论文答辩稿
毕业设计(论文)
半有效硫化体系对全天然胶料物理机械
性能的影响
Effective half-full of natural rubber vulcanization system on the
physical and mechanical properties
班级 高分子应用097 学生姓名 李贵 学号 930207013 指导教师 隋素萍 职称 高级工程师 导师单位 徐州工业职业技术学院
论文提交日期 2011.11.23
徐州工业职业技术学院
毕业设计(论文)任务书
课题名称半有效硫化体系对全天然胶料物理机械性能的影响课题性质 科学实验类 班 级 高分子应用097 学生姓名 李贵 学 号 930207013 指导教师 隋素萍 导师职称 高级工程师
一、选题的意义及背景
天然橡胶分子链在常温下呈无定形状态,分子链柔性好,所以具有较好的弹性,因此应用广泛,有良好的综合物理性能;另外橡胶分子每一个链节都含有一个双键,是不饱和橡胶,容易与硫化剂发生硫化反应,而不同的硫化体系对于天然橡胶的物理机械性能的影响又是非常显现的,因而为了实现高性能低成本的橡胶制品,研究掌握并优选出最佳的硫化体系,是非常重要的。“半有效硫化体系对全天然胶料物理机械性能的影响”属于“不同硫化体系对全天然胶料物理机械性能的影响”的子课题。
二.毕业设计(论文)主要内容:
1、天然橡胶的应用情况调查; 2、天然橡胶的物理化学性能;
3、实验用主要原材料的性能、生产单位、主要用途等的检索;
4、选择合适的实验方法,确定实验配方、实验内容及实验方案,对硫化剂的不同用量在天然橡胶中的应用性能进行对比;
表1:实验主要测定性能
三.计划进度:
毕业设计(论文)进行主要分五个阶段:
1、文献资料检索:课题研究背景、意义及目的;不同硫化体系对全天然橡胶的物理性能影响等同类课题目前进展及成果、主要原料的性能、生产单位、质量指标、理化性质、主要用途等;
2、实验方案确定:选择合适的实验方法,确定实验配方、实验内容及实验方案;
3、相关实验开展:根据实验方案、准备实验原料、规范操作各相关实验仪器设备,制备合格试样,规范测定各项性能,准确记录并分析实验现象及结果;
4.毕业论文撰写:标题、摘要、关键词、前言、实验、结果与分析讨论、结论、参考文献等内容,按标准论文格式编写;
5.毕业论文答辩:答辩PPT、论文文本及电子稿、原始记录本等;
具体计划进度安排见表2:
四.毕业论文(设计)结束应提交的材料:
1.文献资料内容,注明名称、时间、作者、出版社、网址等; 2.实验记录(实验时间、实验条件、实验现象、实验结果等); 3.毕业论文(按标准论文格式编排,字数符合要求)。
指导教师:隋素萍 教研室主任:聂恒凯
2011年11月23 日 2011年11月23 日
论文真实性承诺及指导教师声明
学生论文真实性承诺
本人郑重声明:所提交的作品是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,内容真实可靠,不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为,本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。
毕业生签名: 日 期:
指导教师关于学生论文真实性审核的声明
本人郑重声明:已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核,确定其内容均由学生在本人指导下取得,对他人论文及成果的引用已经明确注明,不存在抄袭等学术不端行为。
指导教师签名:
日 期:
目 录
摘要 .................................................... i Abstract ............................................... ii 第一章 前言 ............................................. 1
1.1 原材料简介 ........................................................... 1
1.2课题提出的必要性 ..................................................... 1
第二章 实验部分 ......................................... 2
2.1试验方案及基本配方 ................................................... 2 2.2实验原材料 ........................................................... 3 2.3实验设备与仪器 ....................................................... 3 2.4试验工艺流程及工艺要求 ............................................... 4
2.4.1实验工艺流程图 ................................................. 4 2.4.2 试验工艺条件 ................................................... 4 2.4.3试样的制备 ..................................................... 4 2.5项目与标准 ........................................................... 5
