1、橡橡 胶胶 硫硫 化化1.硫化对橡胶性能的影响 橡胶或胶料在硫化过程中，它的很多性能都要发生变橡胶或胶料在硫化过程中，它的很多性能都要发生变化，特别是定伸强度、弹性、硬度等的变化很大。硫化化，特别是定伸强度、弹性、硬度等的变化很大。硫化后，橡胶起了质的变化，其物理机械性能与化学性能获后，橡胶起了质的变化，其物理机械性能与化学性能获得很大的改善。得很大的改善。1.1 定伸强度 在未硫化时，由于橡胶单个分子间相互没有固定，在未硫化时，由于橡胶单个分子间相互没有固定，特别是在高温下，它们相互之间能或多或少地进行相对特别是在高温下，它们相互之间能或多或少地进行相对自由运动。受外力作用队橡胶在热力学上大
2、致表现为不自由运动。受外力作用队橡胶在热力学上大致表现为不可逆的非牛顿流动，且在其塑性范围内对施加的外力无可逆的非牛顿流动，且在其塑性范围内对施加的外力无多大的反抗作用，定伸强度显得根低。多大的反抗作用，定伸强度显得根低。通过硫化，橡胶通过硫化，橡胶在分子间产生交联，且随交联密度的增加，产生一定变在分子间产生交联，且随交联密度的增加，产生一定变形形( (如拉伸至原长度的如拉伸至原长度的200200或或300300) )所需的外力就随之所需的外力就随之增加，硫化胶也就越硬。增加，硫化胶也就越硬。 硫化胶的定伸强度基本上与交联度成比例，对于某一橡胶，硫化胶的定伸强度基本上与交联度成比例，对于某一橡
3、胶，当试验温度和试片形状以及伸长一定时，则定伸强度与当试验温度和试片形状以及伸长一定时，则定伸强度与McMc成反比，成反比，也就是与交联度成正比。这说明交联度越大，即交联键间链段平也就是与交联度成正比。这说明交联度越大，即交联键间链段平均分子量越小，橡胶越硬。均分子量越小，橡胶越硬。1.2 硬 度 与定伸强度一样，随交联度的增加，橡胶的与定伸强度一样，随交联度的增加，橡胶的硬度也逐渐增加，测量硬度是在一定形变下进行硬度也逐渐增加，测量硬度是在一定形变下进行的，所以有关定伸强度的上述情况也基本适用于的，所以有关定伸强度的上述情况也基本适用于硬度。硬度。1.3 1.3 抗抗 张张 强强 度度 抗张
4、强度与定伸强度和硬度不同，它不随交联点数目的增加抗张强度与定伸强度和硬度不同，它不随交联点数目的增加而不断地上升。例如使用硫黄硫化的橡胶，当交联度达到适当值而不断地上升。例如使用硫黄硫化的橡胶，当交联度达到适当值后，如若继续硫化，其抗张强度反而下降。在硫黄用量很高的硬后，如若继续硫化，其抗张强度反而下降。在硫黄用量很高的硬质橡胶中，抗张强度下降后又复上升，一直达到硬质胶水平时为质橡胶中，抗张强度下降后又复上升，一直达到硬质胶水平时为止。如图所示。止。如图所示。 上述现象可解释为：在软质橡胶区，其抗张强度随结合硫上述现象可解释为：在软质橡胶区，其抗张强度随结合硫( (比比例于交联度例于交联度)
5、)的增加而增加。当结合硫继续增加时，对于结晶性橡的增加而增加。当结合硫继续增加时，对于结晶性橡应应( (如天然橡胶如天然橡胶) )，由于结合硫的增多使分子链在拉伸时结晶或取，由于结合硫的增多使分子链在拉伸时结晶或取向受到阻，引起抗张强度下降；对于非结晶性橡胶向受到阻，引起抗张强度下降；对于非结晶性橡胶( (丁苯橡胶丁苯橡胶) )，则因交联相当多而又不规则，网状结构容易发生局部应变过度，则因交联相当多而又不规则，网状结构容易发生局部应变过度，使单个链或交联键产生断裂，导致抗张强度下降。当结合硫进一使单个链或交联键产生断裂，导致抗张强度下降。当结合硫进一步不断增加时，交联数和环化结构也不断增加抗张
6、强度又复上升，步不断增加时，交联数和环化结构也不断增加抗张强度又复上升，直至成为硬质橡胶。直至成为硬质橡胶。1.4 伸长率和永久变形 橡胶的伸长率随交联度的增加而降低。永久变形橡胶的伸长率随交联度的增加而降低。永久变形也有同样的规律。有硫化返原性的橡胶如天然橡胶和也有同样的规律。有硫化返原性的橡胶如天然橡胶和丁基橡胶，在过硫化以后，由于交联度不断降低，其丁基橡胶，在过硫化以后，由于交联度不断降低，其伸长率和永久变形又会逐渐增大。伸长率和永久变形又会逐渐增大。1.5 弹 性什么是粘性？什么是弹性?FF发生了不可逆形变，分子间产生滑移。形变可恢复，主要是键角、键长的变化来实现形变。什么是粘弹性？
