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1、 Key Lab of Rubber-Plastics (Qingdao University of Science and Technology) Ministry of Education, China Key Lab of Rubber-Plastics (Qingdao University of Science and Technology) Ministry of Education, China橡橡 胶胶 配配 方方 设设 计计Rubber Formula Design 肖肖老师老师 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院, , 青岛科技大学青岛科技大学橡胶配方设橡胶配方设计课
2、程目的及意义：橡胶配方设计课程目的及意义：提高橡胶制品的质量；提高橡胶制品的质量；改善加工工艺；改善加工工艺；配合体系的生产及研究；配合体系的生产及研究；橡胶加工设备及测试仪器；橡胶加工设备及测试仪器；成本分析；成本分析；计算机应用等。计算机应用等。理论指导理论指导 实践应用实践应用橡胶配方设计橡胶配方设计橡胶配方设第一章第一章 橡胶配方设计的基本概念橡胶配方设计的基本概念 第二章第二章 橡胶配方设计原理橡胶配方设计原理第三章第三章 特种橡胶与功能性橡胶的配方设计特种橡胶与功能性橡胶的配方设计 第四章第四章 配方设计优化方法配方设计优化方法 第一节第一节 单因素变量设计单因素变量设计 第二节第
3、二节 多因素变量设计多因素变量设计第一节第一节 配方设计与硫化胶物性的关系配方设计与硫化胶物性的关系第二节第二节 配方设计与工艺性能的关系配方设计与工艺性能的关系 第三节第三节 橡胶配方设计与成本的关系橡胶配方设计与成本的关系 橡胶配方设目的和要求：目的和要求：了解橡胶配方设计的定义、特点。了解橡胶配方设计的定义、特点。掌握配方设计的原则和表示方法。掌握配方设计的原则和表示方法。学会计算材料的含胶率、密度、成本。学会计算材料的含胶率、密度、成本。了解橡胶产品的种类、结构，对橡胶制品的使用了解橡胶产品的种类、结构，对橡胶制品的使用条件和加工条件有所了解。条件和加工条件有所了解。掌握原材料的特性及
4、配合规律。掌握原材料的特性及配合规律。掌握胶料加工及物性检测方法及数值大小对性能掌握胶料加工及物性检测方法及数值大小对性能的影响。的影响。橡胶配方设 一一、 所所谓谓橡橡胶胶配配方方设设计计，就就是是根根据据橡橡胶胶产产品品的的性性能能要要求求和和工工艺艺条条件件合合理理选选用用原原材材料料，确确定定各各种种原原材材料料的的用用量量配配比比关关系系，使使得得胶胶料料的的物物性性、工工艺艺性和成本性和成本三者取得最佳平衡。三者取得最佳平衡。processabilityWet Grip湿地抓地Rolling Resistance滚动阻力Abrasion Resistance耐磨Mechanical
