穆洪帥， 翟繼芹， 譚蓮影

（株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲 412007）

硅橡膠制品硫化內(nèi)壓的影響因素及設(shè)計要點

穆洪帥， 翟繼芹， 譚蓮影

（株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲 412007）

以硅橡膠與金屬復合制品為載體，研究了填料質(zhì)量、機臺壓力、硫化溫度對硅橡膠制品硫化內(nèi)壓、制品外觀及剛度的影響。結(jié)果表明，隨著填料質(zhì)量的增加、機臺壓力的增大、硫化溫度的升高，硅橡膠制品硫化內(nèi)壓增大。硫化內(nèi)壓對產(chǎn)品外觀有明顯影響，當硫化內(nèi)壓超過45 MPa后，硅橡膠制品容易出現(xiàn)炸邊的質(zhì)量缺陷。隨硫化內(nèi)壓的增大，產(chǎn)品剛度有增大的趨勢。

硫化溫度；硫化內(nèi)壓；剛度

0 前言

硅橡膠是以—Si—O—鍵為主鏈，以單價有機基團為側(cè)基的一類線性聚合物。與一般的有機橡膠相比，硅橡膠具有優(yōu)異的耐高低溫、耐候、耐臭氧、抗電弧、電氣絕緣性、耐化學品、高透氣性及生理惰性，因而在航空、電氣電子、化工儀表、汽車、機械等工業(yè)以及醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用［1］。

硅橡膠與金屬等骨架材料復合的制品可承受更大的作用力，具有更好的使用性能及更長的使用壽命，近年來發(fā)展較快。但硅橡膠與金屬復合制品對硫化工藝的要求十分苛刻，制品在硫化過程中容易出現(xiàn)橡膠與橡膠炸開、橡膠與金屬骨架粘接不良等問題。以往認為硫化溫度對制品性能影響最大，但對硫化工藝的研究大多忽略了硫化壓力對制品質(zhì)量的影響［2］。硫化壓力是指橡膠制品硫化時機臺施加的壓力，其目的是防止膠料氣泡的產(chǎn)生，提高膠料的致密性；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，并改善硫化制品的物理性能［3］。硫化內(nèi)壓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的作用下，橡膠分子膨脹及自由體積膨脹帶來的膨脹作用力［4］。硫化內(nèi)壓與填料質(zhì)量、機臺壓力、硫化溫度等工藝參數(shù)密切相關(guān)。

我們在實際工作中發(fā)現(xiàn)，硫化內(nèi)壓對硅橡膠與金屬復合制品的外觀具有明顯的影響。本文以某型硅橡膠吸振器為例，研究硫化內(nèi)壓的相關(guān)影響因素及硫化內(nèi)壓對制品外觀及剛度的影響，找出硅橡膠與金屬復合制品硫化內(nèi)壓設(shè)計的要點，期望對同行起到一定的參考作用。

1 實驗

1.1 原材料

某牌號甲基硅橡膠混煉膠，市售；信越膠粘劑，市售。

1.2 某型硅橡膠吸振器結(jié)構(gòu)

某型硅橡膠吸振器由金屬骨架材料及硅橡膠兩部分組成。通過熱硫化，將甲基硅橡膠與金屬骨架材料粘接在一起。

圖1 產(chǎn)品CAD示意圖

1.3 試驗設(shè)備及儀器

X（S）K-160型開煉機，上海橡膠機械一廠產(chǎn)品；63 t平板硫化機，江西萍鄉(xiāng)無線電專用設(shè)備廠產(chǎn)品；電熱鼓風干燥箱，上海實驗儀器廠有限公司產(chǎn)品；壓力變送器，上海朝輝壓力儀器有限公司產(chǎn)品；無紙記錄儀，ST系列，南京盛儀科技有限公司產(chǎn)品；JYW-33CSS型電子萬能試驗機，長春設(shè)備研究所產(chǎn)品。