7、末硫化胶受到较长时间的外力作用时，主要发生末硫化胶受到较长时间的外力作用时，主要发生塑性流动，橡胶分子基本上没有回到原来位置的倾向。塑性流动，橡胶分子基本上没有回到原来位置的倾向。橡胶硫化后，交联使分子或链段固定，形变受到网络橡胶硫化后，交联使分子或链段固定，形变受到网络的约束，外力作用消除后，分子或链段力图回复原来的约束，外力作用消除后，分子或链段力图回复原来沟象和位置，所以硫化后橡胶表现出很大的弹性。交沟象和位置，所以硫化后橡胶表现出很大的弹性。交联度的适当，增加这种可逆的弹性回复表现得更为显联度的适当，增加这种可逆的弹性回复表现得更为显著。著。橡胶弹性和交联度之间的关系橡胶弹性和交联度之
8、间的关系式中式中w w为弹性，为弹性，为橡胶密度；为橡胶密度；T T为绝对温度，为绝对温度，McMc为两个相邻交联为两个相邻交联随间橡胶分子的平均分子量；随间橡胶分子的平均分子量；R R为气体常数；为气体常数；1 1、 2 2 、 3 3为为试片在三个拉伸方向上的伸长率。试片在三个拉伸方向上的伸长率。2. 硫化过程的四个阶段 胶料在硫化时，其性能随硫化时间变化而变化的曲线，称为硫化胶料在硫化时，其性能随硫化时间变化而变化的曲线，称为硫化曲线。从硫化时间影响胶料定伸强度的过程来看，可以将整个硫化时曲线。从硫化时间影响胶料定伸强度的过程来看，可以将整个硫化时间分为四个阶段：间分为四个阶段：硫化起步
9、阶段、欠硫阶段、正硫阶段和过硫阶段。硫化起步阶段、欠硫阶段、正硫阶段和过硫阶段。2.1 硫化起步阶段(又称焦烧期或硫化诱导期) 硫化起步的意思是指硫化时，胶料开始变硬而后，不硫化起步的意思是指硫化时，胶料开始变硬而后，不能进行热塑性流动那一点的时间。硫化起步阶段即指此点能进行热塑性流动那一点的时间。硫化起步阶段即指此点以前的硫化时间。以前的硫化时间。 在这一阶段内，在这一阶段内，交联尚未开始，胶料在模型内有良好的流动性交联尚未开始，胶料在模型内有良好的流动性。胶料硫化起步的快慢，直接影响应胶料的焦烧性和操作安全性，胶料硫化起步的快慢，直接影响应胶料的焦烧性和操作安全性，这一这一阶段的长短取决于
10、所用配合别，特别是促进剂的种类。阶段的长短取决于所用配合别，特别是促进剂的种类。 用有超速促进剂的胶料，其焦烧期比较短，此时胶料较易发生焦用有超速促进剂的胶料，其焦烧期比较短，此时胶料较易发生焦烧，操作安全性差。在使用迟效性促进剂烧，操作安全性差。在使用迟效性促进剂( (如亚硫酰胺如亚硫酰胺) )或与少许秋兰或与少许秋兰姆促进剂并用时，均可取得较长的焦烧期和良好的操作安全性。姆促进剂并用时，均可取得较长的焦烧期和良好的操作安全性。但对不同的硫化方法和制品，对焦烧时间的长短亦有不同要求。但对不同的硫化方法和制品，对焦烧时间的长短亦有不同要求。1.1. 硫化模压制品时，总是希望有较长的焦烧期，使胶
11、料有充硫化模压制品时，总是希望有较长的焦烧期，使胶料有充分时间在模型内进行流动，而不致使制品出现花纹不清晰分时间在模型内进行流动，而不致使制品出现花纹不清晰或缺胶等缺陷。或缺胶等缺陷。2.2. 在非模型硫化中，则应要求硫化起步应尽可能早一些，这在非模型硫化中，则应要求硫化起步应尽可能早一些，这样使胶料起步快而迅速变硬，有利于防止制品因受热变软样使胶料起步快而迅速变硬，有利于防止制品因受热变软而发生变形。而发生变形。3.3. 不过在大多数情况下，仍希望有较长的焦烧时间以保证操不过在大多数情况下，仍希望有较长的焦烧时间以保证操作的安全性。作的安全性。2.2 欠硫阶段(又称预硫阶段） 硫化起步与正硫
12、化之间的阶段称为欠硫阶段。在此阶段，硫化起步与正硫化之间的阶段称为欠硫阶段。在此阶段，由于由于交联度较低交联度较低，橡胶制品应具备的性能大多还不明显。尤其，橡胶制品应具备的性能大多还不明显。尤其是此阶段初期，胶料的交联度很低其性能变化甚微，制品没有是此阶段初期，胶料的交联度很低其性能变化甚微，制品没有实用意义。但是到了此阶段的后期，制品轻微欠硫时，尽管制实用意义。但是到了此阶段的后期，制品轻微欠硫时，尽管制品的抗张强度、弹性、伸长率等尚未达到预想水平，但其抗撕品的抗张强度、弹性、伸长率等尚未达到预想水平，但其抗撕裂性、耐磨性和抗动态裂口性等则优于正硫化胶科。因此，如裂性、耐磨性和抗动态裂口性等
13、则优于正硫化胶科。因此，如果要求后几种性能时，制品可以轻微欠硫。果要求后几种性能时，制品可以轻微欠硫。2.3 正硫阶段 在多数情况下，制品在硫化时都必须达到适当的交在多数情况下，制品在硫化时都必须达到适当的交联度。达到联度。达到适当交联度的阶段适当交联度的阶段叫正硫化阶段，即正硫阶叫正硫化阶段，即正硫阶段。在此阶段，硫化胶的各项物理机械性能并非在同一段。在此阶段，硫化胶的各项物理机械性能并非在同一时间都达到最高，而是分别达到或接近最佳，其综合性时间都达到最高，而是分别达到或接近最佳，其综合性能最好。此阶段所取的温度和时间称为正硫化时间和正能最好。此阶段所取的温度和时间称为正硫化时间和正硫化温度
