橡胶的成型原理.ppt

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作为橡胶的高分子化合物的特点：

作为橡胶的高分子化合物的特点：

内聚能密度小，分子量大，分子量分布宽等；内聚能密度小，分子量大，分子量分布宽等；橡胶和塑料在常温下所处的状态不同；橡胶和塑料在常温下所处的状态不同；因此它的加工与塑料有些不同，但是都属于高因此它的加工与塑料有些不同，但是都属于高分子的加工，所以也有很多一致的地方。

分子的加工，所以也有很多一致的地方。

塑料和橡胶的不同：

塑料和橡胶的不同：

11/11/2022橡胶的成型加工指由橡胶的成型加工指由生胶及其配合剂生胶及其配合剂生胶及其配合剂生胶及其配合剂经过一系列化经过一系列化学和物理的作用制成橡胶制品的过程。

学和物理的作用制成橡胶制品的过程。

生胶，即橡胶成型加工的原料，是天然的或合成的生胶，即橡胶成型加工的原料，是天然的或合成的高分子化合物经化学处理或加工制成的浓缩胶乳（胶高分子化合物经化学处理或加工制成的浓缩胶乳（胶体水分散体系）和干胶。

体水分散体系）和干胶。

配合剂，类似于塑料的助剂，与生胶配合提高橡胶配合剂，类似于塑料的助剂，与生胶配合提高橡胶制品的加工和使用性能，降低成本。

制品的加工和使用性能，降低成本。

加工工序加工工序加工工序加工工序：

生胶塑炼、塑炼胶的混炼、成型、硫化：

生胶塑炼、塑炼胶的混炼、成型、硫化11/11/2022教学目的和要求教学目的和要求1、掌握橡胶的成型的基本方法和原理、掌握橡胶的成型的基本方法和原理2、成型制品的结构和性能的关系、成型制品的结构和性能的关系3、硫化的机理、硫化的机理重点和难点重点和难点1、塑炼和混炼机理、塑炼和混炼机理2、硫化的机理、硫化的机理11/11/2022第一节第一节生胶和配合剂生胶和配合剂橡胶的组成：

生胶；橡胶配合剂。

橡胶的组成：

生胶；橡胶配合剂。

由于橡胶分子间的作用力很小，在温度稍高时由于橡胶分子间的作用力很小，在温度稍高时会变软发粘，并在不太大的作用力下产生塑性流动，会变软发粘，并在不太大的作用力下产生塑性流动，难以保持一定的形状，遇溶剂很容易发生溶胀和溶难以保持一定的形状，遇溶剂很容易发生溶胀和溶解，力学性能很低，所以未经配合加工的生胶没有解，力学性能很低，所以未经配合加工的生胶没有什么实际的用途；此外使用过程中由于结构的原因什么实际的用途；此外使用过程中由于结构的原因容易老化；因此生胶的加工必须要加入配合剂容易老化；因此生胶的加工必须要加入配合剂加入配合剂的原因加入配合剂的原因在生胶中加入各种配合剂，并使其交联在生胶中加入各种配合剂，并使其交联形成网状结构，才具有实际的使用价值。

形成网状结构，才具有实际的使用价值。

11/11/2022生胶：

生胶：

硫化剂：

使橡胶由线型长链分子转变为网状大分子硫化剂：

使橡胶由线型长链分子转变为网状大分子的物质，这一过程也称硫化。

的物质，这一过程也称硫化。

硫化促进剂：

促进橡胶硫化、降低硫化温度、缩短硫化促进剂：

促进橡胶硫化、降低硫化温度、缩短硫化时间、改善硫化胶的物理机械性能。

硫化时间、改善硫化胶的物理机械性能。

硫化活性剂：

也称活化剂、促进助剂。

硫化活性剂：

也称活化剂、促进助剂。

防焦剂：

也称硫化延缓剂。

防焦剂：

也称硫化延缓剂。

11/11/2022防老剂：

抑制橡胶的老化现象。

防老剂：

抑制橡胶的老化现象。

增塑剂：

目的使生胶软化，增加可塑性和润湿炭黑增塑剂：

目的使生胶软化，增加可塑性和润湿炭黑等粉状配合剂。

等粉状配合剂。

填充剂：

分为补强填充剂和惰性填充剂。

填充剂：

分为补强填充剂和惰性填充剂。

补强填充剂能提高橡胶的强度，例如炭黑补强填充剂能提高橡胶的强度，例如炭黑;惰性填充剂也称增容剂，仅仅是为了降低成本、节惰性填充剂也称增容剂，仅仅是为了降低成本、节约生胶而加入的，例如滑石粉。

