橡胶工艺原理2.docx

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橡胶工艺原理2

橡胶基础知识

1概述

高分子材料主要分为塑料，橡胶，纤维三部分。

橡胶是一种有机高分子弹性化合物。

分子量一般在几十万以上，有的甚至达到一百万左右，它的特性就是高弹性，在外力作用下橡胶很容易发生变形，除去外力后又很快恢复到原来的形状，这一特性是其他材料所不具备的，也是橡胶区别于其他材料的主要标志。

除此之外，橡胶还具有一定的机械强度，有减震、吸震的能力，以及极高的可挠性、耐磨性、不透水和不透气等优良性能。

某些特种合成橡胶还具有耐油、耐化学品腐蚀、耐热、耐寒、耐燃、耐老化、耐辐射等特点。

由于这些优异的性能，使橡胶广泛应用于日常生活中，如软管，橡胶珠，密封条，橡胶垫等。

汽车工业上，在底盘、发动机、车身、燃油供给、冷却以及制动变速等系统中都有广泛的应用。

其主要应用在汽车轮胎、胶管、胶带、密封制品（包括O型圈、油封和各类衬垫）、密封条、减震器、皮碗、皮膜、防尘罩等。

由于其特有的高弹性能，橡胶在汽车上的应用往往是其它材料无法替代的。

据统计，汽车用橡胶零部件有100多个，约占整车重量的4%～6%，这些橡胶制品都担负着重要的作用，对整车的质量和性能及汽车的安全行驶具有至关重要的影响。

2.橡胶的分类

橡胶按原材料分为天然橡胶和合成橡胶，根据性能和用途分为通用橡胶和特种橡胶，根据橡胶的物理状态分为硬胶和软胶，生胶和熟胶等。

2.1天然橡胶

天然橡胶是由人工栽培的三叶橡胶树分泌的乳汁，经凝固、加工而制得，其主要成分为聚异戊二烯：

天然橡胶中聚异戊二烯含量在90%以上，此外还含有少量的蛋白质、脂及酸、糖分及灰分。

天然橡胶按制造工艺和外形的不同，分为烟片胶（以新鲜胶乳为原料，经过凝固、压片、熏烟等一系列工艺加工制成表面带有菱形花纹的棕黄色胶片）、绉片胶（与烟片胶制做工艺相似，但干燥时不熏烟直接热空气干燥）、颗粒胶和乳胶等。

但市场上以烟片胶和颗粒胶为主。

全世界天然橡胶的产地主要集中在泰国、印尼、马来西亚、中国、印度、斯里兰卡等少数亚洲国家和尼日利亚等少数非洲国家，我国产地则主要分布在海南、云南、广东、广西和福建等地区。

其中，海南、云南的天然橡胶总产量约占全国总产量的60%和35%。

天然橡胶因其具有很强的弹性和良好的绝缘性、可塑性、隔水隔气、抗拉和耐磨等特点，广泛地运用于工业、农业、国防、交通、运输、机械制造、医药卫生领域和日常生活等方面，如交通运输上用的轮胎；工业上用的运输带、传动带、各种密封圈；医用的手套、输血管；日常生活中所用的胶鞋、雨衣、暖水袋等都是以橡胶为主要原料制造的，国防上使用的飞机、大炮、坦克，甚至尖端科技领域里的火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等都需要大量的橡胶零部件。

轮胎的用量要占天然橡胶使用量的一半以上。

2.2合成橡胶

合成橡胶的生产工艺大致可分为单体的合成和精制、聚合过程以及橡胶后处理三部分。

合成橡胶的基本原料是单体，精制常用的方法有精馏、洗涤、干燥等。

聚合过程是单体在引发剂和催化剂作用下进行聚合反应生成聚合物的过程。

有时用一个聚合设备，有时多个串联使用。

合成橡胶的聚合工艺主要应用乳液聚合法和溶液聚合法两种。

目前，采用乳液聚合的有丁苯橡胶、异戊橡胶、丁丙橡胶、丁基橡胶等。

后处理是使聚合反应后的物料（胶乳或胶液），经脱除未反应单体、凝聚、脱水、干燥和包装等步骤，最后制得成品橡胶的过程。

乳液聚合的凝聚工艺主要采用加电解质或高分子凝聚剂，破坏乳液使胶粒析出。

溶液聚合的凝聚工艺以热水凝析为主。

凝聚后析出的胶粒，含有大量的水，需脱水、干燥。

按照用途将合成橡胶分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。

Purposesyntheticrubber）

丁苯橡胶（SBR，Styrene-ButadieneRubber），丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物，其中通常苯乙烯含量为23.5wt%，多采用低温乳液聚合得到，现已有溶聚丁苯；其分子结构如下：

