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泰州科德橡胶机械-开炼机:橡胶塑性测定和塑炼原理

发布时间:2018-06-12 21:20:00 点击:    关键词:密炼机,捏炼机,开炼机,橡胶机械

泰州科德橡胶机械-开炼机2018年6月12日讯  塑炼简要讲是提高橡胶塑性的炼胶,它是将橡胶经过机械加工、热处理或加入某些化学助剂,使其由强韧的弹性状态转变为柔软而便于加工的塑性状态的工艺过程称之为塑炼。或借助机械功或热能使橡胶软化为具有一定可塑性的均匀物的工艺过程称之为塑炼。经塑炼而得到的具有一定可塑性的橡胶胶称之为塑炼胶。

塑炼的目的是提高胶料的塑性、流动性,从而实现⑴使生胶的可塑性增大,以利混炼时配合剂的混入和均匀分散;⑵改善胶料的流动性,便于压延、压出操作,使胶坯形状和尺寸稳定;⑶增大胶料粘着性,方便成型操作;⑷提高胶料在溶剂中的溶解性,便于制造胶浆,并降低胶浆粘度使之易于渗入纤维孔眼,增加附着力;⑸改善胶料的充模性,使模型制品的花纹饱满清晰。但塑性增加则弹性下降、强度下降,另外若可塑性过大反而会⑴混炼时颗粒极小的炭黑或其它粉状配合剂分散反而不均匀;⑵压延时胶料易粘辊或粘垫布;⑶压出的胶坯挺性差、易变形;⑷成型时胶料变形大;⑸硫化时流失胶较多;⑹产品物理机械性能和耐老化性能下降过大。(过炼)


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一、塑性测定

塑性测试方法有三种:压缩法、旋转扭力法、压出法。压缩法常用的是威廉式法和华莱式法二种,该法具有操作简单、测试准确,但测定时试样所受切变速率比较低,与实际生产有一定距离。

1、威廉式(Williams)法是在定温、定负荷下,用试样经过一定时间的高度变化来评定可塑性。

先测定室温的原高h0,在70土1℃温度下,先预热3min,然后在此温度下,于两平行板间加5kg负荷,压缩3min后测定高度h1,除去负荷,取出试片,置于室温下恢复3min,测定恢复后的高度h2

2、华莱氏(wallace)快速可塑性测定法基本原理与威廉式法相同,以定温、定负荷、定时间下塑炼胶试样厚度的变化来表示可塑性。测定时将厚约3㎜的胶片,冲裁出直径约13㎜、体积恒定为0.4±0.04cm3的试样后,放至快速测定仪内,试验温度为100土1℃。然后迅速闭合压盘,将试样预压至l㎜,进行预热15s后,施加10kg负荷,至第二个15s,测厚计指示的读数即为塑炼胶的可塑度,整个操作时间仅为30s。规定0.01㎜表示1个可塑度单位,如测厚计测出试样厚度为0.46㎜,即表示华莱式可塑度为46,华莱式数值越大,则表示可塑性越小。 

3、门尼(Mooney)粘度法(旋转扭力法)是根据试样在一定温度、时间和压力下,在活动面(转子)和固定面(上、下模腔)之间变形时所受到的扭力来确定橡胶的可塑性的。测量结果以门尼粘度来表示。门尼粘度值因测试条件不同而异,所以要注明测试条件。门尼粘度通常以ML1+4100℃表示,其中M表示门尼,L1+4100℃表示用大转子(直径为38.1㎜)在100℃下预热1min,转动4min时所测得的扭力值(一般用百分表指示)。门尼粘度法测定值范围为0~200,数值越大表示粘度越大,即可塑性越小。

门尼粘度反映了胶料在特定条件下的粘度,可直接用作衡量胶料流变性质的指标。但因其测量时速度较慢(转子转速为2γ/min),切变速率较小(最大为1.57s-1),因此它只能反映胶料在低切变速率下的流变性质。

