橡胶基本知识

§橡胶基本知识
一、定义
橡胶又称弹性体，弹性高分子材料的总称，分子量在20000~10000000之间。

目前橡胶有近四十种（一万多种牌号）。

二、特性
橡胶具有易加工、易成型，在相当宽的温度范围内具有高弹性、高物理机械性能和耐特殊介质性能等。

三、分类
1、按生产来源可分为天然橡胶和合成橡胶。

2、按用途可分为通用橡胶（NR、SBR、BR、CR、IIR）、特种橡胶（NBR、SIL、FKM、ACM、ECO、PU、CSM、AFLAS）和热塑性弹性体（TPU、SBS、TPS、TPEE等）。

3、按分子结构可分为不饱和橡胶和饱和橡胶。

英文缩写号中带“BR”为不饱和橡胶（丁二烯），分子链上有双键，橡胶不饱和度越大，硫化速度越快。

4、按分子排列和结构可分为极性（耐油、半导电）和非极性橡胶（绝缘）；结晶型和非结晶型橡胶。

四、主要橡胶性能与用途
1、NBR（Nitrile-Butadiene Rubber）丁腈橡胶，由丙烯腈（Nitrile，CH2=CH-CN）与丁二烯（Butadiene，CH2-CH-CH-CH2）的聚合物。

1）属于非结晶性橡胶，比重为1.00~1.20g/cm3，纯胶扯断强度及撕裂强度很低，仅在3~4.4Mpa（兆帕），没有使用价值。

但用炭黑补强的NBR扯断强度可达24.5~30Mpa（兆帕），配合工艺对NBR使用影响很大。

2）优点
a、耐油性能优良，丙烯腈含量越高耐油性越好，其耐油性仅次于ACM、FKM，而优于其它通用橡胶。

但对芳香烃油及氯化烃油类抵抗能力较差。

b、气透性小，气密性仅次于丁基橡胶，而优于其它通用橡胶。

c、耐热、耐老化、耐磨性能优于天然橡胶。

d、可与其它各种橡胶并用，改善加工性能。

3）缺点
a、弹性、耐寒性较差，丙烯烃含量越高，弹性越差，耐寒性越差。

b、电绝缘性差（是各种橡胶最差者）。

c、耐臭氧性能不好。

d、耐酸性差。

它最不能抵抗硝酸，浓硫酸，但耐碱性比天然橡胶好。

4）主要用途
制造油封皮碗，O形密封圈，耐油胶管，石油配件，机械运转，往复耐油密封等。

2、EPDM（Ethylene-Propylene-Diene-Monomer）三元乙丙烯橡胶，由乙烯（Ethylene CH2-CH2）与丙烯（Propylene CH2-CH-CH2）的聚合物。

1）分子内没有极性取代基，属于非结晶型橡胶，比重为0.86~0.87g/cm3，是所有橡胶中比重最轻。

2）优点
a、耐老化性能优异，抗臭氧性能特别好，含臭氧PPHm超过2430h仍不龟裂。

在阳光下曝晒3年不见裂缝，而天然橡胶150天出现大的裂口，丁苯橡胶5天即发生裂口，70天断裂。

b、耐化学腐蚀——对酸碱有较大的抗耐性。

c、电绝缘性能优良——还能适用于45~65KW高压场合。

d、冲击弹性和耐寒性能好——回弹率可达50~60%，仅次于顺丁橡胶和天然橡胶，
而且在低温下的弹性保持较好，零下57摄氏度变硬，零下77摄氏度变脆。

3）缺点
a、硫化速度慢，比一般合成橡胶慢3~4倍，和其它不饱和橡胶并用困难，自粘性和互粘性差。

b、工艺加工性能不好。

4）主要用途
制造电线、电缆、门窗密封条、胶管、防水卷材、耐制动液刹车皮碗、电绝缘零件等。

3、MVQ（Silicone Elasfomer。

Q）硅橡胶，又称矽橡胶，主键由硅（Si）—氧（O）结合硅氧烷（Siloane）合成的橡胶。

1）硅橡胶中二甲基硅橡胶（应用最广）和甲基乙烯基硅橡胶为通用型，苯基链节在5%以下的甲基苯基硅橡胶为耐寒型；苯基链节达12%的甲基苯基硅橡胶为耐燃型；甲基苯基乙烯基硅橡胶为耐油性型。