第三章 测试与分析 ....................................... 5
3.1门尼粘度的测试与分析 ................................................. 5 3.2硫化特性的测试与分析 ................................................. 6 3.3物理机械性能的测试与分析 ............................................. 7
3.3.1基本性能的分析 ................................................. 8 3.3.2力学性能的分析 ................................................. 9 3.3.3磨耗性能的分析 ................................................ 11 3.3.4老化性能的分析 ................................................ 12
第四章 结论 ............................................ 12 第五章 课题延伸 ....................................... 13 参考文献 ............................................... 13 致谢 ................................................... 14
摘要
摘要:天然橡胶分子链在常温下呈无定形状态,分子链柔性好,所以具有较好的弹性,因此应用广泛,有良好的综合物理性能;另外橡胶分子每一个链节都含有一个双键,是不饱和橡胶,容易与硫化剂发生硫化反应,而不同的硫化体系对于天然橡胶的物理机械性能的影响又是非常显现的,因而为了实现高性能低成本的橡胶制品,研究掌握并优选出最佳的硫化体系,是非常重要的。半有效硫化体系(也称为半高效硫化体系),是指硫化剂和促进剂的用量介于传统硫化体系与有效硫化体系之间或硫黄给予体部分取代传统硫化体系中的硫化而构成的硫化体系。其特点是硫黄用量为0.8~1.5份,促进剂用量(包括硫黄给予体在内)为1~1.5份以上。该硫化体系能使硫化胶产生适当比例的低硫或多硫交联键除了保留有效硫化体系的优点外,大大提高了胶料的抗疲劳龟裂性能,提高了天然胶的物理机械性能。
关键词:天然橡胶;半有效硫化体系;物理机械性能
Abstract
Abstract: Natural rubber chain at room temperature are amorphous state, molecular chain flexibility is good, so it has better elasticity, therefore widely used, has good comprehensive physical properties; other rubber molecules per one link contains a double bond, is unsaturated rubber and vulcanizing agent, easy occurrence of vulcanization reaction, and different curing system for natural physical and mechanical properties of rubber 's influence is very apparent, and therefore in order to achieve high performance and low cost of rubber products, research and choose a best vulcanization system, is very important. Semi efficient vulcanization system ( also known as half efficient vulcanization system ), refers to the curing agent and promoter usage between conventional vulcanization system and efficient vulcanization system, or between the sulfur donor to partially replace conventional vulcanization system of sulfide and composed of the vulcanization system. Its characteristic is the amount of sulfur is 0.8 ~ 1.5, accelerant (including sulfur donor, 1 to 1.5 above). The vulcanization system can make the vulcanizates produce proper ratios of sulfur or sulfur crosslinks in addition to retain efficient vulcanization system advantages, greatly improves the sizing material fatigue cracking performance, improve the physical and mechanical properties of natural rubber.
