优化橡胶配方来降低生产成本

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1、优化橡胶配方来降低生产成本一、橡胶配方的组成橡胶配方中包含多种成分，这些成分也称为配合剂。每种成份在胶料中发挥着不同的作 用。正是由于多种配合剂的协同作用才使胶料具有特定的物理机械性能和加工性能。胶料配 方由以下几部分组成。（1）生胶 为配方的主体材料，可以是单一胶种，也可以是两种或两种以上的胶种并用， 或为橡塑共混料。生胶的品种和在配方中的含量决定了胶料最基本的特性。例如配方中生胶 为天然橡胶，则此配方胶料具有优良的拉伸强度、伸长率、撕裂强度及优异的弹性；生胶为 丁腈橡胶，则该 配方胶料具有优良的耐油性能等。（2）硫化体系 包括硫化剂、促进剂和活性剂。硫化剂如硫黄、过氧化物、硫黄给予体 等，

2、在配方中的功能是使橡胶大分子之音产生交联，形成网状三维结构，使橡胶具有较高的 强度、弹性等物理机械性能；促进剂在配方中的作用是加快硫化速率、缩短硫化时间，其品 种有噻唑类、次磺酰胺类、秋兰姆类、胍类和硫脲类等；活性剂的作用是增加促进剂的活性， 也称为助促剂。主要品种是金属氧化物如氧化锌和有机酸如硬脂酸等。硫化剂、促进剂、活 性剂三者协同作用使胶料达到充分硫化而具有一定的物理机械性能。（3）补强填充体系 补强剂包括和种类型的炭黑、白炭黑、多孔粉石英，在胶料中起 补强作用。可使胶料拉伸强度、定伸应力、硬度等力学性能得到明显提升；填充剂如陶土、 碳酸钙、硅粉等在胶料中主要是起填充、降低成本的作用。（

3、4）防护体系 在配方中的主要功能是防止橡胶制品在储存、使用过程中受光、热、 空气中氧气作用产生降解，或进一步交联、硬化等老化现象。其主要品种有各种胺类和取代 酚。（5）加工助剂 包括各种操作油、塑解剂、均匀剂、分散剂、增塑剂、润滑剂、增黏 剂等。在配方中的功能主要是增加胶料易加工性、降低能耗，促进物料分散、增加胶料流动 性、调节硫化胶硬度等作用。例如种石油系软化剂、合成酯类、脂肪酸皂素、石油树脂烷基 酚醛树脂类、芳香二硫化物、五氯硫酚等。（6）黏合体系 其功能是增加橡胶与骨架材料如钢丝帘线、纤维、织物之间的黏合。 如间苯二酚-甲醛-白炭黑体系、钻盐体系、间苯二酚乙醛树脂RE）体系或间苯二酚甲醛

4、树 脂与钴盐并用体系等。（7）其他组分 如着色剂、偶联剂、防静电剂、发泡剂、溶剂等。二、优化配方降低成本一般而言，优化配方设计可遵循下面原则进行。（1）根据产品的使用条件，如环境温度、介质、受力情况及其他特殊需求，首先选择合适 的胶种及配合剂以求得最佳物理机械性能。（2）优化配方设计时要考虑到加工工艺的可行性，如胶料混炼的易操作性、物料易分散性、 胶料流动性、挤出产品表面光洁度等。（3）在保证胶料性能及工艺可行的前提下，选择一些特殊材料来加工，比如一些替代品， 部分替代品，加快硫化速率，提高生产效率。（4）应尽量避免使用有毒及污染环境的原材料，以减少环境污染和保护操作人员健康，这 样从长远利益