5、 propertycost第一节第一节 橡胶配方设计的定义橡胶配方设计的定义橡胶配方设二橡胶配方设计特点二橡胶配方设计特点 因子：因子：统称影响胶料性能指标的因素为因子，统称影响胶料性能指标的因素为因子， 如原材料、工艺等。如原材料、工艺等。 水平：水平：每个因子可能处于的状态，水平可以是每个因子可能处于的状态，水平可以是 原材料的品种、用量或工艺参数等。原材料的品种、用量或工艺参数等。 1 1橡胶配方设计是多因素的试验问题橡胶配方设计是多因素的试验问题; ; 2 2橡胶配方设计是水平数不等的试验问题橡胶配方设计是水平数不等的试验问题; ; 3 3橡胶配方中各种原材料之间的交互作用强烈橡胶配方
6、中各种原材料之间的交互作用强烈; ; 4 4工艺因素有时对橡胶配方设计起决定性作用工艺因素有时对橡胶配方设计起决定性作用; ; 5 5橡胶配方设计中尽力排除试验误差橡胶配方设计中尽力排除试验误差; ; 6 6配方经验规律与统计数学相结合。配方经验规律与统计数学相结合。橡胶配方设三、橡胶配方设计的原则与程序三、橡胶配方设计的原则与程序 1 1、原则：、原则： 配配方方设设计计人人员员应应用用理理论论知知识识，用用最最少少的的物物质质消消耗耗，最最短短的的时时间间，最最少少的的工工作作量量，通通过过科科学学的的橡橡胶胶配配方方设设计计方方法法，掌掌握握原原材材料料配配合合的的内内在在规规律律，设设
7、计计出出实实用用配配方方，使使制制品品的的性性能能、成成本本和和工工艺艺可可行性行性等方面取得最佳的综合平衡。等方面取得最佳的综合平衡。 2 2、程序：、程序： 基础配方：原材料试验鉴定基础配方：原材料试验鉴定 性能配方：针对性能指标制定的配方性能配方：针对性能指标制定的配方 实用配方：经验证符合要求的配方实用配方：经验证符合要求的配方 生产配方：投入生产使用的配方生产配方：投入生产使用的配方橡胶配方设四、橡胶配方的组成及表示方法四、橡胶配方的组成及表示方法 橡橡胶胶配配方方简简单单地地说说，就就是是表表示示生生胶胶和和配配合合剂剂用用量量配比表。表示方法：配比表。表示方法： 1.1.质质量量
8、份份数数表表示示：以以生生胶胶分分数数为为100100，其其余余配配合合剂剂相相应质量份数表示。应质量份数表示。2.2.质质量量百百分分数数：以以混混炼炼胶胶料料总总质质量量为为100100，生生胶胶和和配配合剂所占比例数来表示。合剂所占比例数来表示。3.3.体体积积百百分分数数表表示示：即即以以胶胶料料的的总总体体积积为为100%100%，将将基基本本配配方方中中生生胶胶及及各各种种配配合合剂剂的的重重量量分分数数分分别别除除以以各各自自的相对密度，求出体积份数。的相对密度，求出体积份数。4.4.符符合合生生产产使使用用要要求求的的质质量量配配方方称称为为生生产产配配方方，取取炼炼胶胶机机的
9、的装装胶胶量量Q Q除除以以基基本本配配方方总总质质量量即即得得换换算算系系数数，乘以基本配方中各组分的质量份，即得实际用量。乘以基本配方中各组分的质量份，即得实际用量。橡胶配方设举例：摩托车胎配方：采用密炼机炼胶，总装胶量为举例：摩托车胎配方：采用密炼机炼胶，总装胶量为40kg配合剂配合剂 质量份数质量份数 质量百分数质量百分数 生产配方生产配方 密度密度 价格价格 NR 60 30 12kg 0.92 20 SBR 40 20 8kg 0.95 18 ZnO 5 2.5 1kg 5.57 25 SA 2 1 400g 0.92 10 促促CZ 1 0.5 200g 1.32 20 促促M