14、。硫化温度。 正硫化时间须视制品所要求的性能和制品断面的厚薄而定。正硫化时间须视制品所要求的性能和制品断面的厚薄而定。1.1.着重要求抗撕裂性好的制品，应考虑抗撕强度最高或接近最高值的硫着重要求抗撕裂性好的制品，应考虑抗撕强度最高或接近最高值的硫化时间定为正硫化时间，要求耐磨性高的制品，则可考虑磨耗量小的硫化时间定为正硫化时间，要求耐磨性高的制品，则可考虑磨耗量小的硫化时间定为正硫化时间。化时间定为正硫化时间。2.2.对于厚制品，在选择正硫化时间时，尚需将对于厚制品，在选择正硫化时间时，尚需将“后硫化后硫化”考虑进去。所考虑进去。所谓谓“后硫化后硫化”，即是当制品硫化取出以后，由于橡胶导热性差
15、，传热时，即是当制品硫化取出以后，由于橡胶导热性差，传热时间长，制品因散热而降温也就较慢，所以它还可以继续进行硫化的特性，间长，制品因散热而降温也就较慢，所以它还可以继续进行硫化的特性，称为称为“后硫化后硫化”。“后硫化后硫化”导致制品的抗张强度和硬度进一步增加，导致制品的抗张强度和硬度进一步增加，弹性和其它机械性能降低，制品的使用寿命为之受到损害。所以，制品弹性和其它机械性能降低，制品的使用寿命为之受到损害。所以，制品越厚，就越应将越厚，就越应将“后硫化后硫化”考虑进去。考虑进去。 在一般情况下，可以根据抗张强度最高值略前的时间或以强伸积在一般情况下，可以根据抗张强度最高值略前的时间或以强伸
16、积( (抗张强度与伸长率的乘积抗张强度与伸长率的乘积) )最高值的硫化时间定为正硫化时间。最高值的硫化时间定为正硫化时间。 2.4 过硫阶段 正硫化阶段之后，继续硫化使进入过硫阶段。这一阶段的前正硫化阶段之后，继续硫化使进入过硫阶段。这一阶段的前期属于硫化平坦期的一部分。在平坦期中，硫化胶的各项物理机期属于硫化平坦期的一部分。在平坦期中，硫化胶的各项物理机械性能基本上保持稳定。当过平坦期之后，天然橡胶和丁基橡胶械性能基本上保持稳定。当过平坦期之后，天然橡胶和丁基橡胶由于由于断链多于交联断链多于交联( (如图如图) )。 硫化平坦期的长短，不仅表明胶料热稳定性的高低，硫化平坦期的长短，不仅表明胶
17、料热稳定性的高低，而且对硫化工艺的安全操作以及厚制品硫化质量的好坏有而且对硫化工艺的安全操作以及厚制品硫化质量的好坏有直接影响。直接影响。 对于硫黄硫化胶料，硫化平坦期的长短，在很大程度对于硫黄硫化胶料，硫化平坦期的长短，在很大程度上取决于所用促进剂的种类和用量。用有超速促进剂上取决于所用促进剂的种类和用量。用有超速促进剂( (如如TDMD)TDMD)的胶料，在硫化开始以后，由于它迅速失去活，使的胶料，在硫化开始以后，由于它迅速失去活，使交联键的断裂得不到补充，引起硫化平坦期缩短。如果交交联键的断裂得不到补充，引起硫化平坦期缩短。如果交联键的热稳定性差，则易产生硫化返原现象。当交联键的联键的热
18、稳定性差，则易产生硫化返原现象。当交联键的键能较高时，即使使用超速促进剂也能获得较长的硫化平键能较高时，即使使用超速促进剂也能获得较长的硫化平坦期坦期。 使用低硫高促体系，也能达到这一目的。增使用低硫高促体系，也能达到这一目的。增高硫化温度，裂解比交联的速度增加得更快，硫高硫化温度，裂解比交联的速度增加得更快，硫化返原倾向越强，硫化平坦期也越短。所以来用化返原倾向越强，硫化平坦期也越短。所以来用高温硫化队必须选取能使硫化平坦期较长的促进高温硫化队必须选取能使硫化平坦期较长的促进剂。剂。 使用超速促进剂时，要求硫化温度较低，否使用超速促进剂时，要求硫化温度较低，否则硫化平坦期将缩短，甚至不能防护
19、可能发生的则硫化平坦期将缩短，甚至不能防护可能发生的过硫。过硫。3 用硫化仪测定硫化程度 目前测定硫化程度的方法很多，其中主要备抗张试验、定伸强度试验、目前测定硫化程度的方法很多，其中主要备抗张试验、定伸强度试验、永久变形试验、硬度试验、溶剂溶胀法、永久变形试验、硬度试验、溶剂溶胀法、T T5050试验、应力松弛试验、核磁试验、应力松弛试验、核磁共振法等。共振法等。 使用硫化仪测定胶料的硫化特性不仅具有方便、精确、经济、快速和重使用硫化仪测定胶料的硫化特性不仅具有方便、精确、经济、快速和重现性好等优点，并且能够连续测定与加工性能和硫化性能等有关的参数，而现性好等优点，并且能够连续测定与加工性能
