橡胶硫化曲线测定实验

3.4.1 实验目的

（1）理解橡胶硫化特性曲线测定的意义。

（2）了解ODR-100E型橡胶硫化仪的基本结构、工作原理及操作方法。

（3）掌握橡胶硫化特性曲线测定和正硫化时间确定的方法。

（4）学会分析硫化曲线，掌握硫化各阶段的特征。

3.4.2 实验原理

硫化是橡胶制品生产中最重要的一道工艺流程，它是成型品在一定温度、压力和时间条件下经历了一系列的物理和化学变化形成交联网络结构的过程，其结果是使半成品失去塑性，同时获得高弹性和足够的强度，从而成为有用的材料。因此，硫化对橡胶及其制品是十分重要的。

在某一温度下，若将橡胶在硫化过程中的拉伸强度、扯断伸长率、定伸应力或硬度等某一物理性能对硫化时间作图可得到一条曲线，该曲线称之为硫化曲线。根据硫化曲线可以观察胶料硫化的整个历程，故又可称之为硫化历程曲线。

橡胶的硫化历程可分为焦烧阶段（硫化诱导期）、热硫化阶段、平坦硫化阶段（正硫化期）和过硫化阶段这四个阶段（如图6所示）。通过硫化曲线可以得出胶料的焦烧性能、硫化速率、最佳硫化时间、硫化平坦性以及抗过硫返原性能等。

图6 橡胶硫化历程曲线

（1）焦烧阶段

图6中的ab段为焦烧阶段，又称之为硫化诱导期，是指橡胶在硫化开始前的延迟作用时间，此时胶料尚未开始交联，因而有充分的迟延作用时间进行混炼、压延、压出、成型及模压时充模等。硫化诱导期对橡胶加工生产安全至关重要，是生产加工过程的一个基本参数，焦烧时间越长，则加工过程越不易发生早期硫化的现象。焦烧时间的长短由胶料配方所决定，主要受促进剂的影响，操作过程中的热历程也是一个重要因素。

胶料的实际焦烧时间可分为两部分，即操作焦烧时间A1和剩余焦烧时间A2。橡胶在加工过程中由于热积累效应所消耗掉的焦烧时间叫作操作焦烧时间，它的长短与胶料在加工过程中的翻炼次数、热炼程度、压延、压出操作过程等因素有关；而剩余焦烧时间是指胶料在模型中加热时保持流动性的时间。在操作焦烧时间和剩余焦烧时间之间没有固定的界限，一般随胶料操作和存放条件不同而变化。如果一个胶料经历的加工次数越多，操作焦烧时间越长，则剩余焦烧时间就越短，胶料在模具中流动的时间也越短。因此，一般胶料应避免经受反复多次的机械加工。

（2）热硫化阶段

图6中的bc段为热硫化阶段，即焦烧期以后橡胶开始交联的阶段。随着交联反应的进行，橡胶的交联密度近似线性增加，并逐渐形成网状结构，胶料的转矩（或强度等性能）急剧上升，但尚未达到预期的水平。bc段曲线的斜率大小代表硫化反应速率的快慢，斜率越大，则硫化反应速度越快，生产效率越高。

（3）平坦硫化阶段

图6中的cd段为平坦硫化阶段，也称之为正硫化期。这一阶段硫化反应速度已经缓和下来，橡胶的交联密度达到最大。此时胶料的转矩或性能趋于稳定，各项物理机械性能均达到或接近最佳值，综合性能最佳。不同的生胶以及采用不同种类或用量的促进剂或防老剂，其硫化曲线中平坦硫化阶段的时间长短也随之不同。

（4）过硫化阶段

图6中d以后的部分为过硫化阶段，即正硫化以后继续硫化阶段。虽然交联反应和氧化及热断链反应贯穿于橡胶硫化的整个过程，但在过硫化阶段，氧化及热断链反应占主导地位，胶料的物理机械性能一般会下降，特别是对于天然橡胶来说更是如此。

达到正硫化状态所需的最短时间为理论正硫化时间，也称正硫化点。准确测定和选取正硫化点是确定硫化条件和获得产品最佳性能的决定因素。目前测定和选取正硫化点的方法一般是通过转子旋转振荡式硫化仪来实现，这类硫化仪能够连续地测定与加工性能和硫化性能有关的参数，包括初始粘度、最低粘度、焦烧时间、硫化速度、正硫化时间和活化能等。实际上硫化仪测定记录的是转矩值，通过转矩的大小来反映胶料的硫化程度。