10、1 0.5 200g 1.42 25 防老防老4010NA 1.5 0.75 300g 1.17 28 防防RD 1.5 0.75 300g 1.02 18 N660 50 25 10kg 1.8 7 CaCO3 25 12.5 5kg 2.6 0.6 机油机油 5 2.5 1kg 0.93 5 固马隆固马隆 6 3 1.2kg 1.06 6 S 2 1 400g 2.05 2.5 合计合计 200 100 40kg作业：求出混炼胶的密度和成本橡胶配方设生产配方组成：生产配方组成：1)1)胶料用途胶料用途2)2)胶胶料料的的名名称称及及代代号号，生生胶胶及及各各种种配配合合剂的用量剂的用量3)
11、3)合计（计算密度、含胶率、成本）合计（计算密度、含胶率、成本）4)4)工艺条件工艺条件5)5)物理机械性能物理机械性能橡胶配方设原材料应用原材料应用加工工艺加工工艺使用性能使用性能产品结构产品结构五、橡胶配方设计影响因素五、橡胶配方设计影响因素橡胶配方设1 1、 原材料应用原材料应用 生胶生胶（高聚物单用或并用）：母体材料或基体材料（高聚物单用或并用）：母体材料或基体材料 硫硫化化体体系系：与与橡橡胶胶大大分分子子起起化化学学作作用用，使使橡橡胶胶由由线线型型大大分分子子变变为为三三维维网网状状结结构构，提提高高橡橡胶胶性性能能、稳定形态的体系。稳定形态的体系。 补补强强填填充充体体系系：在
12、在橡橡胶胶中中加加入入炭炭黑黑等等补补强强剂剂或或其其它它填填充充剂剂，提提高高其其力力学学性性能能，改改善善工工艺艺性性能能，或或者降低制品成本。者降低制品成本。 防防护护体体系系：加加入入防防老老剂剂，延延缓缓橡橡胶胶的的老老化化，提提高高制制品的使用寿命。品的使用寿命。 增增塑塑体体系系：降降低低制制品品硬硬度度和和混混炼炼胶胶的的粘粘度度，改改善善加加工工艺性能。工工艺性能。 加工及功能助剂加工及功能助剂：改善胶料的加工和物理性能。：改善胶料的加工和物理性能。橡胶配方设2 2、橡胶加工工序、橡胶加工工序1 1）塑炼）塑炼：降低生胶的分子量，增加塑性，提高流：降低生胶的分子量，增加塑性，
13、提高流 动性和可加工性。动性和可加工性。2 2）混炼）混炼：采用开炼机或密炼机使生胶与配方中各：采用开炼机或密炼机使生胶与配方中各 个组分混合均匀，制成混炼胶。个组分混合均匀，制成混炼胶。橡胶配方设3 3）压压延延：利利用用压压延延机机将将混混炼炼胶胶或或与与纺纺织织物物、钢钢丝丝等等骨骨架架材材料料通通过过压压片片、压压型型、贴贴合合、擦擦胶胶、贴贴胶胶等等操操作作制制成成一一定定规规格格的的半半成成品品的的过过程。程。4 4）压压出出：利利用用挤挤出出机机将将混混炼炼胶胶通通过过口口型型压压出出各各种种断断面面半半成成品品的的过过程程，如内胎、胎面、胶管等。如内胎、胎面、胶管等。5 5）硫
14、硫化化：橡橡胶胶加加工工的的最最后后一一道道工工序序，通通过过一一定定的的温温度度、压压力力和和时时间间后后，使使橡橡胶胶大大分分子子由由塑塑性性状状态态转转变变为为网状弹性状态的过程。网状弹性状态的过程。橡胶配方设未硫化橡胶加工性能的测定未硫化橡胶加工性能的测定 1 1、 混炼胶的流动性混炼胶的流动性(1)(1) 可塑度可塑度：P=(hP=(h0 0-h-h2 2)/(h)/(h0 0+h+h1 1), 0 P1), 0 P1 h h0 0：原始高度，：原始高度， h h1 1：负荷作用负荷作用3min3min后的高度，后的高度， h h2:2:恢复恢复3min3min后的高度后的高度 可可