20、和硫化性能等有关的参数，而且只需进行一次试验即可得到完整的硫化曲线。且只需进行一次试验即可得到完整的硫化曲线。 由此曲线可以直观地或经由此曲线可以直观地或经简单计算得到全套硫化参数。简单计算得到全套硫化参数。 初始粘度、最低粘度、诱导时间初始粘度、最低粘度、诱导时间( (焦烧时间焦烧时间) )、硫化速度、正硫化时间和、硫化速度、正硫化时间和活化能等。由于硫化仪具有这些优点，故其在橡胶工业生产上及硫化动力学、活化能等。由于硫化仪具有这些优点，故其在橡胶工业生产上及硫化动力学、硫化机理等的研究上得到越来越广泛的应用。硫化机理等的研究上得到越来越广泛的应用。3.1 硫化仪的测定原理 转子旋转振荡式硫
21、化仪，其测定的基本原理是根据胶料的剪转子旋转振荡式硫化仪，其测定的基本原理是根据胶料的剪切模量切模量(G)(G)与交联密度与交联密度(D)(D)成正比为基础的。其关系可表示为：成正比为基础的。其关系可表示为：T-绝对温度绝对温度 因此，通过剪切模量的测定，即可反映交联或硫化过程因此，通过剪切模量的测定，即可反映交联或硫化过程的情况。测定时，试样室中的胶料在一定压力和温度下经一的情况。测定时，试样室中的胶料在一定压力和温度下经一定频率摆动一个固定的微小角度定频率摆动一个固定的微小角度( (如如3 3转分，转分， 3 3) )的转的转子，使胶料产生正反向扭动变形；当胶料的交联度随硫化时子，使胶料产
22、生正反向扭动变形；当胶料的交联度随硫化时间增加而变化时，转子所受胶料变形的抵抗力也随之变化，间增加而变化时，转子所受胶料变形的抵抗力也随之变化，连续变化的抵抗力通过应力传感器以转矩的形式连续地记录连续变化的抵抗力通过应力传感器以转矩的形式连续地记录下来，得到的整个硫化时间与转矩间的关系曲线，即硫化仪下来，得到的整个硫化时间与转矩间的关系曲线，即硫化仪的硫化曲线，如图：的硫化曲线，如图： 胶料在试样室中硫化开始时，其转矩胶料在试样室中硫化开始时，其转矩( (或粘度或粘度) )为为O O，当，当胶料逐渐受热升温，其粘度也逐渐下降至胶料逐渐受热升温，其粘度也逐渐下降至D D点。点。D D点以后，曲点
23、以后，曲线又开始上升，表明胶料有轻微交联，但在线又开始上升，表明胶料有轻微交联，但在E E点之前胶料仍点之前胶料仍能流动。胶料从能流动。胶料从0 0点到点到E E点的时间即为焦饶时间。点的时间即为焦饶时间。E E点以后，点以后，胶料已不能进行塑性流动，而以一定速度进行交联直到置硫胶料已不能进行塑性流动，而以一定速度进行交联直到置硫化点化点F F。生产上总是希望焦烧时间长一些，硫化速度快一些，。生产上总是希望焦烧时间长一些，硫化速度快一些，以保证操作安全和提高生产效率，也可以通过调整配方来实以保证操作安全和提高生产效率，也可以通过调整配方来实现。从现。从F F点以后，曲线按不同胶料可能有三种走向
24、：图中的点以后，曲线按不同胶料可能有三种走向：图中的OAOA、OBOB、OCOC。这三种硫化曲线在很大程度上与所用的硫化体系和所生成交联键的性质有关。这三种硫化曲线在很大程度上与所用的硫化体系和所生成交联键的性质有关。 曲线曲线OAOA说明胶料在硫化过程中，其硫化曲线继续上升，而不趋于某一定说明胶料在硫化过程中，其硫化曲线继续上升，而不趋于某一定值，用过氧化物硫化的丁腈橡胶、氟橡胶及乙丙橡胶等，其硫化曲线都可能值，用过氧化物硫化的丁腈橡胶、氟橡胶及乙丙橡胶等，其硫化曲线都可能呈现这一形态。呈现这一形态。 曲线曲线OBOB是最典型的硫化曲线，它说明在硫化过程中，胶料硫化到一定时是最典型的硫化曲线
25、，它说明在硫化过程中，胶料硫化到一定时间以后，交联与裂解达到平衡，且保持不变，用硫黄硫化的多数合成橡胶及间以后，交联与裂解达到平衡，且保持不变，用硫黄硫化的多数合成橡胶及用硫给予体硫化的天然橡胶，其硫化曲线即表现出达一特征。用硫给予体硫化的天然橡胶，其硫化曲线即表现出达一特征。 曲线曲线OCOC说明，胶料在硫化过程中，当交联与裂解达到平衡且保持一定时说明，胶料在硫化过程中，当交联与裂解达到平衡且保持一定时间以后，胶料又逐渐变软，硫化曲线开始下降；甲基硅橡胶、乙烯基硅橡胶、间以后，胶料又逐渐变软，硫化曲线开始下降；甲基硅橡胶、乙烯基硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶以及采用高硫配合或氧化锌用量不足的天然
