橡胶基础知识

橡胶根底学问

张殿荣《现代橡胶配方设计(其次版)》出版日期：2023

丁苯橡胶、顺丁橡胶等非结晶性橡胶，不协作补强剂时，硫化胶的强度很低，根本无法

使用。因此长期以来，人们为提高橡胶性能、改善加工工艺、降低材料本钱等进展了大量的

实践。

硫化体系(包括交联剂、助交联剂、促进剂、活性剂)可使线型的橡胶大分子通过化学交

联，形成一个立体空间网络构造，从而使可塑的粘弹性胶料，转变成高弹性的硫化胶；补强

填充剂则能保证胶料具有要求的力学性能，改善加.匚工艺性能和降低本钱：软化剂等加工助剂

可使胶料具有必要的工艺性能，改善耐寒性，也可降低本钱；防老剂能提高硫化胶的耐老化性

能，并对各种类型的老化起防护作用。

综上可见，橡胶材料是生胶与多种协作剂构成的多相体系，橡胶材料中各个组分之间存在着

简单的化学作用相物理作用。目前虽然可借助微机算出配方和某些物理性能之间的定量关系，

但尚不能完全用理论计算的方法确定各种原材料的配比，在肯定程度上仍依靠「长期积存的阅

历。

在配方设计方法方面，橡胶制品工业长期以来使用电因素的均匀变量为根底的传统方

法。1951年，英国的鲍克斯和威尔逊创立3三因素以上的试验设计法.近年来随着计算机的

进展与普及，把科学的数理方法如正交试验设计法、回归分析法应用到橡胶配方优化设计上，可

使橡胶配方设计由单因素的屡次试验改为多因素的一次试验，应用计算机进展配方试验的数据

处理，优选配方，通过少量的试验，即可猎取大量的有用信息，从而简化了试验程序，加快

「争辩进程，节约了大量的人力、物力和时间，同时能觉察配方中各组分与硫化胶性能的相

关性与规律性。

正交试验：

因子一一影响胶料性能指标的因素的通称，如原材料，工艺条件等；水平一一指每个因子

可能处于的状态，它可以是原材料的品种、用量，也可以是工艺参数等。

任何一个橡胶配方都不行能在全部性能指标上到达全优,在很多状况下，配方设计应遵循

如下根本原则：

①在不降低质量的状况下，降低胶科的本钱；②在不理高胶构本钱的状况下，提高产品质

量。要使橡胶制品的性能、本钱和工艺可行性三方面取得最正确的综合平衡。用最少物质消耗、

最短时间、最小工作量，通过科学的配方设计方法，把握原村科协作的内存规律，设计出有

用配方。

根底配方

根底配方又称标准配方，一般是以生胶和协作剂的鉴定为目的。当某种橡胶和协作剂首次

面世时，以此检验其根本的加工性能和物理性能。其设计的原则是承受传统的协作量，以便比

照，配方应尽可能的简化，重现性较好。根底配方仅包括最根本的组分，由这些根本的组分组

成的胶料，既可反映出胶料的根本工艺性能，又可反映硫化胶的根本物理性能。可以说，这些

根本组分是缺一不行的。在根底配方的根底上，再逐步完善、优化，以获得具有某些特性要求

的性能配方。不同部门的根底配方往往不同，但同一胶种的根底配方根本.卜.大同小异。

自然橡胶(NR)、异戊橡胶(IR)和氯丁橡胶(CR)可用不加补强剂的纯胶协作，而一般合成

橡胶的纯胶协作，其物理一机械性能太低而无有用性，所以要添加补强剂。

W1-6顺丁植胺(BR)基础配方(ASTM)单位：质量份

原材料名称NBS标准试样编号HAF配方

BR■33100

氧化锌3703

硫黄3711.5

便脂酸3722

促进剂NS3840.9

HAF37860

ASTM型103油—15

注；硫化条件为145。X25min.35min.50mmo

*1』三元乙丙施胺(EPDM)基础配方

原材料名称质量份原材料名称质量份

