橡胶配方优化方法第四章

橡 塑
正交实验设计安排
材
料 与
1 正交表的特性
工
⑴ 均衡分散性，即试验条件均匀分散
程
教
⑵ 整齐可比性，即每列因子中各个水平与其它因子各个
育 部
水平之间交叉出现次数都是相同的。
重 点
2、确定因子、水平、交互作用
实
⑴ 针对试验的目的选取配方因子。
验
室
⑵ 恰当选取水平，两水平间的距离适当拉开。
青 岛
⑶ 橡胶配方中配合剂之间的交互作用较多，那些对胶料
试验配方：EPDM 100，ZnO 5，SA 2，促进剂
部 M 1，石蜡油 30，HAF 70，促进剂T.T 0.5，促
重 点
进剂BZ 1, S 1，内润滑剂112的用量如下表：
实 验
助剂112用量
室
门尼粘度
0 1 2 3 45 64 61 57 53 52 51
青
300%定伸应力/MPa 15.3 15.2 15.0 14.2 14. 1 14.2
科
的性能有影响。
技
大
学
14
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橡 塑
３、选择合适的正交表
材 料
根据配方因子的个数和水平选择合适的正交表。
与 工
⑴ 对n个因子的二水平试验设计，即2n因子的试验设计一般选
橡 塑
1、黄金分割法（0.618法）
材 料
子午线轮胎子口包胶使用齐聚酯增硬。胶料要求
与 为：硬度（邵尔A）达到85度；拉伸强度不小于
工 程
20MPa；拉断伸长率不小于200%。
教 育
齐聚酯用量（质量份） 0 5.7(0.382) 9.3(0.618) 15
部 重
胶料硬度（邵尔）
79
86
88
89
点 拉伸强度/Mpa
工 程
根据前面试验结果安排后面的试验。这样安排试验的方法
教
叫贯序法，它的优点是试验数目较少，缺点是周期长。
育
部
与贯序法相反，我们也可以把所有可能的试验同时安排
重
点
下去，根据试验结果，找出最优点。如果把试验范围等分
实
若干份，就叫均分法。若把试验范围按比例分成若干份，
验
室
就叫比例分割法。分批试验法的优点是试验时间短，缺点
21.8 22.8
31.2 35.1
实
验 拉断伸长率/%
250 200
180 150
室
齐聚酯用量（质量份） 0 2.2(0.382) 3.6(0.618) 5.7
青
岛 胶料硬度（邵尔） 79
83
85
86
科
技 拉伸强度/Mpa
21.8 22.3
22.5
22.8
大
学 拉断伸长率/%
250 225
218
200
橡 塑
一、正交实验设计法
材
料 在解决多因素问题时，如每个因素对指标的影响，
与
工
哪个因素重要，哪个因素不重要；
程 教
每个因素都有几个水平，哪个水平最好；
育 各因素按哪个水平搭配对指标较好；
部
重 每个因素间存在强烈的交互作用，如何避免或减
点 实
少这种交互作用；因素间的交互作用是否可以忽
验
略等等许多问题。
岛
科
逼近，最后达到最优点。
技
大
学
3
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橡 塑
橡胶配方优化方法
材
料 与
橡胶配方单因素变量设计，即在所讨论的
工 程
变量区间内，确定哪一个变量的性能最优。
教 育
这样的设计方法主要包括：黄金分割法
室 日本科学家发明正交设计，5个因子、4个水平，
青 岛
相互交叉全部试验共做45＝1024次，采用正交试
科 技
验法L16(45)只需做16个试验，即可优化出配方。
大
学
13
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橡 塑
⑶ 对4n因子的试验设计一般采用L16（45）正交表。
材
实验号
A
B
C
D
E
料
1
1
1
1
1
1
与
工
2
1
2
2
2
2
程
3
1
3
3
3
3
教
4
1
4
4
4
4
育
5
2
1
2
3
4
部
6
2
2
1
4
3
重
点
7
2
3
4
1
2
实
8
2
4
3
2
1
验
9
3
1
3
4
2
室
10
3
2
4
3
1
11
3
3
1
2
4
青 岛
12
3
4
2
1
3
科
13
4
1
4
2
3
技
14
4
2
3
1
4
大
学
15
5