26、橡胶均易出氟硅橡胶、丁基橡胶以及采用高硫配合或氧化锌用量不足的天然橡胶均易出现这种状态。现这种状态。 通过分析硫化曲线，一般至少可获得四个数据：最小转通过分析硫化曲线，一般至少可获得四个数据：最小转矩，它反映胶料在一定温度下的流动性或可塑性；最大转矩矩，它反映胶料在一定温度下的流动性或可塑性；最大转矩( (或平衡转矩或平衡转矩) )，它反映硫化胶在硫化温度下的模量；，它反映硫化胶在硫化温度下的模量；T T1010，为转为转矩矩M M达到达到M ML L+10+10(M(Mm m-M-Ml l）的时间，它反映胶料的焦烧时间；）的时间，它反映胶料的焦烧时间；T T9090，为转短为转短M M达到达
27、到M M达到达到ML+90ML+90(Mm-Ml(Mm-Ml）) )的时间，它反映胶料的的时间，它反映胶料的正硫化时间。经验证明，取正硫化时间。经验证明，取9090转矩上升对应的时间作为正转矩上升对应的时间作为正硫化时间，是因为从统计规律来看，这个区域所体现的硫化硫化时间，是因为从统计规律来看，这个区域所体现的硫化胶性能最优，又因为从工艺角度来考虑，滞有一定的保险系胶性能最优，又因为从工艺角度来考虑，滞有一定的保险系数，以防止过硫或欠硫，还因为胶料硫化的化学反应在此区数，以防止过硫或欠硫，还因为胶料硫化的化学反应在此区域巳足够完全。域巳足够完全。4. 硫化反应机理 橡胶的硫化是一复杂的化学反应
28、过程。在硫化橡胶的硫化是一复杂的化学反应过程。在硫化过程中，橡胶分子由线型结构转变为网状结构。这过程中，橡胶分子由线型结构转变为网状结构。这种转变一般是通过硫化剂，使橡胶分子链发生交联种转变一般是通过硫化剂，使橡胶分子链发生交联来实现的。橡胶交联的机理及交联键的性质随硫化来实现的。橡胶交联的机理及交联键的性质随硫化体系的不同而异。以下分别讨论硫黄硫化和非硫黄体系的不同而异。以下分别讨论硫黄硫化和非硫黄硫化的化学反应过程。硫化的化学反应过程。4.1 硫磺硫化 绝大部分不饱和橡胶以及三元乙丙橡胶、乙烯绝大部分不饱和橡胶以及三元乙丙橡胶、乙烯基硅橡胶和不饱和度大于基硅橡胶和不饱和度大于2 2( (克
29、分子克分子) )的丁基橡胶的丁基橡胶均可用硫黄硫化。在硫化的若干理论中，硫黄硫化均可用硫黄硫化。在硫化的若干理论中，硫黄硫化机理是比较复杂的。机理是比较复杂的。 ( (一一) )含促进剂的硫磺硫化含促进剂的硫磺硫化 以前，曾将有机促进剂视为硫黄与橡胶相互作用的催化剂。以前，曾将有机促进剂视为硫黄与橡胶相互作用的催化剂。六十年代以来，认为促进剂起催化作用的看法与事实不符。通六十年代以来，认为促进剂起催化作用的看法与事实不符。通过试验和对硫化结构的分析，目前倾向于认为：含有机促进剂过试验和对硫化结构的分析，目前倾向于认为：含有机促进剂的硫黄硫化是依次进行的很多双分子反应的总和。根据对硫化的硫黄硫化
30、是依次进行的很多双分子反应的总和。根据对硫化有决定性影响的双分子反应，可将含有机促进剂的硫黄硫化过有决定性影响的双分子反应，可将含有机促进剂的硫黄硫化过程分为四个基本阶段：程分为四个基本阶段：(1)(1)硫化体系硫化体系( (硫黄、促进剂和活性剂硫黄、促进剂和活性剂) )各组分间相互作用生成中间化合物各组分间相互作用生成中间化合物( (或络合物或络合物) )，这些中间化合，这些中间化合物是事实上的硫化剂；物是事实上的硫化剂；(2(2）中间化合物与橡胶相互作用在橡胶）中间化合物与橡胶相互作用在橡胶分子链上生成活性侧基；分子链上生成活性侧基；(3)(3)这些活性侧基相互间或与橡胶分这些活性侧基相互
31、间或与橡胶分子作用形成交联键，子作用形成交联键，(4)(4)交联链的继续反应。交联链的继续反应。1 1中间化合物的生成中间化合物的生成 已知在胶料加热时有很多双分子反应发生，如硫黄与促进剂、已知在胶料加热时有很多双分子反应发生，如硫黄与促进剂、促进剂之间、促进剂与活性剂、生胶与硫黄、生胶与促进剂、硫化促进剂之间、促进剂与活性剂、生胶与硫黄、生胶与促进剂、硫化迟延剂与促进剂、炭黑与硫黄和促进剂等的反应。硫黄与促进剂的迟延剂与促进剂、炭黑与硫黄和促进剂等的反应。硫黄与促进剂的反应及促进剂与活性剂的反应对硫化过程起主要作用。反应及促进剂与活性剂的反应对硫化过程起主要作用。 2 2中间化合物与橡胶的化
