橡胶制品硫化内压及模腔内温度的影响因素探讨

吕秀凤，张 湘，唐飞宇，张俊荣，郭春杰

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

众所周知，温度、时间、压力是橡胶硫化的三要素，缺一不可。但在橡胶制品研发过程中，通常会将硫化温度和硫化时间作为调整产品性能的主要工艺参数，而对于硫化压力，则认为一旦机台选定，压力就可以得到保障。

实际上，硫化压力和硫化内压有着本质的区别。硫化压力是指橡胶制品硫化时机台施加的压力，其目的是使胶料在模腔中充分流动以充满模腔，提高胶料与骨架材料的附着力和制品的致密性，防止制品产生气泡，改善制品的物理性能。硫化内压则与胶料填充量、机台压力、硫化温度等工艺参数密切相关，是指在橡胶硫化过程中，模具加热及硫化反应释放热量所带来的温度升高，使橡胶分子膨胀及自由体积膨胀带来的作用力，其对产品性能也同样重要[1]。在实际工作中也发现，胶料组分和模具封胶也是影响硫化内压的关键因素。

本工作以两种注射成型橡胶-金属制品为例，对影响硫化内压和模腔内温度的因素进行验证性研究，以更好地了解产品硫化过程。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号CV60，马来西亚产品；半补强炭黑N774，美国卡博特公司产品；炭黑N330，天津海豚炭黑发展有限公司产品。

1.2 试验配方

1#配方：NR 100，炭黑N774 55，活性剂6，硫黄 4.5，促进剂CBS 0.6，加工助剂 1。

2#配方：NR 100，炭黑N330 40，活性剂6，硫黄 4.5，促进剂CBS 0.6，加工助剂 1。

3#配方：NR 100，炭黑N774 55，活性剂6，硫黄 2.2，促进剂CBS 0.7，促进剂DM 0.8，加工助剂 1。

4#配方：NR 100，炭黑N774 55，活性剂12，硫黄 4.5，促进剂CBS 0.6，加工助剂 1。

5#配方：NR 100，炭黑N330 55，活性剂6，硫黄 2.2，促进剂CBS 0.7，促进剂DM 0.8，加工助剂 1。

1.3 主要设备和仪器

K4型90 L密炼机，英国法雷尔公司产品；K-450型开炼机，宜兴阳昇机械有限公司产品；400 t注射机，衡阳华谊机械有限公司产品；MD-3000A型无转子硫化仪，高铁科技股份有限公司产品；50 t平板硫化机，萍乡无线电专用设备厂产品；HGXLPT2800型压力温度测试仪，西南自动化研究所产品；204F1型差示扫描量热仪（DSC），耐驰科学仪器商贸（上海）有限公司产品。

1.4 金属骨架表面处理

金属骨架表面处理工艺：超声波脱脂→干燥→喷砂→除尘→涂胶粘剂→烘干线干燥→包装。所用胶粘剂为M538。

1.5 试样制备

胶料采用密炼机混炼，混炼胶停放16 h后在开炼机上返炼，下片。用裁刀将适宜质量的胶料冷切成60 mm×9 mm的胶条，将胶条放入注射机进料口，按照160 ℃×t90的条件在50 t硫化机上硫化。

1.6 测试分析

（1）模腔内温度：在模具密封良好的条件下进行，测试注胶和不注胶情况下金属骨架芯轴、金属外套（见图1）和橡胶制品的温度随时间的变化。

图1 产品结构示意

（2）硫化内压：硫化内压测试在模具密封良好的条件下进行，在模具中模开设内压测试孔，用于插入压力传感器（见图2）。在硫化时间内，压力传感器测试胶料膨胀压力，记录橡胶制品硫化内压随硫化时间的变化。

