1、 Key Lab of Rubber-Plastics(Qingdao University of Science and Technology)Ministry of Education,China Key Lab of Rubber-Plastics(Qingdao University of Science and Technology)Ministry of Education,China橡橡 胶胶 配配 方方 设设 计计Rubber Formula Design 肖老师肖老师 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院,青岛科技大学青岛科技大学橡胶配方设计课程目的及意义：橡胶配方设计课
2、程目的及意义：提高橡胶制品的质量；提高橡胶制品的质量；改善加工工艺；改善加工工艺；配合体系的生产及研究；配合体系的生产及研究；橡胶加工设备及测试仪器；橡胶加工设备及测试仪器；成本分析；成本分析；计算机应用等。计算机应用等。理论指导理论指导 实践应用实践应用橡胶配方设计橡胶配方设计第一章第一章 橡胶配方设计的基本概念橡胶配方设计的基本概念 第二章第二章 橡胶配方设计原理橡胶配方设计原理第三章第三章 特种橡胶与功能性橡胶的配方设计特种橡胶与功能性橡胶的配方设计 第四章第四章 配方设计优化方法配方设计优化方法 第一节第一节 单因素变量设计单因素变量设计 第二节第二节 多因素变量设计多因素变量设计第一
3、节第一节 配方设计与硫化胶物性的关系配方设计与硫化胶物性的关系第二节第二节 配方设计与工艺性能的关系配方设计与工艺性能的关系 第三节第三节 橡胶配方设计与成本的关系橡胶配方设计与成本的关系 目的和要求：目的和要求：了解橡胶配方设计的定义、特点。了解橡胶配方设计的定义、特点。掌握配方设计的原则和表示方法。掌握配方设计的原则和表示方法。学会计算材料的含胶率、密度、成本。学会计算材料的含胶率、密度、成本。了解橡胶产品的种类、结构，对橡胶制品的使用了解橡胶产品的种类、结构，对橡胶制品的使用条件和加工条件有所了解。条件和加工条件有所了解。掌握原材料的特性及配合规律。掌握原材料的特性及配合规律。掌握胶料加
4、工及物性检测方法及数值大小对性能掌握胶料加工及物性检测方法及数值大小对性能的影响。的影响。一、一、所谓橡胶配方设计，所谓橡胶配方设计，就是根据橡胶产品的就是根据橡胶产品的性能要求和工艺条件合理选用原材料，确定各种性能要求和工艺条件合理选用原材料，确定各种原材料的用量配比关系，使得胶料的原材料的用量配比关系，使得胶料的物性、工艺物性、工艺性和成本性和成本三者取得最佳平衡。三者取得最佳平衡。processabilityWet Grip湿地抓地Rolling Resistance滚动阻力Abrasion Resistance耐磨Mechanical propertycost第一节第一节 橡胶配方设计
5、的定义橡胶配方设计的定义二橡胶配方设计特点二橡胶配方设计特点 因子：因子：统称影响胶料性能指标的因素为因子，统称影响胶料性能指标的因素为因子，如原材料、工艺等。如原材料、工艺等。水平：水平：每个因子可能处于的状态，水平可以是每个因子可能处于的状态，水平可以是 原材料的品种、用量或工艺参数等。原材料的品种、用量或工艺参数等。1 1橡胶配方设计是多因素的试验问题橡胶配方设计是多因素的试验问题;2 2橡胶配方设计是水平数不等的试验问题橡胶配方设计是水平数不等的试验问题;3 3橡胶配方中各种原材料之间的交互作用强烈橡胶配方中各种原材料之间的交互作用强烈;4 4工艺因素有时对橡胶配方设计起决定性作用工艺