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橡 塑
2、平分法实例：
材
料
胶料与黄铜钢丝帘线粘合力最高的680C用量。
与 工
基本配合：天然胶SMR5 90，BR 10，ZnO 5,SA
程 0.5， HAF 60，芳烃油 4，促进剂 0.7，防焦剂
验
室 很容易求出抛物线的极值点。
青
岛 科
x0= 1/2×{y1(x22-x32)+y2(x32-x12)+y3(x12-x22)} /
技
大 学
{ y1(x2-x3)+y2(x3-x1)+y3(x1-x2)}
10
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橡 塑
多因素设计法
材
料 橡胶配方是个多因素问题。
与
工 程
工艺影响因素：有炼胶时间、温度、停放时间，
教 硫化温度、时间；
育
部 配方因素：六大体系原材料种类、用量，
技
大 最佳用量范围为0.75—1.25份。
学
6
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橡 塑
3、 爬山法（逐步提高法）
材
料 乙炔碳黑用量对硅橡胶导电性能的研究 ，试验目
与
工 的：提高乙炔碳黑用量降低硅橡胶的体积电阻率，
重
点
实 生胶并用 NR/SBR/B 100/0/0
验
比例
R
室
硫化体系 S用量
1.5
80/20/0 60/20/20 40/30/30
2.0
2.5
3.0
青 岛
补强体系 炭黑用量
45
50
55
60
科 技
防护体系 防老剂品种 4010NA
AW
4020
RD
大 软化体系 用量
0
学
3
6
9
12
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程 教
用L4（23）、L8（27）、L16（215）
育 实验号 A
B
C
D
E
F
G
部 重
1
1
1
1
1
1
1
1
点
2
1
1
1
2
2
2
2
实
验
3
1
2
2
1
1
2
2
室
4
1
2
2
2
2
1
1
青
5
2
பைடு நூலகம்
1
2
1
2
1
2
岛
科
6
2
1
2
2
1
2
1
技 大
7
2
2
1
1
2
2
1
学
8
2
2
1
2
1
1
2
15
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橡 塑
橡胶配方设计特点
材
料
与
工 程
橡胶配方设计影响因素多，凭借经验；
教
育 通过大量试验来优化配方，造成大量人力、物
部 重
力的浪费。
点
实 科学技术方法的应用，橡胶配方设计智能化，
验
室
减少了实验数量，缩短了开发周期，得到更多
青
信息。
岛
科
技
大
学
2
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青
是总的试验次数多。
岛
科
技
大
学
8
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橡 塑
4、分批试验法
材
料
内润滑剂在橡胶中的应用可使分子间的摩擦力减
与 工
小，提高加工性能，同时也可提高制品的表面光
程
洁度。
教 育
验
扯断伸长保持率/%
78.2
80.8 79.1
室
青 x0=1/2× {94.2(1.52-2.02)+97.5(2.02-0.52)+95.1(0.52-
岛
1.52)}/{94.2(1.5-2.0)+97.5(2.0-1.5)+95.1(0.5-1.5)}
科
技
=1.23
大
学 结果：防老剂4020的用量为1.23份时防护最佳。
部 （0.618法）、平分法、分批试验法、抛物
重
点 线法、爬山法。
实
验 多因素变量设计主要有以下一些方法：等
室
高线图形法、正交试验设计法和中心复合
青
岛 科
试验设计法、均匀设计法等。
技
大
学
4
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岛
科 技
乙炔碳黑用量至70份，其体积电阻率为8.5 Ω.cm，
大
学
满足了性能要求，同时节约了原材料。
7