2）优点
a、具有较好的耐热性能。

b、顺柔性较好，既耐高温又耐严寒，温度范围最广（-100~300℃）。

c、具有十分优异的耐臭氧老化性能、耐热氧老化性能、耐光老化性能和耐天候老化性能以及良好的电绝缘性能等。

3）缺点
a、常驻温下其硫化胶的抗张强度、撕裂强度和耐磨耗性能比其它橡胶低很多。

b、价格比较贵。

4）主要用途
军事及航空航天工业的密封减震、电绝缘材料和涂料，以及应用于医疗卫生制品。

4、FKM氟橡胶，即分子中含有氟元素（Fluorin）的橡胶。

1）分为凯尔型（Kelf）和维通型（Viton）氟橡胶，属于结晶性、饱和、极性的橡胶，需用过氧化物、有机胺类及其衍生物来硫化。

2）优点
a、具有良好的耐高温性、耐热性、耐臭氧老化性、耐化学腐蚀性和耐油性。

b、具有很好的气密性（与丁基橡胶相近）。

c、具有耐高真空负压和耐辐射性。

3）缺点
a、耐寒性较差。

b、价格比较贵。

4）主要用途
现代尖端技术及工业部门的耐高温、耐油、耐腐蚀、耐高真空和耐辐射等密封和防护制品。

5、其它常见橡胶的性能
1）CR（Chloroprene Rubber）氯丁橡胶，氯和丁二烯（Chloroprene，CH2-C=CH-CH2）的聚合物。

耐热性好，耐油、耐臭氧，动态物性佳。

2）ACM（Polyacrylate Rubber）亚克力橡胶，丙烯酸（Alky1。

Ester）与2-chloro Ethyl Vinyl Ether的共聚物。

耐油性佳，仅次于FKM，耐热性好。

3）HNBR（Hydrogenation-Nitrile-Butadiene-Rubber）氢化丁腈橡胶，耐热性、耐油性都比普通NBR好，同时耐热蒸汽性能极好。

4）FLUOROSILECONE氟素硅橡胶，性能兼备氟橡胶和硅橡胶，价格昂贵。

5）ECO聚醚橡胶，耐高低温，耐油、耐候性佳。

6）IIR（Isobutylene-Isoprene-Rubber）丁基橡胶，由异丁烯（Isobutylene）与橡
胶基质（Isoprene）的聚合物。

耐热蒸汽性良好，气密性最好，耐候性佳。

7）BR（Butadiene Rubber）聚丁二烯橡胶
8）SBR（Styrene Butadiene Rubber）丁苯橡胶，由丁二烯（Butadiene，CH2-CH-CH-CH2）与苯乙烯（Styrene，C6H5-CH2）的聚合物。