6、因素有时对橡胶配方设计起决定性作用;5 5橡胶配方设计中尽力排除试验误差橡胶配方设计中尽力排除试验误差;6 6配方经验规律与统计数学相结合。配方经验规律与统计数学相结合。三、橡胶配方设计的原则与程序三、橡胶配方设计的原则与程序 1 1、原则：、原则：配方设计人员应用理论知识，用配方设计人员应用理论知识，用最少的物质最少的物质消耗，最短的时间，最少的工作量，通过科学的消耗，最短的时间，最少的工作量，通过科学的橡胶配方设计方法橡胶配方设计方法，掌握原材料配合的内在规律，掌握原材料配合的内在规律，设计出实用配方，使制品的设计出实用配方，使制品的性能、成本和工艺可性能、成本和工艺可行性行性等方面取得最
7、佳的综合平衡。等方面取得最佳的综合平衡。2 2、程序：、程序：基础配方：原材料试验鉴定基础配方：原材料试验鉴定 性能配方：针对性能指标制定的配方性能配方：针对性能指标制定的配方 实用配方：经验证符合要求的配方实用配方：经验证符合要求的配方 生产配方：投入生产使用的配方生产配方：投入生产使用的配方四、橡胶配方的组成及表示方法四、橡胶配方的组成及表示方法 橡胶配方简单地说，就是表示生胶和配合剂用量橡胶配方简单地说，就是表示生胶和配合剂用量配比表。表示方法：配比表。表示方法：1.1.质量份数表示：质量份数表示：以生胶分数为以生胶分数为100100，其余配合剂相，其余配合剂相应质量份数表示。应质量份数
8、表示。2.2.质量百分数：质量百分数：以混炼胶料总质量为以混炼胶料总质量为100100，生胶和配，生胶和配合剂所占比例数来表示。合剂所占比例数来表示。3.3.体积百分数体积百分数表示：即以胶料的总体积为表示：即以胶料的总体积为100%100%，将基，将基本配方中生胶及各种配合剂的重量分数分别除以各自本配方中生胶及各种配合剂的重量分数分别除以各自的相对密度，求出体积份数。的相对密度，求出体积份数。4.4.符合生产使用要求的质量配方称为符合生产使用要求的质量配方称为生产配方生产配方，取炼，取炼胶机的装胶量胶机的装胶量Q Q除以基本配方总质量即得换算系数，除以基本配方总质量即得换算系数，乘以基本配方
9、中各组分的质量份，即得实际用量。乘以基本配方中各组分的质量份，即得实际用量。举例：摩托车胎配方：采用密炼机炼胶，总装胶量为举例：摩托车胎配方：采用密炼机炼胶，总装胶量为40kg配合剂配合剂 质量份数质量份数 质量百分数质量百分数 生产配方生产配方 密度密度 价格价格 NR 60 30 12kg 0.92 20 SBR 40 20 8kg 0.95 18 ZnO 5 2.5 1kg 5.57 25 SA 2 1 400g 0.92 10 促促CZ 1 0.5 200g 1.32 20 促促M 1 0.5 200g 1.42 25 防老防老4010NA 1.5 0.75 300g 1.17 28
10、防防RD 1.5 0.75 300g 1.02 18 N660 50 25 10kg 1.8 7 CaCO3 25 12.5 5kg 2.6 0.6 机油机油 5 2.5 1kg 0.93 5 固马隆固马隆 6 3 1.2kg 1.06 6 S 2 1 400g 2.05 2.5 合计合计 200 100 40kg作业：求出混炼胶的密度和成本生产配方组成：生产配方组成：1)1)胶料用途胶料用途2)2)胶料的名称及代号，生胶及各种配合胶料的名称及代号，生胶及各种配合剂的用量剂的用量3)3)合计（计算密度、含胶率、成本）合计（计算密度、含胶率、成本）4)4)工艺条件工艺条件5)5)物理机械性能物理
11、机械性能原材料应用原材料应用加工工艺加工工艺使用性能使用性能产品结构产品结构五、橡胶配方设计影响因素五、橡胶配方设计影响因素1 1、原材料应用原材料应用 生胶生胶（高聚物单用或并用）：母体材料或基体材料（高聚物单用或并用）：母体材料或基体材料 硫化体系硫化体系：与橡胶大分子起化学作用，使橡胶由线：与橡胶大分子起化学作用，使橡胶由线型大分子变为三维网状结构，提高橡胶性能、型大分子变为三维网状结构，提高橡胶性能、稳定形态的体系。稳定形态的体系。补强填充体系补强填充体系：在橡胶中加入炭黑等补强剂或其它：在橡胶中加入炭黑等补强剂或其它填充剂，提高其力学性能，改善工艺性能，或填充剂，提高其力学性能，改善
