，橡膠配方技術(shù)乃是一種選擇和運(yùn)用材料之科學(xué)和藝術(shù)。一般之橡膠配方目的有三：首先是使橡膠制品具有實(shí)用之物性；其次是能配合現(xiàn)有加工設(shè)備進(jìn)行良好之加工作業(yè)；最后是以可能之最低成本之配料達(dá)到符合客戶所要求之物性水平。 換言之，設(shè)計橡膠配方最需考慮之三要素為配料之物性者、加工性和成本，并使三者獲得一個適當(dāng)之平衡點(diǎn)，此即配方設(shè)計都最主要之工作。 配方中常用之添加劑可摘要分類成十個主要成份： • 橡膠或彈性體（ elastomers ） : 橡膠配方設(shè)計第一個步驟也是最重要的步驟即為選擇橡膠基材或原料膠。橡膠為工程材料之一種，不論其組成為何，都 帶有一些共通之基本特性。所有橡膠都帶有彈性，可彎曲性、韌性、不易透水和透空氣等性質(zhì)。除了這些共通特性外，每種橡膠因組成之不同，各自具有其本身之性質(zhì)。 • 加硫劑（ Vulcanizing agents ） : 添加加硫劑之目的是使配料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而在橡膠分子之間產(chǎn)生架橋（ cross linking ）之現(xiàn)象而改變橡膠之物性。化學(xué)架橋作用使橡膠配料由柔軟、帶粘性之熱可塑體變成強(qiáng)韌之熱固物，此時受溫度之影響較少。到目前為止，硫磺仍是最廣泛使用之加硫劑。其它載硫劑（ sulfur donor ）如二硫化秋蘭姆類之 TMTD(TUEX) 有時亦用作全部或局部取代元素硫磺于低硫或無硫加硫系統(tǒng)之配方，使制品得以改善其耐熱性。配方設(shè)計者其第二個最重要之工作為對于配料加硫系統(tǒng)，加硫劑和促進(jìn)劑之選擇。 • 加硫促進(jìn)劑（ Accelerators ） : 加硫促進(jìn)劑可使配料硫化速率加快而縮短加硫時間。 • 活化劑（ Activators ）和遲延劑 (Retarders): 活化劑是用來幫助促進(jìn)劑增強(qiáng)其活性和效能，最常用之活化劑有鋅氧粉、硬脂酸、氧化鉛、氧化鎂和胺類（ H ）。 • 防老劑（ Antidegradants ） : 防老劑可延緩橡膠制品因受氧氣、臭氧、熱、金屬催化作用和屈曲運(yùn)動之影響而劣化。因此添加防老劑于配料后可以增強(qiáng)制品之耐老化性并延長其使用壽命。 • 加工助劑（ Processing aids ）： 加工助劑顧名思義即是幫助配料便于加工作業(yè)，如混煉壓延、押出和成型等。 • 填充劑（ Fillers ） : 填充劑可以增強(qiáng)配料之物性，幫助加工性或降低其成本。補(bǔ)強(qiáng)性填充劑可以增加制品之硬度、抗張強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度（ modulus ）、抗撕裂強(qiáng)度和耐磨性。一般常用碳煙或細(xì)顆粒之礦質(zhì)材料。 • 可塑性（ Plasticizer ），軟化劑和增粘劑 (Tackfier): 可塑性、軟化劑和增粘劑是用于幫助膠料混練，改變其粘度，增強(qiáng)配料粘性，改善制品在低溫之柔曲性，或代替部份膠料而不致對物性有太多之影響。大體而言，這些類之添加劑可當(dāng)作加工助劑或擴(kuò)展劑。 • 色料（ Color Pigment ） : 色料是用于非碳煙類之配料中以提供特定之顏色。一般常用色料可分為有機(jī)類和無機(jī)類。無機(jī)類有氧化鐵、氧化鉻、二氧化鈦（鈦白粉）、硫化鎘、硒化鎘、硫化銻、硫化汞、立得粉（ lithopone ）和軍藍(lán)等。 有機(jī)色料比無機(jī)色料要貴很多。但其使用效果較好，色相鮮艷而比重又很低。而且有機(jī)色料之色彩變化較無機(jī)色料多。但是，大多數(shù)之有機(jī)色料對蒸汽、光、酸或堿均不安定，而且有時還會游移到制品表面。 • 特殊用途之材料： 特殊用途之材料即非經(jīng)常在水多數(shù)之配料如發(fā)泡劑、調(diào)味劑、粘著助劑、耐燃劑、防霉劑和紫外線吸收劑等即是。 配方設(shè)計程序 : 幾乎所有之新配方系自現(xiàn)有配方加以修改而成。目前，已委很少人嘗試設(shè)計一個全新的配方，因?yàn)樵趯?shí)用上是不太需要的。為使配方有效，配方設(shè)計工作人員應(yīng)設(shè)法利用內(nèi)在或外在已有之各類技術(shù)資料，然后根據(jù)所需而加以整理、分析，并運(yùn)用個人想像力和創(chuàng)造力而進(jìn)行設(shè)計配方。下述各步驟可作為配方設(shè)計之參考。 • 確定目標(biāo)物之物性和成本。 • 選擇適用之原料膠。 • 研制現(xiàn)有類似配料之試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 • 參考各類有關(guān)材料之技術(shù)資料。 • 設(shè)定初期配方。 • 試作小樣品以測試物性可否符合目標(biāo)物。 • 估算所用材料之成本作為進(jìn)一步評估之參考資料。 • 評估此配料在現(xiàn)場之作業(yè)性。 • 以該配方試制目標(biāo)物。 • 測試其物性是否能符合規(guī)格。 [ 本帖最后由 yongda 于 20-4-2007 15:15 編輯 ]
摘要：研究了橡膠配方設(shè)計中存在的兩類相關(guān)關(guān)系，提出了硫化膠和混煉膠的性能是其膠料組分的函數(shù)，而硫化膠某些性能(如使用性能)是膠料其他物化性能的函數(shù)。由此導(dǎo)出橡膠配方設(shè)計的相關(guān)性原理，并為橡膠配方計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的編制提供了理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：橡膠 配方設(shè)計 計算機(jī)軟件 引言 關(guān)于橡膠配方設(shè)計，目前流行著兩種觀點(diǎn)一種觀點(diǎn)認(rèn)為，橡膠膠料的配合與其說是一門科學(xué)，不如說是一門藝術(shù)川。此說認(rèn)為配方設(shè)計十分復(fù)雜，幾乎無科學(xué)規(guī)律可言，難以捉摸。它在一定程度上否定了橡膠配方設(shè)計存在著規(guī)律和科學(xué)性，其危害性或消極影響是顯而易見的。 另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，橡膠配方設(shè)計的原理就是著名的三大要求說:即要求(l)橡膠制品使用性能優(yōu)良(2)膠料工藝性能良好;(3)膠料成本較低。其實(shí)，此說僅僅是對配方設(shè)計提出了三好要求，而沒有揭示配方設(shè)計的客觀規(guī)律，當(dāng)然無法指導(dǎo)膠料配方設(shè)計。因此，三好說并不具備橡膠配方設(shè)計原理的條件。 作為橡膠配方設(shè)計理論，必須具備兩個基本條件:一、能揭示客觀存在的橡膠配方設(shè)計的一般性規(guī)律，二、能指導(dǎo)橡膠膠料配方設(shè)計實(shí)踐。 近年來，橡膠材料科學(xué)的發(fā)展，逐步揭示了橡膠材料的性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，盡管十分復(fù)雜，但其客觀規(guī)律性是存在的。研究表明，建立橡膠配方設(shè)計的一般性原理不僅十分必要，而且可能。 1 兩類相關(guān)性 根據(jù)表象學(xué)研究，在橡膠配方設(shè)計中存在著兩類相關(guān)關(guān)系。 研究表明，橡膠配方組分與硫化膠及混煉膠的性能之間存在著相關(guān)關(guān)系，配方組分的品種、類型和用量對硫化膠和混煉膠的性能具有決定性影響。