1.4 產(chǎn)品制造工藝流程

產(chǎn)品制造工藝流程：金屬骨架材料表面處理—涂膠粘劑—干燥—混煉膠預成型—進缸硫化—修邊—二段硫化—檢驗—包裝。

二次硫化條件：80 ℃下0.5 h—110 ℃下0.5 h—140 ℃下0.5 h—170 ℃下0.5 h—200 ℃下3.0 h。

1.5 硫化內(nèi)壓及性能測試

1.5.1 硫化內(nèi)壓測試

在模具密封良好的條件下，在模具中模開設(shè)合格的槽子，用于插入壓力傳感器。壓力傳感器直接接觸模具型腔中的橡膠，在硫化時間內(nèi)，壓力傳感器感應著橡膠分子的膨脹壓力，記錄硫化內(nèi)壓的變化值：①固定硫化溫度、時間及機臺壓力，測定并記錄不同填料質(zhì)量條件下硫化內(nèi)壓隨硫化時間的變化值；②固定硫化溫度、時間以及填料質(zhì)量，測試記錄不同機臺壓力條件下硫化內(nèi)壓隨硫化時間的變化值；③固定機臺壓力、時間以及填料質(zhì)量，測試記錄不同硫化溫度條件下硫化內(nèi)壓隨硫化時間的變化值。

圖2 某型硅橡膠吸振器硫化內(nèi)壓測試示意圖

1.5.2 性能測試

產(chǎn)品外觀：觀察橡膠表面的質(zhì)量情況，看看是否有缺膠、炸邊等缺陷。

剛度測試：試驗開始前，所有部件及工裝均在（23±2）℃環(huán)境中至少靜置24 h。垂向重復進行三次加載、卸載試驗，加載0～2 mm位移，加載速度2 mm/min；記錄第三次加、卸載過程載荷、變形數(shù)據(jù)，并計算加載過程0～2 mm剛度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料質(zhì)量對硫化內(nèi)壓的影響

固定硫化溫度、硫化時間及機臺壓力，以每3 g為一個梯度，進行不同填料質(zhì)量對硫化內(nèi)壓影響的試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 填料質(zhì)量對模壓橡膠制品硫化內(nèi)壓的影響

由圖3可知，隨填料質(zhì)量增加，硫化內(nèi)壓逐漸增大；當填料質(zhì)量增加到一定程度后，硫化內(nèi)壓趨于穩(wěn)定。填料質(zhì)量增加，模腔內(nèi)膠料致密度逐漸增加，硫化時膠料膨脹力逐漸增大。硫化內(nèi)壓增大，填料質(zhì)量增加到一定程度后，模腔內(nèi)膠料致密度達到最大值，硫化內(nèi)壓趨于穩(wěn)定。在一定填料質(zhì)量條件下，隨硫化時間延長，硫化內(nèi)壓逐漸增大，當膠料達到正硫化時，硫化內(nèi)壓趨于穩(wěn)定。

2.2 機臺壓力對硫化內(nèi)壓的影響

固定硫化溫度、硫化時間及填料質(zhì)量，以每100 kN為一個梯度，進行不同機臺壓力對硫化內(nèi)壓的影響試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 機臺壓力對模壓橡膠制品硫化內(nèi)壓的影響

由圖4可知，隨著機臺壓力的增大，硫化內(nèi)壓呈現(xiàn)增大的趨勢。機臺壓力一般由液壓泵通過硫化機把壓力傳遞給模具，模具再傳遞給膠料。隨著機臺壓力的增加，膠料與骨架材料的密著力、橡膠與橡膠之間的密著力均有所提高，引起橡膠熱膨脹應力增大，橡膠分子交聯(lián)密度增大，硫化內(nèi)壓增大。

2.3 硫化溫度對硫化內(nèi)壓的影響

固定填料質(zhì)量、硫化時間及機臺壓力，以每5 ℃為一個梯度，進行不同硫化溫度對硫化內(nèi)壓的影響試驗，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知，硫化溫度越高，硫化內(nèi)壓越大，硫化內(nèi)壓增長速率越快，這與硫化溫度高、硫化速度快有關(guān)。硫化溫度高，一方面會引起膠料膨脹壓力增大，另一方面橡膠分子熱運動加劇，膠料硫化速度及硫化程度增大，繼而硫化內(nèi)壓增大。

