劉　洪，魏福智，強福智，汪　起

（湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽 441003）

橡膠硫化收縮率分析

劉洪，魏福智，強福智，汪起

（湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽 441003）

由于配合劑參與了復雜的物理分散過程和化學交聯(lián)反應的緣故，橡膠材料是一種經混煉后制得的不均質復合材料，導致其質量性能呈復雜性和不確定性，故而橡膠收縮率迄今也沒有精確地計算方法。橡膠收縮率是影響橡膠模具設計的關鍵因素，為了解決這一問題，廣大從業(yè)人員從多種途徑進行了不懈的探索。本文介紹了在這個領域的一些進展。

橡膠；收縮率；模具

橡膠模具在橡膠制品制造過程中占有重要作用，其功能是保障橡膠制品獲得所需的構型和尺寸。橡膠制品的膠料在硫化過程中，在壓力和溫度的作用下內部發(fā)生形變和交聯(lián)反應，從而產生熱膨脹應力。當硫化結束膠料冷卻后，熱膨脹應力趨于消除，橡膠制品的線性尺寸成比例地縮小，因而，為了獲得橡膠制品的正確尺寸，必須適當增大模腔尺寸。這種硫化后橡膠制品與模具之間總存在著尺寸差異的現(xiàn)象在橡膠行業(yè)稱為收縮。收縮率即是用于表征此類尺寸差異的現(xiàn)象，通常用百分比表示，可以用如下公式表示：

式中：

S——膠料收縮率，%；

D——室溫時測得的模腔尺寸，mm；

d——室溫時測得的制品尺寸，mm。

橡膠模具設計時，必須正確掌握收縮率，才能使成品尺寸處于允許的公差范圍之內，確保質量。確定合理的收縮率后，可以優(yōu)化模具加工中的余量，加快模具投入生產的進度。

1　影響收縮率的因素分析

1.1橡膠種類的影響

不同膠種由于分子結構不同，對溫度的作用、化學反應及分子取向也不同，從而導致收縮率不同。在圖1中，顯示了不同流向和不同位置處的含膠量均為50%的天然膠與丁腈-18的收縮率。由此可知，在模腔的任一點上，不論流向如何，丁腈-18的收縮率都比天然膠大。這是因為丁腈膠是極性的，而天然膠為非極性的。極性橡膠分子間的作用力大，松弛時間長，被拉伸的分子尚未恢復原狀，就被硫化交聯(lián)反應所固定，因而所產生的回縮應力大，收縮也就大；而天然膠分子鏈柔性大、松弛快、回縮應力小，收縮也就小。各種橡膠收縮率從小到大的順序是：天然膠＜氯丁膠＜丁腈膠＜丁苯膠＜氟橡膠＜硅橡膠。

圖1　不同膠種收縮率

1.2含膠量的影響

從圖2可以看出，膠料的收縮率隨含膠量的增加而增大。

1.3硬度的影響

一般說來硬度越大，收縮率越小，但當超過一定值后，其收縮率反而急驟上升。圖3中顯示了橡膠制品收縮率隨硫化后硬度的增加而成馬鞍形變化的趨勢。

圖2　含膠量與收縮率關系

圖3　硬度與收縮率關系

1.4硫化溫度的影響

從圖4和表1中都可以看出，膠料的收縮率隨硫化溫度的升高而增大。

圖4　溫度與收縮率關系

表1　幾種橡膠在不同溫度硫化時的收縮率 /%

1.5硫化程度的影響

膠料的收縮率因隨硫化程度不同而表現(xiàn)各異，具體變化規(guī)律如圖5所示，隨欠硫至正硫而減小，隨正硫至過流而增大。

圖5　硫化程度與收縮率關系

1.6配合劑的影響

配合劑中影響最大的是填充劑和炭黑。填充劑對硫化膠收縮率的影響較大。用量增多，硫化膠收縮率降低。填料類型不同其影響程度也不相同。產生這種效應的原因是填料的線脹溫度系數(shù)較小，基本上與模具金屬材料相近，而比橡膠小得多，如表2所示。

表2　常用橡膠、填充劑、金屬的線膨脹溫度系數(shù)

2　收縮率計算方法

在實際應用中，有以下兩種收縮率計算方法可供選擇。

2.1線脹溫度系數(shù)法

式中：

S——膠料收縮率；

α——膠料線脹溫度系數(shù)；

β——模具材料線脹溫度系數(shù)；

ΔT——硫化溫度與室溫（20 ℃）之差值。

2.2橡膠體積分法

式中：

S——膠料收縮率；

α——膠料線脹溫度系數(shù)；

β——模具材料線脹溫度系數(shù)；

ΔT——硫化溫度與室溫（20℃）之差值；

K——橡膠體積分+丙酮抽出物。

第一種計算法適用于模具和產品實樣均已具備的情況，對生產單位比較適用；而第二種方法適用于產品的設計圖紙及膠料配方已經具備，但模具尚在加工之中的情況。為了減少模具修改、返工的工作量，可按第二式計算，為模具加工提供參考數(shù)據(jù)。

3　結束語

由于配合劑參與了復雜的物理分散過程和化學交聯(lián)反應的緣故，橡膠材料是一種經混煉后制得的不均質復合材料，故而導致其質量性能具有復雜性和不確定性特性。在模具設計過程中，可以利用經驗公式先進行基值設計，再結合實際檢測數(shù)據(jù)適當?shù)恼{整，使制品的收縮量得到有效的控制，以確保產品尺寸滿足客戶需求。

［1］ 虞福榮. 橡膠模具實用手冊. 化學工業(yè)出版社，1988.