5、来看也是在降低生产成本。（5）还应考虑到各种配合剂之间的相互作用。某些配合剂之间可产生协同效应，如促进剂 D 可增强防老剂 MB 的防护功能，而过氧化物在硫化温度下极易与含活泼氢物质反应而被消 耗，因而在使用过氧化物硫化时，应尽可能避免使用含活泼氢配合剂，如胺类防老剂、硬脂 酸等。三、配方中新材料的选择方向（1）随着时代发展，网络的便捷也方便了实体企业。生产工艺更加多样，原料选择也更加 丰富。新的材料层出不穷。（2）科院、学校、孵化园也是重要信息来源。通过咨询、指导，配方优化程度会更加明朗。（3）计算机优选配方：通过计算机采集、汇总。为配方设计提供便利条件，比传统的配方 试验更快捷、方便、科学

6、。本文为体现出价值：给广大学者、应用人员、研究人员提供一种新材料：多孔粉石英多孔粉石英属于一种火山灰沉积岩。产品自然粒径细（0.5 um左右），颗粒分布均匀，比 表面积大（8.3m2/g），外形结构近似球型无棱角状。以电子显微镜图象看，其表面全是纳 米级的介孔，平均孔径约为8.8nm （纳米）其物化性能指标如下：劣孔畅石英4002000W2050口：j800600粒度nu讪/古、厂广.人儿rm 7/4 TI SiO2AI2O3TiC2Fe2O3-fk/八PH性 质吸 油 值(g/100g)容重(g/cm3)活性率(%)吸附孔容(cm3/g)SiO2(%)AI2O3(%)IIO2(%)Fe2O3

7、(%)水份(%)400目19.500.720.0397.60.150.910.21932500目未改性24.000.50改 性25.000.40933.1 多孔粉石英应用于橡胶多孔粉石英，是橡胶工业中新型补强剂和填充剂，它是由火山灰岩石经机械 磨加工而成。目前主要通过球磨、气流磨、雷蒙磨加工法通过一定粒径的分级轮 筛分制出。外观成灰白色状，白度在 7080 之间。一般加工(造粒)直径 5um 左右的粒状产品使用。利用多孔粉石英的目的：大多数用户是为了替代一部份炭黑、白炭黑来降低生产成本。还有一部份用户则是为了能提高橡胶制品的硬度，改善橡胶的加工性 能，并能赋予制品其他的一些性能，如提高橡胶制品

8、的使用寿命。3.1.1 多孔粉石英的物理特性：1、多孔粉石英的物质结构：样品具有粘舌的特性，说明其吸附能力较强， 可能与样品的显微孔洞结构较为发育有关。多孔粉石英的 X 射线衍射分析结果如下图 2-1示：图 2-1 多孔粉石英的 X 射线衍射分析图谱由图2-1多孔粉石英的X射线衍射定性分析知，样品中的主要结晶相为a石英。多孔粉石英的扫描电镜（SEM）如下图2-2、2-3、2-4示:图2-2多孔粉石英SEMX 2000图2-3多孔粉石英SEMX4000图 2-4 多孔粉石英 SEMX 8000图2-2为多孔粉石英的2000X扫描电镜像。由图可以推断，样品主要由粒径 小于 2 微米的细小颗粒组成。

9、图2-3为多孔粉石英的4000X扫描电镜像。从2-3中更进一步印证图2-2的 推断。图2-4为多孔粉石英的8000X扫描电镜像。图中可知样品主要由粒径为2微 米以下的细小颗粒堆积组成，且细小颗粒的晶体发育似乎不是很好。多孔粉石英的透射电镜（TEM）如下图2-5、2-6、2-7示:图2-5多孔粉石英TEM像图2-6多孔粉石英TEM像图2-7多孔粉石英TEM像观察图 2-5 多孔粉石英的 TEM 像，发现在部分样品颗粒边界（表面）存在 纤维状的结构；图2-6为多孔粉石英在更高倍率下的SEM像，可推测该样品颗 粒的边界形状并不规则；在更高倍率的SEM像下，观察发现样品颗粒的不规则 边界（表面）。可以