12、工艺性能，或者降低制品成本。者降低制品成本。防护体系防护体系：加入防老剂，延缓橡胶的老化，提高制：加入防老剂，延缓橡胶的老化，提高制品的使用寿命。品的使用寿命。增塑体系增塑体系：降低制品硬度和混炼胶的粘度，改善加：降低制品硬度和混炼胶的粘度，改善加工工艺性能。工工艺性能。加工及功能助剂加工及功能助剂：改善胶料的加工和物理性能。：改善胶料的加工和物理性能。2 2、橡胶加工工序、橡胶加工工序1 1）塑炼）塑炼：降低生胶的分子量，增加塑性，提高流：降低生胶的分子量，增加塑性，提高流 动性和可加工性。动性和可加工性。2 2）混炼）混炼：采用开炼机或密炼机使生胶与配方中各：采用开炼机或密炼机使生胶与配方
13、中各 个组分混合均匀，制成混炼胶。个组分混合均匀，制成混炼胶。3 3）压延）压延：利用压延机将混炼胶或与：利用压延机将混炼胶或与纺织物、钢丝等骨架材料通过压纺织物、钢丝等骨架材料通过压片、压型、贴合、擦胶、贴胶等片、压型、贴合、擦胶、贴胶等操作制成一定规格的半成品的过操作制成一定规格的半成品的过程。程。4 4）压出）压出：利用挤出机将混炼胶通过：利用挤出机将混炼胶通过口型压出各种断面半成品的过程，口型压出各种断面半成品的过程，如内胎、胎面、胶管等。如内胎、胎面、胶管等。5 5）硫化）硫化：橡胶加工的最后一道工序，：橡胶加工的最后一道工序，通过一定的温度、压力和时间后，通过一定的温度、压力和时间
14、后，使橡胶大分子由塑性状态转变为使橡胶大分子由塑性状态转变为网状弹性状态的过程。网状弹性状态的过程。未硫化橡胶加工性能的测定未硫化橡胶加工性能的测定 1 1、混炼胶的流动性混炼胶的流动性(1)(1)可塑度可塑度：P=(hP=(h0 0-h-h2 2)/(h)/(h0 0+h+h1 1),0 P1),0 P1 h h0 0：原始高度，：原始高度，h h1 1：负荷作用负荷作用3min3min后的高度，后的高度，h h2:2:恢复恢复3min3min后的高度后的高度 可塑度的检测仪器可塑度的检测仪器2 2）门尼粘度：）门尼粘度：ML ML 1+41+4100100、门尼焦烧、门尼焦烧（最低（最低M
15、LML上升上升5 5个门尼值）个门尼值）门尼粘度的检测仪器门尼粘度的检测仪器、混炼胶的均匀程度、混炼胶的均匀程度：切片观察法、：切片观察法、CBCB分散仪、分散仪、电子显微镜电子显微镜、挤出特性挤出特性：材料的挤出膨胀比、挤出外观：材料的挤出膨胀比、挤出外观、应力松弛应力松弛：以时间长短来衡量：以时间长短来衡量、胶料加工综合性能：混炼、压出特性等。胶料加工综合性能：混炼、压出特性等。Brabender,HakkeBrabender,Hakke流变仪流变仪 、硫化特性硫化特性:t t10 10、t t9090、最小转矩、最大转矩最小转矩、最大转矩 混炼胶的质量和配方总量之差与配方总量之比：混炼胶
16、的质量和配方总量之差与配方总量之比：ISO2393ISO2393规定规定无填料的混炼胶为无填料的混炼胶为0.30.3；有填料的混炼胶为有填料的混炼胶为0.60.6 常规的混炼顺序：常规的混炼顺序：生胶或塑炼胶共混生胶或塑炼胶共混 小药（活性剂、促进剂、防老剂、固体软化剂）小药（活性剂、促进剂、防老剂、固体软化剂）补强剂和填料补强剂和填料 软化剂软化剂 硫化剂硫化剂硫化测定仪：硫化测定仪：焦烧时间焦烧时间工艺正硫化时间工艺正硫化时间最小转矩最小转矩最大转矩最大转矩硫化指数硫化指数最小转矩最小转矩M ML L:与胶料的流动性有关；与胶料的流动性有关；最大转矩最大转矩M MH H：与胶料交联密度有关