［2］ 塑料模設計手冊編寫組. 塑料模設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［3］ 曹宏深，趙仲治. 塑料成型工藝與模具設計. 北京：機械工業(yè)出版社，1993.

［4］ 牽學峰. 型腔模設計［fM］.西安：西北工業(yè)大學出版社. 1996.

［5］ 紀奎江. 實用橡膠制品生產技術［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，2001.

［6］ 機械設計手冊（第二分冊）［M］. 北京：化學工業(yè)出版社. 1998.

再生橡膠綠色生產的世界性難題被成功破解

再生橡膠生產中的二次污染這一世界性難題，已被成功破解。2015年8月6日，江蘇強維橡塑科技有限公司，在年產5 000 t顆粒再生橡膠連續(xù)化生產車間既沒有聞到刺鼻的氣味，也沒有看到無組織排放的白煙。中國輪胎循環(huán)利用協(xié)會會長朱軍在生產現(xiàn)場對記者表示，再生橡膠綠色生產之門終于被敲開，而實現(xiàn)這一突破性變革的技術名為多階螺桿連續(xù)脫硫綠色制備顆粒再生橡膠成套技術裝備。

項目牽頭人北京化工大學教授張立群告訴記者，該項目為“十二五”國家“863”項目，由北京化工大學牽頭，聯(lián)合江蘇強維橡塑科技有限公司共同完成。項目組針對傳統(tǒng)廢橡膠脫硫制備再生橡膠技術污染大、能耗高、不安全、產品質量差且不穩(wěn)定的缺點，首創(chuàng)雙螺桿動態(tài)連續(xù)脫硫與螺桿動態(tài)連續(xù)剪切降低門尼黏度的聯(lián)動化技術，實現(xiàn)了從膠粉到再生橡膠整個制備過程的綠色、節(jié)能、連續(xù)、高效生產，達到了“近零排放”。而且，該技術適用性較廣，可用于高性能輪胎再生橡膠、丁基再生橡膠、超低黏度液體再生橡膠等廢橡膠資源的循環(huán)再利用綠色制備。

張立群介紹，這項技術中的脫硫設備采用的技術配方中不使用水，并在密閉的條件下完成膠粉制備脫硫膠粉的升溫、降溫過程，就從源頭上解決了傳統(tǒng)高溫再生橡膠生產過程中產生的水污染和空氣污染問題；降門尼黏度環(huán)節(jié)是在密閉低溫條件下，改善脫硫膠粉的加工性能，制備（顆粒）再生橡膠的過程，從而解決了傳統(tǒng)開放式精煉機高溫強剪切所帶來的空氣污染問題。

據(jù)宿遷市環(huán)境保護局監(jiān)測結果顯示，強維公司再生橡膠裝置附近空氣質量符合環(huán)保要求；所生產的顆粒再生橡膠性能優(yōu)異穩(wěn)定，經權威機構檢測，達到并優(yōu)于再生橡膠國家標準（GB/T13460—2008）的各項要求。

據(jù)玲瓏輪胎、風神輪胎、無錫寶通帶業(yè)等公司反映，采用該工藝生產的顆粒狀再生橡膠產品性能優(yōu)異且穩(wěn)定，門尼黏度反彈小，解決了傳統(tǒng)塊狀再生橡膠下游應用時混煉難分散、能耗高、易門尼焦燒的難題，高效低耗地應用于橡膠制品加工。目前，采用該工藝生產的顆粒再生橡膠的轎車輪胎和全鋼載重子午線輪胎已經試制成功。

據(jù)介紹，除“近零排放”外，該技術在節(jié)能、安全等方面也有很大優(yōu)點，其噸產品的能耗≤650 kW·h時，較傳統(tǒng)工藝約減少20%；且不存在傳統(tǒng)高溫高壓反應罐的高壓危險、高速開放式精煉機的人員操作危險以及有害氣體對操作工人的身體危害等安全隱患。全程自動化控制，也讓用工人數(shù)降為傳統(tǒng)工藝的1/4目前，這一國際首創(chuàng)的技術已擁有發(fā)明專利13項，并已由南京綠金人橡塑高科有限公司組織工業(yè)化成套設備的制造。除江蘇強維橡塑科技有限公司外，北京路德永泰環(huán)保科技有限公司和杭州中策橡膠循環(huán)科技有限公司、廣東領格資源再生科技股份有限公司也在應用該技術進行生產線建設。

摘編自《中國化工報》

Analysis of rubber vulcanization shrinkage rate

TQ330.13

1009-797X（2015）19-0060-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.19.018

劉洪（1968-），男，高級工程師，主要從事橡膠減振制品研制。

2014-12-24