图2 硫化内压测试模具示意

（3）硫化特性：采用无转子硫化仪测定胶料的硫化工艺参数，测试温度为160 ℃。

（4）邵尔A型硬度：按照相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

针对图1中产品1，注射机螺杆和料筒温度均设置为85 ℃，硫化机上下平板温度均设置为（175±5） ℃，硫化时间为30 min，注胶量为200 g。

2.1 注胶对芯轴和外套温度的影响

空模及注胶条件下模腔内芯轴和外套的温度随时间的变化曲线见图3。

图3 芯轴和外套温度随时间变化的曲线

从图3可以看出，空模测试时，芯轴温度一直处于直线上升状态，在23 min时，温度仅120 ℃，而外套温度在3.7 min时达到120 ℃，18.8 min时达到150 ℃，之后保持平衡。这可能是因为芯轴放入模具后，不注胶的状态下中间部位处于悬空状态，仅依赖于芯轴两端和模腔内的热空气升温，所以升温速度较慢，而外套则直接与模具接触而加热，升温速度较快。但是注胶之后，芯轴温度上升速度明显加快，在7.5 min时达到120 ℃，22 min达到140 ℃，之后逐渐升温在30 min时达到148.8 ℃；外套升温速度则明显降低，在5 min时达到120 ℃，13.8 min时达到140 ℃，之后逐渐升温最终在30 min达到150.4 ℃。这可能是因为胶料注射到模腔内的温度一般在120 ℃左右，起到介质的作用，使温度较低的芯轴升温加速，而温度较高的外套升温速度降低。从而使胶料与芯轴和外套的温度变化在时间上达到平衡。

2.2 胶料主要组分对橡胶制品硫化内压和模腔温度的影响

测试炭黑种类和用量、硫化体系以及活性剂用量对胶料硫化特性和橡胶制品硫化内压、模腔温度的影响，结果分别见表1和图4。

图4 不同配方胶料的橡胶制品硫化内压和模腔温度

表1 不同配方胶料的硫化特性和硬度

从表1和图4可以看出，1#，2#配方胶料的ts2和t90相差不大，在硬度相同的情况下，2#配方胶料的橡胶制品硫化内压值高于1#配方胶料。推测可能是因为炭黑N330的粒径小，在胶料受热膨胀过程中摩擦生热较多。3#配方胶料橡胶制品硫化内压值明显高于1#配方胶料，也就是说，相对于硫化体系1（4.5份硫黄和0.6份促进剂CBS）胶料，硫化体系2胶料（2.2份硫黄、0.7份促进剂CBS和0.8份促进剂DM）可以产生较高的内压。结合硫化体系2的ts2和t90都明显较短的现象，认为硫化速度快的胶料产生的硫化内压大。对比1#配方胶料和4#配方胶料发现，加倍使用活性剂会使胶料焦烧时间和硫化时间稍微延长，硫化程度相对增大，对橡胶制品硫化内压有一定影响。不同配方胶料的橡胶制品硫化模腔温度差异不大，这表明研究因素对模腔温度的影响很小。

2.3 胶粘剂M538的热分析

胶粘剂M538在不同温度下的DSC曲线见图5。

从图5可以看出，在120 ℃下，胶粘剂M538在60 min内未能反应，而150 ℃下则在1～2 min完成反应，所以胶粘剂M538的反应温度在120～150 ℃之间，而NR的适宜反应温度是143 ℃[2]。因此，胶粘剂M538与胶料的硫化匹配性良好。

图5 胶粘剂在不同温度下的DSC曲线

2.4 模具封胶对橡胶制品硫化内压的影响

采用图1中产品2（采用1#配方胶料）进行硫化内压和产品刚度测试发现，模具封胶有利于提高硫化内压，且封胶好的模具生产的产品刚度较大。胶料硬度相同时，采用封胶的模具的产品径向刚度从110 N·mm-1提高到140 N·mm-1，且刚度性能稳定，这与穆洪帅等[3]的研究结果一致。说明硫化内压对提高产品质量有很大的帮助。

3 结论

（1）在橡胶制品注射成型中，胶料可以起到介质的作用，平衡模腔内金属骨架等材料的升温速度。

（2）胶料的炭黑种类及用量、硫化体系、活化体系对橡胶制品硫化内压影响较大，对模腔内温度影响较小。

（3）胶粘剂M538与胶料的硫化匹配性良好。

（4）模具封胶可以提高橡胶制品硫化内压，有利于提高橡胶制品的稳定性。