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[硫化橡膠工藝]硫化橡膠制品常見缺陷成因及改進措施

1843年,古德伊爾終于取得成功,他發明了一整套完備的程序來制作硫化橡膠,并在1844年再次獲得專利。然而,發明研究和商業應用之間總是有一段距離的。古德伊爾的商業產品還沒上市,他又再次破產入獄。更糟糕的是,這項技術雖然發明起來很難,但掌握起來很容易,因此許多沒有專利權的人也爭相模仿制作改良的硫化橡膠。橡膠工業一下子又火了,橡膠也終于成為一種有價值的工業原料。

代理商告訴古德伊爾,橡膠行業已經過氣,即將被淘汰,所以他設計的氣門自然也就無用了。但古德伊爾卻在此刻意識到,如果能夠找到改善天然橡膠的方法,打破溫度的限制,那么就可以變廢為寶了。因此,古德伊爾決心要對天然橡膠進行改性,以充分利用好這種有很大商業潛力的材料。從此,古德伊爾的生活便與橡膠牢牢黏在了一起。

橡膠,是大自然贈予人類的絕佳禮物,從絕緣手套到汽車輪胎,從膠鞋雨衣到田徑跑道,橡膠的應用隨處可見。雖然橡膠改變了世界,惠及我們每一個人,但是,人類初識橡膠的時候,并沒看出它有多大的能耐,甚至對它失去過信心。多虧了一位勤勉的發明家,用畢生的努力改良橡膠,才挽救了幾乎“流產”的橡膠工業。這位發明家就是有著“現代橡膠之父”美譽的查爾斯·古德伊爾。

在人們不再看好橡膠工業的時候,遠在美國的古德伊爾也正因為事業陷入困境而發愁——他三十歲出頭,正值壯年,已經成為9個孩子的父親,做了十多年的五金生意,但經營不善,公司破產。

在古德伊爾人生余下的十幾年里,他陷入了與侵權者無休止的法律斗爭中。由于貧窮而請不起好的律師,古德伊爾贏得官司的次數非常少。而持久的維權斗爭又使本就貧困的古德伊爾生活更加困難。終于,1860年,古德伊爾在貧病中去世,陪他一起走到生命盡頭的,只有那幾十萬美金的負債。

改變了橡膠,卻沒能拯救自己——發明家查爾斯·古德伊爾的悲劇人生

無論麥金托什,還是漢考克,他們用新方法制作的橡膠制品,本質上仍然使用的是天然橡膠。這些產品很快就暴露出問題——天冷會發硬開裂,天熱會變軟發臭,黏黏糊糊。由于技術問題難以解決,大量橡膠產品開始滯銷,一度將要興起的橡膠企業陸續倒閉,許多投資者和研究者紛紛對橡膠失去了興趣。

1834年的夏天,古德伊爾已經斷絕收入一年有余了,全靠典當家當來養活妻子和孩子。一天,古德伊爾無所事事地在街上閑逛,偶然看到商店櫥窗中展示的橡膠充氣救生圈,他想到,救生圈氣門漏氣也許是許多人溺水而死的重要原因。于是他想到這是一個商機,果斷買下救生圈。通過數周的研究,古德伊爾設計出了一個硫化罐防止漏氣的氣門膠輥硫化罐。然而橡膠硫化罐,當他找到代理商的時候,后者沒有半分欣喜,而是無奈地把他帶到儲藏室。打開門的一瞬間,古德伊爾聞到了一股刺鼻的橡膠惡臭。原來,儲藏室里堆滿了賣不出去的橡膠產品——鞋子、雨衣以及救生圈。由于夏天的高溫,這些東西變臭變黏,成為了無用的垃圾。

我們知道,橡膠被硫磺改性,是因為高橡膠工業硫化罐溫下兩者發生了化學反應,硫原子和橡膠的有機聚合物形成了堅固的化學鍵和分子結構。但古德伊爾的時代,化學理論并不發達,他仍然只能用試錯的方式一遍遍嘗試。從修砌火爐、調控溫度、掌握加熱時間、確定硫磺和其他試劑的用量到機械運轉、產物測試,這些事情花費了古德伊爾大量的時間和精力,而且,長期與有毒物質的接觸也嚴硫化橡膠成分分析重損害了古德伊爾的健康。

