橡膠制品硫化內壓及模腔內溫度的影響因素探討

呂秀鳳，張 湘，唐飛宇，張俊榮，郭春杰

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

眾所周知，溫度、時間、壓力是橡膠硫化的三要素，缺一不可。但在橡膠制品研發(fā)過程中，通常會將硫化溫度和硫化時間作為調整產品性能的主要工藝參數，而對于硫化壓力，則認為一旦機臺選定，壓力就可以得到保障。

實際上，硫化壓力和硫化內壓有著本質的區(qū)別。硫化壓力是指橡膠制品硫化時機臺施加的壓力，其目的是使膠料在模腔中充分流動以充滿模腔，提高膠料與骨架材料的附著力和制品的致密性，防止制品產生氣泡，改善制品的物理性能。硫化內壓則與膠料填充量、機臺壓力、硫化溫度等工藝參數密切相關，是指在橡膠硫化過程中，模具加熱及硫化反應釋放熱量所帶來的溫度升高，使橡膠分子膨脹及自由體積膨脹帶來的作用力，其對產品性能也同樣重要[1]。在實際工作中也發(fā)現(xiàn)，膠料組分和模具封膠也是影響硫化內壓的關鍵因素。

本工作以兩種注射成型橡膠-金屬制品為例，對影響硫化內壓和模腔內溫度的因素進行驗證性研究，以更好地了解產品硫化過程。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號CV60，馬來西亞產品；半補強炭黑N774，美國卡博特公司產品；炭黑N330，天津海豚炭黑發(fā)展有限公司產品。

1.2 試驗配方

1#配方：NR 100，炭黑N774 55，活性劑6，硫黃 4.5，促進劑CBS 0.6，加工助劑 1。

2#配方：NR 100，炭黑N330 40，活性劑6，硫黃 4.5，促進劑CBS 0.6，加工助劑 1。

3#配方：NR 100，炭黑N774 55，活性劑6，硫黃 2.2，促進劑CBS 0.7，促進劑DM 0.8，加工助劑 1。

4#配方：NR 100，炭黑N774 55，活性劑12，硫黃 4.5，促進劑CBS 0.6，加工助劑 1。

5#配方：NR 100，炭黑N330 55，活性劑6，硫黃 2.2，促進劑CBS 0.7，促進劑DM 0.8，加工助劑 1。

1.3 主要設備和儀器

K4型90 L密煉機，英國法雷爾公司產品；K-450型開煉機，宜興陽昇機械有限公司產品；400 t注射機，衡陽華誼機械有限公司產品；MD-3000A型無轉子硫化儀，高鐵科技股份有限公司產品；50 t平板硫化機，萍鄉(xiāng)無線電專用設備廠產品；HGXLPT2800型壓力溫度測試儀，西南自動化研究所產品；204F1型差示掃描量熱儀（DSC），耐馳科學儀器商貿（上海）有限公司產品。

1.4 金屬骨架表面處理

金屬骨架表面處理工藝：超聲波脫脂→干燥→噴砂→除塵→涂膠粘劑→烘干線干燥→包裝。所用膠粘劑為M538。

1.5 試樣制備

膠料采用密煉機混煉，混煉膠停放16 h后在開煉機上返煉，下片。用裁刀將適宜質量的膠料冷切成60 mm×9 mm的膠條，將膠條放入注射機進料口，按照160 ℃×t90的條件在50 t硫化機上硫化。

1.6 測試分析

（1）模腔內溫度：在模具密封良好的條件下進行，測試注膠和不注膠情況下金屬骨架芯軸、金屬外套（見圖1）和橡膠制品的溫度隨時間的變化。

圖1 產品結構示意

（2）硫化內壓：硫化內壓測試在模具密封良好的條件下進行，在模具中模開設內壓測試孔，用于插入壓力傳感器（見圖2）。在硫化時間內，壓力傳感器測試膠料膨脹壓力，記錄橡膠制品硫化內壓隨硫化時間的變化。