17、；：与胶料交联密度有关；焦烧时间（焦烧时间（T T1010）：又称诱导期，指胶料从加入到：又称诱导期，指胶料从加入到模具中受热开始到转矩为模具中受热开始到转矩为M M1010所对应的时间；所对应的时间；M M1010=M=ML L+（M MH HM ML L）1010 或或 最小转矩上升或个单位的时间（最小转矩上升或个单位的时间（Ts1Ts1，Ts2Ts2）理论正硫化时间（理论正硫化时间（T TH H）：胶料从加入到模具中受热：胶料从加入到模具中受热开始到转矩达到最大值所需要的时间；开始到转矩达到最大值所需要的时间；工艺正硫化时间工艺正硫化时间(T(T9090)：胶料从加入到模具中受热胶料从加
18、入到模具中受热开始到转矩达到开始到转矩达到M M9090所需要的时间。所需要的时间。M M9090=M=ML L+（M MH HM ML L）90903 3、硫化橡胶的使用性能测试硫化橡胶的使用性能测试1 1拉伸强度拉伸强度 P/bhP/bh，MpaMpa2 2定伸应力，定伸应力，MpaMpa 100%100%，300%300%，Mpa Mpa 3 3拉断伸长率拉断伸长率 ，（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 0*100%100%4 4扯断永久变形：扯断永久变形：S=(LS=(L2 2-L-L0 0)/L)/L0 0，5 5撕裂强度：撕裂强度：P/hP/h，KN/m KN/m 6 6有效
19、弹性和滞后损失有效弹性和滞后损失7 7硬度测定：邵尔硬度测定：邵尔A A型型 0 0100100度度8 8磨耗测定：磨耗测定：磨耗体积磨耗体积 V=(mV=(m前前-m-m后后)/)/，cmcm3 3/1.61Km/1.61Km，磨耗指数磨耗指数V V标标/V/V试试阿阿克克隆隆磨磨耗耗滚滚筒筒磨磨耗耗 9 9疲劳的测试：疲劳的测试：（1 1）压缩疲劳：）压缩疲劳：1)1)温升温升 2)2)变形变形 （2 2）屈挠龟裂：裂口大小及）屈挠龟裂：裂口大小及 出现裂口的时间出现裂口的时间 （3 3）拉伸疲劳：疲劳寿命计算）拉伸疲劳：疲劳寿命计算1010压缩永久变形压缩永久变形 K=(hK=(h0 0
20、-h-h2 2)/(h)/(h0 0-h-h1 1)*100%100%1111粘弹性粘弹性（1 1）摆锤式回弹仪）摆锤式回弹仪 （2 2）蠕变）蠕变 （3 3）应力松弛）应力松弛 （4 4）动态粘弹性能）动态粘弹性能(DMA)(DMA)、动态模量及、动态模量及tgtg1212老化性能：老化性能：(1)(1)热空气老化：拉伸强度、硬度、扯断伸长率热空气老化：拉伸强度、硬度、扯断伸长率的变化率或保持率。的变化率或保持率。(2)(2)臭氧老化：表面状态臭氧老化：表面状态1313低温性能：低温性能：1)1)脆性温度：断裂时的最低温度脆性温度：断裂时的最低温度 2)2)玻璃化温度的测定：差热分析仪玻璃化
21、温度的测定：差热分析仪1414热性能：热性能：1)1)导热系数、热传导导热系数、热传导 2)2)分解温度或氧化起始温度分解温度或氧化起始温度1515阻燃性阻燃性:(1):(1)氧指数：氧指数越大，阻燃性越好氧指数：氧指数越大，阻燃性越好 装饰及汽车配件装饰及汽车配件 (2)(2)锥形量热仪：热释放速率、烟量、锥形量热仪：热释放速率、烟量、点燃时间、有害气体成份等。点燃时间、有害气体成份等。1616绝缘性：绝缘性：1)1)表面电阻率和体积电阻率大小表面电阻率和体积电阻率大小 10101515cmcm以上以上 2)2)介电损耗介电损耗 介电损耗越大，绝缘性越差介电损耗越大，绝缘性越差 3)3)击穿
22、电压强度击穿电压强度 击穿电压击穿电压/厚度厚度1717导电性：体积电阻率导电性：体积电阻率 1010cmcm以下以下 抗静电抗静电 10106 61010cmcm 高分子导电、导电填料高分子导电、导电填料1818扩散与渗透性能扩散与渗透性能 1)1)透气性：内胎、瓶塞透气性：内胎、瓶塞 2)2)透湿性和透水性：防水卷材、水坝、房屋透湿性和透水性：防水卷材、水坝、房屋 3)3)油扩散油扩散:密封件密封件1919耐液体：耐油、耐化学溶剂、耐酸碱耐液体：耐油、耐化学溶剂、耐酸碱 体积、质量变化率及物理性质的变化率体积、质量变化率及物理性质的变化率 体积变化百分数体积变化百分数V V（%）按下式计算
