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[技术资料] 橡胶配方设计的相关性原理
P:2007-09-18 14:55:25
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橡胶配方设计的相关性原理
摘要：研究了橡胶配方设计中存在的两类相关关系，提出了硫化胶和混炼胶的性能是其胶料组分的函数，而硫化胶某些性能(如使用性能)是胶料其他物化性能的函数。由此导出橡胶配方设计的相关性原理，并为橡胶配方计算机辅助设计软件的编制提供了理论基础。 关键词：橡胶 配方设计 计算机软件 引言 关于橡胶配方设计，目前流行着两种观点一种观点认为，橡胶胶料的配合与其说是一门科学，不如说是一门艺术川。此说认为配方设计十分复杂，几乎无科学规律可言，难以捉摸。它在一定程度上否定了橡胶配方设计存在着规律和科学性，其危害性或消极影响是显而易见的。 另一种观点认为，橡胶配方设计的原理就是著名的三大要求说:即要求(l)橡胶制品使用性能优良(2)胶料工艺性能良好;(3)胶料成本较低。其实，此说仅仅是对配方设计提出了三好要求，而没有揭示配方设计的客观规律，当然无法指导胶料配方设计。因此，三好说并不具备橡胶配方设计原理的条件。 作为橡胶配方设计理论，必须具备两个基本条件:一、能揭示客观存在的橡胶配方设计的一般性规律，二、能指导橡胶胶料配方设计实践。 近年来，橡胶材料科学的发展，逐步揭示了橡胶材料的性能与结构之间的关系，尽管十分复杂，但其客观规律性是存在的。研究表明，建立橡胶配方设计的一般性原理不仅十分必要，而且可能。 1 两类相关性 根据表象学研究，在橡胶配方设计中存在着两类相关关系。 研究表明，橡胶配方组分与硫化胶及混炼胶的性能之间存在着相关关系，配方组分的品种、类型和用量对硫化胶和混炼胶的性能具有决定性影响。这是第一类相关性。 研究表明，硫化胶的性能与性能之间也存在着相关关系，即硫化胶的某些性能对橡胶制品的使用性能具有决定性影响。这是第二类相关性。 对于第一类相关性，人们早已熟知。例如，炭黑、填充剂与橡胶强力性能之间存在着相关性，如图1所示。 又如，硫化体系与橡胶的强度性能之间，增塑剂与橡胶的耐寒性能之间，防老剂与橡胶的耐老化性能之间，都存在着相关性。依此类推。 第二类相关性是更重要的一类相关性，但往往被忽视。它是指硫化胶有许多性能，它们互相之间存在着一定的关系，特别是制品的使用性能与材料的一般性能之间。寻找并应用这类相关性，就有可能打开通往橡胶配方设计的大门。因此，研究硫化橡胶性能之间的相关性，对寻找配方设计规律和橡胶配方设计原理具有特别重要的意义。 举例说明，轮胎是一种要求耐磨的橡胶制品，其耐磨耗性能与哪些性能相关呢? 根据研究，橡胶磨耗与其硫化胶拉伸强度等5项指标的关系如表1所示。 相关系数大于0.80者，可判为具有高相关性，由表1可见，与硫化胶磨耗性能相关的机械性能只有两项:高温拉伸强度P100和300%定伸应力M300。P100和M300对硫化胶相对磨耗强度的影响如图2所示。 图中，阴影部分为预测不可靠区域;在可靠区域内，当M300在10MPa以下时，耐磨耗性与它呈线性关系:当M300值超过10MPa时，则呈非线性关系。M300值从5MPa增加到12MPa时，耐磨性增长10%;从12MPa增加到14一15MPa时，耐磨性实际上没有变化;进一步增加M300，则耐磨性将下降。 耐磨性能与高温拉伸强度P100呈线性关系，P100增加2MPa，耐磨性则提高6%。 从事橡胶技术工作时，首先会面对下述各问题： ─—什么叫做橡胶配方？ ─—如何设计橡胶配方？ ─—成功的橡胶配方是什么？ 事实上，橡胶配方技术乃是一种选择和运用材料之科学和艺术。一般之橡胶配方目的有三：首先是使橡胶制品具有实用之物性；其次是能配合现有加工设备进行良好之加工作业；最后是以可能之最低成本之配料达到符合客户所要求之物性水平。 