這是第一類相關(guān)性。 研究表明，硫化膠的性能與性能之間也存在著相關(guān)關(guān)系，即硫化膠的某些性能對橡膠制品的使用性能具有決定性影響。這是第二類相關(guān)性。 對于第一類相關(guān)性，人們早已熟知。例如，炭黑、填充劑與橡膠強(qiáng)力性能之間存在著相關(guān)性，如圖1所示。 又如，硫化體系與橡膠的強(qiáng)度性能之間，增塑劑與橡膠的耐寒性能之間，防老劑與橡膠的耐老化性能之間，都存在著相關(guān)性。依此類推。 第二類相關(guān)性是更重要的一類相關(guān)性，但往往被忽視。它是指硫化膠有許多性能，它們互相之間存在著一定的關(guān)系，特別是制品的使用性能與材料的一般性能之間。尋找并應(yīng)用這類相關(guān)性，就有可能打開通往橡膠配方設(shè)計的大門。因此，研究硫化橡膠性能之間的相關(guān)性，對尋找配方設(shè)計規(guī)律和橡膠配方設(shè)計原理具有特別重要的意義。 舉例說明，輪胎是一種要求耐磨的橡膠制品，其耐磨耗性能與哪些性能相關(guān)呢? 根據(jù)研究，橡膠磨耗與其硫化膠拉伸強(qiáng)度等5項指標(biāo)的關(guān)系如表1所示。 相關(guān)系數(shù)大于0.80者，可判為具有高相關(guān)性，由表1可見，與硫化膠磨耗性能相關(guān)的機(jī)械性能只有兩項:高溫拉伸強(qiáng)度P100和300%定伸應(yīng)力M300。P100和M300對硫化膠相對磨耗強(qiáng)度的影響如圖2所示。 圖中，陰影部分為預(yù)測不可靠區(qū)域;在可靠區(qū)域內(nèi)，當(dāng)M300在10MPa以下時，耐磨耗性與它呈線性關(guān)系:當(dāng)M300值超過10MPa時，則呈非線性關(guān)系。M300值從5MPa增加到12MPa時，耐磨性增長10%;從12MPa增加到14一15MPa時，耐磨性實(shí)際上沒有變化;進(jìn)一步增加M300，則耐磨性將下降。 耐磨性能與高溫拉伸強(qiáng)度P100呈線性關(guān)系，P100增加2MPa，耐磨性則提高6%。 從事橡膠技術(shù)工作時，首先會面對下述各問題： ─—什么叫做橡膠配方？ ─—如何設(shè)計橡膠配方？ ─—成功的橡膠配方是什么？ 事實(shí)上，橡膠配方技術(shù)乃是一種選擇和運(yùn)用材料之科學(xué)和藝術(shù)。一般之橡膠配方目的有三：首先是使橡膠制品具有實(shí)用之物性；其次是能配合現(xiàn)有加工設(shè)備進(jìn)行良好之加工作業(yè)；最后是以可能之最低成本之配料達(dá)到符合客戶所要求之物性水平。 換言之，設(shè)計橡膠配方最需考慮之三要素為配料之物性者、加工性和成本，并使三者獲得一個適當(dāng)之平衡點(diǎn)，此即配方設(shè)計都最主要之工作。 配方中常用之添加劑可摘要分類成十個主要成份： • 橡膠或彈性體（ elastomers ） : 橡膠配方設(shè)計第一個步驟也是最重要的步驟即為選擇橡膠基材或原料膠。橡膠為工程材料之一種，不論其組成為何，都 帶有一些共通之基本特性。所有橡膠都帶有彈性，可彎曲性、韌性、不易透水和透空氣等性質(zhì)。除了這些共通特性外，每種橡膠因組成之不同，各自具有其本身之性質(zhì)。 • 加硫劑（ Vulcanizing agents ） : 添加加硫劑之目的是使配料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而在橡膠分子之間產(chǎn)生架橋（ cross linking ）之現(xiàn)象而改變橡膠之物性。化學(xué)架橋作用使橡膠配料由柔軟、帶粘性之熱可塑體變成強(qiáng)韌之熱固物，此時受溫度之影響較少。到目前為止，硫磺仍是最廣泛使用之加硫劑。