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1、高分子材料与工程综合实验（橡胶）上海工程技术大学化学化工学院高分子材料与工程系二O一O年七月十八日目 录实验一、橡胶的配方设计. 1实验二、橡胶的塑炼 . 7实验三、橡胶的混炼 . 11实验四、橡胶硫化曲线的测定 . 16实验五、橡胶的力学性能. 22实验六、 橡胶的磨耗性能. 27实验七、功能性橡胶的制备. . 33实验一 橡胶的配方设计本实验属于设计性实验。一、实验目的要求学生按照橡胶的使用条件和性能要求的不同，进行橡胶的配方设计。熟悉橡胶各种配方的换算。二、胶料配方组成硫化胶料一般是由橡胶和各种配合剂组成。根据配方要求不同，而有不同的橡胶品种和配合剂的选用和用量配比。配方组成通常包括基本
2、配合组成、常用配合组成和特殊配合组成三类。配方中除橡胶弹性体及其并用物外，配合剂基本配合组成必须包含有硫化剂、促进剂、活性剂和补强剂（炭黑）、软化剂。常用配合组成除基本配合组成外，尚包含耐热、氧、臭氧、防老剂、白色补强剂、填充剂、分散剂、填料活性剂和偶联剂等。特殊配合组成则添加某些特殊性能要求的配合材料如交联剂、抗静电剂、紫外线吸收剂、防霉剂、阻燃剂和增粘剂。基本配方中一般配合剂组成不多，特别是对生胶性能鉴定的基本配方，要求少受配合剂的干扰，性能反应敏感。如天然橡胶鉴定配方为：生胶100，硫黄3，氧化锌5，促进剂M 0.7,硬脂酸 0.5。合成橡胶使用的基本性能鉴定配方因胶种不同而异。基本配方
3、至少包括生胶、硫化剂、促进剂、活性剂、补强剂、软化剂、防老剂。合成橡胶因在制造过程中已加有稳定剂，可不需添加防老剂。配方以生胶为100份（质量），其它配合剂用量相应地都以质量数来表示。基本配方通例组成为：生胶100，硫黄1.0-2.5，促进剂0.5-1.5，氧化锌3-5，硬脂酸0.5-2.0，炭黑40-50，防老剂0.25-1.5。 以下是橡胶中常见配合剂介绍。 常见硫化剂：硫磺；硫化促进剂：常采用两种促进剂：不同的促进剂同时使用，是因为它们的活性强弱及活性温度有所不同，在硫化时将使促进交联作用更加协调，充分显示促进效果；助促进剂：即活性剂，在炼胶和硫化过程中起活化作用；防老剂：多为抗氧剂，用
4、来防止橡胶大分子因加工及其后的应用过程的氧化降解作用，以达到稳定的目的；填充剂：多为碳酸钙，有增容降成本作用，其用量多少也影响制品的硬度和力学强度；机油：作为橡胶软化剂，可改善混炼加工性能和制品柔软性。三、胶料配方设计 根据橡胶配方设计的目的和要求，一般配方设计应遵守以下技术原则：1. 针对性： 经调查研究分析判定制品的使用条件和性能要求，正确制定合理的性能指标。然后进行有针对性的设计试验，合理选用胶种和需用的配合剂种类与用量，并巧妙地运用各种并用技术，以发挥最大效用。2. 考虑主要性能而兼顾综合性能：根据制品的合理性能指标，首先满足其主要性能要求如强度、模量、磨耗、弹性、生热、屈挠疲劳和老化
5、等各种性能，对产品而言哪一种或几种性能为主要的，首先设计试验突破解决，同时考虑其它性能的综合平衡，不能偏废。3. 整体配合：一般橡胶制品多由几种部件复合而成，因此在部件胶料配方设计时，既要考虑该部件胶料本身的性能要求，还须重视所有部件在性能上和加工工艺上的相互匹配，以获得最佳的整体配合效果。4. 橡胶配合剂及其间的相互作用：就是要注意橡胶、配合剂各自内在的联系和彼此间的相互作用，是相互抑制还是有加和作用或协同效应。5. 适应性和安全性：胶料配方设计要考虑当前的生产工艺过程和设备条件，必须适应这些生产条件，否则尽管性能优良，仍不能满足工艺和设备条件，须重新设计试验。同时还须注意胶料加工操作的安全
6、性。在配方设计中还须考虑以下两方面的配合技术： 1. 胶料配合要满足加工要求：(1) 粘度控制：对于原料聚合物品种类型，正确选择粘度水平以保证满意的混炼和加工特性是重要的。聚合物的粘度水平一般以门尼粘度表示。标称门尼粘度为50是普通的一种。对容易混和加工高填充剂量或海绵生产则需门尼粘度30；若为配制加工需要一定水平的未硫化胶强度，粘度为100的，则用油稀释。(2) 对开炼机的粘附：在开炼机混炼、出片或压延机出片作业时，会有胶料粘附辊筒表面问题，需要有利于隔离的添加剂，而脂肪酸或其衍生物，微晶腊或低分子量聚乙烯是有用的添加物，可用以控制该粘附作用。但在丁腈橡胶中要小心使用，因有限的相容性会产生喷
7、出或胶料缺乏聚结的问题。(3) 早期硫化或“焦烧”的避免：硫化体系设计可实用的胶料快硫化速度易受一定限制。除成本外，混炼和加工期间由于产生热会引起早期硫化或焦烧问题。因此，需要延迟作用的硫化体系，以使过早硫化最少化。对天然橡胶或丁苯橡胶，硫黄硫化广为使用次磺酰胺类促进剂。 2. 对硫化胶性能的配合： (1) 硬度与模量：提高橡胶的硬度与模量，可在橡胶中添加颗粒填料；降低硬度，可使用软化剂和增塑剂。 (2) 弹性：天然橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶等硫化胶有高的回弹性，配入颗粒填料会逐渐降低回弹性，特别使炭黑和白炭黑作用更为显著。 (3) 强度：使用伸张结晶的橡胶如天然橡胶、氯丁橡胶在相对低硬度下易获