顺丁橡胶（BR，ButadieneRubber），顺丁橡胶是由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶，全名叫顺式1，4-聚丁二烯橡胶，分为高顺式/中顺式/低顺式：

聚异戊二烯橡胶（IR，PolyIsopreneRubber），以异戊二烯为单体聚合而成的顺式结构橡胶，化学组成、立体结构、性能等与天然橡胶非常的接近，又称为合成的天然橡胶。

丁基橡胶（IIR，CIIR，BIIR，Isobutene-IsopreneRubber），是异丁烯和少量的异戊二烯或丁二烯的共聚体，异戊二烯含量为1-3wt%。

乙丙橡胶（EPR,EPDM，Ethylene-Propylene-（Diene）-polyMethylene），是乙烯和丙烯的共聚体，一般分为二元乙丙橡胶和三元乙丙橡胶两种，其中丙烯含量为40-60wt%，二烯约2-5wt%，常见的非共轭二烯有ENB，DCPD，HD。

purposesyntheticrubber）

氯丁橡胶（CR，Neoprene，ChloropreneRubber），是由氯丁二烯作为单体、乳液聚合而成的聚合体。

丁腈橡胶（NBR，Acrylonitrile-butadiene（nitrile）rubber），是丁二烯和丙烯腈的共聚体，丙烯腈含量为18-50wt%。

氯磺化聚乙烯（CSM，Hypalon，Chloro-sulphonatedpolyethylenerubber），是用氯和二氧化硫处理聚乙烯后再经过硫化制成的橡胶，Cl含量为25-43wt%，最常见为37wt%；S：