约生胶而加入的，例如滑石粉。

这是橡胶中最大品种的配合剂。

这是橡胶中最大品种的配合剂。

11/11/2022凡是能够提高硫化橡胶的扯断强度、定伸强凡是能够提高硫化橡胶的扯断强度、定伸强度、耐撕裂强度、耐磨性等物理机械性能的填充度、耐撕裂强度、耐磨性等物理机械性能的填充剂均称为补强剂，最常用的是炭黑，其次是白炭剂均称为补强剂，最常用的是炭黑，其次是白炭黑（沉淀的二氧化硅）、超细活性碳酸钙、活性黑（沉淀的二氧化硅）、超细活性碳酸钙、活性陶土等。

陶土等。

填充剂填充剂填充剂由于表面性质不同对橡胶的活性也不填充剂由于表面性质不同对橡胶的活性也不同，可以按照表面特性分为同，可以按照表面特性分为亲水性亲水性亲水性亲水性的，如碳酸盐、的，如碳酸盐、陶土、氧化锌等，它们的特性与生胶不同，不容陶土、氧化锌等，它们的特性与生胶不同，不容易被橡胶润湿；易被橡胶润湿；疏水性疏水性疏水性疏水性的如各种炭黑，表面性质的如各种炭黑，表面性质与橡胶相近，容易与橡胶混炼。

与橡胶相近，容易与橡胶混炼。

补强剂补强剂补强剂补强剂11/11/2022橡胶能润湿炭黑，而很好的被吸附于炭黑表面，橡胶能润湿炭黑，而很好的被吸附于炭黑表面，形成形成物理结合物理结合物理结合物理结合（比较弱）。

（比较弱）。

炭黑表面的不均匀性在炭黑与橡胶混合及胶料硫炭黑表面的不均匀性在炭黑与橡胶混合及胶料硫化时，炭黑表面上的活性点与橡胶的自由基形成化时，炭黑表面上的活性点与橡胶的自由基形成化化化化学结合学结合学结合学结合（比物理结合大得多）。

（比物理结合大得多）。

重点掌握炭黑补强机理重点掌握炭黑补强机理炭黑与橡胶之间的结合反应是炭黑对橡胶补强炭黑与橡胶之间的结合反应是炭黑对橡胶补强炭黑与橡胶之间的结合反应是炭黑对橡胶补强炭黑与橡胶之间的结合反应是炭黑对橡胶补强的基本原因的基本原因的基本原因的基本原因11/11/2022当炭黑的填充当炭黑的填充量大时，一条量大时，一条橡胶分子链可橡胶分子链可能被吸附于几能被吸附于几个炭黑粒子上，个炭黑粒子上，形成结实的凝形成结实的凝胶。

胶。

理论上只要一条橡胶分子链有一个点同炭黑结合，理论上只要一条橡胶分子链有一个点同炭黑结合，则整个分子链就成为凝胶，这种凝胶是疏松的。

则整个分子链就成为凝胶，这种凝胶是疏松的。

11/11/2022弱键和强键学说弱键和强键学说炭黑粒子间橡胶链的有限长学说炭黑粒子间橡胶链的有限长学说分子链滑动学说分子链滑动学说比较重要的有以下三种机理：

比较重要的有以下三种机理：

11/11/2022

（1）弱键和强键学说）弱键和强键学说炭黑与橡胶的结合可以有各种结合能量不炭黑与橡胶的结合可以有各种结合能量不同的键，有比较弱的物理吸附和少数强的化学同的键，有比较弱的物理吸附和少数强的化学结合。

结合。

在力的作用下炭黑表面与橡胶链分离，直在力的作用下炭黑表面与橡胶链分离，直至断裂，弱键消失，剩下的为强键。

至断裂，弱键消失，剩下的为强键。

布兰查德布兰查德（B1anchard）和和帕金森帕金森（ParKinson）在在50年代提出的概念年代提出的概念11/11/2022对于炭黑的补强作用来说，对于炭黑的补强作用来说，强键的数目强键的数目强键的数目强键的数目最为重要。

最为重要。

因此，对胶料的补强性质来说，既要求炭黑的粒因此，对胶料的补强性质来说，既要求炭黑的粒子小，还要求有较多的强键数目，即炭黑必须是高活子小，还要求有较多的强键数目，即炭黑必须是高活性小粒子的。