15、塑塑度度的的检检测测仪仪器器橡胶配方设2 2）门尼粘度：）门尼粘度：ML ML 1+41+4100100、门尼焦烧、门尼焦烧（最低（最低MLML上升上升5 5个门尼值）个门尼值）门门尼尼粘粘度度的的检检测测仪仪器器、混炼胶的均匀程度、混炼胶的均匀程度：切片观察法、：切片观察法、CBCB分散仪、分散仪、 电子显微镜电子显微镜橡胶配方设、挤出特性挤出特性：材料的挤出膨胀比、挤出外观：材料的挤出膨胀比、挤出外观、应力松弛应力松弛：以时间长短来衡量：以时间长短来衡量、 胶料加工综合性能：混炼、压出特性等。胶料加工综合性能：混炼、压出特性等。 Brabender, Hakke Brabender, Ha
16、kke流变仪流变仪 、硫化特性硫化特性: : t t10 10 、t t9090、最小转矩、最大转矩最小转矩、最大转矩橡胶配方设混炼胶的质量和配方总量之差与配方总量之比：混炼胶的质量和配方总量之差与配方总量之比： ISO2393 ISO2393规定规定无填料的混炼胶为无填料的混炼胶为0.30.3； 有填料的混炼胶为有填料的混炼胶为0.60.6常规的混炼顺序：常规的混炼顺序：生胶或塑炼胶共混生胶或塑炼胶共混 小药（活性剂、促进剂、防老剂、固体软化剂）小药（活性剂、促进剂、防老剂、固体软化剂） 补强剂和填料补强剂和填料 软化剂软化剂 硫化剂硫化剂橡胶配方设硫化测定仪：硫化测定仪：焦烧时间焦烧时间工
17、艺正硫化时间工艺正硫化时间最小转矩最小转矩最大转矩最大转矩硫化指数硫化指数橡胶配方设最小转矩最小转矩M ML L: :与胶料的流动性有关；与胶料的流动性有关；最大转矩最大转矩M MH H：与胶料交联密度有关；：与胶料交联密度有关；焦焦烧烧时时间间（T T1010）：又又称称诱诱导导期期，指指胶胶料料从从加加入入到到模具中受热开始到转矩为模具中受热开始到转矩为M M1010所对应的时间；所对应的时间；M M1010=M=ML L+ +（M MH HMML L）1010 或或 最小转矩上升或个单位的时间（最小转矩上升或个单位的时间（Ts1Ts1，Ts2Ts2） 理理论论正正硫硫化化时时间间（T T
18、H H）：胶胶料料从从加加入入到到模模具具中中受受热热开始到转矩达到最大值所需要的时间；开始到转矩达到最大值所需要的时间； 工工艺艺正正硫硫化化时时间间(T(T9090) )：胶胶料料从从加加入入到到模模具具中中受受热热开始到转矩达到开始到转矩达到M M9090所需要的时间。所需要的时间。M M9090=M=ML L+ +（M MH HMML L）9090橡胶配方设3 3、硫化橡胶的使用性能测试硫化橡胶的使用性能测试1 1拉伸强度拉伸强度 P/bhP/bh，MpaMpa2 2定伸应力，定伸应力，MpaMpa 100% 100%，300%300%，Mpa Mpa 3 3拉断伸长率拉断伸长率 ，
19、（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 0*100%*100%4 4扯断永久变形：扯断永久变形： S=(L S=(L2 2- L- L0 0)/ L)/ L0 0，5 5撕裂强度：撕裂强度： P/hP/h，KN/m KN/m 橡胶配方设6 6有效弹性和滞后损失有效弹性和滞后损失橡胶配方设7 7硬度测定：邵尔硬度测定：邵尔A A型型 0 0100100度度8 8磨耗测定：磨耗测定： 磨耗体积磨耗体积 V=(m V=(m前前-m-m后后)/)/， cm cm3 3/1.61Km/1.61Km， 磨耗指数磨耗指数V V标标/V/V试试阿阿克克隆隆磨磨耗耗滚滚筒筒磨磨耗耗橡胶配方设 9 9疲劳的测试