EPDM100促进剂TMED1.5

氧化锌5破黄1.5

硬脂酸1HAF50

促进剂M0.5环烷油15

注：硫化条件在第三单体为DCDP时为160Ux3Umin,40min;第三单体为ENB时

为160cXl(hnin.20mino

性能配方

为到达某种性能要求而进展的配方设计，其目的是为了满足产品的性能要求和工艺要

求，提高某种特性等。性能配方应在根底配方的根底上全面考虑各种性能的搭配，以满足制品

使用条件的要求为准。

有用配方

又称生产配方。在试验室条件下研制的配方其试验结果并不是最终的结果，往往在投入生产时会

产生一些工艺上的因难，如焦烧时间短、压出性能不好、压延粘辑等，这就需要在不转变根

本性物理性能和使用性能的方法来调整工艺性能，也就是说在物理性能、使用性能和工艺性能

之间进展折中。胶

生产配方

符合生产使用要求的质量配方，称为生产配方。生产配方的总质量通常等于炼胶机的

容量，例如使用开炼机混炼时，炼胶机的容量(装胶量)Q,用以下阅历公式计算：

Q=D・L・Y・K

式中：Q---炼胶机装胶量，kg；D----辑简直径，cm；L---辑筒长度，cm；

y——胶科相对密度；K——系数(().0065-00)85)。

Q除以根本配方总眉量即得换算系数a。

a二Q「根本配方总质量

橡胶设计理论

近年来，很多争辩者承受了一种高分子材料“三方块”设计方案(见表1-19),目前该

没计方案在并用与共混的为系中尤为适用。“三方块”设计方案的主要特点是.在传统的第一

方块和笫三方块之间，有意识地加了一个其次方块。其次方块的参加，为设计供给了理论依据,

削减了试验工作的盲目性，是寻求构造与性能之间关系的有效方法，大大改进了传统的争辩方

法。

橡胶材料“三方块”设计方案

第一方块其次方块第三方块

配方：构造和形态：加工工艺性能：

橡胶及共混高分电子显微镜门尼粘度或可塑度

子材料光学显微镜门尼焦挠

硫化体系热分析（DTA、DSC）硫化特性

补强填充体系X射线衍射法硫化胶物理性能：

防护体系核磁共振波谱法（NMR）拉伸性能

其他助剂化学组成及化学反响：撕裂强度

工艺条件：红外光谱硬度

混炼工艺条件紫外光谱压缩变形

压延、压出条件原子吸取光谱有效弹性和滞后损失

硫化条件凝胶渗透色潜耐磨耗性

色谱分析耐疲乏性能

运动的去征：耐老化性能

表现粘度低温性能

粘流活化能热性能

弹性模量电性能

复合模量集中和渗透性能

损耗角正切粘接性能

耐介质性能

静态粘弹性能

图I橡胶材料“三方块”设计方案

例如，通过电子显微镜可以争辩胶料中炭黑和各种填料的分散状态，以及聚合物并用或共

混体系中分散相的大小、组成及界面的形态构造等；用X射线衍射可测定生胶和硫化胶中的

结晶度，争辩协作剂的原始形态和硫化混炼过程中的构造变化，以及炭黑的构造、骨架材料的

结晶度和取向度等：通过热分析（DTA、DSC）川.以测定聚合物的玻璃化温度（Tg）,判断共混物

的相容性，分析弹性体的结晶度，争辩和分析橡胶的硫化过程，鉴别胶料的热稳定性、抗老化稳

定性以及评价防老剂在橡胶中的防护效果等；用核磁共振波谱仪可以争辩橡胶的微观构造，以及

橡胶硫化和补强的机理等；通过红外光谱、紫外光谱等色谱分析可以鉴定聚合物的成分、主链

构造、结晶度、序列分布等；通过流变仪可以争辩胶料的粘度与剪切应力、剪切速率、温度

等的关系，以及聚合物流淌中的粘弹行为等；用粘弹谱仪可以分析硫化胶的动态粘弹性等动

态力学性能，为某些制品（如减宸制品）的配方设计供给重要依据.

