溫度和壓力是橡膠硫化過程中最關(guān)鍵的工藝參數(shù),,二者通過影響分子交聯(lián)反應(yīng)、材料致密性及內(nèi)部結(jié)構(gòu),,直接決定硫化制品的物理性能,、外觀質(zhì)量和使用壽命。
一,、溫度對硫化質(zhì)量的影響
1. 對交聯(lián)密度與反應(yīng)程度的影響
溫度與交聯(lián)速度的關(guān)系:根據(jù)阿累尼烏斯方程,,溫度每升高 10℃,硫化反應(yīng)速率約提高 2-3 倍,。例如:
天然橡膠在 140℃時(shí) t90(正硫化時(shí)間)為 60 分鐘,,160℃時(shí)可縮短至 20 分鐘。
溫度不足的后果(欠硫):
交聯(lián)密度低,,制品表現(xiàn)為強(qiáng)度不足(拉伸強(qiáng)度<10MPa),、彈性差(永久變形>30%),,耐老化性下降。如某 NBR 密封圈因硫化溫度設(shè)定為 140℃(推薦 150-160℃),,使用 3 個(gè)月后出現(xiàn)龜裂,。
溫度過高的后果(過硫):
分子鏈斷裂與交聯(lián)反應(yīng)失衡,導(dǎo)致制品硬化,、變脆(邵氏硬度>90A),,伸長率<150%。
案例:硅橡膠按鍵在 200℃硫化超過 30 分鐘,,表面出現(xiàn)裂紋,,電絕緣性能下降(體積電阻<10^13Ω)。
2. 對橡膠分子結(jié)構(gòu)的影響
溫度與交聯(lián)鍵類型:
硫磺硫化體系中,,低溫(140-150℃)易形成多硫鍵(-Sx-,,x≥3),制品彈性好但耐老化性差,;高溫(160-180℃)形成單硫鍵(-S-)或雙硫鍵(-S2-),,耐老化性提升但彈性下降。
熱氧老化風(fēng)險(xiǎn):溫度超過 200℃時(shí),,橡膠分子鏈氧化斷裂加劇,,例如 EPDM 在 220℃硫化后,熱空氣老化 70℃×72h 后強(qiáng)度保持率<50%,。
3. 對制品內(nèi)外均勻性的影響
厚制品溫度梯度問題:
厚度≥20mm 的制品,,若溫度設(shè)定過高(如 180℃),表面可能過硫而內(nèi)部欠硫,,導(dǎo)致硬度差>5 邵氏 A,。
解決方案:采用分段升溫(如先 150℃再 170℃)或增加保溫時(shí)間。
二,、壓力對硫化質(zhì)量的影響
1. 對制品致密性與缺陷的影響
壓力不足的典型缺陷:
氣孔 / 氣泡:硫化過程中揮發(fā)分(如水,、助劑分解氣)無法排出,例如 NR 制品在 0.2MPa 壓力下硫化,,截面出現(xiàn)直徑>1mm 的氣孔,。
分層 / 脫膠:多層結(jié)構(gòu)制品(如橡膠 - 織物復(fù)合件)因壓力不足(<0.4MPa)導(dǎo)致界面結(jié)合力<5N/mm。
壓力過高的風(fēng)險(xiǎn):
模具變形或設(shè)備過載,,例如小型硫化罐壓力超過 0.8MPa(設(shè)計(jì)上限 1.0MPa),,可能導(dǎo)致罐門密封失效。
橡膠流動性過強(qiáng),,嵌入件移位,,如金屬骨架密封圈在 1.0MPa 壓力下,骨架偏移量>0.5mm。
2. 對橡膠物理性能的影響
壓力與密度的關(guān)系:
極性橡膠(如 NBR)在 0.3-0.8MPa 范圍內(nèi),,壓力每增加 0.1MPa,,密度提高 2-3%,拉伸強(qiáng)度提升 5-10%,。
壓力對交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的影響:
高壓(≥0.6MPa)可促進(jìn)分子鏈有序排列,,提升結(jié)晶型橡膠(如天然橡膠)的拉伸強(qiáng)度和耐磨性,但過高壓力(>1.0MPa)會導(dǎo)致分子鏈斷裂,,性能反而下降,。
三、溫度與壓力的協(xié)同作用
1. 溫度 - 壓力組合對硫化效率的影響
高溫低壓組合:適用于薄制品或非極性橡膠(如 EPDM),,例如:
170℃/0.4MPa 硫化 2mm 厚 EPDM 墊片,,硫化時(shí)間 15 分鐘,性能達(dá)標(biāo)但需注意邊緣過硫,。
低溫高壓組合:適用于厚制品或極性橡膠(如 NBR),,例如:
150℃/0.7MPa 硫化 30mm 厚 NBR 膠輥,硫化時(shí)間 60 分鐘,,可保證內(nèi)外交聯(lián)均勻性,。
2. 協(xié)同不當(dāng)?shù)牡湫桶咐?/span>
案例 1:溫度過高 + 壓力不足
某 SBR 輪胎胎面在 180℃/0.3MPa 硫化,表面過硫(硬度>85A)且內(nèi)部存在氣泡,,行駛 5000 公里后胎面開裂,。
案例 2:溫度不足 + 壓力過高
硅橡膠絕緣子在 160℃/0.6MPa 硫化,雖無氣泡但交聯(lián)不完全,,耐電弧性能<180 秒(標(biāo)準(zhǔn)要求≥200 秒),。
3. 優(yōu)化策略:基于制品需求的參數(shù)匹配
高性能制品(如航空密封件):采用中溫(160-170℃)+ 高壓(0.7-0.9MPa),確保交聯(lián)密度與致密性兼顧,。
低成本制品(如普通 O 型圈):采用高溫(170-180℃)+ 中壓(0.5-0.6MPa),,縮短時(shí)間以提高生產(chǎn)效率。
四,、硫化質(zhì)量異常的診斷與調(diào)整方向
1. 溫度相關(guān)問題排查
若制品整體偏軟、彈性差 → 可能溫度不足,,需提高 5-10℃或延長保溫時(shí)間,。
若制品表面硬化、內(nèi)部正常 → 可能升溫速率過快,,需降低升溫速率至 5℃/min,。
2. 壓力相關(guān)問題排查
若制品出現(xiàn)貫穿性氣孔 → 檢查壓力是否達(dá)到設(shè)定值(如 NBR 需≥0.5MPa),或升壓速率過慢(應(yīng)≥0.1MPa/min),。
若制品與模具貼合面不平整 → 可能壓力分布不均,,需檢查硫化罐內(nèi)壓力均勻性(偏差應(yīng)<±0.05MPa)。
五,、行業(yè)實(shí)踐:典型制品的溫壓控制要點(diǎn)
輪胎硫化:溫度 165-180℃,,壓力 0.6-0.8MPa,,采用 “逐步升壓 + 恒溫恒壓”,避免胎面與胎體交聯(lián)不一致,。
醫(yī)用橡膠塞:溫度 150-160℃,,壓力 0.4-0.5MPa,嚴(yán)格控制溫壓波動(±2℃/±0.03MPa),,防止藥物相容性不合格,。
高壓膠管:溫度 170-190℃,壓力 0.7-1.0MPa,,配合長保溫時(shí)間(40-60 分鐘),,確保多層結(jié)構(gòu)粘合強(qiáng)度>8N/mm。
通過精準(zhǔn)調(diào)控溫度與壓力的協(xié)同作用,,可在保證硫化質(zhì)量的同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)效率,。實(shí)際生產(chǎn)中建議結(jié)合硫化儀測試(如獲取 t10、t90 參數(shù))和試片性能驗(yàn)證(如拉伸,、老化試驗(yàn)),,建立針對具體制品的最優(yōu)工藝參數(shù)庫。