Key words: natural rubber; half efficient vulcanization system; physical and mechanical properties
第一章 前言
1.1 原材料简介
天然橡胶是从天然植物中获取的以异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物,其成分中91%~94%是橡胶烃(聚异戊二烯),其余为蛋白质、脂肪酸、灰分、糖类等非橡胶物质。天然橡胶是应用最广的通用橡胶,世界上约有2000种不同的植物可生产类似天然橡胶的聚合物,已从其中500种中得到了不同种类的橡胶,但真正有实用价值的是三叶橡胶树。橡胶树的表面被割开时,树皮内的乳管被割断,胶乳从树上流出。从橡胶树上采集的乳胶,经过稀释后加酸凝固、洗涤,然后压片、干燥、打包,即制得市售的天然橡胶。天然橡胶根据不同的制胶方法可制成烟片、风干胶片、绉片、技术分级橡胶和浓缩橡胶等。
天然橡胶的玻璃化温度为-72℃,粘流温度为130℃,开始分解温度为200℃,激烈分解温度为270℃。当天然橡胶硫化后,其玻璃化温度也上升,也再不会发生粘流。
硫黄别名硫、胶体硫、硫黄块。外观为淡黄色脆性结晶或粉末,有特殊臭味。分子量为32.06,蒸汽压是0.13kPa,闪点为207℃,熔点为119℃,沸点为444.6℃,相对密度(水=1)为2.0,不溶于水,微溶于乙醇、醚,易溶于二硫化碳。作为易燃固体,硫磺主要用于制造染料、农药、火柴、火药、橡胶、人造丝等。在日常生活和工业生产中硫黄有很大的作用。 主用于橡胶轮胎,其是橡胶硫化中十分重要的配合剂成分。
实验所用其他原材料作为橡胶生产的常用原料,在此不作一一介绍。
1.2课题提出的必要性
天然橡胶分子链在常温下呈无定形状态,分子链柔性好,所以具有较好的弹性,因此应用广泛,有良好的综合物理性能;另外橡胶分子每一个链节都含有一个双键,是不饱和橡胶,容易与硫化剂发生硫化反应,而不同的硫化体系对于天然橡胶的物理机械性能的影响又是非常显现的,因而为了实现高性能低成本的橡胶制品,研究掌握并优选出最佳的硫化体系,是非常重要的。半有效硫化体系(也称为半高效硫化体系),是指硫化剂和促进剂的用量介于传统硫化体系与有效硫化体系之间或硫黄给予体部分取代传统硫化体系中的硫化而构成的硫化体系。其特点是硫黄用量为0.8~1.5份,促进剂用量(包括硫黄给予体在内)为1~1.5份以上。该硫化体系能使硫化胶产生适当比例的低硫或多硫交联键除了保留有效硫化体系的优点外,大大提高了胶料的抗疲劳龟裂性能,提高了天然胶的物理机械性能。
第二章 实验部分
2.1试验方案及基本配方
(1)本实验研究NR硫化体系配合剂配比。实验配方如下:
表1 试验配方
氧化锌 硬脂酸 硫黄 促进剂CZ 防4010NA 防RD 松焦油 炭黑N330 石蜡油 总份数 4 2 1.5 1.2 1.5 1.5 6 50 1 169.2 氧化锌 硬脂酸 硫黄 促进剂CZ 防4010NA 防RD 松焦油 炭黑N330 石蜡油 总份数 4 2 1.4 1.0 1.5 1.5 6 50 1 169.3
(2)在确定性能最佳的CZ/S比例体系的条件下,根据多因素配方设计选择L4(21)设计出2个配方进行性能优化,实验因素与水平的安排如表2所示,正交实验安排如表3所示:
表2 实验因素与水平的安排
试验号 1 2
A:CZ 1.2 1.0
表3 L4(2)正交试验安排
1
B:S8 1.2 1.5
试验号 1 2
因素A 水平 1.2 1.0
用量/份 6 5
水平 1.2 1.4
因素B
用量/份 6 7
2.2实验原材料
本实验所采用的原材料如表4所示:
表4 主要原材料
原材料 3号烟胶片 硫黄 防老剂RD 硬脂酸 氧化锌 促进剂TT 促进剂CZ 石蜡油 防老剂4010NA 炭黑N330 松焦油 产地
云南丁苯胶产业有限公司 浙江黄岩浙东橡胶助剂有限公司
中国石化南京化工 中国石化有限公司
河南省固始县鹏鑫锌化有限公司
中国石化南京化工厂 中国石化南京化工厂 中国石化南京化工厂 中国石化南京化工厂 天津市利华进炭黑有限公司 中国石化南京化工厂
2.3实验设备与仪器
本实验所采用的实验设备如表5所示:
表5 主要仪器设备
1 台 秤 JPT-2 2 托盘天平 JPT-5-II 3 单刀切胶机 66O-1型 4 开放式炼胶机 X(S)K-160 5 平板硫化机 QLB-500/Q 6 电子式拉力试验机 JDL-2500N 7 切片机 CP-25 8 YF26可冲片机 DAL-63N80(A) 9 橡胶硬度计 邵尔氏LX-A型 10 测厚仪 WHT-10A 11 热老化试验箱 401-B 12 高铁无转子硫化仪 GK-III 13 阿克隆磨耗机 WML-76 14 门尼粘度仪 GT7080S2 上海浦东计量仪器厂二分厂 福州闽衡电子仪器有限公司 无锡市第一橡塑机械设备厂 无锡市第一橡塑机械设备厂 无锡市第一橡塑机械有限公司 高铁科技股份有限公司 江都市实验机械厂 高铁科技股份有限公司 江都市真威试验机械有限公司 江都市真威试验机械有限公司
江都市实验机械厂 高铁科技股份有限公司 江都市真威试验机械有限公司 高铁科技股份有限公司
2.4试验工艺流程及工艺要求
2.4.1实验工艺流程图
具体的实验步骤如图1所示:
图1 试验流程图
天然胶是一种结晶性橡胶,本身有一定的拉伸强度。添加适量的补强填料炭
黑可以提NR的力学性能,也可以改善其加工性能。随着炭黑用量增大,硫化胶的硬度和永久变形增大,而拉伸强度增大到一定程度后不再升高,并会有较小幅度下降。最大伸长率随炭黑用量增大而逐渐减小。母炼胶的制备首先NR先进行塑炼.