未硫化橡胶加工性能的试验

协作剂在混炼胶中分散度的检测：分散度测定方法，可分为直接测定法和间接测定法两种。

I.直接测定分散度的方法

以撕裂、拉伸、切割等方式制得胶料的颖外表，再借助仪器或肉服来观看外表测定分散度,

或者对胶料超薄切片，进展内部构造的观看以测定分散度。分散度的直接测定法有：

①ASTM（美国材料试验协会）D2663标难（A法——肉眼推断法和B法——分散块计数法）；

硫化指数可以表征硫化速度，硫化指数小，表示硫化速度快；硫化指数大，则表示硫化

速度慢。

4.应力松弛加工性能试验

可作为塑性计与门尼粘度测试结果的补充。这种试验能测定应力松弛，还能测定弹性复原

性。由于橡胶加工都与“弹性记忆”或松弛效应有关，所以用应力松弛加工性能试验机，对

进一步了解胶料的工艺性能、正确地评估胶料加工性能更为有利。常用的仪器有压缩型应力松

弛加工性能试验机、锥形转子应力松弛加工性能试验机、动态应力松弛试验机等。

5.流变性和口型膨胀等的测试

承受毛细管压出的方法来测量胶料的粘度和流变速率、切变应力、温度的关系，试验材料

膨胀系数等，通过试验可以测定聚合物或胶料的表观粘度、剪切应力、剪切速率、口型膨胀、

“熔体断裂”、应力松弛及焦烧等性能，对了解和评价胶料的加工性能格外重要。常用的仪瑞有，

高化氏流淌性测定仪、各种类型的毛细管流变仪等。

6.胶料加工综合性能的测试

用同一种仪器可以测出胶料多方面的工艺性能，如密炼机混炼时的转矩-时间曲线，用

该曲线和由密炼机得到的功率-时间曲线，通过功率积分仪可求得单元功。单元功与混炫工艺

中的门尼粘度、口型膨胀、炭黑分散以及结合股等性能有肯定的相关性，已被作为表征橡胶混炼

加工性能的有用参数。承受单元功原理绘制的混炼工艺轮廓图，可将试验室的混炼工艺参数扩

大应用到生产中。还可以测定焦烧时间、硫化速率，进展压出试验等。布拉本达(Brabender)