圖5 硫化溫度對模壓橡膠制品硫化內(nèi)壓的影響

2.4 硫化內(nèi)壓對硅橡膠制品外觀的影響

在前面所做的填料質(zhì)量、機臺壓力、硫化溫度對硫化內(nèi)壓的影響試驗中我們發(fā)現(xiàn)，硫化內(nèi)壓小于45 MPa時，橡膠表面光滑，無缺膠、留痕等質(zhì)量缺陷（圖6）；硫化內(nèi)壓大于45 MPa時，橡膠制品易出現(xiàn)“炸邊”的質(zhì)量缺陷（圖7）。原因是硫化過程中，硫化內(nèi)壓急劇上升達到一定值時，由于橡膠制品內(nèi)外硫化不同步，內(nèi)層橡膠的膨脹力將已經(jīng)硫化的邊緣橡膠擠碎或扭曲，造成橡膠炸開。結(jié)合其他硅橡膠與金屬復合制品的生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)在硫化內(nèi)壓高于45 MPa時，也容易出現(xiàn)產(chǎn)品炸邊的問題。因此進行硅橡膠制品工藝設(shè)計時，為保證產(chǎn)品良好的外觀，建議硫化內(nèi)壓設(shè)定上限不超過45 MPa。

圖6 外觀良好的制品（硫化內(nèi)壓44 MPa）

2.5 硫化內(nèi)壓對剛度的影響

對不同硫化內(nèi)壓的產(chǎn)品按技術(shù)要求進行剛度測試，結(jié)果如圖8所示。

圖7 橡膠炸邊的制品（硫化內(nèi)壓46 MPa）

圖8 硫化內(nèi)壓對剛度的影響

由圖8可以看出，隨硫化內(nèi)壓增大，產(chǎn)品剛度逐漸增大，這與硫化內(nèi)壓增大使產(chǎn)品交聯(lián)密度增大有關(guān)。當硫化內(nèi)壓增大到一定程度時，產(chǎn)品剛度趨于穩(wěn)定，這為產(chǎn)品剛度調(diào)節(jié)提供了一種新的思路。

3 結(jié)論

（1）硫化內(nèi)壓與填料質(zhì)量、機臺壓力、硫化溫度密切相關(guān)。隨機臺壓力的增大、硫化溫度的升高，硫化內(nèi)壓增大；隨填料質(zhì)量的增加，硫化內(nèi)壓逐漸增大，當填料質(zhì)量增加到一定程度后，硫化內(nèi)壓趨于穩(wěn)定。

（2）硫化內(nèi)壓對硅橡膠制品外觀有明顯影響，當硫化內(nèi)壓超過45 MPa后，硅橡膠制品容易出現(xiàn)炸邊的外觀問題。建議硫化內(nèi)壓設(shè)定上限不超過45 MPa。

（3）隨硫化內(nèi)壓增大，產(chǎn)品剛度逐漸增大，當硫化內(nèi)壓增大到一定程度時，產(chǎn)品剛度趨于穩(wěn)定。

［1］周寧琳.有機硅聚合物導論［M］.北京:科學出版社，2000：112-145.

［2］陳平.硫化壓力對硫化膠性能的影響［J］.橡膠工業(yè)，2006，53（2）:104-106.

［3］楊清芝.現(xiàn)代橡膠工藝學［M］.北京:中國石油出版社，2003.

［4］程志.硫化工藝對軸箱彈簧硫化內(nèi)壓及性能的影響［J］.特種橡膠制品，2014，53（6）:51-54.

［責任編輯：朱 胤］

Effect Factors and Design Points of Rubber-Inner-Vulcanizing-Pressure for Silicone Rubber Products

Mu Hongshuai， Zhai Jiqin， Tan Lianying
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.， Ltd.， Zhuzhou 412007， China）

The effect of rubber weight， machine pressure， vulcanizing temperature on the rubberinner-vulcanizing-pressure， product appearance and product stiffness of silicone rubber products were studied. The results showed that， the rubber-inner-vulcanizing-pressure increased with the increase of rubber weight， machine pressure， vulcanizing temperature. The rubber-inner-vulcanizing-pressure had obvious infl uence on the appearance of rubber products. The silicone rubber products were prone to surface quality defect when the pressure surpassed 45 MPa.The stiffness of the products showed a gradually increasing trend with the increase of the rubber-inner-vulcanizing-pressure.

Vulcanizing Temperature； Rubber-Inner-Vulcanizing-Pressure； Stiffness

TQ 336.4+3

B

1671-8232（2015）11-0027-04

2015-08-17

穆洪帥（1986— ），畢業(yè)于青島科技大學，主要從事橡膠配方設(shè)計及橡膠減振制品基礎(chǔ)研究工作。