未硫化橡胶中最佳硫化时间检测方案(流变仪)

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硫化仪在橡胶测试中的应用及技术发展状况 江苏明珠试验机械有限公司 朱明 关键词： 密闭 非密闭 剪切力矩 硫化仪 流变仪 硫化仪 (curometer 或 vulcameter)也被称为流变仪(rheometer)，是全程测定橡胶硫化过程中硫化性能全部变化的仪器，从世界上第一台硫化仪的研制至今，已有50年的历史，随着仪器结构性能的不断改进和提高，在橡胶工业中的应用越来越广泛。 硫化仪的作用究竟是什么呢?打个比方，老百姓蒸馒头的时候，要加碱水，还要看面的发酵状况，就取-一小块面团，放入火里烤一烤，然后再尝-一：尝来判断将要蒸出的馒头是否可口。以前，为了得到胶料的全套硫化数据，包括焦烧时间、正硫化时间、硫化平坦期、过硫点等，往往需要很长的时间，单测一个正硫化点就需要对至少5~6个试样进行逐项测试，最后根据点绘的曲线才能找出正硫化点。而有了硫化仪，只要借助于一个试样，仅通过一次试验就能完成上述各项测试，，获得代表硫化轨迹的硫化曲线，并提供各项硫化数据，让配方人员一目了然，因此，硫化仪的优点可以用“多、快、好、省”四个字来归纳。““多”就是一次试验就能得到多个数据；“快”是指花费的时间短，一般从几分钟或半小时左右即可完成；“好”是指数据准确，可比性强；“省”是指节省时间、人力和胶料。硫化仪不仅适用于试验室作为配方工程师使用，也可用于生产现场，作为质量监控手段。 硫化仪的分类，按其试样的变形可分为直线剪切变形硫化仪和扭转剪切变形硫化仪，前者尽管具有样品剪切变形简单、温度梯度小、升温速度快等优点，但因试样模腔一边外露，导致试样挤出和起泡、压力下降、试验结果重现性差而逐渐淘汰，后者根据有无转子又分为两类：一类为振荡圆盘硫化仪，即有转子硫化仪，见图1，有转子硫化仪存在一些缺点：是试样体积大，热传递较慢，达到热平衡所需时间长而导致热滞后，使第一次数据总是偏低于以后各次； 是有转子型把转子与密封圈产生的摩擦力、轴承产生的摩擦力也计入胶料的剪切模量，给数据的重现性带来影响；三是有转子硫化仪的下模体上有一个插转子的小孔，实际操作时，经常会不慎将胶屑掉入孔中，或由于密封圈失效，胶料被挤入孔中，如果不及时清理，就会因转子位置被垫高，影响测试数据，更会由于轴向力的增加而给轴承的摩擦力带来不确定因素而使重现性更差，严重的话转子顶住上模体，造成仪器损坏。至于橡胶工业第八分册试验方法中阐述的，关于有转子硫化仪的另一影响因素：转子与胶料产生的摩擦力 也计入胶料剪切模量的数量之中，叙述可能有误，有可能叙述的正是本文中的第二个影响因素。另一类为无转子扭转振荡硫化仪。目前，无转子硫化仪取代有转子硫化仪已成为趋势。 图1 硫化仪组件 无转子硫化仪分为三种类型：第一种类型测量由恒定振幅的线性应变产生的力，见图2a：第二种类型测量不完全密封的模腔里的恒定振幅的角应变产生的转矩，见图2b；第三种类型测量完全密封的模腔里的恒定振幅的角应变产生的转矩，见图2c；在国内常见的为第二种类型和第三种类型，即非密闭式无转子硫化仪和密闭式无转子硫化仪。 无转子硫化仪的模腔分为上下两部分，由不低于 HRC50 的工具钢制作，典型的线性剪切无转子硫化仪模腔直径为30mm，深度为4.0mm，常用的非密闭式和密闭式无转子硫化仪的模腔直径为(40±2)mm，分离角为70~18。ISO6502：1991 只规定分离角为180，我国的此类硫化仪分离角一般也是18°。模腔的中心间距为 0.5mm 外加模腔边缘的间隙，模腔边缘处的间隙为(0.05~0.2)mm， 非密闭式的模腔最好是0.1mm， 密闭式的模腔没有间隙，见图2，加热元件对上下模腔进行加热，利用铂电阻进行测温，摆动装置由电机和刚性偏心传动装置组成，振荡频率为(0.5~2)Hz，以(1.7±0.1)Hz为佳，即主轴每分钟摆动为100次，常用振幅为±0.10~±2，一般选用±0.5。 力的测量装置 摆动驱动装置 (C) 试样 图2 硫化仪的类型 当一定重量或体积胶料放入模腔后，在恒定的温度、压力下，其中一个模腔以一定频率摆动，使胶料产生剪切变形，而胶料则对转子产生反作用力(即转距)，根据转矩的变化来衡量此胶料的硫化程度。一开始(交联开始前)，胶料受热变软，剪切力矩小，其后随着交联起步而逐渐变硬，并逐步失去塑性，剪切力矩增大，通过固定在一个模腔上的测量装置，测量剪切力矩变化的轨迹，就是硫化曲线。见图3. 图3 硫化曲线 许多文献中已剖析了有转子硫化仪和无转子硫化仪的优缺点，但鲜有文献分析非密闭式硫化仪和密闭式硫化仪的优缺点，在此，作粗略的分析。 1.按照硫化仪的原理，模腔内的胶料发生剪切而产生剪切力矩，但对于少数特殊性能的胶料，非密闭式无转子硫化仪模腔边缘处(0.05~0.2) mm 的间隙内的胶料在硫化过程中产生的剪切力矩，由于处在最大边缘处，其力矩也不容忽视，但由于其不确定性，而影响硫化曲线的重线性。 