32、学反应中间化合物与橡胶的化学反应 所生成的中间化合物，虽是事实上的硫化剂，但并非立即所生成的中间化合物，虽是事实上的硫化剂，但并非立即使橡胶分子链交联，而是先与橡胶分子链作用，分两步使橡胶使橡胶分子链交联，而是先与橡胶分子链作用，分两步使橡胶分子链上生成含有硫和促进剂基团的活性例基。例如：分子链上生成含有硫和促进剂基团的活性例基。例如： 3 3活性侧基间或与橡胶分子间的化学反应活性侧基间或与橡胶分子间的化学反应 在硫化过程中，当多硫例基的生成量达到最大值时，橡胶的交联反在硫化过程中，当多硫例基的生成量达到最大值时，橡胶的交联反应即迅速进行。应即迅速进行。 (1)(1)无活性剂时的交联反应无活性
33、剂时的交联反应 在无活性剂时，多硫侧基在如弱键处断在无活性剂时，多硫侧基在如弱键处断裂分解为游离基，然后这些游离基与橡胶分子作用生成交联键。例如：裂分解为游离基，然后这些游离基与橡胶分子作用生成交联键。例如：（2 2）有活性剂的交联反应）有活性剂的交联反应 在有活性剂在有活性剂( (如氧化锌如氧化锌) )存在的情况下，交联反应性质发生了变化。存在的情况下，交联反应性质发生了变化。此时，侧基间的相互作用成为主要反应。这是因为硫化时所生成的各此时，侧基间的相互作用成为主要反应。这是因为硫化时所生成的各种含硫侧基种含硫侧基( (包括多硫、二硫、一硫等侧基包括多硫、二硫、一硫等侧基) )被吸附于氧化锌
34、的表面，被吸附于氧化锌的表面，而这些极性侧基因相互吸引而靠近，所以它们之间容易进行反应生成而这些极性侧基因相互吸引而靠近，所以它们之间容易进行反应生成交联键。例如：交联键。例如： 另外，还因为锌离子另外，还因为锌离子( (氧化锌与硬脂酸反应生成的氧化锌与硬脂酸反应生成的) )能与多硫侧基能与多硫侧基的多硫键中间一个硫原子络合，并催化多硫侧基裂解与另一橡胶分子的多硫键中间一个硫原子络合，并催化多硫侧基裂解与另一橡胶分子链的侧基进行反应，生成交联键，同时还生成了能够再次进行交联反链的侧基进行反应，生成交联键，同时还生成了能够再次进行交联反应的交联前驱。例如：应的交联前驱。例如：这两种交联反应说明，
35、有活性剂时，交联键的数量增加，交联键这两种交联反应说明，有活性剂时，交联键的数量增加，交联键中硫原子数减少，因而硫化应的性能得到提高。中硫原子数减少，因而硫化应的性能得到提高。 4 4交联键的继续反应交联键的继续反应 在第二节中已简述过硫化是一动态过程，并非所生成在第二节中已简述过硫化是一动态过程，并非所生成的硫黄交联键在硫化过程中都保持不变，而是要发生各种的硫黄交联键在硫化过程中都保持不变，而是要发生各种变化。交联键的进一步变化引起硫化结构发生改变，其性变化。交联键的进一步变化引起硫化结构发生改变，其性能随之变化。硫黄交联键的进一步变化与交联键的硫原子能随之变化。硫黄交联键的进一步变化与交联
36、键的硫原子数、反应温度、活性物质的存在等有关，特别是多硫交联数、反应温度、活性物质的存在等有关，特别是多硫交联键更容易发生变化。在硫化过程中，可以进行多硫键变短、键更容易发生变化。在硫化过程中，可以进行多硫键变短、交联键破坏和主链改性等反应。交联键破坏和主链改性等反应。(1)(1)交联键变短的反应交联键变短的反应 交联键变短，即是多硫交联键中硫原子被脱出，使交联键的硫原交联键变短，即是多硫交联键中硫原子被脱出，使交联键的硫原子数减少，交联键因之变短。所脱出的硫可用于生成环化结构：子数减少，交联键因之变短。所脱出的硫可用于生成环化结构：此外，脱出的硫也可与促进剂发生反应生成中间化合物此外，脱出的
37、硫也可与促进剂发生反应生成中间化合物。 (2)(2)交联链断裂及主链改性的反应交联链断裂及主链改性的反应 多硫交联键在较高的温度下，容易断裂生成橡分子链的多硫化氢侧多硫交联键在较高的温度下，容易断裂生成橡分子链的多硫化氢侧基，同时另一橡胶分子链形成共扼三烯结构，主链改性。例如：基，同时另一橡胶分子链形成共扼三烯结构，主链改性。例如：生成的多硫化氢侧基，可以在橡胶分子内进行环化反应，生成生成的多硫化氢侧基，可以在橡胶分子内进行环化反应，生成环化结构，也可以脱离橡胶分子链，生成多硫化氢，同时也使环化结构，也可以脱离橡胶分子链，生成多硫化氢，同时也使主链形成共扼三烯结构：主链形成共扼三烯结构： 交联
