橡胶工业手册第三册配方与基本工艺

上篇配方设计第一章配方设计第一节概述天然橡胶和合成橡胶的纯胶性能都比较差，无法满足制品的使用要求，加入多种配合剂后才能获得改善。

橡胶、配合剂及其配比的方案，即为橡胶配方。

根据制品各种性能要求，制定橡胶配方，通过试验、调整和验证，最后确定胶料的各种组分及其配比的过程，即称谓橡胶配方设计。

橡胶性能配方，主要研究配方组分与硫化胶及混炼胶性能之间的关系，探求组分对橡胶各种性能的影响和贡献。

橡胶制品配方则主要研究硫化橡胶物理机械性能和化学性能与橡胶只怕你实际使用性能之间的关系，探求硫化橡胶性能对制品使用性能的影响和贡献。

这两类配方所研究的对象和内容虽然不同，但又互相联系，不可分割，由此形成橡胶配方设计体系。

一、配方设计的变迁和发展一、配方组成的多样化现代配合组分可分为五个体系：1.主体材料：生胶、再生胶2.硫化体系：硫化机、促进剂、活性剂、防焦剂。

3.操作体系：增塑剂（化学增塑剂、物理增塑剂）。

4.性能体系：补强剂、防老剂、着色剂、发泡剂、芳香剂、增硬剂。

5.成本体系：填充剂、增容剂。

一个具有实际意义的配方通常含有不同体系二、配合剂品种的专用化适合氯丁橡胶的硫脲类促进剂不适合于其他类型的橡胶。

适合天然橡胶的植物系物理增塑剂并不适合合成橡胶。

三、配合效果的提高四、配方设计过程的简化科学的数理方法用于配方设计：等高线法、实验设计法、三角坐标法及电子计算机法等。

用计算机进行配方试验的数据处理、优选配方，可以通过少量试验获得大量有用的信息，使配方设计发生了根本性变化。

二、配方设计的基本要求和配方分类为获取最佳的共和平衡性能，三个目的1.改善橡胶使用性能。

2.改进橡胶的工艺性能。

配以操作助剂。

3.不影响或少影响性能的前提下，配入填充材料，降低成本。

橡胶配方按其作用分为：试验（或检验）配方、性能配方和制品配方。

试验（或检验）配方。

通用橡胶基础配方：三、橡胶配合中出现的反常现象1.实验室得到的配方，在生产中不一定有满意结果。

2.不同操作人员、工厂、得到不同结果。

第二节配方设计程序与配方形式一、配方设计程序一、制品性能和使用条件的分析硫化橡胶的一般性能包括拉伸强度、定伸应力、伸长率、硬度、撕裂强度、耐磨耗性、耐屈挠龟裂行、耐压缩永久变形性、回弹性、耐热性、耐寒性、耐候性、耐臭氧性、耐油性、耐化学药品性、绝缘性能和粘接性能等。

二、加工性能和制造工艺的分析橡胶制品的加工过程分析制造工艺：1.混炼的易加工性、混炼时间、分散程度和色泽。

2.胶料的品质是否由于操作人员的关系而发生变动。

3.焦烧性、贮存稳定性和使用周期性。

4.生胶并用的状态。

5.成型性、压出性、压延性、溶解性、涂胶性、粘接性、外观、喷霜等。

6.硫化特性、胶条试验与制品的相关性、工厂的硫化周期。

7.是否需要特殊的加工机械，用现有的设备是否能加工。

8.试验使用的材料用于工厂生产时，是否也能得到品质均一的制品。

9.使用材料的安全性。

三、配方成本的探讨四、确定胶料的技术要求订货方应提供基本要求，包括产品工作条件、有关技术资料（如图纸、工艺规程等）以及实物样品。

配方人员经过样品分析和技术文件审查后提出必要且有可能的性能指标。

胶料技术要求的内容概括如下：1.产品用途、使用部位及应起作用。

2.产品具体使用条件（工作条件），包括工作温度范围、工作压力、工作周期、频率及使用寿命等。

3.胶料的工艺性能4.各项性能指标满足双方，主要为物理机械性能、耐介质性能及耐环境（臭氧、热……）性能。

五、编制设计方案技术要求确定之后，就要制定配方设计的实验方案，一般先订出一系列平行方案，在根据各方案制定出基本实验配方和变量试验范围。

规定具体方案之前，应考虑一下方面。

1.原材料的选择2.性能试验项目确定一般要通过强度和伸长性能、永久变形、抗撕裂等试验来观察硫化平坦线，确定正硫化条件，通过热老化或天候老化试验，预测产品的使用寿命和贮存期。