门尼粘度法测试胶料可塑性迅速简便,且表示的动态流动性接近于工艺实际情况。此外,它还可以简便地测出胶料的焦烧时间 (用直径为30.5㎜的小转子,胶料在120℃下预热1min厚,测得的门尼粘度值下降到最低值再转入上升5个门尼值时所需要的时间,即焦烧时间),能及时了解胶料的加工安全性。 

4、压出法是在一定温度、压力和一定规格形状的口型下,于一定时间内测定塑炼胶的压出速度,以每lmin压出的ml数或质量g数表示可塑性。数值越大,表示压出速度越快。胶料的可塑性越大。其过程与压出机口型的工作状况相似,故可更确切地反映胶料的流变性质。但由于压出法试样消耗量多,测试时间长,故工业生产上应用较少,一般用于科研。


 塑炼程度分析

依据下表,分析胶料可塑度大小顺序、规律原因,并总结可塑度确定要求。

常用塑炼胶的可塑度

塑炼胶种类

威氏可塑度

塑炼胶种类

威氏可塑度

胎面胶用塑炼胶

0.22~0.24

缓冲层帘布胶用塑炼胶

0.50左右

胎侧胶用塑炼胶

0.35左右

海绵胶料用塑炼胶

0.50~0.60

内胎用塑炼胶

0.42左右

胶管内层胶用塑炼胶

0.25~0.30

胶管外层胶用塑炼胶

0.30~0.35

三角带线绳浸胶用塑炼胶

0.50左右

胶鞋大底胶(一次硫化)用塑炼胶

0.35~0.41

薄膜压延胶料用塑炼胶膜厚0.1㎜以上

膜厚0.1㎜以下

 

0.35~0.45

0.47~0.56

胶鞋大底胶(模压)用塑炼胶

0.38~0.44

胶布胶桨用塑炼胶

含胶率45%以上

0.52~0.56

传动带布层擦胶用塑炼胶

0.49~0.55

胶布胶桨用塑炼胶

含胶率45%以下

0.56~0.60

一般生胶在保证工艺性尽可能不塑炼或少塑炼,生产上要通过控制生胶和半成品的可塑性,来确保橡胶加工工艺的顺利进行和产品质量。由于各种橡胶制品(部件)使用性能不同,胶料种类很多,对生胶的可塑性要求也不一样。一般,供涂胶、浸胶、刮胶、擦胶和制造海绵等用的胶料要求有较高的可塑性;对要求物理机械性能高、半成品挺性好及模压用胶料,可塑性宜低;用于压出胶料的可塑性应介于上述二者之间。

可塑度大小确定是在满足工艺加工要求的前提下,以具有最小的可塑性为宜。或不塑炼。

目前,大多数合成橡胶和某些天然橡胶品种,如软丁苯橡胶、软丁腈橡胶、恒粘度和低粘度天然橡胶等,已在制造过程中控制了生胶的初始可塑度,一般门尼粘度在60以下的均可不经过塑炼而直接混炼。若混炼胶可塑度要求较高时,也可进行塑炼,以进一步提高可塑度。

 


二、塑炼原理

塑炼的本质是降低橡胶分子量(橡胶的长链分子断裂),减少分子间作用力,从而提高流动性。影响橡胶分子链断裂的因素有机械力、热、氧、静电、塑解剂等。

⑴机械力的作用

橡胶置于炼胶机中塑炼时,会受到炼胶机辊筒间的剪切力作用,分子链会被拉直,并使子链分子链在中间部位发生断裂,机械力的作用有选择性,机械断链一般只对一定长度的橡胶分子链有效,一般分子量小于10万的天然橡胶和分子量小量小于30万的顺丁橡胶的分子链基本上不再受机械力作用而断裂。这是因为分子链长的橡胶分子内聚力大,机械作用产生的切应力亦大,则机械断裂的效果亦好。而不同橡胶在分子量小到一到一定程度后,因内聚力小,链段相对运动容易,机械力作用产生的切应力小,则不足以使其断裂。由于机械力作用主要是分子量较大的橡胶分子断裂,而对分子量小的不起作用,因此,在机械力作用下,橡胶平均分子量变小的同时,分子量分布会变窄,而且塑炼后分子量很低的级分较少。