8、得最高拉伸强度；其它如丁苯橡胶、顺丁橡胶和丁腈橡胶纯胶强度低，要求加入细粒子补强材料，以产生最大强度且提高伸长模量和硬度。 (4) 耐磨：一般配入较小粒子炭黑如高耐磨炉黑、中超耐磨炉黑等橡胶的耐磨性会提高，适宜量为50份；非炭黑填料也相似，补强白炭黑最好耐磨性是粒径20nm。以天然橡胶、丁苯橡胶为基础硫化胶，并用少量顺丁橡胶，耐磨性可得到相当的改善。 (5) 抗撕裂：补强白炭黑可给予橡胶高撕裂强度，白炭黑优于补强炭黑。四、各种配方的换算 橡胶配方组成和不同表示方式以简明配方例子说明于下表。基本配方多用于实验室试验，根据试验需用胶量而计算得到实际配合用量。质量百分数配方是以总胶料的含胶率和预算配
9、方的成本。体积百分数配方，以胶料总体积为100，生胶和各配合剂都以体积百分数来表示，是按基本配方中各组成的质量份数分别除以相应组成的相对密度而得其相应体积，然后以总体积为100，再按比例求得各组成的体积。生产配方就是根据生产炼胶设备要求的投料配方，按照炼胶设备的容许容量，从基本配方质量份数计算而得。表 1 橡胶配方的组成和四种表示方式 名称组分基本配方/份（质量）质量百分数配方/% （质量）体积百分数配方/% （体积）生产配方/kg橡胶10063.4977.2620.00硫黄2.751.740.990.55促进剂0.750.480.380.15氧化锌5.003.170.651.00硬脂酸3.0
10、01.912.210.60防老剂1.000.630.610.20炭黑45.0028.5817.909.00合计157.50100.00100.0031.50橡胶的配方设计实验一 实验记录及报告班级： 姓名： 学号： 同组实验是： 实验日期： 指导教师签名： 评分： （实验过程中，认真记录并填写本实验数据，试验结束后，送交指导教师签字）一、实验数据记录（1）试样原材料名称： ；（2）实验温度： ；（5）实验湿度： ；（6）仪器型号： ；（7）生产厂商： 。二、回答问题及讨论1、请写出天然橡胶的基本配方，并指出各助剂的作用。2、基本配方、质量百分数配方、体积百分数配方和生产配方的含义是什么？实验二
11、 橡胶的塑炼本实验属于综合性实验。一、实验目的 掌握天然橡胶塑炼加工全过程，并了解塑炼的主要机械设备，如开炼机的基本结构，掌握该设备的操作方法。二、实验原理橡胶加工工艺对生胶可塑度有一定的要求。不同种类的生胶其原始可塑度不同，不同用途的混炼胶要求其塑炼胶的可塑度也不同。橡胶可塑性与胶料性能有密切关系。总之，塑炼的目的就是要满足混炼胶工艺性能和制品性能对生胶可塑度的要求。尽管近年来大多数合成橡胶和某些天然胶在制造过程中控制了生胶的初始可塑度，塑炼任务已大为减轻，但是，严格来说经过充分塑炼的橡胶是一种改性橡胶，在混炼时能与活性填充剂和硫化促进剂发生化学反应，对硫化速度和结合凝胶生产量产生一定影响。
12、生胶经过塑炼后质地均一，对硫化胶力学性能也有所改善。因此，塑炼仍是橡胶加工中一项具有重要意义的工艺。其基本原理如下：1. 塑炼中断链理论 橡胶可塑度与其分子量有密切关系。分子量越小，粘度越低，而可塑度越大。实践证明，在塑炼中生胶可塑度的提高是通过平均分子量的降低来获得的。可以说塑炼实质上就是使橡胶分子链断裂，大分子长度变短的过程。影响橡胶分子链断裂的因素有：机械作用、氧的作用、塑解剂的作用、温度的影响。2. 低温与高温机理 生胶在塑炼时的分子链断裂，是一种复杂的物理-化学反应。机械力、氧、电、热和化学增塑剂等因素的作用都与此有关，其中起主要作用的是氧和机械力，而且两者相辅相成。根据温度对塑炼全
13、过程影响，可将塑炼归纳为低温塑炼和高温塑炼两种，前者以机械力作用为主，属机械-化学反应，氧起稳定游离基的作用；后者以自动氧化作用为主，属热-氧化反应，机械作用是增加橡胶与氧的接触。3. 塑炼中的凝胶化反应 在塑炼过程中，机械作用使橡胶大分子链断裂，生产游离基团，与氧和其他低分子物质相互结合后生胶粘度下降产生塑炼效果。但是机械作用使橡胶大分子断连产生的游离集团末转移到低分子物上，而相互之间再结合产生类似交联的反应，那么生胶的粘度反而会更明显上升，这种现象即称为凝胶化反应。凝胶生成量与天然胶生胶初始分子量有关。它随分子量增大而增加。为了保证塑炼效果，应研究凝胶化反应一般机理，防止有害的凝胶化反应大量产生。4. 塑炼胶的粘着性问题 塑炼对加工性能的贡献不仅表现于能降低橡胶粘度，而且表现于能增加橡胶粘着性，这对制品的加工成型尤为重要。研究表明，橡胶年度的降低，主要归因于橡胶大分子链的断裂，而粘着性的增加则主要归因于机械力使橡胶大分子链的断裂后产生的氢过氧化物。