9）IR（Isoprene Rubber）聚戊二烯橡胶，又称人造天然橡胶，为Isoprene橡胶基质的聚合物。

10）CSM氯磺化聚乙烯橡胶，在聚乙烯中导入SO2和CL2生产的橡胶。

11）NR（Natural Rubber）天然橡胶，是从自然界的植物中采集的一种高弹性物质，目前世界总产量的98%以上来自巴西橡胶树。

12）RR（Reclaimed Rubber）再生橡胶，又称还原橡胶。

五、橡胶的硫化原理及常用硫化剂
1、橡胶硫化是线性分子结构的橡胶在特定条件下转变成空间网状结构的化学反应过程。

也称为“交联”。

2、常用的硫化剂有硫磺、硫磺给予体、金属氧化物、有机过氧化合物、酚醛树酯、醌类和多元胺类等。

因为硫、氧分子键能较稳定，而且分子结合键对称性好，很容易与链式橡胶结合。

结合后的结构呈六边网状空间结构，能保持橡胶原来的弹性，同时结构相当稳定。

3、热塑性弹性体是介于橡胶和塑料之间的一种新高分子材料。

其加工性与塑料相同，不必用硫化剂交联，只是热塑定型。

但是又不同于塑料，定型后会有弹性。

六、橡胶分子结构与橡胶物性的关系
1、一般说来，橡胶分子量大，胶料目尼粘度高；加工困难；分子量小，目尼粘度小，容易加工。

2、橡胶分子结构中含有极性基（氰基、卤素基、酯基和硅基等），耐油、半导电。

3、橡胶分子键能越大，越耐高温；分子键能越小或分子链柔顺性越高，耐低温
性越佳。

4、橡胶分子分布越宽，物理性能越差，加工性能越好；反之，分子分布越窄，
物理性能越好，加工性能越差。

七、橡胶中的配合剂及其主要功能
橡胶配方体系分为：原材料、填充补强、软化分散、防护和硫化五大体系。

◆原材料：确定制品的用途。

◆填充补强：在一定限度可以提高胶料物理性能，同时可降低成本。

（有的胶料
必须填充补强剂。

如：SILECONE)
◆软化分散：在胶料中起到分散各种配合剂的作用，同时有软化的功效。

（特
别在高填充的橡胶中尤其重要。

）
◆防护体系：橡胶在常态环境下，几乎所有的橡胶都存在被氧化或被辐射而丧失
原有的性能，开裂、变硬、变色等影响制品使用性能和使用寿命，添加剂加一些
胺类或酚等类化合物，延缓橡胶老化。

◆硫化体系：在橡胶工艺中尤其重要。

硫化体系直接影响到制品的各项物性，同
时直接影响到橡胶的加工和操作。

可分为活化、硫化和促进。

八、硫化体系与橡胶物理性能
不同的硫化体系导致橡胶的动态物性会大不一样，大概有以下规律：
1、硫磺硫化的橡胶抗拉强度最好，制品硬度大，刚性好。

耐热性差。

2、分子间含有多硫键，制品压缩变形大，硫化速度快。

3、有机过氧化合物、醌类和多元胺类硫化剂硫化的制品，耐热性能相对较好，压缩变形率小，但动态物性一般。

4、硫磺只能硫化不饱和类橡胶；金属氧化物基本用于CR（W型）；有机过氧硫化剂
使用最广，饱和类橡胶几乎都适用。

九、目前判定橡胶是否完全硫化的方法：
1、依据硫变TC90的时间与实际加工的时间对比，如果温度条件不同，可按温度上升或下降8℃，所需硫化时间相对缩短或延迟1倍。

2、进行动态拉伸测试，以拉伸强度和伸长率可判定是否完全硫化。

3、影响橡胶硫化不足主要是硫化条件（温度、时间和压力）不能满足橡胶硫化和架桥剂使用不当或架桥剂量不足。

4、橡胶硫化历程图如下：
5、硫变图的判读
1）硫变图实例演示
照以下步骤可以推算TC50时间
a、100%硫化所需拥有的扭力矩：M H－ML=12.43－2.86=9.57
b、50%硫化所需拥有的扭力矩：100%硫化所需拥有的扭力矩×50%=9.57×50%=4.785
c、TC50对应纵轴的值：ML＋50%硫化所需拥有的扭力矩=2.86+4.785=7.645
d、沿纵轴的值7.645位置画一条水平线至硫变图交点，再由交点向横轴画一条垂直线，可以取得TC50时间为1.35Min，即1.35Min×60秒/Min=81秒。

2）硫变图认知
a、直轴的意义：代表每英吋(2.54CM)所对应的扭力值，是以英磅(450g)为单位；横轴的意义：代表时间的长短；综合代表的意义就是橡胶在不同的时间点，所相对应呈现出的扭力值。

b、ML：橡胶最低的扭力值：所呈现的意义就是当时的时间点，橡胶是呈现最液体的状态，最没阻力，也是流动性最佳的状态；MH：橡胶最高的扭力值：所呈
现的意义就是当时橡胶是呈现固体的状态，也是毫无流动性，且有些橡胶会随着时间的加长，而不断升高，例如EP，所以EP的MH判读需将时间先固定，否则会产生不同点的TC90 有些怎不太会持续升高，而呈现水平状例如NBR。