這個時候,古德伊爾已經迷上了橡膠,甚至在獄中,他還在想方設法繼續自己的研究。好在古德伊爾的親戚替他還清了債務,他才得以出獄。

但努力總會有所回報,1938年7月,古德伊爾的嘗試開始小有所成。他用硝酸溶液的蒸汽處理橡膠,可以改善橡膠性能,于是發明了一種“酸蒸汽處理橡膠工藝”,獲得了專利。1939年,一次著名的“火爐事件”更是使他的研究發生了轉折。一天,古德伊爾正和朋友聊天,他撕了一塊富含硫磺的橡膠片,漫不經心地丟進火爐里,后來發現懼怕高溫的橡膠在火爐中竟然沒有軟化黏糊,反而變得更堅韌、更有彈性。古德伊爾受到啟發,便開始改用硫磺高溫處理的方法來制造橡膠。

古德伊爾結識橡膠

橡膠的故鄉在南美洲,那兒生長著一種橡膠樹,割破樹皮會看到白色的膠乳,一滴一滴流淌下來。當地的土著居民把這種膠乳叫做“樹的眼淚”。他們將膠乳風干凝固,做成彈性十足的圓球,然后一邊唱著歌,一邊圍成圓圈跳舞,把球傳來傳去。15世紀末,著名航海家哥倫布航行到達美洲時,看到當地人玩這種游戲。哥倫布感到很好奇,就將圓球帶回了歐洲。哥倫布之后,越來越多的西方探險者抵達美洲,他們漸漸得知橡膠樹的產地、土著人采集膠乳的方法以及利用天然橡膠制作鞋子、水壺和其他壇壇罐罐的過程。

經過幾個世紀對于橡膠知識的探索、沉淀和推廣,19世紀,歐洲終于出現了橡膠工業。1819年,英國人查爾斯·麥金托什發現用煤焦油能夠溶解橡膠,于是便用橡膠制劑給布料涂層,做成了人類最早的橡膠雨衣。1826年,英國人托馬斯·漢考克發現用一種機械方式反復擠壓橡膠,能夠降低其彈性,提高起塑性,他用這種方法做出了世界上最早的松緊帶。一時間,人們被橡膠材料帶來的驚喜沖昏了頭腦,以至于還沒有對橡膠性質研究透徹,就過早地對橡膠進行大規模的商業化應用。

橡膠工業出現困境

雖然重獲自由,但古德伊爾的處境并沒有太多好轉,他依然瘋狂地嘗試,不停地實驗。然而你沒有人再愿意借錢給他了,人們還這樣調侃他:如果你碰到一個人,帽子、圍脖、外套、背心、鞋子全是橡膠做的,口袋里沒有一分錢,那么這個人就是查爾斯·古德伊爾。

“火爐事件”帶來轉折

古德伊爾沒有學過有機化學,根本不懂得天然橡膠的化學成分是什么,更不知道應該要添加什么物質、進行什么化學反應才能有效改良橡膠的性質。所以,當時他的實驗方法就是不停的嘗試,根據效果來判斷。比如,他向橡膠中摻入過松節油、鎂粉、石灰甚至火藥??墒沁@些方法都只是簡單地將物質混合,并沒有發生化學反應,因此都不成功。同時,漫無目的的嘗試還給他帶來了更多的負債。沒過多久,古德伊爾便因為欠下太多債務而被拘捕,他只好帶著做實驗用的搟面杖和各種添加劑搬進了監獄。

下面是凌靜冷水機廠家為一家橡膠制品公司設計的橡膠硫化冷水機布局圖,需要的朋友可以參考下

為改善橡膠制品的性能,生產上要對生橡膠進行一系列加工過程,在一定條件下,使膠料中的生膠與硫化劑發生化學反應,使其由線型結構的大分子交聯成為立體網狀結構的大分子,從而使膠料具備高強度、高彈性、高耐磨、抗腐蝕等等優良性能。這個過程硫化罐廠家稱為橡膠硫化。一般將硫化過程分為四個階段,誘導-預硫-正硫化-過硫。為實現這一反應,必須外加能量使之達到一定的硫化溫度,然后讓橡膠保溫在該硫化溫度范圍內完成全部硫化反應。微波連續硫化,比其他連續硫化法工藝簡便,硫化質量高,節約能源,顯著降低成本。生產過程中,需要用來冷卻水來降溫,一般我們叫這種設備叫冷水機(冰水機、冷凍機)。冷水機又分為兩種,一種是水冷冷水機,第電加熱硫化罐二種是風冷的冷水機;由于注塑車間場地的限制或者方便安裝,橡膠硫化冷水機用風冷的。

