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首頁(yè) > 礦用橡套電纜
[技術(shù)資料] 橡膠配方設(shè)計(jì)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(jì)的相關(guān)性原理
摘要：研究了橡膠配方設(shè)計(jì)中存在的兩類(lèi)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(jì)的相關(guān)性原理，并為橡膠配方計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的編制提供了理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：橡膠 配方設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)軟件 引言 關(guān)于橡膠配方設(shè)計(jì)，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(shuō)是一門(mén)科學(xué)，不如說(shuō)是一門(mén)藝術(shù)川。此說(shuō)認(rèn)為配方設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，幾乎無(wú)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(jì)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(jiàn)的。 另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，橡膠配方設(shè)計(jì)的原理就是著名的三大要求說(shuō):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(shuō)僅僅是對(duì)配方設(shè)計(jì)提出了三好要求，而沒(méi)有揭示配方設(shè)計(jì)的客觀規(guī)律，當(dāng)然無(wú)法指導(dǎo)膠料配方設(shè)計(jì)。因此，三好說(shuō)并不具備橡膠配方設(shè)計(jì)原理的條件。 作為橡膠配方設(shè)計(jì)理論，必須具備兩個(gè)基本條件:一、能揭示客觀存在的橡膠配方設(shè)計(jì)的一般性規(guī)律，二、能指導(dǎo)橡膠膠料配方設(shè)計(jì)實(shí)踐。 近年來(lái)，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(jì)的一般性原理不僅十分必要，而且可能。 1 兩類(lèi)相關(guān)性 根據(jù)表象學(xué)研究，在橡膠配方設(shè)計(jì)中存在著兩類(lèi)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(lèi)型和用量對(duì)硫化膠和混煉膠的性能具有決定性影響。這是第一類(lèi)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(duì)橡膠制品的使用性能具有決定性影響。這是第二類(lèi)相關(guān)性。 對(duì)于第一類(lèi)相關(guān)性，人們?cè)缫咽熘＠�，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(lèi)推。 第二類(lèi)相關(guān)性是更重要的一類(lèi)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(lèi)相關(guān)性，就有可能打開(kāi)通往橡膠配方設(shè)計(jì)的大門(mén)。因此，研究硫化橡膠性能之間的相關(guān)性，對(duì)尋找配方設(shè)計(jì)規(guī)律和橡膠配方設(shè)計(jì)原理具有特別重要的意義。 舉例說(shuō)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(xiàng)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(jiàn)，與硫化膠磨耗性能相關(guān)的機(jī)械性能只有兩項(xiàng):高溫拉伸強(qiáng)度P100和300%定伸應(yīng)力M300。P100和M300對(duì)硫化膠相對(duì)磨耗強(qiáng)度的影響如圖2所示。 圖中，陰影部分為預(yù)測(cè)不可靠區(qū)域;在可靠區(qū)域內(nèi)，當(dāng)M300在10MPa以下時(shí)，耐磨耗性與它呈線性關(guān)系:當(dāng)M300值超過(guò)10MPa時(shí)，則呈非線性關(guān)系。M300值從5MPa增加到12MPa時(shí)，耐磨性增長(zhǎng)10%;從12MPa增加到14一15MPa時(shí)，耐磨性實(shí)際上沒(méi)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(shí)，首先會(huì)面對(duì)下述各問(wèn)題： ─—什么叫做橡膠配方？ ─—如何設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)適當(dāng)之平衡點(diǎn)，此即配方設(shè)計(jì)都最主要之工作。 配方中常用之添加劑可摘要分類(lèi)成十個(gè)主要成份： • 橡膠或彈性體（ elastomers ） : 橡膠配方設(shè)計(jì)第一個(gè)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(shí)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(lèi)之 TMTD(TUEX) 有時(shí)亦用作全部或局部取代元素硫磺于低硫或無(wú)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(jì)者其第二個(gè)最重要之工作為對(duì)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(shí)間。 • 活化劑（ Activators ）和遲延劑 (Retarders): 活化劑是用來(lái)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(lèi)（ 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(dòng)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(zhǎng)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(duì)物性有太多之影響。大體而言，這些類(lèi)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(lèi)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(lèi)和無(wú)機(jī)類(lèi)。無(wú)機(jī)類(lèi)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(wú)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(wú)機(jī)色料多。但是，大多數(shù)之有機(jī)色料對(duì)蒸汽、光、酸或堿均不安定，而且有時(shí)還會(huì)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(jì)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(jì)一個(gè)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(jì)工作人員應(yīng)設(shè)法利用內(nèi)在或外在已有之各類(lèi)技術(shù)資料，然后根據(jù)所需而加以整理、分析，并運(yùn)用個(gè)人想像力和創(chuàng)造力而進(jìn)行設(shè)計(jì)配方。下述各步驟可作為配方設(shè)計(jì)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(lèi)似配料之試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 • 參考各類(lèi)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(cè)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(píng)估之參考資料。 • 評(píng)估此配料在現(xiàn)場(chǎng)之作業(yè)性。 • 以該配方試制目標(biāo)物。 • 測(cè)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(jì)中存在的兩類(lèi)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(jì)的相關(guān)性原理，并為橡膠配方計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的編制提供了理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：橡膠 配方設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)軟件 引言 關(guān)于橡膠配方設(shè)計(jì)，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(shuō)是一門(mén)科學(xué)，不如說(shuō)是一門(mén)藝術(shù)川。此說(shuō)認(rèn)為配方設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，幾乎無(wú)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(jì)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(jiàn)的。 另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，橡膠配方設(shè)計(jì)的原理就是著名的三大要求說(shuō):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(shuō)僅僅是對(duì)配方設(shè)計(jì)提出了三好要求，而沒(méi)有揭示配方設(shè)計(jì)的客觀規(guī)律，當(dāng)然無(wú)法指導(dǎo)膠料配方設(shè)計(jì)。因此，三好說(shuō)并不具備橡膠配方設(shè)計(jì)原理的條件。 作為橡膠配方設(shè)計(jì)理論，必須具備兩個(gè)基本條件:一、能揭示客觀存在的橡膠配方設(shè)計(jì)的一般性規(guī)律，二、能指導(dǎo)橡膠膠料配方設(shè)計(jì)實(shí)踐。 近年來(lái)，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(jì)的一般性原理不僅十分必要，而且可能。 1 兩類(lèi)相關(guān)性 根據(jù)表象學(xué)研究，在橡膠配方設(shè)計(jì)中存在著兩類(lèi)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(lèi)型和用量對(duì)硫化膠和混煉膠的性能具有決定性影響。這是第一類(lèi)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(duì)橡膠制品的使用性能具有決定性影響。這是第二類(lèi)相關(guān)性。 對(duì)于第一類(lèi)相關(guān)性，人們?cè)缫咽熘＠�，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(lèi)推。 第二類(lèi)相關(guān)性是更重要的一類(lèi)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(lèi)相關(guān)性，就有可能打開(kāi)通往橡膠配方設(shè)計(jì)的大門(mén)。因此，研究硫化橡膠性能之間的相關(guān)性，對(duì)尋找配方設(shè)計(jì)規(guī)律和橡膠配方設(shè)計(jì)原理具有特別重要的意義。 舉例說(shuō)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(xiàng)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(jiàn)，與硫化膠磨耗性能相關(guān)的機(jī)械性能只有兩項(xiàng):高溫拉伸強(qiáng)度P100和300%定伸應(yīng)力M300。P100和M300對(duì)硫化膠相對(duì)磨耗強(qiáng)度的影響如圖2所示。 圖中，陰影部分為預(yù)測(cè)不可靠區(qū)域;在可靠區(qū)域內(nèi)，當(dāng)M300在10MPa以下時(shí)，耐磨耗性與它呈線性關(guān)系:當(dāng)M300值超過(guò)10MPa時(shí)，則呈非線性關(guān)系。M300值從5MPa增加到12MPa時(shí)，耐磨性增長(zhǎng)10%;從12MPa增加到14一15MPa時(shí)，耐磨性實(shí)際上沒(méi)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(shí)，首先會(huì)面對(duì)下述各問(wèn)題： ─—什么叫做橡膠配方？ ─—如何設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)適當(dāng)之平衡點(diǎn)，此即配方設(shè)計(jì)都最主要之工作。 配方中常用之添加劑可摘要分類(lèi)成十個(gè)主要成份： • 橡膠或彈性體（ elastomers ） : 橡膠配方設(shè)計(jì)第一個(gè)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(shí)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(lèi)之 TMTD(TUEX) 有時(shí)亦用作全部或局部取代元素硫磺于低硫或無(wú)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(jì)者其第二個(gè)最重要之工作為對(duì)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(shí)間。 • 活化劑（ Activators ）和遲延劑 (Retarders): 活化劑是用來(lái)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(lèi)（ 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(dòng)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(zhǎng)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(duì)物性有太多之影響。大體而言，這些類(lèi)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(lèi)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(lèi)和無(wú)機(jī)類(lèi)。無(wú)機(jī)類(lèi)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(wú)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(wú)機(jī)色料多。但是，大多數(shù)之有機(jī)色料對(duì)蒸汽、光、酸或堿均不安定，而且有時(shí)還會(huì)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(jì)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(jì)一個(gè)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(jì)工作人員應(yīng)設(shè)法利用內(nèi)在或外在已有之各類(lèi)技術(shù)資料，然后根據(jù)所需而加以整理、分析，并運(yùn)用個(gè)人想像力和創(chuàng)造力而進(jìn)行設(shè)計(jì)配方。下述各步驟可作為配方設(shè)計(jì)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(lèi)似配料之試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 • 參考各類(lèi)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(cè)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(píng)估之參考資料。 • 評(píng)估此配料在現(xiàn)場(chǎng)之作業(yè)性。 • 以該配方試制目標(biāo)物。 • 測(cè)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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