2.非密闭式硫化仪是其中一个模腔在作整体摆动，模腔边缘与模芯为整体结构，故其导热性好，而密闭式硫化仪的模腔边缘与模芯间有密封圈相隔，模芯处的温度向模腔边缘传导差，因此，同样的试样，在同样的试验条件下，非密闭式硫化仪的硫化速度时间比密闭式硫化仪的硫化速度时间要短。 3.密闭式硫化仪需定期更换密封圈。 影响硫化仪精度的主要因素： 1.模腔的结构与精度：这是由制造加工及安装引起的模腔表面粗糙度、、上下模腔的平行度及同心度等精度误差，可能会造成试样变厚、变薄或厚薄不均、错位等，当温度超出160℃时，试样的厚度对硫化的影响变得很突出。 2.加热元件、测温元件的结构、安装位置、控温原理与测试方式影响硫化仪的温度精度，既然硫化是一种化学反应过程，无疑温度对反应速度是一个重要因素，对于一些敏感的胶料，温度相差1℃，其硫化时间也有明显的差别。 3.扭矩传感器的结构及安装位置：：许多制造商及用户在生产和采购无转子硫化仪时，只知道其存在非密闭式和密闭式的区别，同时强调软硬件的先进性，却没有意识到扭矩传感器的结构及安装位置对硫化曲线的重线性的影响至关重要。 4.试样的形状及重量：试验证明不规则的形状及不等的重量造成试样份量不足或溢出，影响转矩，因而影响硫化曲线。 根据各方面的文献资料分析，硫化仪的试验结果与传统物理性能如拉力试验、门尼粘度和焦烧试验的结果，都具有比较好的相关性。用硫化仪测定胶料的最适硫化时间比传统方法具有试验时间短、精确度高、人为误差少、耗料少、一次可以得到完整的记录，便于对照比较，并易于判断优劣等，而且，还可同时获得焦烧时间和初始粘度数据，因此，硫化仪已经成为橡胶工业中生产质量控制、配方工艺、原材料分析及科学研究的有效手段之一。 江苏明珠试验机械有限公司(原江都市明珠试验机械厂)成立于1997年12月，见图6.近期被批准为国家高新技术企业，主要生产拉力机，见图4，硫化仪、门尼，见图5，硬度计、疲劳试验机、应力松驰仪、阿克隆及辊筒磨耗机、密度计、弹性机、数控切条机、油封旋转试验机、橡胶低温脆性等产品。公司占地50亩，员工100名，技术人员30多名，今年又投资400多万元购买了日本小巨人加工中心、车削中心、数控车床及数控龙门铣等加工设备，每一个零件与外购件，都精心选择、精心制作和验收，环境整洁，全面贯彻“5S”管理，最早提出对密度计、弹性机刻度盘进行重新校核，对橡胶试验机进行了大量的研制与改进，加上一流的服务，有效奠定了明珠的品牌。 图4 图5 公司始终将“尊重知识、重视教育、发展技术”作为我公司战略性工作常抓不懈，注重对员工的培训学习、技术技能的提升；遵循“三个先进”，用先进的思想教育他人、用先进的技术帮助他人、用先进的行为影响他人，公司每周一举行一次升旗仪式，设立了真武镇明天教育奖励基金，定期走访敬老院，崇尚儒家思想，以商会友，坚持不断创新，致力振新民族工业。企业创办至今没有与一家客户发生过纠纷，被客户誉为“儒商企业”“一个没有营销人员的工厂”。在社会各界朋友的支持与帮助下，以优良的产品和完善的服务，在广大客户中赢得了良好的声誉，公司销售额每年以50%的速度递增，，已成为国内最大的橡塑仪器生产企业，曾获得江苏省名牌产品、扬州市名牌产品、扬州市知名商标、信得过产品、和谐劳动关系企业、学习型企业、重合同守信用企业、江苏省信用企业、3A级标准化良好行为企业等多项荣誉，建立了江苏省技术中心、江苏省试验机工程技术中心及江苏省企业研究所工作站。与青岛科技大学、理工大学、西安交通大学等多所高等院校建立了合作实验室或校企合作关系。不断发展的明珠仪器期待您的光临并指导! 图6 4影响硫化仪精度的主要因素：模腔的结构与精度：这是由制造加工及安装引起的模腔表面粗糙度、上下模腔的平行度及同心度等精度误差，可能会造成试样变厚、变薄或厚薄不均、错位等，当温度超出 160℃时，试样的厚度对硫化的影响变得很突出。2.加热元件、测温元件的结构、安装位置、控温原理与测试方式影响硫化仪的温度精度，既然硫化是一种化学反应过程，无疑温度对反应速度是一个重要因素，对于一些敏感的胶料，温度相差 1℃，其硫化时间也有明显的差别。3.扭矩传感器的结构及安装位置：许多制造商及用户在生产和采购无转子硫化仪时，只知道其存在非密闭式和密闭式的区别，同时强调软硬件的先进性，却没有意识到扭矩传感器的结构及安装位置对硫化曲线的重线性的影响至关重要。4.试样的形状及重量：试验证明不规则的形状及不等的重量造成试样份量不足或溢出，影响转矩，因而影响硫化曲线。根据各方面的文献资料分析，硫化仪的试验结果与传统物理性能如拉力试验、门尼粘度和焦烧试验的结果，都具有比较好的相关性。用硫化仪测定胶料的最适硫化时间比传统方法具有试验时间短、精确度高、人为误差少、耗料少、一次可以得到完整的记录，便于对照比较，并易于判断优劣等，而且，还可同时获得焦烧时间和初始粘度数据，因此，硫化仪已经成为橡胶工业中生产质量控制、配方工艺、原材料分析及科学研究的有效手段之