10、推测，样品的显微孔洞结构较为发育且结晶发育并不良好。经镜下鉴定，结合X射线衍射分析，知多孔粉石英中主要相为微晶质二氧化 硅，其次为结晶良好的石英，少量锐钛矿和有机质。由多孔粉石英主要相的特性（结晶发育较差、显微孔洞较为发育）可以推测，该样品应具有火山灰活性。 对多孔粉石英物理特性测试结果如下：1、多孔粉石英表观密度：按GB/T208-1994水泥密度测定方法测得 该样品粉末的表观密度为 2.66g/cm3；2、多孔粉石英烧失量：参照GB176-1996水泥化学分析方法，测得 其烧失量为 0.4%；本研究试验中共使用了三种不同粒级的多孔粉石英样品，分别为5 D97、6.14 口 D97、10 口

11、 D97，其中粒级为5 口 D97的多孔粉石英采用气流磨 粉磨而成，6.14 UD97采用振动磨粉磨而成，10 口 D97采用气流磨。 下面对以上 3 个粒级的多孔粉石英样品进行分别介绍：1） 5UD97粒度分布示于表2-2。表2-2 5uD97粒度分布粒度分布平均直径0.3um0.5um 1um 3um 5um JMM.HkfMwHKl flgI.rngl.rHgN ,-oMHHKIMHHNB.klq M一t-JM一VJtaLJL-JM一M一t-Jr-1一Md wKIkl.MJNKIklLKIkllJImJLl ,Irliir-JMUJMJ ruular-lMJ-U=M MHHBHVJaH

12、rl ,i-rMf.lclwNcl.FlHryNN I,Fra厂HNKImk-lnlhrI 卡 rk-tdJr ,.t:iJJf ,.l:i-J尹Hn-ju一 u3u. u20. 010. n i. i i其粒度分布与级配曲线见下图2-8及2-9：SiiEfuni)Sfffl%累积部鼬%舉伽区间跖里积3bjfiUcTL)氐间h0.10-011030.3O.76-0J9532725.9655-6510.6299.4?44JB9 - -19740100a：ii -0/12a .31Dfi105 = 0.953.6-1J9.57EJ51 -72U0.3599.SJ4-0.74 - S5.35aiao

13、a.12.0140 37D.gs0.95 1 053.9333.557.24 - S OB018ItB5536 - 61 .B2a仙0.14-0150.41.3S1.05-1174.5137.95B.0G-6B7a161.62 - 66.5301000.15 CM?0.491371 .IT-1314 6舱.52BJ37-9J9B0IttJ6B58 - 76.330100a.17-0.150.542.411.31 -1 45d.96肝.439.96 = 11.11口17E.：33 -目丄95a1口0a.19 。刘a 633J41.45 4 625.252.6311.1-1 -12.37a1tB6

14、4.6 - 94.5Saiao021 -0.240.723.761S2-1 BD5朋se.o?12J7-137?a1(B94SB-iDS,24aiaoQ24-0.2BQJ83A5910-2DD5.4763.5113.77-15.32aW10524-117.13aiaoa .26油0 95534.2J0 -HZ5.46於1 5.32 1匸05a1tB117.13-131.3?aiao0.29-0 321.16.64223-2胡5.2974.2917.05-16.S3a113D.37-145.1001000321X36123?372.18 276SJJ2旳.311 BJ98 - 21.12aItt

15、J148.10-161500100Q.35-Q.4D1.419J32.75-3 DE4.693.3121.12 23.51aITO151.50 ira.75aWCJ0.40 - 0 451 6110.K3ia - 3 i24-.C637.972351 -26.17a1tB179.75-am nsaiao0.5-OSD1 0212713脱-3 013.4491.4126.17-29.12a1200.06-222.660100Q50-0.S&2 JOT14.73331 -4242.?S94.192S.12 - 3241aITO222J65-247S3aiaoa .55-0.622.3417.121