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橡 塑
4、分批试验法
材
料
与
0.618法、平分法、分数法、爬山法共同的特点是，要
4
3
2
4
1
16
4
4
1
3
2
17
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岛 科
拉伸强度/MPa
20.8 19.8 19.0 18.5 18.6 18.0
技
扯断伸长率/%
420 430 430 425 428 437
大
学 磨耗/mm3/1.61Km 234 168 162 158 152 162
9
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橡
塑
材
料 防老剂4020对NR胶料热氧老化（100℃×72h），
与 工
确定防老剂4020的最佳用量。试验配方：NR 100，
程 S 2.5，ZnO 5，SA 2，促进剂DM 0.8，HAF
教 育
40，防老剂4020为变量。
部
重
防老剂用量（质量份） 0.5
1.5
2.0
点 实
拉伸强度保持率/%
94.2 97.5 95.1
橡 塑
橡胶配方优化方法
材
料 与
橡胶配方变量设计：在所讨论的变量区间内，确
工
定哪个变量的性能最优。
程
教
育 通常用x表示变量因素，f（x）表示目标性能函数，
部 重
根据具体要求，在因素的最优点上，目标函数取
点
最大值，最小值或满足某种规定的要求。
实
验
室 在寻找最优试验点时，常利用函数在某一局部区
青
域的性质来确定下一个试验点，这样一步步搜索、
程 教
性能指标要求体积电阻率≤10 Ω·cm 。
育 部
原试验配方：甲基乙烯基硅橡胶110-2 100，白
重 碳黑 5，氧化铁 5，DCP 2，乙炔碳黑 40，原胶
点
实 料的体积电阻率为1000.10 Ω·cm 。
验
室 乙炔碳黑用量至50份，其体积电阻率为49.7Ω·cm；
青 乙炔碳黑用量至60份，其体积电阻率为21Ω·cm ；
橡橡
塑塑
材材
料料 与与
橡胶配方优化设计方法
工工 程程
Rubber Design of Optimization Experiment
教教
育育
部部 重重
肖建斌
点点
实实
验验 室室
橡塑材料与工程教育部重点实验室
青青
高分子科学与工程学院，青岛科技大学
岛岛
科科
技技
大大
学学
11 KeyKeLyabLoarbaotroartyoroyf oRf uRbubberb-ePrl-aPslatisctsics(Q(QUSUTS)T,),MMininisitsrtryy ooff EEdduuccaattiioonn,, CChhina
教 育
PVI 0.4，S 3，Manbond680C的用量为0～2份。
部
重 点
试验次数
第一次试验 第二次试验 第三次试验
实
验 室
Manbond 680C用量 0
1
2
1.5 0.5 0.75 1.25
粘合力，kg/127cm 30 56 44 51 53 55 54
青
岛
科 • 试验结果：该配方中应用Manbond 680C的
橡
塑 ⑵ 对n个因子的三水平试验设计，即3n因子的试验
材
料
设计一般选用L9（34）、L27（313）正交表。
与
工 实验号
A
B
C
D 试验结果
程
教
1
1
1
1
1
育
2
1
2
2
2
部
重
3
1
3
3
3
点
实
4
2
1
2
3
验
5
2
2
3
1
室
6
2
3
1
2
青
岛
7
3
1
3
2
科
技
8
3
2
1
3
大
学
9
3
3
2
1
16
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橡 塑
5、抛物线法Y=aX2+bX+c
材
料 与
如果希望得到更精确的结果，可应用抛物线法。
工 程
这种方法是利用做过试验后的3个数据，作此3点的
教 抛物线方程：
育
部
重 y = y1 (x-x2)(x-x3) / (x1-x2)(x1-x3) + y2(x-x1)(x-x3) /
点 实
(x2-x1)(x2-x3) + y3(x-x1)(x-x2) / (x3-x1)(x3-x2)