硫化溫度是橡膠硫化反應的基本條件,它直接影響硫化速度和產品質量,是橡膠硫化工藝中最主要的控制條件之一。

實踐表明:各種膠料最宜硫化溫度認為是:天然橡膠<143℃,不超過160℃;丁苯橡膠<180℃,異戊橡膠、順丁橡膠<151℃;氯丁膠<151℃,丁基橡膠<170℃,丁晴橡膠<180℃

硫化溫度和硫化時間是互相依賴的,

硫化溫度低,硫化速度慢,硫化時間則長。

硫化溫度和硫化時間的關系可用下列公式表示(根據范特霍夫規則)。

硫化溫度的高低應根據膠料配方而定,其中最重要的是取決于橡膠種類和硫化體系,近年來隨著室溫硫化膠料的增加和高溫硫化的出現,硫化溫度趨向兩個極端,特別是高溫硫化引人注目,提高硫化溫度,可以縮短硫化時間,提高生產效率,但提高硫化溫度要綜合權衡下列因素;橡膠是不良導熱體,對于厚制品硫化來說,采用高溫硫化罐公司硫化很難使內外層膠料同時達到平坦范圍,其次各種橡膠的耐溫性能不1、硫化溫度提高到一定程度后,對橡膠性能或多或少帶來影響,另外高溫對橡膠制品中的纖維材料起破壞作用,會使其強度下降,因此提高硫化溫度必須有相應技術措施保證,但也不能無限的提高硫化溫度,在選定硫化溫度時,對膠種,硫化體系,硫化工藝及產品結構都應有所考慮。

K——硫化溫度系數(2、8-3、5范圍)。上式表明硫化溫度與硫化時間是互為指數的關系。硫化溫度相差10℃時,硫化時間相差兩倍?;蛘哒f,溫度增加10℃,硫化時間縮短一倍,溫度降低10℃,硫化時間延長一倍。

硫化溫度高,硫化速度快,硫化時間則短;

的確,輪胎的制造原理并不復雜,只是生產流程線背后蘊涵著多大的成本與故事,并不是老爺們想搞就能搞的。這就好像看似只是簡單升級的工業4、0,為什么就能說領先國內十幾年一樣,這部分泰哥留在以后的文章來跟老爺們慢慢展開。

成型后的輪胎接下來就到了最后一道程序“進烤箱”,成型后的輪胎并沒有胎面花紋胎圈外凸,并且橡膠強度也不如成品輪胎。在固特異盧森堡研發中心,工程師就給泰哥演示了一下硫化前的生膠和硫化后橡膠拉伸效果對比。

5、成品輪胎:加壓硫化工序6、造輪胎就像做包子

看完所有輪胎制作流程,老爺們或許會說:果然是萬變橡膠硫化體系不離其宗,只要一條現代化工廠流水線就能生產輪胎了,那是不是老爺們自己開個手工作坊就可以搞定。真的就是那么簡單嗎?

7、原始生膠料:混合打發、密煉、壓延8、輪胎的特性:配方決定

輪胎可以說是所有車主老爺們津津樂道的話題,從1888年第一條充氣輪胎發明至今輪胎相伴著車主老爺走過120多年。輪胎天天用,但一條輪胎是如何誕生的呢?生產了140年的輪胎從發展到現在基本沒啥變化,里面又有多少技術結晶呢?

