橡胶配方设计

交联密度的影响
交联键类型的影响
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（3）拉伸强度与填充体系的关系 填料品种： 粒径↓表面活性↑结构性↑，补强↑， Ts↑ 用量：有最佳范围
（4） 拉伸强度与增塑体系的关系 总的来说,软化剂的加入将损失拉伸强度
（5） 提高拉伸强度的其他方法
橡胶+某些树脂
填料表面改性 2020/2/11
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微观结构的影响：
在往复形变下，橡胶材料中产生的应力松弛 过程在形变周期内来不及完成，结果内部产生的应 力不能均匀地分散，便可能集中在某些缺陷处(如 裂纹、弱键等)，从而引起断裂破坏。
另外，橡胶具有粘弹性，它的形变包括可逆形 变和不可逆形变，在形变周期中不可逆形变产生滞 后损失，这部分能量转化为热能，使材料内部温度 升高，高分子材料的强度一般都随温度上升而下降， 导致橡胶的疲劳寿命缩短。
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# 耐疲劳性的配方设计
a. 生胶结构：高应变 NR（拉伸结晶）， 低应变 SBR（Tg较高）；
b. 硫化体系：～C-SX-C ～、交联密度； c. 软化剂； d.填充体系：高结构炭黑； f. 防老剂：品种及用量
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七、 扯断伸长率


硫化胶的扯断伸长率与拉伸强度 、定伸应力、硬度、
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表 ：硫化胶的硬度估算
胶种 NR SBR CR 低-CN NBR IIR 高-CN NBR 充油25% SBR
纯胶基本硬度 40 40 44 44 35 46 31
填料品种 FEF、 HAF
ISAF SAF SRF 陶土 酯类增塑剂 芳烃油
充油37.5% SBR
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（原配方促进剂M橡用胶配量方设为计 0.75 Phr，）
原配方应作如下修改：
天然橡胶，93.25；硬脂酸，3.00；氧化锌，5.00； 硫黄，2.75；防老剂RD，1.00； M母炼胶，7.5 ( NR 6.75 + M 0.75 )；炭黑（N330），45.0。 合 计：157.50
e. 橡胶配方试验中必须尽力排除实验误差
积累误差（混炼、硫化、测试）
f. 配方经验规律与统计数学相结合
熟悉原材料、丰富经验，掌握内在规律
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四、橡胶配方的分类
(1) 基础配方：
满足基本要求，便于鉴定对比，尽量简单，包括硫化条件。 （ASTM规定的标准配方和合成橡胶厂的基础配方）
b. 质量分数配方。以质量百分数表示，胶料的总质量为100%。(计算原 材料成本)
c. 体积分数配方。以体积分数表示，胶料总体积为100%， 各组分质 2020/2量/11 除以密度，得各自体积，以橡胶总配体方设积计 为100%，分别求出各自体积分数。
d. 生产配方（总质量等于炼胶机的实际容量）
橡胶拉伸破坏理论 ：高聚物断裂的方式（4种） 高分子链主价键断裂 高分子链通过滑移的断裂方式 高分子链之间垂直方向互相隔离 高分子聚集体相隔的方式
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(1) 橡胶结构（内在因素）的影响：
主价键、分子间作用力、分子链柔性 分子间作用力↑ ，分子量↑ ，结晶度↑, Ts ↑
（2）拉伸强度与硫化体系的关系
磨损磨耗：拉伸强度↑，回弹性↑，耐磨↑
卷曲磨耗：复杂
疲劳磨耗：粘弹性
（1）生胶结构
Tg低的橡胶（BR） 主链含苯环（SBR） 主键强极性（PU)
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（2）填充体系与耐磨性的关系

填料品种、用量（有最佳值）、分散程度、 炭黑结合胶量
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第六章 橡胶配方设计
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6.1 概述
配方设计：确定满足产品性能和
工艺要求的主体材料和配合 剂及其用量。
一、配方设计的内容
a. 确定硫化胶的性能指标 及其测试方法；
b. 确定胶料的性能指标及 其测试方法；
c. 选择能达到上述要求的主 体材料和配合剂及其用量。
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弹性相关。高拉伸强度的硫化胶才有高伸长率。
（1）橡胶品种：NR、IIR、CR （2）硫化体系：交联密度 （3）软化剂：适量 （4）填料：低结构填料、用量小
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八、 压缩永久变形