换言之，设计橡胶配方最需考虑之三要素为配料之物性者、加工性和成本，并使三者获得一个适当之平衡点，此即配方设计都最主要之工作。 配方中常用之添加剂可摘要分类成十个主要成份： • 橡胶或弹性体（ elastomers ） : 橡胶配方设计第一个步骤也是最重要的步骤即为选择橡胶基材或原料胶。橡胶为工程材料之一种，不论其组成为何，都 带有一些共通之基本特性。所有橡胶都带有弹性，可弯曲性、韧性、不易透水和透空气等性质。除了这些共通特性外，每种橡胶因组成之不同，各自具有其本身之性质。 • 加硫剂（ Vulcanizing agents ） : 添加加硫剂之目的是使配料产生化学反应而在橡胶分子之间产生架桥（ cross linking ）之现象而改变橡胶之物性。化学架桥作用使橡胶配料由柔软、带粘性之热可塑体变成强韧之热固物，此时受温度之影响较少。到目前为止，硫磺仍是最广泛使用之加硫剂。其它载硫剂（ sulfur donor ）如二硫化秋兰姆类之 TMTD(TUEX) 有时亦用作全部或局部取代元素硫磺于低硫或无硫加硫系统之配方，使制品得以改善其耐热性。配方设计者其第二个最重要之工作为对于配料加硫系统，加硫剂和促进剂之选择。 • 加硫促进剂（ Accelerators ） : 加硫促进剂可使配料硫化速率加快而缩短加硫时间。 • 活化剂（ Activators ）和迟延剂 (Retarders): 活化剂是用来帮助促进剂增强其活性和效能，最常用之活化剂有锌氧粉、硬脂酸、氧化铅、氧化镁和胺类（ H ）。 • 防老剂（ Antidegradants ） : 防老剂可延缓橡胶制品因受氧气、臭氧、热、金属催化作用和屈曲运动之影响而劣化。因此添加防老剂于配料后可以增强制品之耐老化性并延长其使用寿命。 • 加工助剂（ Processing aids ）： 加工助剂顾名思义即是帮助配料便于加工作业，如混炼压延、押出和成型等。 • 填充剂（ Fillers ） : 填充剂可以增强配料之物性，帮助加工性或降低其成本。补强性填充剂可以增加制品之硬度、抗张强度、定伸强度（ modulus ）、抗撕裂强度和耐磨性。一般常用碳烟或细颗粒之矿质材料。 • 可塑性（ Plasticizer ），软化剂和增粘剂 (Tackfier): 可塑性、软化剂和增粘剂是用于帮助胶料混练，改变其粘度，增强配料粘性，改善制品在低温之柔曲性，或代替部份胶料而不致对物性有太多之影响。大体而言，这些类之添加剂可当作加工助剂或扩展剂。 • 色料（ Color Pigment ） : 色料是用于非碳烟类之配料中以提供特定之颜色。一般常用色料可分为有机类和无机类。无机类有氧化铁、氧化铬、二氧化钛（钛白粉）、硫化镉、硒化镉、硫化锑、硫化汞、立得粉（ lithopone ）和军蓝等。 有机色料比无机色料要贵很多。但其使用效果较好，色相鲜艳而比重又很低。而且有机色料之色彩变化较无机色料多。但是，大多数之有机色料对蒸汽、光、酸或碱均不安定，而且有时还会游移到制品表面。 • 特殊用途之材料： 特殊用途之材料即非经常在水多数之配料如发泡剂、调味剂、粘着助剂、耐燃剂、防霉剂和紫外线吸收剂等即是。 配方设计程序 : 几乎所有之新配方系自现有配方加以修改而成。目前，已委很少人尝试设计一个全新的配方，因为在实用上是不太需要的。为使配方有效，配方设计工作人员应设法利用内在或外在已有之各类技术资料，然后根据所需而加以整理、分析，并运用个人想像力和创造力而进行设计配方。下述各步骤可作为配方设计之参考。 • 确定目标物之物性和成本。 • 选择适用之原料胶。 • 研制现有类似配料之试验数据。 • 参考各类有关材料之技术资料。 • 设定初期配方。 • 试作小样品以测试物性可否符合目标物。 • 估算所用材料之成本作为进一步评估之参考资料。 • 评估此配料在现场之作业性。 • 以该配方试制目标物。 • 测试其物性是否能符合规格。 [ 本帖最后由 yongda 于 20-4-2007 15:15 编辑 ]