1-1.4wt%。

氯化聚乙烯（CPE，Chlorinatedpolyethylene），Cl：

25-43wt%，常见为37wt%。

有的书写成CM或者CPF，称其为乙烯、氯乙烯和二氯乙烯的三元聚合体。

氟橡胶（FKM，Fluorocarbonrubber），是含氟单体共聚而成的有机弹性体，常见为F-26，偏氟乙烯-全氟丙烯的共聚物。

有的书把氟橡胶写成FPM。

硅橡胶（Q，Siliconerubber），为主链含有硅、氧原子的特种橡胶，其中起作用的是硅元素。

分为乙烯基（0.1-0.2wt%）/苯基（5-30wt%）/甲基硅橡胶。

有的书把硅橡胶简写成Si。

丙烯酸酯橡胶（ACR，Acrylicrubber），丙烯酸乙酯/丙烯酸丁酯共聚物，有的书写成AR，由丙烯酸酯与丙烯腈乳液共聚而成，也有写成ACM。

3橡胶的性能

3.1橡胶的分子结构

橡胶的分子结构具有如下特性：

①其分子由重复单元（链节）构成的长链分子。

分子链柔软其链段有高度的活动性，玻璃化转变温度（Tg）低于室温；

②其分子间的吸引力（范德华力）较小，在常态（无应力）下是非晶态，分子彼此间易于相对运动；

③其分子之间有一些部位可以通过化学交联或由物理缠结相连接，形成三维网状分子结构，以限制整个大分子链的大幅度的活动性。

从微观上看，组成橡胶的长链分子的原子和链段由于热振动而处于不断运动中，使整个分子呈现极不规则的无规线团形状，分子两末端距离大大小于伸直的长度。

一块未拉伸的橡胶象是一团卷曲的线状分子的缠结物。

橡胶在不受外力作用时，未变形状态熵值最大。

当橡胶受拉伸时，其分子在拉伸方向上以不同程度排列成行。

为保持此定向排列需对其作功，因此橡胶是抵制受伸张的。

当外力除去时，橡胶将收缩回到熵值最大的状态。

故橡胶的弹性主要是源于体系中熵的变化的“熵弹性”。

3.2橡胶的性能

应力－应变曲线是一种伸长结晶橡胶的典型曲线，其主要组分是由于体系变得有序而引起的熵变。

随着分子被渐渐拉直，使得分子链上支链的隔离作用消失，分子间吸引力变得显著起来，从而有助于抵抗进一步的变形，所以橡胶在被充分拉伸时会呈现较高的抗张强度。

橡胶在恒应变下的应力是温度的函数。

随温度的升高橡胶的应力将成比例地增大。

橡胶的应力对温度的这种依赖称为焦耳效应，它可以说明金属弹性和橡胶弹性间的根本差别。

在金属中，每个原子都被原子间力保持在严格的晶格中，使金属变形所做的功是用来改变原子间的距离，引起内能的变化。

因而其弹性称为“能弹性”，其弹性变形的范围比橡胶中主要由于体系中熵的变化而产生的“熵弹性”的变化范围要小得多。

在一般的使用范围内,橡胶的应力-应变曲线是非线性的,因此橡胶的弹性行为不能简单地以杨氏模量来确定。

橡胶分子的变形运动不可能在瞬时完成，因为分子间的吸引力必须由原子的振动能来克服，如果温度降低时，这些振动变得较不活泼，不能使分子间吸引力迅速破坏，因而变形缓慢。

在很低温度下，振动能不足以克服吸引力，橡胶则会变成坚硬的固体。

如果温度一定而变形的速度增大，也可产生与降低温度相同的效果。

在变形速度极高的情况下，橡胶分子没有时间进行重排，则会表现为坚硬的固体。

橡胶材料在应力作用下分子链会缓慢的被破坏，产生“蠕变”，即变形逐渐增大。

当变形力除去后，这种蠕变便形成小的不可逆变形、称为“永久变形”。

导热性：

橡胶是热的不良导体，其导热系数在厚度为25毫米时约为2.2～6.28瓦/米2·0K。

是优异的隔热材料，如果将橡胶做成微孔或海绵状态，其隔热效果会进一步提高，使导热系数下降至0.4～2.0瓦。

任何橡胶制件在使用中，都可能会因滞后损失产生热量，因此应注意散热。

热膨胀：

由于橡胶分子链间有较大的自由体积，当温度升高时其链段的内旋转变易，会使其体积变大。

橡胶的线膨胀系数约是钢的20倍。

这在橡胶制品的硫化模型设计中必须加以考虑，因为橡胶成品的线性尺寸会比模型小1.2～3.5%。

对于同一种橡胶，胶料的硬度和生胶含量对胶料的收缩率也有较大的影响，收缩率与硬度成反比，与含胶率成正比。

各种橡胶在理论上的收缩率的大小顺序为：

氟橡胶>硅橡胶>丁基橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>丁苯橡胶>天然橡胶

橡胶制品在低温使用时应特别注意体积收缩的影响，例如油封会因收缩而产生泄漏，橡胶与金属粘合的制品会因收缩产生过度的应力而导致早期损坏。

通用橡胶是优异的电绝缘体，天然橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁苯橡胶都有很好的介电性能，所以在绝缘电缆等方面得到广泛应用。

丁腈橡胶和氯丁橡胶，因其分子中存在极性原子或原子基团，其介电性能则较差。

在另一方面，在橡胶中配入导电炭黑或金属粉末等导电填料，会使它有足够的导电性来分散静电荷，或者甚至成为导电体。

橡胶的气体透过率是气体在橡胶中的溶解度与扩散度的乘积。

气体的溶解度随橡胶的溶解度参数增加而下降，气体在橡胶中的扩散速度取决于橡胶分子中侧链基团的多少。

气体在各种橡胶中的透过速度有很大的不同，在橡胶中气透性较低的是聚醚橡胶和丁基橡胶，丁基橡胶气透性只有天然胶的1/20。

而硅橡胶的气透性最大。

橡胶的气透性随温度的升高而迅速上升，对于使用炭黑作填料的制品来说，其品种和填充量对气透性能影响不大。

但软化剂的用量大小对硫化胶的气透性能影响很大，对气透性能要求较高的橡胶制品，软化剂的用量尽可能减少为好。

大多数橡胶具有程度不同的可燃性。

而分子中含有卤素的橡胶如氯丁橡胶、氟橡胶等，则具有一定的阻燃性。

因此，含有氯原子的氯丁胶和氯磺化聚乙烯在移开外部火焰后，既便燃烧也是困难的，而氟橡胶则完全是自行灭火的。

在胶料中配入阻燃剂（例如磷酸盐或含卤素物质）可提高其阻燃性。

3.3橡胶的主要性能及测试技术

橡胶的性能主要有以下一些指标：

邵氏A硬度密度拉伸强度／断裂伸长率热空气老化压缩永久变形脆性温度回弹性耐臭氧撕裂强度耐磨性能耐液体试验耐油漆性等。

橡胶的测试方法很多，如GB、ISO、DIN等。

根据塑料的经验，发展方向是以ISO标准为主，可能橡胶也是以ISO标准为主，但是这并没有什么关系，就橡胶而言，不像塑料那样特别地强调试样或者实验方法的问题。

就我们公司的标准而言，其测试方法以国标为主（GB标准），DIN标准（德国工业标准）用得不是很多，而且一般情况下和GB、ISO标准通用。

所以，这里以GB标准为主，参考ISO标准。

硫化橡