38、键断裂和主链改性，无论对硫化工艺或硫化胶的性能均交联键断裂和主链改性，无论对硫化工艺或硫化胶的性能均有不良影响，应力图避免。有不良影响，应力图避免。含促进剂的硫磺硫化，其硫化胶的结构可示意表示如下：含促进剂的硫磺硫化，其硫化胶的结构可示意表示如下：以噻唑类促进剂，硫磺硫化的交联反应过程可以简单归结如下：以噻唑类促进剂，硫磺硫化的交联反应过程可以简单归结如下： ( (二二) )活性剂的作用活性剂的作用 在硫黄硫化体系中，活性剂通常是不可缺少的。用作活在硫黄硫化体系中，活性剂通常是不可缺少的。用作活性剂的主要是一些金属氧化物，其中，使用最广的是氧化锌。性剂的主要是一些金属氧化物，其中，使用最广的是
39、氧化锌。实践证明，在相同结合硫的情况下，有氧化锌的硫化胶其交实践证明，在相同结合硫的情况下，有氧化锌的硫化胶其交联度远比无氧化锌的硫化胶多，同时反映在两种硫化胶的性联度远比无氧化锌的硫化胶多，同时反映在两种硫化胶的性能差别很大。在生产上，甚至活性剂用量不足也会造成橡胶能差别很大。在生产上，甚至活性剂用量不足也会造成橡胶制品报废。制品报废。 在硫化过程中，交联和裂解成为一对主要矛盾。在一般在硫化过程中，交联和裂解成为一对主要矛盾。在一般硫化情况下，活性别总是有利于交联数增加和交联键中硫原硫化情况下，活性别总是有利于交联数增加和交联键中硫原子数的减少，除此之外，它还可以通过参与如下反应来增加子数的
40、减少，除此之外，它还可以通过参与如下反应来增加交联数和提高硫化胶的热稳定性。交联数和提高硫化胶的热稳定性。 1 1与多硫侧基作用与多硫侧基作用 当锌离子与多硫侧基中间的一个硫原子进行络合后，多硫侧基断裂的当锌离子与多硫侧基中间的一个硫原子进行络合后，多硫侧基断裂的位置与无氧化锌时不同，前者发生在强键处，后者发生在弱键处。前者断位置与无氧化锌时不同，前者发生在强键处，后者发生在弱键处。前者断裂后生成两个游离基裂后生成两个游离基一个多硫促进剂游离基和一个橡胶分子链多硫游一个多硫促进剂游离基和一个橡胶分子链多硫游离基。后一个游离基用以交联，另一个游离基与橡胶反应又生成多硫侧基，离基。后一个游离基用以
41、交联，另一个游离基与橡胶反应又生成多硫侧基，再次参予交联反应。结果生成的交联数比无氧化锌的多，且交联键的硫原再次参予交联反应。结果生成的交联数比无氧化锌的多，且交联键的硫原子数却比无氧化锌的少。其反应可用下式表示：子数却比无氧化锌的少。其反应可用下式表示： 因为有氧化锌的情况下所生成的交联键，硫原子数较少，而生成的橡因为有氧化锌的情况下所生成的交联键，硫原子数较少，而生成的橡胶多硫侧基又成为交联前驱，能够再次参与交联反应，使交联数增加。这胶多硫侧基又成为交联前驱，能够再次参与交联反应，使交联数增加。这是氧化锌是氧化锌( (比无氧化锌比无氧化锌) )硫化胶的热稳硫化胶的热稳定性和机械性能较高的重
42、要原因之一。定性和机械性能较高的重要原因之一。 2 2与多硫化氢侧基作用与多硫化氢侧基作用 在硫化过程中，交联键特别是多硫交联键容易发生断裂，在高温在硫化过程中，交联键特别是多硫交联键容易发生断裂，在高温条件下更为显著。交联键发生断裂后所生成的多硫化氢例基，可以使条件下更为显著。交联键发生断裂后所生成的多硫化氢例基，可以使橡胶分子生成环化结构。氧化锌能与硫氢基作用，所断裂的交联键再橡胶分子生成环化结构。氧化锌能与硫氢基作用，所断裂的交联键再次结合成为新的交联镀键这就避免了交联银键减少和环化结构的生次结合成为新的交联镀键这就避免了交联银键减少和环化结构的生成其反应如下：成其反应如下： 3 3与硫
43、化氢作用与硫化氢作用 在硫化过程中，特别是在高温硫化时，可能生成硫化氢。硫化氢在硫化过程中，特别是在高温硫化时，可能生成硫化氢。硫化氢能够分解多硫键，使交联键数减少。在有氧化锌时，它可与硫化氢能够分解多硫键，使交联键数减少。在有氧化锌时，它可与硫化氢作用，从而防止多硫键的断裂。作用，从而防止多硫键的断裂。 4 4与多硫交联键作用与多硫交联键作用 氧化锌可与多硫健作用，脱出多硫键中的硫原子成为较少氧化锌可与多硫健作用，脱出多硫键中的硫原子成为较少硫原子的交联键。硫化键的热稳定性得到提高。硫原子的交联键。硫化键的热稳定性得到提高。二 非硫化硫化 通常硫黄只能硫化不饱和橡胶；对于饱和橡胶、某些极性橡
44、胶和特种橡通常硫黄只能硫化不饱和橡胶；对于饱和橡胶、某些极性橡胶和特种橡脱需用有机过氧化物、金属氧化物、肤类及其它物质来硫化。脱需用有机过氧化物、金属氧化物、肤类及其它物质来硫化。 ( (一一) )有机过氧化物硫化有机过氧化物硫化 目前，有机过氧化物几乎能够硫化除丁基橡胶和异丁橡胶以外的所有已知的目前，有机过氧化物几乎能够硫化除丁基橡胶和异丁橡胶以外的所有已知的橡胶。但它主要用以硫化饱和的硅橡胶、橡胶。但它主要用以硫化饱和的硅橡胶、2323型氟橡胶、二元乙丙橡胶和聚酯型聚型氟橡胶、二元乙丙橡胶和聚酯型聚胺酯橡胶等。胺酯橡胶等。 有机过氧化物目前在国内得到广泛应用的主要有三种：过氧化二苯甲酰有机