塑性仪，是这类测试仪器中的典型代表。

7.胶料硫化特性的测试

橡胶在硫化过程中的全部性能变化，可用硫化仪连续、快速、准确的测出。通过硫化仪

可以了解整个硫化历程和胶料在硫化过程中的主要特性参数，如初始粘度、焦烧时间、正硫化

时间、硫化速度、硫化平坦期、过硫化状态(返原状况)以及到达某一-硫化程度所需要的时间

等，还能直观地描绘出整个硫化过程的硫化曲线，因而是橡胶工业中科研与生产均不行缺少的测

试手段。

目前硫化仪的型号很多，大体上可分为有转子硫化仪和无转子硫化仪两种，目前的进展趋

势是由有转子硫化仪向无转子硫化仪转变。由于有转子硫化仪的试样体积大、耗胶多，转子本

身不能加热，试样温度到达稳定所需的时间长；另外转了•与胶料产生的摩擦力也计入了胶料的剪

切模量之中，这就降低了数据的重现性水平，因此目前各生产硫化仪的主要公司都推出了无转

子硫化仪，其中的佼佼者仍旧是美国孟山都(Mosanlo)公司的Mosanlo2023型。

二、硫化橡胶性能的测试

(4)扯断永久变形试栏拉伸至断裂后，标距伸长变形不行恢复的长度与原长之比的百分

数。

式中Hd----扯断永久变形，%；Lo试验前试样初始标距，mm；LI-

试祥扯断后停放3min对起来的标距，mm。

3.硫化橡胶硬度的测试

橡胶硬度试验是测定橡胶试样在外力作用下，抵抗外力压入的力量。目前世界上普遍采用

两种硬度：一种是邵尔硬度；另一种是国际橡胶硬度（IRHD）。邵尔硬度在我国应用最为广泛,

它分为邵尔A型（测量软质橡胶硬度）、邵尔C型（测量半硬质橡胶硬度）和邵尔D型（测量硬质

橡胶硬度）。•般橡胶制品都承受邵尔A硬度计测量硬度。由于这种硬度计属于弹簧式构造，

弹簧力的校正不准、弹簧疲乏、压针磨损以及试样厚度的影响等，均可能造成较大的试验误

差。而国际硬度属于定负荷式构造，它的测量精度高、稳定性好，特别是微型硬度计不受试样

外形和厚度的影响，可直接从产品上取样进展测试，使用起来格外便利。测量的硬度范围为

30-95IRHD的硫化胶。国际橡胶硬度（IRHD）和邵尔A硬度的相关性较好，两者的硬度值根

本一样。

4.压缩变形的测试

压缩变形试验，包括恒定形变压缩永久变形试验和静压缩试验。通过压缩永久变形试验，可

以推断硫化胶的硫化状态，了解制品抵抗静压缩应力和剪切应力的力量。该测试工程是某些橡

胶密封制品的关键性指标.其试验方法按GB1683。压缩永久变形按以下公式计算：

K=/1X100

式中K------压缩永久变形，%；h------压缩前试样的高度，mm；h------限位器的高度,

01

mm：h------压缩后试样恢复高度，mmo

2

静山缩试验在拉力试验机上进展，其试验方法按GB1684。

5.有效弹性和滞后损失的测试

硫华橡胶伸张时的有效弹性是，将试样在拉力机上拉伸到肯定长度，测量试样收缩时恢复

的功同伸长时所消耗的功之比的百分

数。滞后损失是测量试样伸长后收缩时所

损失的功与伸长时所消耗的功之比的百分

数.

假设将橡胶试祥在拉力机上以肯定的速

度拉伸（不使其拉断），然后以一样的速度使

其回缩，则拉伸与回缩的负荷-伸长曲线

（ABC与CDE）并不重合，如图1—3所示。

用求积仪得出ABCFEA的面积表示试样拉

伸时所消耗的功（F1）,以EDCFE的面积表

示试样收缩时恢复的功（F2）,则有效弹性用

下式计算：

图L3拉伸与回缩的负荷♦伸长曲线

7k=^xl00

式中n——有效弹性，%;F——试样拉伸时所消耗的功，以ABCFEA的面积表示;