20、：疲劳的测试： （1 1）压缩疲劳：）压缩疲劳：1)1)温升温升 2) 2)变形变形 （2 2）屈挠龟裂：裂口大小及）屈挠龟裂：裂口大小及 出现裂口的时间出现裂口的时间 （3 3）拉伸疲劳：疲劳寿命计算）拉伸疲劳：疲劳寿命计算1010压缩永久变形压缩永久变形 K=(h K=(h0 0-h-h2 2)/(h)/(h0 0-h-h1 1)*100%)*100%1111粘弹性粘弹性（1 1）摆锤式回弹仪）摆锤式回弹仪 （2 2）蠕变）蠕变 （3 3）应力松弛）应力松弛 （4 4）动态粘弹性能）动态粘弹性能(DMA)(DMA)、动态模量及、动态模量及tgtg橡胶配方设1212老化性能：老化性能：(1)
21、(1)热热空空气气老老化化：拉拉伸伸强强度度、硬硬度度、扯扯断断伸伸长长率率的变化率或保持率。的变化率或保持率。 (2) (2)臭氧老化：表面状态臭氧老化：表面状态1313低温性能：低温性能：1)1)脆性温度：断裂时的最低温度脆性温度：断裂时的最低温度 2) 2)玻璃化温度的测定：差热分析仪玻璃化温度的测定：差热分析仪1414热性能：热性能：1)1)导热系数、热传导导热系数、热传导 2) 2)分解温度或氧化起始温度分解温度或氧化起始温度1515阻燃性阻燃性:(1):(1)氧指数：氧指数越大，阻燃性越好氧指数：氧指数越大，阻燃性越好 装饰及汽车配件装饰及汽车配件 (2) (2)锥形量热仪：热释放
22、速率、烟量、锥形量热仪：热释放速率、烟量、 点燃时间、有害气体成份等。点燃时间、有害气体成份等。橡胶配方设1616绝缘性：绝缘性： 1) 1) 表面电阻率和体积电阻率大小表面电阻率和体积电阻率大小 10 101515cmcm以上以上 2) 2) 介电损耗介电损耗 介电损耗越大，绝缘性越差介电损耗越大，绝缘性越差 3) 3) 击穿电压强度击穿电压强度 击穿电压击穿电压/ /厚度厚度1717导电性：体积电阻率导电性：体积电阻率 10 10cmcm以下以下 抗静电抗静电 10 106 61010cmcm 高分子导电、导电填料高分子导电、导电填料1818扩散与渗透性能扩散与渗透性能 1) 1)透气性：
23、内胎、瓶塞透气性：内胎、瓶塞 2) 2)透湿性和透水性：防水卷材、水坝、房屋透湿性和透水性：防水卷材、水坝、房屋 3) 3)油扩散油扩散: :密封件密封件橡胶配方设1919耐液体：耐油、耐化学溶剂、耐酸碱耐液体：耐油、耐化学溶剂、耐酸碱 体积、质量变化率及物理性质的变化率体积、质量变化率及物理性质的变化率 体积变化百分数体积变化百分数VV（% %）按下式计算：）按下式计算： V= 100 V= 100 质量变化百分数质量变化百分数W(%)W(%)按下式计算：按下式计算： W= 100 W= 1002020粘合强度：粘合强度：胶料与胶料之间：剥离强度胶料与胶料之间：剥离强度 胶料与帘线及钢丝之间