硫化曲线的形状与实验温度和胶料特性有关。本实验测定的硫化曲线可以为橡胶平板硫化工艺的确定提供参考。

3.4.3 仪器与原料

（1）仪器

本实验所用仪器为ODR-100E型橡胶硫化仪。该硫化仪是由微机控制转子旋转振动，其性能参数如下：

①控温范围：室温～200℃；

②升温时间：≤15min；

③温度波动：≤±0.3℃；

④力矩量程：0～10N·m（分设5N·m和10N·m二档）；

⑤力矩显示分辨率：0.01N·m；

⑥摆动频率：1.7Hz（100r/min）；

⑦摆动角度：±1°（±3°）。

（2）原料

本实验所用原料为橡胶混炼胶（胶料混炼后2h即可以进行实验，但放置时间不得超过10天）。

3.4.4 实验步骤

（1）开车前准备

①检查机器的机械、电气等方面有无异常；

②打开外供气源或启动空压机，进入三联件的压缩空气的压力应不小于0.5MPa，进机压力为0.45MPa；

③装上打印纸（80列），接通打印机；

④给机器接通电源。

（2）进行硫化试验

①设定试验温度、试验时间、打印格式及打印数据要求；

②合模、加热升温；

③准备试验胶料（试样直径约40mm，厚度约6mm，质量约8g）；

④上下模腔温度稳定后开模、放胶；

⑤先按“合模”键，再按“试验”键，试验即自动开始（自动进行夹紧、启动电机、计时、打印）。

（3）结束试验

待试验曲线、数据打印完毕后，按以下步骤结束试验：

①按“开模”键；

②用扁圆头螺丝刀取出包裹着胶料的转子；

③清除模腔中及转子上的残留胶料；

④放回转子（注意放回密封圈）；

⑤按“合模”键，一轮试验结束；(www.xing528.com)

⑥待上下模腔温度重新稳定时即可进行下一轮试验。

（4）重复试验

保持其他条件不变，利用同一种胶料分别进行几种不同温度下的硫化特性实验（即依次以140℃、150℃、160℃、170℃和180℃测定其硫化特性曲线）。

3.4.5 实验数据记录与处理

（1）实验数据记录

①仪器型号：________________________

②胶料名称：________________________

③胶料配方（见表5）

表5 胶料配方

④实验现象：________________________________________________

（2）实验数据处理（见表6）

表6 实验数据处理

3.4.6 注意事项

（1）在硫化仪内部进行取放样操作时必须戴上手套，避免被烫伤。

（2）不得使用金属工具接触模具型腔，模腔内无转子，严禁按“夹紧”键。

（3）每次试验结束应及时清理模腔中及转子槽内粘附的胶料，且在清理模腔时不能有废料落入下模腔孔内。

（4）如果所得到的硫化曲线不光滑，通常是由于密封圈漏胶所致，此时应对密封圈及时进行清理。若清理后仍无好转，则应更换新的密封圈。

3.4.7 思考题

（1）测定橡胶硫化特性有何实际意义？

（2）影响硫化特性曲线形状的主要因素是什么？

（3）从硫化曲线上可以得到哪些有用的信息？

（4）为什么说硫化特性曲线能近似地反映橡胶的硫化历程？

（5）什么叫硫化诱导期、热硫化期、正硫化期和过硫化期？

3.4.8 预习要求

（1）了解橡胶硫化机理及其意义。

（2）了解橡胶硫化仪的基本结构、工作原理及其操作步骤。

（3）了解实验所需要记录的数据。

3.4.9 附注：ODR-100E型橡胶硫化仪

（1）设计原理

硫化仪是近年出现的专用于测试橡胶硫化特性的试验仪器，其设计原理如下：先将试验胶料放入具有规定压力并保持设定硫化温度的几乎密闭的试验模腔内，在该试样中嵌入了一个以一定频率（1.7Hz）和振幅（±1。或±3°）振荡的双锥形圆盘（转子），圆盘的振荡使试样产生剪切应变，此时试样将对圆盘产生一个反作用力（转矩），而此力大小取决于胶料的刚度（剪切模量）；随着硫化开始，胶料试样的刚度增大，当测力机构测出的反作用力（转矩）上升到稳定值或最大值时，通过记录仪（打印机）便得到一条转矩与时间的对应关系曲线，通常称为“硫化曲线”。该曲线的形状与试验温度和胶料特性有关。

（2）仪器功能设计

①日期、时间等实时时钟设定、显示；

②试验温度设定、显示；

③上下模腔温度控制、显示；

④试验时间设定、显示；

⑤打印格式设定、显示（分PC或C两种）；

⑥不同打印数据设定、显示（分PC15/C15或PC36/C36两种）；

⑦试验可在任意时间段自动结束或手动提前结束；

⑧打印结果重画、图形调整。

（3）仪器按键功能

①按“温度”键：进行温度设定。可输入设定温度值的四位数字（最小单位为0.1℃），再按“温度”键退出。

②按“时间”键：设定试验（记录）时间。可输入0～120min内的任意一种试验时间的三位数字，如006（6min），030（30min），按“时间”键退出。

③按“试验”键：试验自动开始，达到设定时间时试验自动停止（若需提前结束试验，可按“结束”键）。

④按“重画”键：对试验过程曲线及数据重复输出打印，次数不限。

⑤按“＋”“时间”键[1]：进行实时时钟设定，分年、月、日和时、分两次设定，按“结束”键确认（通常为自动走时，不需专门设定）。如设定：17年6月18日下午5时18分，先按“＋”“时间”键，输入17，06，18，按“结束”键确认；再输入17，18，再按“结束”键确认。

检查方法：按“结束”键，显示时钟运行情况，再按“结束”键退出。

⑥按“＋”“试验”键：选择打印格式，其中，PC为打印曲线及数据；C为不打印曲线，只打印数据。

⑦按“＋”“结束”键：选择不同打印数据，其中，PC15/C15打印数据T10、T50、T90；PC36/C36打印数据T30、T60、T90。

⑧按“＋”“温度”键：可将机器恢复成出厂状态。

⑨按“复位”键：当出现突发干扰信号时，先按此键，再按“＋”“温度”键即可恢复正常（或关机后重新开机）。

[1] 凡遇“＋”“某某”键组合时，“＋”键必须“先按后放”，即按键顺序如下：按住“＋”键→按“某某”键→放“某某”键→放“＋”键→输入设定内容→按“＋”“某某”键退出。