橡胶塑炼时,分子链断裂的几率与作用于橡胶分子链上的机械功(剪切力)成正比。以机械断链为主的塑炼称为机械塑炼,机械塑炼时塑炼效果与胶料温度、设备加工温度成反比,温度越低,橡胶分子间内聚力越大,切应力越大,机械断链效果越好;反之,温度越高,橡胶分子间内聚力越小,切应力越小,机械断链效果则越差。因而机械塑炼一般在低温进行,故又称为低温塑炼,正常温度:50~80℃。

机械分子链的断裂还与组成分子链的不饱和度、化学活性、化学键键能有关。组成分子链的化学键键能越高,分子链断裂越困难。不过,在塑炼过程中,橡胶所受的应力不可能平均地作用于每个分子链的化学键上。由于橡胶的高分子物理化学性质所决定,分子链是相互蜷曲缠结在一起的,在受在受剪切力时,必然会产生应力集中现象,这样就使应力集力集中于某些弱键上,产生分子链的扯断。

橡胶分子链被机械剪切力扯断的同时,产生橡胶分子自由基,自由基的产生必然会引起各种化种学变化。首先是氧化作用使自由基被稳定。此外,橡胶自由基还有可能重新结聚,这对塑炼效果是不利的。化学变化的结果是以断裂,还是以结聚为主,主要决定于橡胶的结构、温度、介质等因素。

机械塑炼(低温塑炼)得到胶料的质量好,这里的质量指标是胶料物理机械性能而不是工艺性能可塑度大小,即塑炼胶的弹性好、强度高,但其效率低。


 

⑵氧的作用   

机械力作用的同时,氧化作用也发生。没有氧的作用,塑炼是不能得到预期效果的。试验表明,在氧气中进行塑炼时,橡胶的可塑性增加得很快,而在相同温度下于氮气中长时间塑炼时,橡胶的可塑性几乎没有变化。

氧在橡胶塑炼中所起的二方面的作用,一是稳定由机械力扯断所产生的橡胶自由基,这是一个辅助作用;二是直接使橡胶分胶分子链产生氧化断链。前者的作用一般是在低温条件下产生,后者的作用一般是在高温条件下产生。   

生胶塑炼后,不饱和程度下降,且随塑炼时间的增长,塑炼胶的质量和丙酮抽出物不断增加,如下表所示。丙酮抽出物中就有含氧化合物,这说明氧在塑炼工艺中参了橡胶的化学反应。

表  橡胶丙酮抽出物含量和塑炼时间的关系

塑炼时间,min

丙酮抽出物,%

塑炼时间,min

丙酮抽出物,%

20

2.19

150

2.47

40

2.33

200

2.53

60

2.36

300

4.61

100

2.38



实验得知,生胶结合0.03%的氧,就能使其分子量降低50%,可见在塑炼过程中,氧的氧化作用对橡胶分子链断裂的影响是很大的。

以氧化断链为主的塑炼是氧化塑炼,在氧化塑炼时氧的浓度越大,吸氧越多,塑炼效果越大。温度越高,氧化作用越大,塑炼效果越大。因此氧化塑炼在高温下进行。因而氧化塑炼又称为高温塑炼,一般塑炼温度为140~170℃,其中机械搅拌起辅助作用,机械的作用主要是翻动和搅拌生胶,以增加生胶和氧接触的机会,从而加快橡胶的氧化裂解过程,并使胶料均匀一致。

氧化塑炼对橡胶的作用具有随机性,氧化对分子量最大至分子最小部分的作用是相同的,所以高温塑炼在平均分子量变小的同时,并不发生分子量分布变窄的情况,塑炼后,分子量很低的级分可能较多。因而塑炼后生胶分子量分布曲线变化呈向小的平移性。 