16、J4-4722.1296.31321 - 36.D3a1M2473-27553awo0.62-069；l卢佃丙4.72-5251.53日丁朋36.00-10.15a1275.33-307.0001000J39-0762J9522.K525-5J951JJ196.0S40.15-4.63aIttj307JQ0 - 341JS90100图2-8多孔粉石英5 口 D97粒度分布I ：. !-.I 2. u10. 5图2-9多孔粉石英5 口 D97级配曲线2) 6.14 口 D97粒度分布示于表2-3。表2-3 6.14UD97粒度分布粒度分布平均直径0.3um0.5um 1um 3um 5um V1

17、2.37um百分比 4.18.0321.2365.1788.111002.24 um其粒度分布与级配曲线见下图2-10及2-11:累瞰区间累积帕EM累积粒徑(加)区间累积Dio-an0.19019D.7B - D.B52.1616.635.35-6512.3994.5B44 69 - 497-40100cm -0.1202QJ90.B5 - 0.952.441907651-7.241.ES96 5548 74 - 55.3601000.12-0.140.230J620.95 - 1.0527121.76724-0JQ61.4297.9755.36 - 61.6201IJIJn.iqD.26Q3

18、SI.D5- 1.173.CS茁J31ajJB-aj37D.9598261.52-BE.Sainnn；i5 = n；i?0J1 ：18I7 = I 313.3523.16a.g? - g.gsD.E399.5EB.5B - 7E.33innCU7-0.1BD.361.541JM - 1 Mzd J349.9B-11.11D.3299.8276.33 - S4.96DlOu019-021D.331 931 45 - 14n35 3511.11 D.1S1DDS4 9B - 94.3510D0 21 - 0 24D453 3S1 .E3 - kBO4.34iM 1913J7- 13 77u10D9

19、4.39-105 24100024 - 0260.532 91kEC-2.CC4.E4-W0913.77-15.32010D1D5 24-117.1901000.2B - 0.290.6312.0 - 2.2343148 .?4152-17.050100117.13-130 J701000.29 - 0.32D.E34.22.23 - 2.48.12別刖17JQ5-18.9BU10013137-145.100100U.32 - n.3&D.77阴T- 2.7652SM.141335-21.12U10DH5.1D-1F1SUinn0.3& - 0.4DD.B95J362.7B - 3.M532&

20、5.4B21.12-23.510IOj161.50-173.75jlOu 4DD 4三1.&16 ST3.D8 - 3425.?5710 71凸3 曲1了u10D179 75-201161000 45 。占D1.1B3D3342 3.B15 re757923.17-29.12u10D33)aB-2Z2JS61000 50 - 0 551.329 353.B1 -4.Z44.70EC5729.12-32 41010D222.60 - 247 530100U 55 - 0.621.481D.M43 - 472斗.34MSI321-36.060100247 99-275.9301000.62 - 0

21、.691 .?112.E5472 - 5.253S4E3.7536JQ8-40.1EU1002?5J：3 3D7J300iiju0.69 - 0.7&1.S211.A75.25 - 5.ES3291J9TKI.IS-q4.5S10DSJ7.00 341 万gDinn图2-10多孔粉石英6.14 口 D97粒度分布100. 0養 哥。 jo. a30. O20. 015. 0O. 1lOt). 0图2-11多孔粉石英6.14 口 D97级配曲线3) 10 口 D97粒度分布：见表2-4表2-4 10卩D97粒度分布粒度分布-平均直径0.3um0.5um1um3um5um21.12um百分比2.1

22、17.2318.0457.1681.121002.62um其粒度分布与级配曲线见下图2-12及2-13：粧径unQ区问累积拉径（呗）x|l%累积怖区间累和、拉径oo累巫0.10 0.110.Q2QJ02a .75-0.85IS713.935.ES - 6513.72S92A4.es-*g .74I0D0.11 -0.120.Q2QJ04035-0.952.1016.12E.5I 724j.igS2J9-555I0D0.12 0.M0.03ajara 35 =-lob阳413.56几出-815J 59抽题55.36 - 51J62I0D0.14-0.150.D5a.121J05 1.17沁21.