性小粒子的。

11/11/2022可见强键数目多的可见强键数目多的胶料很耐磨。

胶料很耐磨。

石墨化炭黑因为失石墨化炭黑因为失去活性，强键少，去活性，强键少，不耐磨。

不耐磨。

硅酸钙的粒子尽管硅酸钙的粒子尽管很小，但没有活性，很小，但没有活性，与橡胶没有化学结与橡胶没有化学结合，也没有补强作合，也没有补强作用。

用。

图比较了五种粒径大小相差不多的填料与硫化胶耐图比较了五种粒径大小相差不多的填料与硫化胶耐磨性的关系。

磨性的关系。

11/11/2022橡胶链在应力作用下橡胶链在应力作用下的伸长有一定的限度，的伸长有一定的限度，超过这个限度就会脱离超过这个限度就会脱离炭黑表面或发生断裂。

炭黑表面或发生断裂。

如图所示，炭黑粒子如图所示，炭黑粒子之间有三条分子链，长之间有三条分子链，长短不等。

伸长时，最短短不等。

伸长时，最短的链的链A超过其最大长度超过其最大长度则先行断裂，依次为链则先行断裂，依次为链B和链和链C。

（2）炭黑粒子间橡胶链的有限长学说）炭黑粒子间橡胶链的有限长学说只考虑炭黑粒子和橡胶只考虑炭黑粒子和橡胶链所形成的强键。

链所形成的强键。

比切比切（Bueche）提出的提出的11/11/2022无炭黑存在时，橡胶链断裂后，它的应力由相邻无炭黑存在时，橡胶链断裂后，它的应力由相邻的链负担，易于相继断裂；的链负担，易于相继断裂；有炭黑存在时，粒子之间有多条橡胶链，一条链有炭黑存在时，粒子之间有多条橡胶链，一条链断了，应力由其它链分担，故炭黑起着断了，应力由其它链分担，故炭黑起着均匀应力均匀应力均匀应力均匀应力的作用，减少整体的破裂。

的作用，减少整体的破裂。

当伸长大时，炭黑粒子也会移动，这种移动使应当伸长大时，炭黑粒子也会移动，这种移动使应力松弛起着力松弛起着缓和应力缓和应力缓和应力缓和应力的作用。

的作用。

均匀和缓和应力是炭黑的补强机理均匀和缓和应力是炭黑的补强机理11/11/2022炭黑粒子表面的活性是不均一的炭黑粒子表面的活性是不均一的，有少数强的有少数强的活性点以及一系列的多数能量不同的吸附点。

活性点以及一系列的多数能量不同的吸附点。

炭黑表面上的橡胶链可以有不同的结合能量，炭黑表面上的橡胶链可以有不同的结合能量，多数为弱的范德华力的吸附，少数为强的化学结合。

多数为弱的范德华力的吸附，少数为强的化学结合。

（3）分子链滑动学说）分子链滑动学说11/11/2022弱键在应力的作用会滑动伸长，其机理可用表示弱键在应力的作用会滑动伸长，其机理可用表示（a）表示两个炭黑粒子间有三条分子链，橡胶链的长短不表示两个炭黑粒子间有三条分子链，橡胶链的长短不一；（此时橡胶链处于松弛状态）一；（此时橡胶链处于松弛状态）（b）当伸长不大时，粒子间最短的链完全伸直，承担应力；当伸长不大时，粒子间最短的链完全伸直，承担应力；（c）当伸长增加时，这条当伸长增加时，这条最短的链段不是断裂，而是滑动伸最短的链段不是断裂，而是滑动伸最短的链段不是断裂，而是滑动伸最短的链段不是断裂，而是滑动伸长长长长，这时应力由两条伸直的链段承担，起到均匀应用的作，这时应力由两条伸直的链段承担，起到均匀应用的作用，这是炭黑补强的一个重要因素；因为滑动所需要的能用，这是炭黑补强的一个重要因素；因为滑动所需要的能量远比链切断或脱落时所需的能量小量远比链切断或脱落时所需的能量小（d）表示当伸长继续增大时，更多的链段由于滑动的结果表示当伸长继续增大时，更多的链段由于滑动的结果而取向，可承担更大的应力，这是炭黑补强的另一个重要而取向，可承担更大的应力，这是炭黑补强的另一个重要因素。

因素。

（e）最后最后,由于滑动的摩擦使胶料有高的滞后损耗，会消耗由于滑动的摩擦使胶料有高的滞后损耗，会消耗去一部分外力转化为热量，使橡胶不受破坏是炭黑补强的去一部分外力转化为热量，使橡胶不受破坏是炭黑补强的又一因素。

又一因素。

11/11/2022除掉外力，收缩缓和后的状态除掉外力，收缩缓和后的状态回到松弛状态回到松弛状态由于硫化胶网状结构在应变下发生破坏，不由于硫化胶网状结构在应变下发生破坏，不能完全回复。

更重要的是由于链的滑移粒子间三能完全回复。

更重要的是由于链的滑移粒子间三条链长度变得相等，所以再次伸长，没有紧张的条链长度变得相等，所以再次伸长，没有紧张的链，使应力下降，发生应力软化。

链，使应力下降，发生应力软化。

11/11/2022由图可见，炭黑用由图可见，炭黑用量有一个峰值。

量有一个峰值。

炭黑补强胶料的扫炭黑补强胶料的扫描电镜照片显示，在描电镜照片显示，在峰值之前，炭黑大部峰值之前，炭黑大部分是以分是以单个粒子单个粒子单个粒子单个粒子分散分散于橡胶中；在峰值之于橡胶中；在峰值之后，炭黑部分以后，炭黑部分以团粒团粒团粒团粒形式形式形式形式分散于橡胶中，分散于橡胶中，妨碍了其补强作用的妨碍了其补强作用的发挥。

发挥。

影响炭黑补强效果的因素：

炭黑的种类、用量、粒径和结