23、：）按下式计算：V=V=100100 质量变化百分数质量变化百分数W(%)W(%)按下式计算：按下式计算：W=W=1001002020粘合强度：粘合强度：胶料与胶料之间：剥离强度胶料与胶料之间：剥离强度 胶料与帘线及钢丝之间：胶料与帘线及钢丝之间：H H抽出法抽出法)21()21()43(WWWWWW113WWW加工性能和物理机械性能测试要求：加工性能和物理机械性能测试要求：1)1)变异性变异性：a.a.材料本身不完全均匀材料本身不完全均匀 b.b.试验步骤的变异性试验步骤的变异性2)2)准确度准确度表示测定值与真实值相符的程度表示测定值与真实值相符的程度3)3)精密度精密度表示各次测定值彼此
24、间相符的程度表示各次测定值彼此间相符的程度4)4)重复性重复性是指同一实验室中数据的准确度是指同一实验室中数据的准确度5)5)再现性再现性是指不同实验室间数据的准确度是指不同实验室间数据的准确度4 4、产品结构产品结构 (1)(1)轮胎：轮胎：汽车轮胎：斜交汽车轮胎：斜交 、半钢子午线、全钢子午、半钢子午线、全钢子午 线、内胎线、内胎 、垫带、垫带 、胶囊及水胎、胶囊及水胎 农用轮胎、工程轮胎、农用轮胎、工程轮胎、航空轮胎、摩托车航空轮胎、摩托车 轮胎、力车轮胎、实心轮胎、轮胎、力车轮胎、实心轮胎、翻新轮胎翻新轮胎 (2)(2)胶管类胶管类：纯胶管、夹布胶管、编织、缠绕胶管纯胶管、夹布胶管、编
25、织、缠绕胶管 按用途分：耐热、油、耐酸碱、耐燃、耐磨等按用途分：耐热、油、耐酸碱、耐燃、耐磨等(3)(3)胶带类胶带类：输送带输送带(煤矿用煤矿用)传动带分为三角带和平型传动带传动带分为三角带和平型传动带 (4)(4)减震减震：汽车、摩托车减震器、桥梁支座、：汽车、摩托车减震器、桥梁支座、轨枕垫轨枕垫 、橡胶护舷、弹性联轴节、橡胶护舷、弹性联轴节 (5)(5)密封类密封类：如密封件和密封条：如密封件和密封条有耐温、耐油、耐酸碱、耐热氧、耐水等有耐温、耐油、耐酸碱、耐热氧、耐水等(6)(6)胶鞋类胶鞋类：大底、中底、鞋帮、围条、后跟：大底、中底、鞋帮、围条、后跟(7)(7)胶布制品胶布制品：如橡
26、皮艇、水坝、探空气球：如橡皮艇、水坝、探空气球(8)(8)胶辊：胶辊：造纸、印刷、打字、纺织胶辊造纸、印刷、打字、纺织胶辊(9)(9)胶板胶板：地面：地面(绝缘、导电、阻燃、海绵胶板绝缘、导电、阻燃、海绵胶板)(10)(10)其它其它：瓶塞、防腐衬里、垫片、电线、：瓶塞、防腐衬里、垫片、电线、电缆、高压帽电缆、高压帽 、绝缘子、绝缘子 、防水卷材、防、防水卷材、防毒面具、防尘罩、血压计、体育用品毒面具、防尘罩、血压计、体育用品(球球类、球拍类、球拍)、热水袋、奶嘴、按键等。、热水袋、奶嘴、按键等。汽车配件汽车用原材料重量比例保龄球记分保龄球记分（连锁效应）（连锁效应）1 1、保龄球按顺序每轮允
27、许投、保龄球按顺序每轮允许投2 2个球，投完个球，投完1010轮为轮为1 1局。局。2 2、每击倒、每击倒1 1个木瓶得个木瓶得1 1分。投完一轮将两个球的分。投完一轮将两个球的“所得分所得分”相加，为该轮的相加，为该轮的“应得分应得分”，1010轮依次累计为全局的总分。轮依次累计为全局的总分。3 3、如果第二球将剩余木瓶全部击倒，则称为、如果第二球将剩余木瓶全部击倒，则称为“补中补中”，该轮所得分亦为该轮所得分亦为1010分。按规则规定，应奖励下轮第一球的所分。按规则规定，应奖励下轮第一球的所得分。它们所得分之和为该轮的应得分。得分。它们所得分之和为该轮的应得分。4 4、第一球将全部木瓶击倒时，称为、第一球将全部木瓶击倒时，称为“全中全中”，该轮所得，该轮所得分为分为1010分。第二球不得再投。但按规则规定，应奖励下轮两分。第二球不得再投。但按规则规定，应奖励下轮两个球的所得分。它们所得分之和为该轮的应得分。个球的所得分。它们所得分之和为该轮的应得分。