摘要：研究了橡胶配方设计中存在的两类相关关系，提出了硫化胶和混炼胶的性能是其胶料组分的函数，而硫化胶某些性能(如使用性能)是胶料其他物化性能的函数。由此导出橡胶配方设计的相关性原理，并为橡胶配方计算机辅助设计软件的编制提供了理论基础。 关键词：橡胶 配方设计 计算机软件 引言 关于橡胶配方设计，目前流行着两种观点一种观点认为，橡胶胶料的配合与其说是一门科学，不如说是一门艺术川。此说认为配方设计十分复杂，几乎无科学规律可言，难以捉摸。它在一定程度上否定了橡胶配方设计存在着规律和科学性，其危害性或消极影响是显而易见的。 另一种观点认为，橡胶配方设计的原理就是著名的三大要求说:即要求(l)橡胶制品使用性能优良(2)胶料工艺性能良好;(3)胶料成本较低。其实，此说仅仅是对配方设计提出了三好要求，而没有揭示配方设计的客观规律，当然无法指导胶料配方设计。因此，三好说并不具备橡胶配方设计原理的条件。 作为橡胶配方设计理论，必须具备两个基本条件:一、能揭示客观存在的橡胶配方设计的一般性规律，二、能指导橡胶胶料配方设计实践。 近年来，橡胶材料科学的发展，逐步揭示了橡胶材料的性能与结构之间的关系，尽管十分复杂，但其客观规律性是存在的。研究表明，建立橡胶配方设计的一般性原理不仅十分必要，而且可能。 1 两类相关性 根据表象学研究，在橡胶配方设计中存在着两类相关关系。 研究表明，橡胶配方组分与硫化胶及混炼胶的性能之间存在着相关关系，配方组分的品种、类型和用量对硫化胶和混炼胶的性能具有决定性影响。这是第一类相关性。 研究表明，硫化胶的性能与性能之间也存在着相关关系，即硫化胶的某些性能对橡胶制品的使用性能具有决定性影响。这是第二类相关性。 对于第一类相关性，人们早已熟知。例如，炭黑、填充剂与橡胶强力性能之间存在着相关性，如图1所示。 又如，硫化体系与橡胶的强度性能之间，增塑剂与橡胶的耐寒性能之间，防老剂与橡胶的耐老化性能之间，都存在着相关性。依此类推。 第二类相关性是更重要的一类相关性，但往往被忽视。它是指硫化胶有许多性能，它们互相之间存在着一定的关系，特别是制品的使用性能与材料的一般性能之间。寻找并应用这类相关性，就有可能打开通往橡胶配方设计的大门。因此，研究硫化橡胶性能之间的相关性，对寻找配方设计规律和橡胶配方设计原理具有特别重要的意义。 举例说明，轮胎是一种要求耐磨的橡胶制品，其耐磨耗性能与哪些性能相关呢? 根据研究，橡胶磨耗与其硫化胶拉伸强度等5项指标的关系如表1所示。 相关系数大于0.80者，可判为具有高相关性，由表1可见，与硫化胶磨耗性能相关的机械性能只有两项:高温拉伸强度P100和300%定伸应力M300。P100和M300对硫化胶相对磨耗强度的影响如图2所示。 图中，阴影部分为预测不可靠区域;在可靠区域内，当M300在10MPa以下时，耐磨耗性与它呈线性关系:当M300值超过10MPa时，则呈非线性关系。M300值从5MPa增加到12MPa时，耐磨性增长10%;从12MPa增加到14一15MPa时，耐磨性实际上没有变化;进一步增加M300，则耐磨性将下降。 耐磨性能与高温拉伸强度P100呈线性关系，P100增加2MPa，耐磨性则提高6%。 从事橡胶技术工作时，首先会面对下述各问题： ─—什么叫做橡胶配方？ ─—如何设计橡胶配方？ ─—成功的橡胶配方是什么？ 事实上，橡胶配方技术乃是一种选择和运用材料之科学和艺术。一般之橡胶配方目的有三：首先是使橡胶制品具有实用之物性；其次是能配合现有加工设备进行良好之加工作业；最后是以可能之最低成本之配料达到符合客户所要求之物性水平。 换言之，设计橡胶配方最需考虑之三要素为配料之物性者、加工性和成本，并使三者获得一个适当之平衡点，此即配方设计都最主要之工作。 