配方物料设计对混炼胶性能的影响

1.各种成分对混炼效果的影响

主要分析配方中各种填料、化学药品、操作油等配合成分混入橡胶中的难...







1.各种成分对混炼效果的影响

主要分析配方中各种填料、化学药品、操作油等配合成分混入橡胶中的难易性、分散性。它主要由这些配合成分与橡胶之间的互溶性的高低、浸润性的大小来决定。

胶料混炼工艺设计的好坏评价方法之一就是各种成分是否可以在橡胶中能够迅速的分散；混炼效果的好坏，则可以通过各种成分在橡胶中能否均匀分散其中来衡量。这两个指标都主要取决于配合成分与橡胶之间的互溶性、浸润性。

“互溶性”这个词大家可能会认为橡胶那么大的分子怎么可能溶解在各种配合成分里很多配方里，应该是配合成分溶解在橡胶里才对。其实，所谓的溶质、溶剂也是相对的，量少的惯称为溶质，量多的则为溶剂，习惯性的认为溶质溶解在溶剂中，如果“溶质”的量比“溶剂”的量大很多的话，那就是“溶剂”溶解在“溶质”中。所以，也就可以理解为互溶性了。为了能让胶料达到多种综合性能都很优异的效果，很多配方用到的橡胶都不止一种，可能2、3、4、5种橡胶并用，这就涉及到这些橡胶之间的互溶性（也许橡胶之间的互溶性大家更好理解一些）。混炼后的胶料如果电镜图片里显示各相之间没有明显的分离、橡胶之间、橡胶与各配合成分之间分散的非常均匀那就表明互溶性好，否则互溶性就差。互溶性差的配方体系所对应的胶料的各种物性也就不能得到好的体现。

其实，橡胶配合体系是不能像盐溶于水那样做到分子级的互溶性，一是因为橡胶是由不同分子量的高分子复杂体系组成，二是各种配合成分也不是简单的小分子化合物，三它们是固相之间的溶解性。橡胶对配合剂的浸润性也许更能清楚的解释混炼工艺及效果的好坏。

橡胶对配合成分的浸润性高低主要决定于配合成分自身的特性，当然与橡胶的性质也有关系。有机的、非极性的大多数化学样品（塑解剂、分散剂、操作油等软化剂、防老剂、硫化体系等)都易溶解在橡胶里，被橡胶浸润。无机的氧化物、盐类、各种土等则不易被橡胶浸润。相似相容原理也解释了这些现象。

各种有机化学药品，塑解剂、分散剂、塑分、防老剂、促进剂、SA包括各种硫化都易混入橡胶中，而且加入的量比较少，这里就不对它们多加分析。

填料一般可以分为亲水性的和疏水性的两种。氧化锌、氧化镁等无机氧化物及硫酸钡、硫酸镁、轻钙、重钙等盐类由于是极性的、亲水性的，在混炼时容易产生负电荷，而橡胶也存在同样的情况，所以二者便会相互排斥，所以难以分散橡胶之中。陶土、云母、滑石粉、高岭土等虽然也是无机的、极性的，与橡胶之间的形成的界面亲和力小，虽不易被橡胶浸润，但是由于这些材料的粒径比较大且结构性比较低，混入橡胶的速度还是比较快的，分散的效果也可以接收，但补强性都比较差。白炭黑虽然是亲水性的，但它的粒径非常小、结构性高、视密度小、易飞扬，且容易产生静电，使得它很难混入橡胶中。炭黑是最典型的疏水性填料，容易被橡胶浸润，非常容易混入橡胶中并均匀分散其中。另外，由于炭黑的粒径小、结构度高，混炼时生热性强，高填充量下混入橡胶就比较困难，所以炭黑不适合高填充量。选用结构性低、粒径大的炭黑可以减小生热高、吃粉慢等缺点，填充量可以增大些。

为了能让这些亲水性填料也能容易混入橡胶中并能有好的分散性且还可以发挥更好的补强性，需要对这些填料进行表面改性来提高它们与橡胶间的亲和力。配方中，我们常见到的加入的硅烷偶联剂、SA等都有这方面的作用。最有效的方法还是在生产这些填料的时候直接对其进行表面处理。

烷烃油、环烷油、芳烃油、DOP、DBP等软化剂的加入可以改善混炼效果。油的加入能加快这些填料混入胶料里，但是分散的效果会打折扣。橡胶吸油的速度会直接影响混炼时间和混炼效果。油品的粘度比重常数越高、芳香烃含量越高、分子量越小，则越容易被橡胶吸收。