45、过氧化物目前在国内得到广泛应用的主要有三种：过氧化二苯甲酰（BP0BP0）、过氧化二叔丁基）、过氧化二叔丁基DTBP)DTBP)和过氧化二异丙苯和过氧化二异丙苯(DCP)(DCP)。其中以过氧化二异丙。其中以过氧化二异丙苯较好。苯较好。 用有机过氧化物硫化的硫化胶，其主要特点是热稳定性较高，这是因为其交用有机过氧化物硫化的硫化胶，其主要特点是热稳定性较高，这是因为其交联链是联链是C CC C之故。之故。 1 1有机过氧化物的分解特性有机过氧化物的分解特性 (1)(1)有机过氧化物的分解型式有机过氧化物的分解型式 有机过氧化物之所以能使橡有机过氧化物之所以能使橡胶分子交联，是因为它所含的过氧基团
46、不稳定，在一定温度下胶分子交联，是因为它所含的过氧基团不稳定，在一定温度下其共价电子对可以发生均裂成为游离基，游离基可以脱出橡胶其共价电子对可以发生均裂成为游离基，游离基可以脱出橡胶分子链上的氢形成橡胶游离基，橡胶游离基之间相互结合生成分子链上的氢形成橡胶游离基，橡胶游离基之间相互结合生成交联健。交联健。 有机过氧化钧的分解形式在很大程度上取决于反应条件和有机过氧化钧的分解形式在很大程度上取决于反应条件和介质的介质的pHpH值。在碱性成中性介质中，它按游离基型分解，在酸值。在碱性成中性介质中，它按游离基型分解，在酸性介质中，则按离子型分解。例如：过氧化二异丙苯的两种分性介质中，则按离子型分解。
47、例如：过氧化二异丙苯的两种分解形式：解形式： 这说明用作交联橡胶的有机过氧化物，按游离基型裂解才有这说明用作交联橡胶的有机过氧化物，按游离基型裂解才有意义。如按离子型分解，则引起其它反应，不能使橡胶交联。所以，意义。如按离子型分解，则引起其它反应，不能使橡胶交联。所以，在选择其它配合剂时要考虑到它们的酸碱性。在选择其它配合剂时要考虑到它们的酸碱性。 (2) (2)有机过氧化物的半衰期与温度的关系有机过氧化物的半衰期与温度的关系 半衰期是指过氧化物的浓度减至原来浓度的一半所经历半衰期是指过氧化物的浓度减至原来浓度的一半所经历的时间。一般用它来表示过氧化物的分解速度。有机过氧化的时间。一般用它来表
48、示过氧化物的分解速度。有机过氧化物的半衰期或分解速度在一定条件下只取决于温度，温度越物的半衰期或分解速度在一定条件下只取决于温度，温度越高，半衰期越短或分解速度越快。不同的过氧化物，在同一高，半衰期越短或分解速度越快。不同的过氧化物，在同一温度下的分解速度或半袁期也备不相同。在前述的三种过氧温度下的分解速度或半袁期也备不相同。在前述的三种过氧化物中，以化物中，以BPOBPO的分解速度最快，的分解速度最快，DCPDCP次之，次之，DTBPDTBP最慢。这在最慢。这在选择过氧化物或决定硫化温度时是必须考虑的。选择过氧化物或决定硫化温度时是必须考虑的。 2 2有机过氧化物与橡胶的化学反应有机过氧化物
49、与橡胶的化学反应 在硫化过程中，首先有机过氧化物分解为游离基。在硫化过程中，首先有机过氧化物分解为游离基。生成的游离基可以脱出橡胶应分子上的氢，形成橡胶游离基，生成的游离基可以脱出橡胶应分子上的氢，形成橡胶游离基，乙丙橡胶受到攻击时：乙丙橡胶受到攻击时： 3 3影响有机过氧化物硫化的因素影响有机过氧化物硫化的因素 (1)(1)有机过氧化物的用量有机过氧化物的用量 橡胶的交联密度取决于过氧化物的用量。增加用量可以橡胶的交联密度取决于过氧化物的用量。增加用量可以显著提高硫化胶的交联度，这反映在硫化胶的定伸强度提高，显著提高硫化胶的交联度，这反映在硫化胶的定伸强度提高，动态性能和压缩变形获得改善，但
50、抗撕强度下降。为了获得动态性能和压缩变形获得改善，但抗撕强度下降。为了获得适当交联度的硫化胶，过氧化物的用量有一定范围。适当交联度的硫化胶，过氧化物的用量有一定范围。 橡胶种类不同，其交联效率各不一样橡胶种类不同，其交联效率各不一样( (脱氢能力不一样脱氢能力不一样) )，因而过氧化物的用量范围也就有所差异。因而过氧化物的用量范围也就有所差异。 其用量可以通过如下估计而得，例如，当用有效官能其用量可以通过如下估计而得，例如，当用有效官能数为数为1 1的的DCPDCP硫化交联效率较低的二元乙丙橡胶的，对于硫化交联效率较低的二元乙丙橡胶的，对于100100克乙丙橡胶，应配用克乙丙橡胶，应配用0 0