六、进行试验与整理资料配方试验记录表，内容包括：1.配方编号2.试验日期3.配方用途4.配方主体（原材料名称、规格及用量）5.炼胶记录和加药顺序，前者包括炼胶时间、辊温、胶料表面状况及混炼难易程度等。

6.各种试验结果，包括试验条件、试片外观、硫化条件与过程、工艺试验、自然老化情况等（为了便于对比分析，可将某些主要性能绘成曲线图）7.设计依据，设计方案号码。

8.技术要求指标。

9.对该配方是否满足要求，可否投产等作出结论。

七、选取最佳配方八、复试和扩大中试选取的试验配方应再复试3~5次。

九、确定制品配方确定配方组分与用量的程序二、配方形式与配方成本计算一、配方形式生产配方是根据炼胶机规格或容量，按基本配方计算出用于生产实际的重量配方。

这两种以重量为基础的配方有其不足之处。

1.大部分橡胶制品都是按体积单位销售。

2.配方中的橡胶与配合剂的相互作用与一般的化学变化不同，往往要受他们所占体积的影响。

3.以重量份为基础的配方中，尽管很容易知道以橡胶为主的配合剂之间的相互关系，但是当配方的总重量增加时，整体的平衡变被打破，特别是橡胶的重量份减少了。

根据上面两个表格，将1L胶料中所含的橡胶和配合剂的百分比按体积来考虑时，会发现如下意想不到的事实。

（1）按体积来计算，香蕉中所占的比例为3/4（2）按体积来计算，氧化锌为0.2，仅为硫磺用量的1/5（3）炭黑用量为20%，出乎意料的少。

（4）硬脂酸却出乎意料的多，约为氧化锌的7倍。

（5）橡胶与硫黄之比为76.7/1.0=100、1.30，即相对于100体积份的橡胶，硫黄的添加量只有1.3体积份。

（6）促进剂M添加量时相对于100体积份的橡胶，仅为0.13体积份，还不到1/1000。

二、配方成本计算配方成本包括重量成本和体积成本。

橡胶制品大多数是以体积单位来计算，因此体积成本具有重要意义。

橡胶和配合剂的密度对成本影响很大。

由于密度越大，相当于一件或单位长度的橡胶制品的重量便越大，因此重量成本即使很低，仍有可能出现体积成本很高的现象。

若令胶料相对密度为D，胶料某组分的重量为W1，体积为V1，成本为C1，重量成本为C W，体积成本为C V，单价为α1，于是举例说明两种成本的计算方法：三、生产配方生产配方时生产中使用的一种配方表示形式，目的是便于生产。

它用胶料的密度乘以炼胶机的工作容量，得出炼胶机每批混炼胶料的总重量。

再将总重量除以基本配方数所得到的倍数，乘以每种配合剂的份数，可得到实际生产用各组分的重量，将各组分列表，即得到生产配方表。

以上述胎面胶配方为例，用560mm开炼机混炼时，胶料总重量约80kg左右，其生产配方可按一下方法计算。

1.每车胶料总重量与基本配方量的关系（倍数）80kg+161kg=0.502.生产配方中各组分份数天然橡胶=100*0.5=50硫黄=3*0.5=1.5炭黑=50*0.5=25……在实际生产中，有些配合剂是以母炼胶或膏剂形式加入，应用时需要进行算换。

例如：促进剂M母炼胶100重量份的组成为：天然橡胶90，促进剂M10。

基本配方中，若促进剂M用量为0.75，则需要促进剂M母炼胶量为：1:10=0.75：xx=7.5即7.5重量份母炼胶中含有促进剂M0.75份，其余6.75份为生胶。