F,——试样收缩时恢复的功，以EDCFE的面枳表示。

滞后损失的计算公式为：

F1-F2

X100

6

式中晨一一滞后损失，%；F1——试样拉伸时所消耗的功，以ABCFEA的面积表示；

F2——试样收缩时恢复的功，以EDCFE的面积表示。

F1与F2之差(以ABCDEA的面积表示)即是试样伸长后再收缩时所损失的功。试验所

用的仪器是拉力试验机，：式验方法按GB1686。

6.硫化橡胶摩擦与磨耗性能测试

橡胶的摩擦与磨耗性能，是橡胶制品特别是动态条件下使用的橡胶制品极为重要的技术指

标，它与某些制品(如轮胎、输送带、胶鞋、动态密封件等)的使用性能、牢靠性、安全性和

使用寿命都有亲热的关系C因此，橡胶的摩擦与磨耗，尤其是磨耗性能及其测试，对橡胶配

方设计是至关重要的。

(1)橡胶的摩擦及测试橡胶的摩擦比其他工程材料都简单得多，其影响因素很多，除湿

度、压力、速度、外表状态、橡胶弹性模量等因素之外，还涉及到很多橡胶微观构造方面的

问题，诸如橡胶大分子的拉伸、破坏、松弛、力学损耗笔。因此，其测试相当困难，至今也

没有列入标准。擦性能的测试，主要是测定摩擦系数，使用的仪器有恒牵引力式摩擦仪、恒

速式往复运动摩擦仪、恒速式旋转运动摩擦仪、摆式摩擦仪等。

(2)橡胶磨耗的测试磨耗是橡胶外表在各种简单因素的综合作用下，受摩接力的作用而

发生微观破损和宏观脱落的现象。磨耗试验所用的仪器种类很多，其中比较重要的有以下5种。

阿克隆磨耗试验机：这是我国目前应用最为广泛的一种橡胶磨耗试验机，试验按

GB16899进展。试样的磨耗体积按下式计算：

P

式中V-----试样磨耗体积，cm3,(1.61km)“；-------试样在试验前的质量，g；

g2-----试样在试验后的质量，g:p-------试样的密度，g・cm-3。

试盛结果也可以用耐磨耗指数(RAI)表征

RAI=S/TX1OO

式中s一一参比配方(根底配方)试样的磨耗体积；

T——试验配方试样在一样里程中的磨耗体积。

②邵坡尔磨耗试验机：邵坡尔磨耗试验机乂叫DIN磨耗试验机。1985年，国际标准化

组织(ISO)已打算推举使用该机的试验方法为国际标准(ISO4649)。我国也以旋转辑简式磨耗

机法制定了国家标准(GB9867)。该试验机是使试样与固定在旋转辐简上的砂布(经校正的肯

定级别的砂布)进展摩擦面产生磨耗。试验结果用耐磨耗指数和相对体积磨耗量(AV)表示。

④皮克磨耗试验机：皮克磨耗试验机的特点是承受了两把具有特定外形和锐利程度乂相互

平行的碳化钙合金刀，在固定负荷作用下，来刮擦、划割以肯定速度旋转谷的橡胶试样，测

定在规定时间内试样磨耗的质量。该机适用于软质硫化橡胶耐磨性的测定，和轮胎胎面胶磨耗

的相关性较好，能较好地反映出轮胎在不良路面行驶中的磨耗状况。

⑥GHK磨耗试验机：该机是中国自行研制的磨耗试验机，能自动把握传送率和滑动率，试

验精度较高，可以进展各种胶料的磨耗试验。试验结果和阿克隆磨耗一样，用磨耗体积和耐磨

耗指数表示。

7.疲乏性能的测试

疲乏试验就是在试验室模拟橡胶制品在使用过程中的主要使用条件，从而定量的测出该

制品的耐疲乏性能。疲乏试验结果常以疲乏寿命表征。疲乏试验可分为：压缩屈挠试验、屈

挠疲乏试验、伸张疲乏试黯和回转疲乏试验。

(1)压缩屈挠试验是以肯定的频率和变形幅度，反爱压缩试样，测定其生热、变形和疲

劳寿命等性能。试验仪器有两种：定负荷压缩屈挠机(固特里奇式)，试验按GB16877进展；

定变形压缩疲乏试验机，试验按GB5602进展。

(2)屈挠龟裂试验测定橡胶由于屡次屈挠而产生裂口时的屈挠次数，或用橡胶割匚扩展

法测定肯定屈挠次数时割口的扩展长度；常用测试仪器是德墨西亚屈挠试验机。试验方法按

HG4-836和HG4-837。

(3)回转屈挠疲乏试验所用的回转疲乏试验机可以两向坐标轴施力，即试样不仅轴句受力,