2.配合体系对开炼时的包辊性的影响
橡胶的包辊性对胶料的分散效果也有很重要的影响。包辊性是橡胶具有流变特性的一个典型的表现。要想让胶料有良好的包辊性，最重要的是设置合理的温度和橡胶的配合体系。当橡胶能紧紧地、均匀地、平整地、包裹在辊筒上，而不是出现脱辊、破边、掉渣、粘辊等，配合成分才能容易混入橡胶、分散效果才会好。一般地，具有自补强性、可结晶、强度高的原材料橡胶的包辊性会比较好些，如NR等。相反，如果原材料橡胶的自身强度如果很差，则包辊性就会比较差，如BR等。
配方体系中的滑石粉、云母、SA、防护蜡会使胶料有托辊的倾向；操作油及粘合树脂等可以提高其包辊性。一般地，软化剂的用量太大则易造成托辊，增粘剂的用量过大则会造成粘辊。
3.配合体系对焦烧的影响
焦烧的发生是胶料操作过程中及停放时非常忌讳的一个危害极大的现象，为了后续工段的操作安全及硫化后的产品不会发生不良影响，必须防止焦烧的发生。
发生焦烧的最主要原因还是硫化体系选择不当或用量过多造成的。所以在选择促进剂时尽量选择焦烧时间长的次磺酰胺类及噻唑类促进剂为宜，并尽量控制使用份数。另外，填料的酸碱性、结构度对焦烧也有一定的影响，酸性的、结构性低的填料能抑制焦烧。操作油等软化剂对焦烧也有一定的抑制作用。最有效的方法还是在配方里加入少量的防焦剂来防止焦烧的发生。顾名思义，防焦剂是防止焦烧用的，所以用多了肯定会影响硫化速度的，而且对硫化胶的弹性、老化性等也不利！
4.配合体系对喷霜的影响
有的也叫出霜、喷粉、喷油等，是指软化剂、防老剂、SA、促进剂、硫化等小分子配合成分从胶里内部迁移到胶里表面的现象。喷霜会严重影响胶料的表面粘性、混炼后胶料的均匀性、硫化胶的性能，总之（除了石蜡迁移到胶料表面其物理防护作用外的任何）尽量降低喷霜的发生。
最容易喷霜的就是硫磺，经常看到的胶料表面一层薄薄的黄色粉末就是硫磺从胶料内部迁移到表面的现象。为防止硫磺的喷霜，配方里大量使用硫磺时可使用不溶性硫磺并且做到正硫化来加强对硫单质含量的控制。
一般情况下，SA、防老剂的用量不宜过大，在2phr一下喷霜会好些。胶料里加入适量的操作油等软化剂也可以降低喷霜的发生。

5.配合体系对粘性的影响
像轮胎等由多种半成品贴合在一起的橡胶产品在生产的过程中对胶料的表面粘性有一定的要求，不能不粘，也不能太粘。
各半成品所用的主体胶料可能不一样，比如有的可能用NR为主，有的可能用SBR为主，还有的可能用BR为主等等，这就要求胶料之间不但要有很好的自粘性，还要有很好的互粘性。如果要贴合在一起的两种胶料粘合性不这么好的话，在同一配方里添加一些第三种与这两种橡胶粘合性都比较好的橡胶是一个办法，也可以在这两种胶料的配方里都加入一些另一种胶料也是一个办法。不管怎样，要想提高或有个良好的粘性，以下几点是基本原则：
①选择粘性高的橡胶为上
通常情况下，橡胶的分子链越柔顺、活动性高、生胶强度大，粘性就会高些。所以，通用胶里，NRCR的粘性比较好，尤其是自粘性更好。
②选择高补强性的填料
基于①中所说生胶强度大粘性会好的说法，如果填料的补强性好，那么就能提高未硫化胶的格林强度，从而提高粘性。如果填料过多的话，会是胶料变“干”，粘性反而会下降。
③使用增粘树脂
很明显，增粘树脂的主要作用就是增粘。萜烯树脂、石油类树脂、酚醛树脂、古马隆等都可以有效提高未硫化胶料的粘合性。
④操作油等软化剂可以提高粘合性
主要是因为软化剂的加入可以扩充橡胶大分子间的空隙，使得橡胶分子链的活动性提高，粘合性自然提高。另外，也能防止填料的过量加入而造成的胶料发“干”。
⑤控制容易喷霜的化学品的配合量
喷霜后，胶料的光洁的表面被损，会大大降低胶料的粘合性。

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