配方中常用之添加剂可摘要分类成十个主要成份： • 橡胶或弹性体（ elastomers ） : 橡胶配方设计第一个步骤也是最重要的步骤即为选择橡胶基材或原料胶。橡胶为工程材料之一种，不论其组成为何，都 带有一些共通之基本特性。所有橡胶都带有弹性，可弯曲性、韧性、不易透水和透空气等性质。除了这些共通特性外，每种橡胶因组成之不同，各自具有其本身之性质。 • 加硫剂（ Vulcanizing agents ） : 添加加硫剂之目的是使配料产生化学反应而在橡胶分子之间产生架桥（ cross linking ）之现象而改变橡胶之物性。化学架桥作用使橡胶配料由柔软、带粘性之热可塑体变成强韧之热固物，此时受温度之影响较少。到目前为止，硫磺仍是最广泛使用之加硫剂。其它载硫剂（ sulfur donor ）如二硫化秋兰姆类之 TMTD(TUEX) 有时亦用作全部或局部取代元素硫磺于低硫或无硫加硫系统之配方，使制品得以改善其耐热性。配方设计者其第二个最重要之工作为对于配料加硫系统，加硫剂和促进剂之选择。 • 加硫促进剂（ Accelerators ） : 加硫促进剂可使配料硫化速率加快而缩短加硫时间。 • 活化剂（ Activators ）和迟延剂 (Retarders): 活化剂是用来帮助促进剂增强其活性和效能，最常用之活化剂有锌氧粉、硬脂酸、氧化铅、氧化镁和胺类（ H ）。 • 防老剂（ Antidegradants ） : 防老剂可延缓橡胶制品因受氧气、臭氧、热、金属催化作用和屈曲运动之影响而劣化。因此添加防老剂于配料后可以增强制品之耐老化性并延长其使用寿命。 • 加工助剂（ Processing aids ）： 加工助剂顾名思义即是帮助配料便于加工作业，如混炼压延、押出和成型等。 • 填充剂（ Fillers ） : 填充剂可以增强配料之物性，帮助加工性或降低其成本。补强性填充剂可以增加制品之硬度、抗张强度、定伸强度（ modulus ）、抗撕裂强度和耐磨性。一般常用碳烟或细颗粒之矿质材料。 • 可塑性（ Plasticizer ），软化剂和增粘剂 (Tackfier): 可塑性、软化剂和增粘剂是用于帮助胶料混练，改变其粘度，增强配料粘性，改善制品在低温之柔曲性，或代替部份胶料而不致对物性有太多之影响。大体而言，这些类之添加剂可当作加工助剂或扩展剂。 • 色料（ Color Pigment ） : 色料是用于非碳烟类之配料中以提供特定之颜色。一般常用色料可分为有机类和无机类。无机类有氧化铁、氧化铬、二氧化钛（钛白粉）、硫化镉、硒化镉、硫化锑、硫化汞、立得粉（ lithopone ）和军蓝等。 有机色料比无机色料要贵很多。但其使用效果较好，色相鲜艳而比重又很低。而且有机色料之色彩变化较无机色料多。但是，大多数之有机色料对蒸汽、光、酸或碱均不安定，而且有时还会游移到制品表面。 • 特殊用途之材料： 特殊用途之材料即非经常在水多数之配料如发泡剂、调味剂、粘着助剂、耐燃剂、防霉剂和紫外线吸收剂等即是。 配方设计程序 : 几乎所有之新配方系自现有配方加以修改而成。目前，已委很少人尝试设计一个全新的配方，因为在实用上是不太需要的。为使配方有效，配方设计工作人员应设法利用内在或外在已有之各类技术资料，然后根据所需而加以整理、分析，并运用个人想像力和创造力而进行设计配方。下述各步骤可作为配方设计之参考。 • 确定目标物之物性和成本。 • 选择适用之原料胶。 • 研制现有类似配料之试验数据。 • 参考各类有关材料之技术资料。 • 设定初期配方。 • 试作小样品以测试物性可否符合目标物。 • 估算所用材料之成本作为进一步评估之参考资料。 • 评估此配料在现场之作业性。 • 以该配方试制目标物。 • 测试其物性是否能符合规格。 [ 本帖最后由 yongda 于 20-4-2007 15:15 编辑 ]
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