2.4.2 试验工艺条件
⑴配料:按比例和质量分数称量天然橡胶、氧化锌、硬脂酸、硫磺、促进剂、等各种原料;
⑵生胶塑炼:将天然橡胶采用开炼机薄通塑炼法:辊距0.5-1.0mm,辊温45℃-50℃,薄通次数8-10次;
⑶母炼胶混炼:将氧化锌、硬脂酸和塑炼过的生胶在开炼机上进行混炼;混炼工艺条件为:辊距2.5-3.5mm;前辊温55-65℃、后辊温50-55℃;下片厚度3.0-5.0mm,下片存放4-48h;
⑷生胶混炼:将硫磺、促进剂与经以上步骤所得的母炼胶进行混炼;混炼工艺条件为:辊距2.5-3.5mm;前辊温55-65℃、 后辊温50-55℃;下片厚度3.0-4.0 mm,下片存放4-72h,得生胶胶料; ⑸硫化:将生胶胶料进行硫化得成品胶料。硫化条件为:温度150℃,压力12.5Mpa,时间根据T100数据而定。 2.4.3试样的制备
表6 试样制备
0.0直角型 24 长100mm厚2.00+2mm 试样6个 圆柱型 4 直径80mm厚12mm
2.5项目与标准
GB/T1232 未硫化橡胶门尼粘度的测定
GB/T9869 橡胶硫化特性的测定(圆盘振荡硫化仪法) GB/T528 硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定 GB/T1689 硫化橡胶耐磨性能的测定(阿克隆磨耗机)
GB/T3512 硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验
GB/T529 硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定(裤形、直角形和新月形
试样)
第三章 测试与分析
3.1门尼粘度的测试与分析
不同配方的门尼粘度的对比如表5:
表7 门尼粘度的对比
配方种类 配方一 配方二
MV 29.8 27
MAX monny 54.2 48.7
图2门尼粘度变化图
该胶料的两种配方的门尼粘度表示胶料的流动性好,易充模,硫化简单方便。
3.2硫化特性的测试与分析
硫化前要测试硫化特性以确定硫化时间,下表是硫化性能的数据。
表8 硫化性能的影响
配方 1 2
测试温度 145.C 145.C
MH 14.227 13.848
ML 0.998 1.190
图3 扭矩变化图
Tc10 1:39 1:43
Tc90 5:00 5:47
Tc100 9:40 10:42
由于胶料的配方不同,所以焦烧时间和工艺正硫化时间也有差异,但是差异
不大。在硫化时,可根据工艺正硫化时间确定实际的硫化时间。
3.3物理机械性能的测试与分析
表9 各个配方物理机械性能值
配方
性能 基本性能
硬度
69
70
69
70
69
70
20min
配方一 30min
40min
20min
配方二
30min
40min
密度g/cm3 1.077 1.083 1.091 1.082 1.091 1.097
拉伸强度/Mpa 23.95 22.66 22.82 24.89 24.56 23.75
最大伸长率/%
力学性能
撕裂强度/ N/mm 300%定伸应力/Mpa
627.8 592.9 609 607.3 641.7 614.4
7.50 7.51 7.33 7.80 7.34 7.38
99.30 93.67 98.10 136.64 104.09 99.52
永久变形率/% 28 26 20 30 24 21
磨耗性能
老化:100℃×24h
老化前
拉伸强度/Mpa
老化后
老化性能
老化系数
300%定伸应力
/Mpa
老化系数
老化前 老化后
最大伸长率/%
老化后
老化系数
老化前
阿克隆磨耗cm3/1.61km
40min 60min 40min 60min
0.22 0.57 0.28 0.29