氧化塑炼的特性基本与机械塑炼相反,胶料的质量较高,但生产效率高。


⑶ 温度的作用

温度对生胶的塑炼效果有着重要的影响,不同温度范围对塑炼的作用是不同的。实验表明,天然橡胶在50~150℃范围内塑炼30min后,得到一条近于“U”型的曲线。

天然橡胶塑炼过程所得“U”型曲线可以认为是由两条不同曲线组合而成,并代表两个独立过程,在最低值附近相交。其中1线代表低温塑炼,2线代表高温塑炼。

在低温塑炼阶段,由于橡胶较硬,受到的机械破坏作用较剧烈,较长的分子链容易为机械应力所扯断。而此时氧的化学活泼性较小,故氧对橡胶的直接引发氧化作用很小。所以,低温时,主要是靠机械破坏作用引起橡胶分子链的降解而获得塑炼效果。

在高温塑炼阶段,当温度超过110℃以上再继续升高时,虽然机械破坏作用进一步降低,但由于氧的自动催化氧化破坏作用随着温度升高而急剧增大,橡胶分子链的氧化降解速度大大加快,塑炼效果也迅速增大。

从低温随着塑炼温度的不断升高,橡胶由硬变为柔软,分子链在机械力作用下容易产生滑动而难以被扯断,因而塑炼效果不断下降,此时由氧直接引发的氧化破坏作用也很小,在110℃附近达到最低值。

低温塑炼和高温塑炼的机理是不同的。低温塑炼时,主要是由机械破坏作用使橡胶分子断链;高温塑炼时,主要是由氧的氧化裂解作用使橡胶分子链降解。

“U”型曲线我们可以分为5个区,超低温区(1区):30~40℃以下区域,这时温度较低,胶料较硬,设备负荷较大、易损坏,这塑炼不可使用区;低温塑炼区(机械塑炼区)(2区):这一区温度范围在50~80℃之间;中温区(3区):这区域内由于机械塑炼和氧化塑炼效果都最小,也是一个塑炼不可使用区,温度范围为80~130℃;高温塑炼区(4区)(氧化塑炼区):温度在140~170℃之间;180℃以上超高温区(5区):由于这区域温度太高,氧化断裂作用太强烈,胶料性能下降明显,也是塑炼不可使用区。


⑷ 化学塑解剂的作用

化学塑解剂是生胶塑炼工艺中,能增强生胶塑炼效果,缩短塑炼时间,丛而提高塑炼效率的配合剂。

化学塑解剂在塑炼过程中的作用一是增塑剂本身受热、氧的作用分解生成自由基,而导致橡胶分子发生氧化降解;另一种是封闭塑炼时橡胶分子链断链的端基,使其失去活性,阻止其重新结聚。因此,化学塑解剂实质上可看作是一种氧化催化剂,其生成自由基能力越大,塑解能力也越大。一般,化学增塑剂的增塑作用随温度增高而增大。

根据化学塑解剂的使用温度范围,可分为:

①低温塑解剂,如二甲苯基硫酚、五氯硫酚、五氯硫酚锌盐和2-苯甲酰胺基硫酚锌盐等,适用于开炼机塑炼;

②高温塑解剂,如二甲苯基二硫化物,2,2’-二苯甲酰胺基二苯基二硫化物等,适用于密炼机塑炼;

③混合型塑解剂,如促进剂M、DM等,在低温和高温下均有效,即适用于开炼机又适用于密炼机塑炼。

⑸ 静电的作用

塑炼时,生胶受到炼胶机的剧烈摩擦而产生静电。实验测定,辊筒或转子的金属表面与橡胶接触处产生的平均电位差在2000~6000V之间,个别可达15000V。因此,使辊筒和堆积胶间经常有电火花产生。这种放电作用促使生胶表面的氧激发活化,生成原子态氧和臭氧,从而提高氧对橡胶分子链的断链。


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