其它載硫劑（ sulfur donor ）如二硫化秋蘭姆類之 TMTD(TUEX) 有時亦用作全部或局部取代元素硫磺于低硫或無硫加硫系統(tǒng)之配方，使制品得以改善其耐熱性。配方設(shè)計者其第二個最重要之工作為對于配料加硫系統(tǒng)，加硫劑和促進(jìn)劑之選擇。 • 加硫促進(jìn)劑（ Accelerators ） : 加硫促進(jìn)劑可使配料硫化速率加快而縮短加硫時間。 • 活化劑（ Activators ）和遲延劑 (Retarders): 活化劑是用來幫助促進(jìn)劑增強(qiáng)其活性和效能，最常用之活化劑有鋅氧粉、硬脂酸、氧化鉛、氧化鎂和胺類（ H ）。 • 防老劑（ Antidegradants ） : 防老劑可延緩橡膠制品因受氧氣、臭氧、熱、金屬催化作用和屈曲運(yùn)動之影響而劣化。因此添加防老劑于配料后可以增強(qiáng)制品之耐老化性并延長其使用壽命。 • 加工助劑（ Processing aids ）： 加工助劑顧名思義即是幫助配料便于加工作業(yè)，如混煉壓延、押出和成型等。 • 填充劑（ Fillers ） : 填充劑可以增強(qiáng)配料之物性，幫助加工性或降低其成本。補(bǔ)強(qiáng)性填充劑可以增加制品之硬度、抗張強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度（ modulus ）、抗撕裂強(qiáng)度和耐磨性。一般常用碳煙或細(xì)顆粒之礦質(zhì)材料。 • 可塑性（ Plasticizer ），軟化劑和增粘劑 (Tackfier): 可塑性、軟化劑和增粘劑是用于幫助膠料混練，改變其粘度，增強(qiáng)配料粘性，改善制品在低溫之柔曲性，或代替部份膠料而不致對物性有太多之影響。大體而言，這些類之添加劑可當(dāng)作加工助劑或擴(kuò)展劑。 • 色料（ Color Pigment ） : 色料是用于非碳煙類之配料中以提供特定之顏色。一般常用色料可分為有機(jī)類和無機(jī)類。無機(jī)類有氧化鐵、氧化鉻、二氧化鈦（鈦白粉）、硫化鎘、硒化鎘、硫化銻、硫化汞、立得粉（ lithopone ）和軍藍(lán)等。 有機(jī)色料比無機(jī)色料要貴很多。但其使用效果較好，色相鮮艷而比重又很低。而且有機(jī)色料之色彩變化較無機(jī)色料多。但是，大多數(shù)之有機(jī)色料對蒸汽、光、酸或堿均不安定，而且有時還會游移到制品表面。 • 特殊用途之材料： 特殊用途之材料即非經(jīng)常在水多數(shù)之配料如發(fā)泡劑、調(diào)味劑、粘著助劑、耐燃劑、防霉劑和紫外線吸收劑等即是。 配方設(shè)計程序 : 幾乎所有之新配方系自現(xiàn)有配方加以修改而成。目前，已委很少人嘗試設(shè)計一個全新的配方，因?yàn)樵趯?shí)用上是不太需要的。為使配方有效，配方設(shè)計工作人員應(yīng)設(shè)法利用內(nèi)在或外在已有之各類技術(shù)資料，然后根據(jù)所需而加以整理、分析，并運(yùn)用個人想像力和創(chuàng)造力而進(jìn)行設(shè)計配方。下述各步驟可作為配方設(shè)計之參考。 • 確定目標(biāo)物之物性和成本。 • 選擇適用之原料膠。 • 研制現(xiàn)有類似配料之試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 • 參考各類有關(guān)材料之技術(shù)資料。 • 設(shè)定初期配方。 • 試作小樣品以測試物性可否符合目標(biāo)物。 • 估算所用材料之成本作為進(jìn)一步評估之參考資料。 • 評估此配料在現(xiàn)場之作業(yè)性。 • 以該配方試制目標(biāo)物。 • 測試其物性是否能符合規(guī)格。 [ 本帖最后由 yongda 于 20-4-2007 15:15 編輯 ]
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