因此，胶料配方中橡胶与促进剂M母炼胶配合量应为（重量份）：天然橡胶93.25，促进剂M母炼胶7.50。

第三节配方试验方法橡胶配方人员就是要确定一系列变量对橡胶各项性能的定量影响。

变量可以是硫化机、填充剂、增塑剂、防老剂和其他配合剂，也可以是加工和硫化温度、加工时间、压出速度等，总之是配方人员可能控制或测得的变量。

橡胶各项基本性能包括拉伸强度、撕裂强度、压缩永久变形和其他物理机械性能，以及加工性能、光洁度、外观、色泽等。

橡胶工业中，配方设计所习用的试验是一元变量实验，即在多元组合的配方中，先令其它组分用量固定不变，而通过一种组分变量来观察性能的变化，求出该组分的最佳用量。

其它组分变量也采用同样的方法。

这种传统方法的缺点是：当其他条件变化时，数据的准确性难以保持，另外，这种变量是从数学的排列组合方法来进行的。

例如有四种配合剂，每种需要变量四次，那么就要进行256（44）次试验。

尽管实际应用时，除了对新胶种外，不会采用全面的变量）一般都是根据配方者的经验选择对性能影响大的组分在一定范围内作局部变量试验），但试验次数还是相当多。

其次作为局部变量的范围，往往凭主观判断和个人经验，难免发生最佳用量不在变量范围之内，以致所选定的配方并非最佳的情况。

因此减少试验次数，达到优选目的。

现在许多有效的方法：○1优选法、○2拉丁方法、○3等高线法、○4正交实验法和○5回归分析法等。

随着电子计算机技术和数理统计方法的发展，橡胶配方设计已开始较多地采用回归分析方法。

其要点是根据经验确定变量因子和性能指标，选定数学模型来描述性能与变量之间的关系；对实验数据进行统计分析（求取回归系数、检验数学模型的有效性），建立各种性能回归关系式；利用关系式对配方进行解析，并优选出最佳配方。

该过程特别是后两步计算量较大。

橡胶配方设计常用变量方法一、等高线法等高线图解法是双变量或三变量的数理设计方法。

采用这个方式时，可用等高线原理作图，并通过统计学原理和配方试验经验的良好结合从中选取可行方案。

等高线法简单易行，无需繁琐的计算。

当工厂缺少训练有素的统计人员和先进的计算时，这种方法便显示了很大的优越性。

由于各项性能都在变量的同一范围内进行研究，因此，可以把几项性能同时放在一张等高线图上，这样，既使人一目了然，有可以加以比较，以便从中求取最佳的综合性能。

一、等高线原理若对于配方中的两个变量因素x，y的每一对值，有第三个变量z（往往是橡胶的性能）的一个（或多个）值与之对应，z就叫做x与y的一个函数：x=f（x，y）=z（x，y）。

z的值可以设想为xy面（底面）上点（x，y）处一根垂线的高度。

如设z等于一个常数，在曲面z=f（x，y）上，便得一条曲线，这就是曲面上具有相同高度z的所有点的几何轨迹，称作等高线或层线。

把它垂直投射到xy面上，它是始终不变的。

因此，假定用一高度为z的平面π去截取面z（x，y），则其交线L上的每一点的高度都是z，L在xy 平面上的投影曲线L1就是我们所求的等高线（如图5）。

图5 等高线同理，若用几个不同高度的平面去截曲面，就会得到不同高度的等高线L1,L2,L3等。

它们把曲面顶点的投影P一层层包围起来，高度越大的曲线越在内层（如图6）。

图6 二元函数z=f（x，y）由上述原理可知，当双因素互为函数时，虽然函数的表达式并不确悉，但把它变成了平面后，即可通过实验，找出函数的个别数值，从而画出相应的等高线。

二、作图前的准备工作首先决定可变因素时哪几项，然后根据配方设计者经验和公认的配合常识来决定实验的量值范围。

譬如，在选择硫化促进剂和活性剂的试验范围时，促进剂的用量太高，容易导致焦烧，因此超出常用量上限的应该舍去；如果活性剂与促进剂的用量比太高，将会造成吸水性太高，那么这一部分也应舍去；而促进剂用量太少，又会造成硫化延缓而不合工艺要求，这部分也可舍去。