c、TS2：ML+2英磅扭力的时间点，在橡胶中代表模具中橡胶已经由液体变为固体，如这时橡胶没有充满模具中每一各空间，则成型后将会有缺料或流动不到位的现象发生，所以也称焦烧时间，表示橡胶已不再产生流动化学变化点。

d、TC90：胶料已经达90%熟成，其计算是由（M H－M L）÷10×9＋ML扭力时所花费的时间跟温度点，时间跟温度成反比，温度越高时间越短，算法是硫磺系统温度提高10℃，时间将缩短一半，反过来温度降低10℃，将需要增加一倍的硫化时间，而过氧系统则是三的倍数，升降10℃，时间则增加三倍或降为三分之一。

e、硫变机所测出的数值是以2MM厚度为准，适用于3mm以下成品，如成型是3mm以上则需增加加硫时间，或调高温度去修正生产，原则以3mm为基准，6mm 者时间加倍。

f、如何以科学化的数据去试新料的成品生产数据及模式-要使用以下的硫化图来做最佳的判断。

a）由上图我们可看出温度是以175℃为测试温度，测试时间3分钟，硫磺系统b）ML值是2.86时间大约是48秒
c）MH值是12.43时间大约是162秒
d）TS2是73秒在4.86位置TC90是100秒在11.47位置
如果我们有以上数据要试作一个厚度在3mm以下成品我们要如何决定时间跟温度的搭配呢？
先决定我们这各成品要在机台做到几分熟成，假定要做到TC50也就是50%熟成
位置为12.43－2.86=9.57(100%熟成的间距)×50%=4.785+2.86=7.645，只要找到纵轴7.645画一直线跟曲线图交叉位置，在从交叉点往下划一垂直线跟时间点相交的位置即是我们所需以175℃加硫所需耗费的时间，如图是81秒，那如果要用165℃加硫，也是50%熟成度是需要用几秒 81秒×2=162秒，要是185℃是几秒 81÷2=40.5秒也是完成一样的熟度。

如果这只料试过氧要完成一样条件，只是更改温度则165℃时是81秒*3=243秒，185℃时是81÷3=27秒即可完成相同加硫条件。

未成熟条件的补足：如我们橡胶要完成到90%则有40%未完成，从图可看出要完成90%需要100秒，我们做了81秒，相差19秒可从二烤补足，19秒*175℃=39秒*165℃=78秒*155℃=156秒*145℃=312秒*135℃=624秒*125℃=936秒*120℃，以上是补足到90%最少所需时间；100%依照以上算，这是硫磺系统所用。

过氧系统，无法以一般二烤箱作补足动作，只能尽量在一次加硫时尽量以TC90为加硫时间，否则是无法补足加硫不足问题，因为过氧加硫只能在无氧状态下产生加硫，空气中有氧所以无法达到加硫目的。

过氧加硫温度的限制：基本温度171℃，过氧加硫剂第一分钟效用一半，第2分钟剩下一半的要量在产生一半的作用，第3分钟剩下的四分之一的药效在产生一半的作用，依此类推
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10分钟50% 75% 87.5% 93.75% 96.875% 98.4375%……………………..……….
所以以171℃加硫过氧在5分钟后还有3.125%的促进剂残留在橡胶中未发生作用，以181℃加硫数度加快3倍在1分钟后只剩12.5%，2分钟只剩1.5625% 促进剂残留，所以这就是为何过氧要用高温加流的原因，而二烤只是要将残留促进剂挥发掉及增加一点橡胶耐热记忆，对橡胶加硫本生并无产生作用，如用161℃加硫请各位想一想，要几分钟才有办法将促进剂发生作用？（答案：18分钟）
十、橡胶制品收缩率
1.序言
胶料在加热硫化时，胶料内部发生形变和交联，由此而产生的应力，被硫化过程所固定。

在硫化胶料冷却过程中，应力趋于消除，制品的线性尺寸也成比例地缩小。

故在设计模具模腔尺寸需相应加大，加大的比例即为模压制品橡胶缩水率或称模压制品胶料收缩率，简称橡胶（胶料）收缩率。

收缩率的单位一般采用百分比表示。

2.橡胶收缩率变化因素
影响橡胶收缩率的因素很多，诸如橡胶的热膨胀；制品结构形式、壁厚、有无金属或其他非金属嵌件；制品含胶量；硫化温度；胶料致密度以及硫化工艺等因素。