23、2AB.D6 - 8J97i siS6JSS61.52-E3J5SI0D0.15 0.170 n?a.is1-17-1.312.9524.1 号g.S7 - 9.9S193.156S.58 - nS .33UI0D0.17=0.190.12a .311.31 -14532327.429.8 = 11.11a .799S.9476.33-Bfl .35I0D0.19-0.71D.51 .15 = 1.623.5230.M11.11 = 12.37口.町994134.ffi-M.56010DU 210.210.29a .791J62 = 15:；D3.7934.7312.37 - 13.T7口即9

24、4.58- 105.24010DU 21 = 0.26041.191 J0i：i = 2.0D4JZ6is.fg13.77-15.32CI.1E；99J84105.21 -117.13010D0 26-0.250.521 712 00-2234.5213 1115.52-17 05羽船117.13-130.37u10D0 29-0.32D.fiS2 342 23斗.544T&517.05-1S.9B口昭9B130 37-115101DD0 32-0.3B0 74JOfl3fl-2 7E4.7452 391B.90-21 12a 021001J51O-161 331000 3B-0.400&43

25、 92276-3 OB4S857 2721.12-23.51100161 5D-179 751000 40-0450 97已的3 0fl3幅4.9562 Z223.51 曲iao179 75-310 DB1000 45-0.31.15 993 42-3014.9767 ig2B.17-25 12iao310 OB Z22BB1000.90-0.551 247 233B1 -4.2+4.972 (B29.12-32.410100222 ffi口01000-0.621 4日朋24-47247476 ft332.41 -3e.oeD100曲 d 275 S3U100H62-O.ES1 571024

26、72 - 5.254.501.333B.D0-4O.15D100275&3-XI7XIU1001 0.69-0.761 78H.E6525-5.054.1595 4S*0.15-44 6901003J7 XiSB0100图2-12多孔粉石英10 口 D97粒度分布图2-13多孔粉石英10 口 D97级配曲线3.1.2 多孔粉石英的火山灰特性测定参照GB2847-2005-T用于水泥中的火山灰质混合材料对该多孔粉石英样 品进行火山灰特性试验，并对其火山灰性进行评价。1、试验设备及依据：参照GB2847-2005-T用于水泥中的火山灰质混合材 料进行。2、试验原材料：（1）水泥：亚东洋房牌PO42

27、.5；（2） 试验用砂：符合GBT 17671-1999水泥胶砂强度检验方法（ISO法） 的标准砂；（3）试验用水：饮用水；（4）矿物掺合料：活性多孔粉石英，安徽和悦石业有限公司产，粒级分别 为 5 口 D97、6.14 口 D97、10 u D97 三种。3、试验过程：以粒级为5 u D97、6.14 u D97、10 u D97的活性多孔粉石英分别按掺量为10%等量取代水泥，进行火山灰特性试验。基准胶砂试验配合比为：水泥450g；标准砂1350g；水225ml；以不同粒级 的10%活性多孔粉石英掺量等量取代水泥。测标养试件28d抗折及抗压强度见下 表 2-5。表 2-5 多孔粉石英的火山灰

28、特性编号试验配合比28d 强度（MPa）抗折抗压基准水泥450g，标准砂1350g,水225ml9.049.6SF10水泥 405g，标准砂 1350g, SF45g,水 225ml10.762.8SP5 卩 10水泥 405g，标准砂 1350g, SP5u45g，水 225ml9.355.5SP6.14 卩 10水泥 405g，标准砂 1350g，SP6.14 卩 45g，水 225ml8.953.7SP10 卩10水泥 405g，标准砂 1350g，SP10u45g，水 225ml8.750.9注：*10表示多孔粉石英掺量为10%。4、试验分析：(1) 粒级为5 口 D97的多孔粉石英火