而且还有与轴向垂直的作用力，更接近某些橡胶制品真实受力状况。此外，这种试验机不仅

能作定应力屈挠试验，而且还能进展定变形屈挠试验。上述特点是固特里奇压缩屈挠试验机所

没有的。

(四)硫化橡胶粘弹性能试验

1.静态粘弹性能试验

(I)冲击弹性(回弹性)是描述橡胶在变形时，特别是在冲击变形时，保持其机械能的•

个指标。机械能损失小的橡胶回弹性大，反之回弹性则小。常用的仪器有冲击弹性试验机，

试验按GBI681进展。

(2)蠕变对橡胶试样施加一恒定的力，试样的形变随时间增加而渐渐增大，反映胶料塑

性交形的大小。测试的仪器行压缩型蠕变试验仪、拉伸型蠕变试验仪和剪切型蠕变试验仪。试验方

法可参考ISO/DIS8013。

(3)应力松弛试验试样在固定的应变条件下，应力随时间增加而渐渐减小。通过应力松

弛试验可以测定某些橡胶密封制品的密封效能.评价橡胶材料的耐老化性能.估算产品的使用

寿命等。试验仪器有压缩应力松弛仪、拉伸应力松弛仪。试验方法可参照GB1685、

£03384(压缩应力松弛试验)，以及GB9871、£06914(拉伸应力松弛试验)。

2.动态粘-弹性能试验

测定橡胶试样在周期性外力作用下，动态模量、阻尼(tgb)的大小。它更能反映产品的

使用性能，是一种最有效的粘-弹性试验。其测试结果可直接用作工程参数。测试仪器有杨

子尼机械示波器、扭摆试验机、劳利动态试验机、动态模量仪、粘弹谱仪等。动态粘弹性试

验的•般要求以及弹性剪切模量(G”)、损耗剪切模量(G")、复数剪切模量(G*)、损耗因子(tg6)

等,试验结果的计算按CB9870进展。

(九)硫化橡胶粘接性能试磴

在粘接性能试验中，主要是测定橡胶与金属、橡胶与帘线、钢丝、橡胶与织物的粘附强

度。

1.橡胶与金属的粘接性能试验

测定橡胶与金属的粘附强度，主要有以下三种方法：

(1)橡胶与金属粘合强度的测试在试样的粘合面上施加均匀、垂直的拉力，测定试样

破坏时单位粘接面积上的最大拉力，即为橡胶与金属的粕合强度。试验仪器为拉力试验机。

试验按GB11211进展。

（2）橡胶与金属粘接的剪切强度试验在试样的粘接面上施加剪切力，测定试样剪切破坏

时的单位粘接面积上的最大剪切力，即为橡胶与金属粘接的剪切强度。试验仪器为拉力试验机。

试验按HG4-853进展。

（3）橡胶与金属粘接的剥离强度试验剥离强度是指试样剥离时，单位粘接宽度上所承受

的剥离力。依据被粘材料及剥离角度的不同，常用以下三种剥离试验：①U型剥离试验（按HG4-

854试验）；⑦L型剥离试验（按ISO83I试验）；③T型剥离试验（按ASTMD1876试验）。上述

试验均在拉力试验机上进展。

2.橡胶与南线、钢丝的粘接性能试验

（1）橡胶与织物帘线粘着强度的测试（H抽出法）将帘线两端按规定长度埋入橡胶中，测

定单根帘线从硫化胶块中抽出时所需的力。试验用H抽出夹具，在拉力试验机上按GB2942

进展。

（2）橡胶与单根钢丝粘合强度的调试（抽出法）将钢丝按规定尺寸包埋在硫化橡胶块中，

在拉力试验机上测定每根钢丝沿其轴向从胶块中抽出时所需的力。试验时需用特地的单根钢

丝抽出夹持器。试验按GB3513进展。

3.硫化橡胶与织物粘着强度的测试

剥离粘附强度试验。用肯定宽度的试样，测量粘接层被剥离时所需的力。试验在拉力试验

机上,按CB532进展。

测试工程测试方法/目的测试仪器/备注

混炼胶的均匀程检测原材料是否混炼均匀：直接切片观看

度法、光学显微镜法、电子显微镜法、示总踪

原子法、荧光法、微波法、电阻法、功率积

分法。

可塑度测试用压缩的方法测定胶料流淌性大小的一种威廉姆可塑计、华莱式快

方法。速可塑计、德弗可塑计

门尼黏度的测试以转动的方式测定胶料流淌性大小的一种单速或多速门尼粘度试验

试验：通过测定转子在转动过程中转动力矩机

的大小来表征胶料的流淌性。门尼黏度用

MLI+4100°C表示，100°C为测试温度，1