24、：胶料与帘线及钢丝之间：H H抽出法抽出法橡胶配方设加工性能和物理机械性能测试要求：加工性能和物理机械性能测试要求：1)1)变异性变异性：a.a.材料本身不完全均匀材料本身不完全均匀 b. b.试验步骤的变异性试验步骤的变异性2)2)准确度准确度表示测定值与真实值相符的程度表示测定值与真实值相符的程度3)3)精密度精密度表示各次测定值彼此间相符的程度表示各次测定值彼此间相符的程度4)4)重复性重复性是指同一实验室中数据的准确度是指同一实验室中数据的准确度5)5)再现性再现性是指不同实验室间数据的准确度是指不同实验室间数据的准确度橡胶配方设4 4、 产品结构产品结构 (1) (1) 轮胎：轮胎：
25、 汽车轮胎：斜交汽车轮胎：斜交 、半钢子午线、全钢子午、半钢子午线、全钢子午 线、内胎线、内胎 、垫带、垫带 、胶囊及水胎、胶囊及水胎 农用轮胎、工程轮胎、农用轮胎、工程轮胎、 航空轮胎、摩托车航空轮胎、摩托车 轮胎、力车轮胎、实心轮胎、轮胎、力车轮胎、实心轮胎、 翻新轮胎翻新轮胎 橡胶配方设(2)(2)胶管类胶管类：纯胶管、夹布胶管、编织、缠绕胶管纯胶管、夹布胶管、编织、缠绕胶管 按用途分：耐热、油、耐酸碱、耐燃、耐磨等按用途分：耐热、油、耐酸碱、耐燃、耐磨等(3) (3) 胶带类胶带类： 输送带输送带( (煤矿用煤矿用) ) 传动带分为三角带和平型传动带传动带分为三角带和平型传动带橡胶配方
26、设 (4)(4)减震减震：汽车、摩托车减震器、桥梁支座、：汽车、摩托车减震器、桥梁支座、 轨枕垫轨枕垫 、橡胶护舷、弹性联轴节、橡胶护舷、弹性联轴节 (5)(5)密封类密封类：如密封件和密封条：如密封件和密封条有耐温、耐油、耐酸碱、耐热氧、耐水等有耐温、耐油、耐酸碱、耐热氧、耐水等橡胶配方设(6)(6)胶鞋类胶鞋类：大底、中底、鞋帮、围条、后跟：大底、中底、鞋帮、围条、后跟(7)(7)胶布制品胶布制品：如橡皮艇、水坝、探空气球：如橡皮艇、水坝、探空气球橡胶配方设(8)(8)胶辊：胶辊：造纸、印刷、打字、纺织胶辊造纸、印刷、打字、纺织胶辊(9)(9)胶板胶板：地面：地面( (绝缘、导电、阻燃、海
27、绵胶绝缘、导电、阻燃、海绵胶板板) )橡胶配方设(10)(10)其其它它：瓶瓶塞塞、防防腐腐衬衬里里、垫垫片片、电电线线、电电缆缆、高高压压帽帽 、绝绝缘缘子子 、防防水水卷卷材材、防防毒毒面面具具、防防尘尘罩罩、血血压压计计、体体育育用用品品( (球球类、球拍类、球拍) )、热水袋、奶嘴、按键等。、热水袋、奶嘴、按键等。橡胶配方设 汽车配件汽车用原材料重量比例橡胶配方设保龄球记分保龄球记分（连锁效应）（连锁效应）1 1、保龄球按顺序每轮允许投、保龄球按顺序每轮允许投2 2个球，投完个球，投完1010轮为轮为1 1局。局。2 2、每击倒、每击倒1 1个木瓶得个木瓶得1 1分。投完一轮将两个球的
28、分。投完一轮将两个球的“所得分所得分”相加，为该轮的相加，为该轮的“应得分应得分”，1010轮依次累计为全局的总分。轮依次累计为全局的总分。 3 3、如果第二球将剩余木瓶全部击倒，则称为、如果第二球将剩余木瓶全部击倒，则称为“补中补中”，该，该轮所得分亦为轮所得分亦为1010分。按规则规定，应奖励下轮第一球的所得分。按规则规定，应奖励下轮第一球的所得分。它们所得分之和为该轮的应得分。分。它们所得分之和为该轮的应得分。4 4、第一球将全部木瓶击倒时，称为、第一球将全部木瓶击倒时，称为“全中全中”，该轮所得，该轮所得分为分为1010分。第二球不得再投。但按规则规定，应奖励下轮两分。第二球不得再投。但按规则规定，应奖励下轮两个球的所得分。它们所得分之和为该轮的应得分。个球的所得分。它们所得分之和为该轮的应得分。橡胶配方设