29、山灰活性：Rt=54.5MPa；R0=49.6MPa；R则火山灰活性指数：A二一x 100=111.9；R0(2) 粒级为6.14 口 D97的多孔粉石英火山灰活性:Rt=49.3MPa；R0=49.6MPa；R则火山灰活性指数：A二x 100=108.3；R0(3) 粒级为10 口 D97的多孔粉石英火山灰活性：Rt=50.9MPa；R0=49.6MPa；R则火山灰活性指数：A二x 100=102.6；R0( 4) 多孔粉石英火山灰活性：Rt=62.8MPa；R0=49.6MPa；R则火山灰活性指数：A二一x 100=126.6；R 0综上可知，所提供的样品多孔粉石英各粒级的火山灰活性都大于

30、1 00，其28 天水化活性接近或大于水泥本身的水化活性，其中以粒级为5PD97的多孔粉石 英火山灰活性最强，达到111.9；粒级为6.14 口 D97的多孔粉石英火山灰活性次 之，达 108.3；粒级为 10D97 的多孔粉石英火山灰活性稍弱，为 102.6，但水化 活性水泥本身的水化活性基本相当；与之对比的硅灰火山灰活性为126.6。综上述，该多孔粉石英作为混凝土的矿物掺合料其火山灰性强于粉煤灰、矿 粉等传统矿物掺合料，但弱于标准的碳黑及白碳黑的活性。由于具有显著的火山灰活性，因而可以考虑将其命名为高活性多孔粉石英。3.1.3多孔粉石英应用于橡胶测定表面化学活性。在混炼过程中，多孔粉石英能

31、够与部分橡胶分子链产生化学 结合，生成不能被溶剂抽出的炭黑凝胶（或结合橡胶）。事实证明，多孔粉石英 表面具有化学活性，多孔粉石英化学活性越大，结合橡胶的生成量也越多。多孔粉石英的化学活性主要来源于粒子表面微晶层面边缘上的活泼氢和层 面边缘缺氢处的单电子，以及粒子表面上的含氧官能团等几个方面。多孔粉石英化学活性对补强性能具有重要作用。实验证明，化学活性高的多 孔粉石英其补强作用大；而化学活性低的多孔粉石英（粉石英或较粗的多孔粉石 英）,其补强作用就小。这是因为，较细的多孔粉石英，其表比面积大，表面上活 性点多，在炼胶硫化过程中，与橡胶分子反应形成的网络结构数量多。而这种多 孔粉石英与橡胶形成的网

32、络结构，赋予硫化胶以强度。因此，多孔粉石英的细度 是构成补强性能的最基本因素，称为影响多孔粉石英补强性能的第一因素（或强 度因素）。多孔粉石英越细，活性越大，混炼时生成的结合胶数量越多，从而使胶料的 门尼黏度提高，压出时口形膨胀率和半成品收缩率加大，压出速度减慢；而硫化 胶拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等提高。四、应用于橡胶的种类NR-天然橡胶 SBR-丁苯橡胶BR-顺丁橡胶IIR-丁基橡胶 IR-异戊橡胶 EPDM -三元乙丙橡胶CR-氯丁橡胶 NBR-丁腈橡胶HNBR -氢化丁腈橡胶 MVQ -甲基乙烯基硅橡胶FKM-氟橡胶 ACM-聚丙烯酸酯橡胶CSM-氯磺化聚乙烯橡胶CPE-氯化聚乙烯AU-聚氨酯橡胶HIPS-高苯乙烯树脂PVC-聚氯乙烯 PTFE-聚四氟乙烯五、多孔粉石英成功应用案例及添加量橡胶类型多孔粉石英橡胶类型多孔粉石英橡胶类型多孔粉石英汽车轮胎8%实芯轮胎40%三角带15%农业轮胎9%翻修轮胎10%VT7卅 平带15%工业轮胎9%全胶管20%胶鞋10%工程机械轮 胎9%耐油胶管10%鞋底鞋跟10%航空轮胎15%耐热胶管10%密封圈20%摩托车轮胎8%专用胶管10%耐热胶料20%力车轮胎9%胶带9%普通胶料10%