23.95 20.45 -0.15 627.8 526.7 -0.16 7.50 9.72 0.29
22.66 20.89 -0.08 592.9 543.6 -0.08 7.51 9.29 0.23
22.82 20.55 -0.10 609 565.7 -0.07 7.33 9.06 0.24
24.89 18.36 -0.26 607.3 410.4 -0.32 7.80 13.27 0.70
24.56 22.46 -0.08 641.7 596.2 -0.08 7.34 8.65 0.13
23.75 22.61 -0.05 614.4 573.5 -0.06 7.38 9.32 0.26
3.3.1基本性能的分析
(1)硬度
图4不同配方的胶料硬度示意图
见该两种配方在现有实验条件下对硬度影响较小。
(2)密度
图5 硫化胶的密度图
对比两种配方发现:同一硫化时间的配方二的密度大于配方一的密度。同一配方中,密度随硫化时间升高而增大。但对密度的总体影响不是很大。
3.3.2力学性能的分析 (1)拉伸强度
图6 硫化胶拉伸强度变化图
从上图分析得出:拉伸强度基本随硫化时间的增加而下降,而配方一中20min的反常可能是由于备用试片的硫化出现硫化不均匀与其他因素导致的。生产中应注意防止此类情况的出现。
(2)最大伸长率
图7最大伸长率变化图
通过对最大伸长率数据对比得出:
20min时,配方一的最大伸长率大于配方二。 30min时,配方一的最大伸长率小于配方二。 40min时,配方一的最大伸长率小于配方二。 可认为同一硫化时间下,配方二的最大伸长率大于配方一的最大伸长率,对于20min情况小的反常情况的出现可能是由于硫化过程中的欠硫造成的。
(3)300%定伸应力
图8 300%定伸应力变化图
上表的数据可得出:这两个配方老化前后的全天然胶料的300%定伸应力均出
现了明显的上升趋势,并且上升了两个兆帕左右,可见:老化在一定程度上可以提高全天然胶料的300%定伸应力。但降低了其他物理机械性能。对比同一硫化时间的不同配方。
发现如下规律:配方二的300%定伸应力基本大于配方一的定伸应力,而30min硫化时间的条件下,出现了反常的状况。可能是由于硫化时的微小返原造成的。
(4)撕裂实验数据
图9 最大撕裂强度对比图
上图中的撕裂强度在同一配方中基本随硫化时间的增加而减少,但也有可能出现反常,原因可能是胶料的混炼出现了部分不均或结块,因而撕裂强度会有一定的反常,在生产中注意混炼的过程,应该可以避免此类情况的出现。
(5)永久变形率的变化
图10 永久变形率示意图
从上图分析可得出如下结论:对于同一配方,其永久变形随硫化时间增大
而减小,而通过同一时间的不同配方的数据对比中:配方一的永久变形率有大于配方二的趋势。配方中出现的反常现象即配方一在30min时的永久变形率比配方二的要大,可能出现该现象的原因是操作过程中的测量误差造成的。 3.3.3磨耗性能的分析
图10 不同硫化时间的阿克隆磨耗对比变化图
从上图的数据分析:该两种配方的磨耗体积大致在0.200且同一配方中均呈上升趋势,表示其耐磨性能随硫化时间的增加下降。该胶料配方一硫化时间为60min的实验组中的磨耗体积出现了较大的波动,可能是由于预磨时胶料的细屑未完全磨去,而正式磨去1708圈之后,细屑被磨去,导致磨耗体积变大,故实验时应注意磨去的细屑的处理,防止其变化影响其磨耗量的准确性。
3.3.4老化性能的分析
图11 老化系数的对比
从上图对比中得出:老化对最大伸长率,拉伸强度均有降低作用,而可以适当增加300%定伸应力的大小,可见在需要最大伸长率和较好的拉伸强度时应注意避免制品的老化。防止影响其性能。
第四章 结论