圖2 硫化內壓測試模具示意

（3）硫化特性：采用無轉子硫化儀測定膠料的硫化工藝參數，測試溫度為160 ℃。

（4）邵爾A型硬度：按照相應的國家標準進行測試。

2 結果與討論

針對圖1中產品1，注射機螺桿和料筒溫度均設置為85 ℃，硫化機上下平板溫度均設置為（175±5） ℃，硫化時間為30 min，注膠量為200 g。

2.1 注膠對芯軸和外套溫度的影響

空模及注膠條件下模腔內芯軸和外套的溫度隨時間的變化曲線見圖3。

圖3 芯軸和外套溫度隨時間變化的曲線

從圖3可以看出，空模測試時，芯軸溫度一直處于直線上升狀態(tài)，在23 min時，溫度僅120 ℃，而外套溫度在3.7 min時達到120 ℃，18.8 min時達到150 ℃，之后保持平衡。這可能是因為芯軸放入模具后，不注膠的狀態(tài)下中間部位處于懸空狀態(tài)，僅依賴于芯軸兩端和模腔內的熱空氣升溫，所以升溫速度較慢，而外套則直接與模具接觸而加熱，升溫速度較快。但是注膠之后，芯軸溫度上升速度明顯加快，在7.5 min時達到120 ℃，22 min達到140 ℃，之后逐漸升溫在30 min時達到148.8 ℃；外套升溫速度則明顯降低，在5 min時達到120 ℃，13.8 min時達到140 ℃，之后逐漸升溫最終在30 min達到150.4 ℃。這可能是因為膠料注射到模腔內的溫度一般在120 ℃左右，起到介質的作用，使溫度較低的芯軸升溫加速，而溫度較高的外套升溫速度降低。從而使膠料與芯軸和外套的溫度變化在時間上達到平衡。

2.2 膠料主要組分對橡膠制品硫化內壓和模腔溫度的影響

測試炭黑種類和用量、硫化體系以及活性劑用量對膠料硫化特性和橡膠制品硫化內壓、模腔溫度的影響，結果分別見表1和圖4。

圖4 不同配方膠料的橡膠制品硫化內壓和模腔溫度

表1 不同配方膠料的硫化特性和硬度

從表1和圖4可以看出，1#，2#配方膠料的ts2和t90相差不大，在硬度相同的情況下，2#配方膠料的橡膠制品硫化內壓值高于1#配方膠料。推測可能是因為炭黑N330的粒徑小，在膠料受熱膨脹過程中摩擦生熱較多。3#配方膠料橡膠制品硫化內壓值明顯高于1#配方膠料，也就是說，相對于硫化體系1（4.5份硫黃和0.6份促進劑CBS）膠料，硫化體系2膠料（2.2份硫黃、0.7份促進劑CBS和0.8份促進劑DM）可以產生較高的內壓。結合硫化體系2的ts2和t90都明顯較短的現(xiàn)象，認為硫化速度快的膠料產生的硫化內壓大。對比1#配方膠料和4#配方膠料發(fā)現(xiàn)，加倍使用活性劑會使膠料焦燒時間和硫化時間稍微延長，硫化程度相對增大，對橡膠制品硫化內壓有一定影響。不同配方膠料的橡膠制品硫化模腔溫度差異不大，這表明研究因素對模腔溫度的影響很小。

2.3 膠粘劑M538的熱分析

膠粘劑M538在不同溫度下的DSC曲線見圖5。

從圖5可以看出，在120 ℃下，膠粘劑M538在60 min內未能反應，而150 ℃下則在1～2 min完成反應，所以膠粘劑M538的反應溫度在120～150 ℃之間，而NR的適宜反應溫度是143 ℃[2]。因此，膠粘劑M538與膠料的硫化匹配性良好。

圖5 膠粘劑在不同溫度下的DSC曲線

2.4 模具封膠對橡膠制品硫化內壓的影響

采用圖1中產品2（采用1#配方膠料）進行硫化內壓和產品剛度測試發(fā)現(xiàn)，模具封膠有利于提高硫化內壓，且封膠好的模具生產的產品剛度較大。膠料硬度相同時，采用封膠的模具的產品徑向剛度從110 N·mm-1提高到140 N·mm-1，且剛度性能穩(wěn)定，這與穆洪帥等[3]的研究結果一致。說明硫化內壓對提高產品質量有很大的幫助。

3 結論

（1）在橡膠制品注射成型中，膠料可以起到介質的作用，平衡模腔內金屬骨架等材料的升溫速度。

（2）膠料的炭黑種類及用量、硫化體系、活化體系對橡膠制品硫化內壓影響較大，對模腔內溫度影響較小。

（3）膠粘劑M538與膠料的硫化匹配性良好。

（4）模具封膠可以提高橡膠制品硫化內壓，有利于提高橡膠制品的穩(wěn)定性。