1）橡胶收缩率随硫化制品含胶量的增大而增大，如图示：
含胶量
2）橡胶收缩率随硫化后橡胶硬度增加而呈马鞍形曲线变化，如图示：
3）橡胶收缩率与硫化温度的关系曲线，如图示：
4）橡胶收缩率与半成品胶料质量的关系，如图示：
实线为半成品胶料质量大于制品质量5%
虚线为半成品胶料质量大于制品质量20%
3.胶料收缩率的规律性
1）硫化温度越高，收缩率就越大，一般情况下，温度以超过正硫化点温度为界，每升高10摄氏度，其收缩率就增大0.1%—0.2%。

2）胶料压延方向和在模具中流动方向的收缩率大于垂直方向的收缩率。

3）模具模腔半成品胶料装入量越多，制品致密度越高，收缩率就越大。

装胶量以大于制品质量5%-10%为宜。

4）胶料可塑性越大，其收缩率越小；胶料硬度越高，收缩率越小（高硬度例外）。

5）填充剂用量越多，收缩率越小；含胶量越高，其收缩率越大。

6）多孔模腔的模具，中间模腔硫化的制品收缩率比边缘模腔硫化的制品收缩率大。

7）注压法硫化的制品收缩率比一般模压法硫化的制品收缩率稍小。

8）薄形制品（断面厚度小于3MM）的收缩率比厚制品（10MM以上）收缩率大0.2%—0.6%。

9）一般橡胶制品收缩率随制品的内外径和截面的增大而降低；同规格的圆截面和方截面胶圈其收缩率相近似；同类型胶料收缩率相近似；不同类型橡胶收缩率的顺序是氟橡胶最大，硅橡胶次之，其次是三元乙丙橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶最小。

10）棉布经涂胶后与橡胶分层贴合夹布制品的收缩率一般为0-0.4%；夹涤纶线
制品收缩率一般为0.4%-1.5%；夹绵纶丝、尼龙布制品收缩率一般为0.8%-1.8%。

夹层织物越多收缩率越小。

11）衬有金属嵌件的橡胶制品收缩率较小，且朝金属方向收缩，一般为0-0.4%。

单向粘合制品为0.4%-1%（如骨架油封）。

12）硬质橡胶（邵尔硬度90以上）含胶量约在20%时，制品收缩率一般为1.5%
左右。

13）硬质橡胶的螺距设计时，不能按钢制螺纹公差设计，橡胶螺纹的螺距为
2-5MM时的螺纹配合间隙，要求松动0.2-0.4MM；螺纹长度不宜过长，一般不超
过50MM。

十一、影响密封橡胶制品性能的自身主要因素：制品的硬度、尺寸、永久压缩变
形率、抗拉强度和材质等。

1、硬度关系到制品密封抗压能力。

要求抗压高制品硬度相应要高。

硬度主要由
胶料中各种配合材料决定，和交联程度也有一定关联。

2、制品的尺寸直接影响密封性能。

尺寸导致拉伸量、压缩率的变化，影响密封性。

影响尺寸的主要因素是材料的线性收缩率和制造过程中的径向收缩率。

3、永久压缩变形率直接影响制品的使用寿命，变形率越高，制品疲劳松弛越大，
使用寿命会很短，导致密封性能下降而泄露。

在密封制品中压缩变形率是最重要
的控制指标。

变形率的大小主要取决于材料本身和交联程度，硫化不足或过硫都
严重影响压缩变形率。

4、抗拉强度（特别是定伸抗拉强度）直接影响制品的拉伸变形。

对动态制品尤
其重
4、抗拉强度（特别是定伸抗拉强度）直接影响制品的拉伸变形。

对动态制品尤其重
要。

抗拉强度的大小主要由材料的搭配、交联程度和炼胶工艺。

5、不同的密封制品在选材时相当重要，用错料或混用料直接影响制品的使用性能。

总之，制品硬度高，尺寸相对稳定，压缩变形率大；制品硬度低，制品收缩率大，压缩变形较小。