综上各图表的数据状况从硫化体系上面分析可得出结论:当硫黄和促进剂的比例在1.4:1时,最大伸长率,最大强度、300%定伸应力、撕裂强度、永久变形率均小于硫黄与促进剂比例1.2:1.2的值,可以认为在一般情况下,即硫黄在0.8~1.5份,促进剂在1.0~1.5份以上范围类时,硫磺与促进剂的比例上升时,其最大伸长率,最大强度、300%定伸应力、撕裂强度、以及永久变形率均呈下降趋势。通过对阿克隆磨耗量的各配方比较,发现配方一的耐磨耗性能要好于配方二的性能。可见,在同为半有效硫化体系中选用含硫量低的硫化胶其耐磨性要稍好于含硫量高的硫化胶。在试验中发现其硫化曲线平坦期较长,可见此体系的抗返原性能较好,适用于高温快速硫化。由于同组人员另做了传统硫化体系的实验,对比发现:半有效硫化体系的试样压缩变形率小于传统体系的试样。可以认为:其耐压缩变形率好,适用于制作密封制品。
第五章 课题延伸
该实验是在硫化体系对全天然胶料的影响下所做的子课题,所以该实验可引申出其他的子课题,如促进剂的含量对全天然胶料的物理机械性能的影响,有效、传统、平衡硫化体系均可以用来作比较试验,甚至可引申为其他体系对全天然胶料或其他并用体系的胶料的物理机械性能的影响。
参考文献
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[2] 纪奎江主编.实用橡胶制品生产技术[M].北京:化学工业出版社,1990.12
[3] 翁国文 张馨 编著.橡胶材料的选用[M].北京;化学工业出版社,2010.09
[4] 翁国文 聂恒凯.橡胶物理机械性能测试[M].化学工业出版社,
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[5] 翁国文编著.实用橡胶配方技术北[M].京:化学工业出版社,2008年,1-6
[6] 翁国文主编.配合与塑混炼操作技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008年,28-32
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[8] 吴晓谦主编. 橡胶制品工艺. 北京:化学工业出版社,1993.
[9] [美] 约翰S. 迪克主编 橡胶技术——配合与性能测定. 游长江译. 北京: 化学工业出版社,2005
[10] [苏] Φ. Φ. 柯舍列夫等著. 橡胶工艺学. 陈根度等译. 西安:陕西科学技术出版社,1986.
[11] 聂恒凯主编.徐志和 韦帮风 主审.橡胶通用工艺. 北京:化学工业出版社,2009.2
致谢
通过本次的毕业论文设计,使我对天然橡胶以及橡胶配方的各大体系都有了较多的了解。尤其是在众多配方中,得到力学性能最好的配方,在此过程中,学会了在查阅资料、整理研究资料的方法;提高了在实验研究过程当中发现问题,解决问题的能力;增强了自己的思维能力、动手能力、分析能力,为以后的工作奠定了一定的基础。
本课题在选题及研究过程中得到隋素萍老师细心指导。隋老师的谆谆教导为我指点迷津,开拓我的研究思路,精心点拨、热忱鼓舞。隋老师一丝不苟的作风,严谨求实的态度,踏踏实实的精神,不仅使我懂得了知识,而且教会我如何做人,使我受益终生。在此谨向隋老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
我还要感谢我的同学周桥、刘顺、韩京、尹文韬在做试验及处理数据过程中给予我的帮助和协作。是在他们的帮助下我的论文才得以按时完成、精心整理、装订。衷心地感谢他们给予我的一切帮助。
同时也感谢徐州工业职业技术学院,给予我这个展示自己的平台,让我明白做事要“求真”、“求实”、“求精”、“求新”,把平凡的事情做好,那就是不平凡。
最后感谢一直培养我的含辛茹苦的父母,永远健康长寿!