硫化胶在一定温度下受到压缩应力时产生
一定的变形，经过一定时间后不能回复的变形。
（1）橡胶分子结构的影响
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（2）撕裂强度与硫化体系的关系
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（3）撕裂强度与填充体系的关系
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各向同性填料撕裂强度高
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四、 耐磨耗性
本质上，橡胶的耐磨性取决于它的强度、弹性、滞后损 失、疲劳性和摩擦特性，几乎与所有其他性能有关。在 配方设计时要取得综合平衡。
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二、 定伸应力和硬度
（1） 定伸应力与橡胶分子结构的关系
分子量和分子量分布的影响 分子量↑ 定伸应力↑硬度↑ 分子量分布加宽 定伸应力↓硬度↓ 拉伸强度↓ 回 弹性↓
橡胶分子结构与定伸应力的关系 较高定伸应力的橡胶：CR、NBR、ACM
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交联密度↑，弹性有最大值
（3）填充体系：
含胶率↑，低结构填料↑，弹性↑
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六、 疲劳与疲劳破坏
疲劳：当橡胶受到反复交变应力(或应变)作用时， 材料的结构和性能发生变化的现象
疲劳破坏：随着疲劳过程的进行，导致材料破坏 的现象
破坏机理：包括热降解、氧化、臭氧侵蚀以及通 过裂纹扩展等方式破坏。
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耐70℃的非极 性油，Shore A硬度为70，
适用于注射硫 化成型工艺。
配方设计
橡胶性能要求 工艺要求 配方 配合 加工 制品 成本要求
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二、橡胶配方设计的原则
a. 达到指定的硫化胶技术性能； b. 加工工艺性能良好； c. 降低生产成本。包括原材料成本和加工成本，如
（3）硫化体系：交联密度、交联键类型（单硫键耐磨好）
（4）防护体系：使用抗疲劳防老剂提高耐磨性
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（5） 改进橡胶耐磨性的其他方法：
硫化胶表面处理、 与塑料共混、填料表面改性、 加入润滑剂和减磨剂
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五、 弹性
（1）橡胶结构与弹性的关系 （2）硫化体系：
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（2）硫化体系与定伸应力的关系