原料配比完畢后,接下來的就是把所有的材料進行打發混合將天然橡膠、合成橡膠還有添加劑混合成一整塊表面溫度達126℃的黑色“面團”,然后放到密煉輥壓機將攤成橡膠大餅,排上簾布絲。

所以,成型后的生膠輪胎最后一步的硫化工作就是給輪胎塑造臺面花紋和強化定型的過程。

今天泰哥就來跟老爺們聊聊這個每天給我們忍辱負重,帶我們前行的“小黑皮”輪胎是怎么制造的。

講到造輪胎跟做包子一樣,許多老爺就不理解了,一個橡膠制品和一個食品怎么樣想都沒法聯系起來,泰哥是不是又開始開嘴炮吹了?還真不是,接下來泰哥就來跟老爺們聊聊,輪胎這個“黑包子”到底是怎么做成的。

在輪胎成型機上,首先在轉鼓上鋪上一層氣密層和簾布層,然后將內含金屬圈的胎圈被輪胎膠層翻卷入兩層橡膠內。然后另一個轉鼓上預先鋪好的帶束層和尼龍胎冠套在氣密層和簾布層之上變成一個整體。

包子的配方需要水、面粉、雞蛋等等原材料組成,而輪胎也是一樣。輪胎的配方就復雜的多了,下面圖片中就是輪胎中所需的23種常用配方材料。

9、輪胎成型:不斷的擠壓鋪料

Tips:一般轎車輪胎這樣的小型輪胎45分鐘左右完成硫化工作、而大型車就需要一小時以上。巨型載重車則根據輪胎大小最長需要硫化24小時。

而輪胎中最為基礎的橡膠材料也有不同的應用比例:天然橡膠提供足夠的彈性、合成橡膠提供足夠的強度和耐久。(就像生魚皮和鯊魚皮泳衣的區別一樣)

1大氣泡

2薄皮氣泡

6 噴霜

表3-1 脫膠的原因分析及解決方法

表3-3 薄皮氣泡產生的原因及解決方法

薄皮氣泡表現為減震器橡膠體表皮淺層存在一定數量的小氣泡。薄皮氣泡產生的原因及解決方法如下表所示。

縮孔、夾層表現為減震器橡膠表面入料口、溢料口、分型面或橡膠與金屬粘接處等部位出現體積較大的空洞、溝槽狀物。

2氣泡

表3-2 大氣泡產生的原因及解決方法

表7-9 撕裂、拉毛產生的原因及解決方法

3膠瘤

表3-6 縮孔、夾層產生的原因及解決方法

1 橡膠-金屬粘接不良

噴霜表現為減震器橡膠放置一段時間后,橡膠表面形成一層類似霜霧的白色物質。噴霜的原因及解決方法如下表。

硫化橡膠制品常見的缺陷一般表現為橡膠-金屬粘接不良、氣泡、局部橡膠硫化不足、缺膠、縮孔、噴霜、分層、撕裂等。

膠瘤(俗稱爛肉)表現為減震器橡膠體表面存在海綿狀或明顯的粘性突起物。膠瘤產生的原因及解決方法如下表所示。

分層表現為減震器橡膠體不能形成一個整體,呈現出一層一層的現象。分層的原因和解決方法如下表。

表3-7 噴霜產生的原因及解決方法

缺膠表現為減震器橡膠沒有充滿整個型腔。缺膠產生的原因及解決如下表所示。

表3-8 分層產生的原因及解決方法

表3-5 缺膠產生的原因及解決方法

4 缺膠

撕裂、拉毛表現在減震器橡膠體被扯斷或橡膠體表面不光滑平整。撕裂、拉毛的原因和解決的方法如下表。

5 縮孔夾層

大氣泡表現為減震器橡膠體表面存在體積較大的氣泡。氣泡產生的原因及解決方法如下表所示。

7 分層

縮孔和夾層現象的原因和解決方法如下表。

橡膠與金屬的粘結是減震器一個重要環節,橡膠與金屬的粘結原理,普遍認為在低模量的橡膠與高模量的金屬之間,膠粘劑成為模量梯度,以減少粘結件受力時的應力集中。常用雙涂型膠漿的底涂或單涂型膠粘劑與金屬表面之間主要通過吸附作用實現粘結。底涂型和面涂型膠粘劑之間,以及膠粘劑與橡膠之間通過相互擴散作用和共交聯作用而實現粘結。

表3-4 膠瘤產生的原因及解決方法

8 撕裂、

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