交联密度↑，促进剂活性↑，定伸应力↑。



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（3） 定伸应力与填充体系的关系

填料用量↑炭黑结构度↑ 定伸应力↑

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填料用量、软化剂用量与硬度的关系 硫化胶硬度的近似值估算法
胶硬度 = 纯胶硬度 + 填料增硬系数×填料用量 - 增塑剂软化系数×增塑剂用量
齐聚酯 环氧树脂 液体橡胶
反应性聚酯多元醇
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b.高苯乙烯 HSR
c.热塑性酚醛树脂 + 固化剂（促 H）
d.二烯类橡胶 + 大量硫黄 （硬质胶）
e.碱性物质MgO、 Mg（OH) 橡胶配方设计
2
、Fe2O3
三、 撕裂强度
橡胶的撕裂一般沿着分子链数目最少、阻力最小、内 部结构较薄弱的路线产生。橡胶的撕裂强度与拉伸强度无 直接关系。扯断伸长率和滞后损失减小，定伸应力和硬度 增加，橡胶的撕裂强度减小。
装胶量： Q = D L r k
Q－装胶量（Kg）；D－辊筒直径（cm）； L－辊筒长度（cm）；r－胶料密度（g/cm3) k－经验系数（0.0065-0.0085）
换算系数： α= 1000 × Q （Kg）/ 基本配方总份数（g）
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母炼胶：NR / M母炼胶
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环烷油、石
蜡油
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估算硬度 +1/2×份数 +1/2 ×份数+2 +1/2 ×份数+4 +1/3 ×份数 +1/4 ×份数 - 1/1.5 ×份数 -1/1.7 ×份数
-1/2 ×份数
（4）调整胶料定伸应力和硬度的方法
硫化体系（交联密度）↑
填料用量↑
增硬剂：
a. 低分子聚合物+过氧化物硫化
原配方: 天然橡胶，100；硬脂酸，3.00； 氧化锌，5.00； 硫黄，2.75；防老剂RD，1.00； 促进剂M，0.75；炭黑（N330），45.0。 合计：157.50
母炼胶配方：天然橡胶，90.00；促进剂M，10.00。 合计：100.0。
所需要M母炼胶为x ：1 / 10 = 0.75 / x ，x = 7.5
介电损耗、击穿电压强度 扩散及渗透性：耐各种介质（一定温度下，保持
一定时间，外观和性能变化情况）
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6.2 橡胶配方设计与性能的关系
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6.2.1 橡胶配方设计与硫化胶性能的关系
一、 拉伸强度：表征制品能够抵抗拉伸破坏的极限 能力，是评价硫化胶性能最重要的依据之一。
（e）疲劳：压缩疲劳、屈挠龟裂试验、拉伸疲劳试验 （f）压缩永久变形：恒定压缩永久变形
（g）老化性能：自然（耐候）老化测试
热空气老化测试
臭氧老化测试
人工气候老化测试
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低温性能：耐寒系数、脆性温度Tb、低温刚性、Tg 粘弹性能：静态（冲击弹性、蠕变、应力松弛）
动态（动态摸量、tgδ、应力松弛） 热性能：线膨胀系数、导热系数、分解、燃烧 电性能：体积电阻率、表面电阻、介电常数、
何取得加工性能、制品性能和成本的最佳综合平衡。
d. 原材料的来源稳定，质量可靠； e. 适应环保要求。提高耐久性，延长制品使用寿命，
对节省资源和节约能源有利。废弃物的再利用和原材料 的安全性也是重要的。
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三、橡胶配方设计的特点
a. 橡胶配方的组成是多组分的
与硫化胶的硬度、弹性相关。
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6.2.2 橡胶配方设计与胶料工艺性能的关系
一、 生胶和胶料的粘度
表征：威氏可塑度、门尼粘度ML1+4100C° 可表征生胶和胶料的成型性能，适宜粘度是进行混
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2、硫化胶性能的测定

（a）硬度: 橡胶抵抗外力压入的能力，包括邵尔(Shore) 硬
度，国际橡胶硬度（IRHD）。
力 学 (b) 拉伸应力-应变性能：
2、硫化胶性能的测定 性
能
拉伸强度 (MPa)－试样扯断时单位面积上所受负荷的 大小； 定伸应力(MPa)－在一定变形量下，试样单位面 积上所承受负荷，一般
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六、橡胶配方性能的测试
1、胶料（混炼胶）加工性能的测定
a. 配合剂的分散
直接法（显微镜观察）、间接法（测定性能）
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b. 生胶、混炼胶的流变性能
可塑度的测试 门尼粘度的测试 门尼焦烧的测试 应力松弛的测试 胶料流变性和口型膨胀的测试 胶料加工综合性能（RPA）测试 胶料硫化特性的测试
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（2） 性能配方（技术配方）：新产品配方设计试验
（3）实用配方（生产配方）：
结合生产实际（工艺、性能、成本、设备）
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五、 橡胶配方的组成及表示方法
质
体
基
量
积
生
本
分
分
产
配
数
数
配
方
配
配
方
方
方
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基本配方，以质量份数表示。 （以生胶质量为100份，Phr，Per Hundred Rubber）
多组分：橡胶、硫化剂、促进剂、活性剂、 防老剂、填料、软化剂等
b. 橡胶配方设计是个因子水平数不等的试验
设计方法、活用正交表（因子、水平数不等）
c. 橡胶配方设计中各组分间有复杂的交互关系
配方中原材料之间产生的协同效应、加和效应或对抗作用.
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d. 工艺因素对橡胶配方实施有重要的作用
测定100%、200%、300%、500%的定伸应力；
扯断伸长率（ %）－试样扯断时，伸长与原长之比；
扯断永久变形 （ %）－试样拉伸至断裂，自由状态下保持3分钟， 不可
恢复的变形长度与原长之比。
(c) 撕裂强度（KN/m) 试样被撕裂时，单位厚度所承受 的负荷。
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（d）磨耗：橡胶表面受到磨擦力作用而使橡胶表面 发生磨损脱落的现象。仪器有阿克隆磨耗仪等