橡膠的各種物性與交聯(lián)密度的關(guān)系

 

在橡膠制品過程中，一般必須測試的物性實驗不外乎有：

1、 拉伸強(qiáng)度 2、撕裂強(qiáng)度 3、定伸應(yīng)力與硬度 4、耐磨性 5、疲勞與疲勞破壞

6、彈性 7、扯斷伸長率。

各種橡膠制品都有它特定的使用性能和工藝配方要求。為了滿足它的物性要求需選擇最適合的聚合物和配合劑進(jìn)行合理的配方設(shè)計。首先要了解配方設(shè)計與硫化橡膠物理性能的關(guān)系。硫化橡膠的物理性能與配方的設(shè)計有密切關(guān)系，配方中所選用的材料品種、用量不同都會產(chǎn)生性能上的差異。

1、拉伸強(qiáng)度：

是制品能夠抵抗拉伸破壞的根限能力。它是橡膠制品一個重要指標(biāo)之一。許多橡膠制品的壽命都直接與拉伸強(qiáng)度有關(guān)。如輸送帶的蓋膠、橡膠減震器的持久性都是隨著拉伸強(qiáng)度的增加而提高的。

A：拉伸強(qiáng)度與橡膠的結(jié)構(gòu)有關(guān)：

分了量較小時，分子間相互作用的次價健就較小。所以在外力大于分子間作用時、就會產(chǎn)生分子間的滑動而使材料破壞。反之分子量大、分子間的作用力增大，膠料的內(nèi)聚力提高，拉伸時鏈段不易滑動，那么材料的破壞程度就小。凡影響分子間作用力的其它因素均對拉伸強(qiáng)度有影響。如NR/CR/CSM這些橡膠主鏈上有結(jié)晶性取代基，分子間的價力大大提高，拉伸強(qiáng)度也隨著提高。也就是這些橡膠自補(bǔ)強(qiáng)性能好的主要原因之一。一般橡膠隨著結(jié)晶度提高，拉伸強(qiáng)度增大。

B：拉伸強(qiáng)度還跟溫度有關(guān)：高溫下拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫下的拉伸強(qiáng)度。

C：拉伸強(qiáng)度跟交聯(lián)密度有關(guān)：

隨著交聯(lián)密度的增加，拉伸強(qiáng)度增加，出現(xiàn)最大值后繼續(xù)增加交聯(lián)密度，拉伸強(qiáng)度會大幅下降。硫化橡膠的拉伸強(qiáng)度隨著交聯(lián)鍵能增加而減小。能產(chǎn)生拉伸結(jié)晶的天然橡膠，弱鍵早期斷裂，有利于主健的取向結(jié)晶，因此會出現(xiàn)較高的拉伸強(qiáng)度。通過硫化體系，采用硫黃硫化，選擇并用促進(jìn)劑，DM/M/D也可以提高拉伸強(qiáng)度，（碳黑補(bǔ)強(qiáng)除外，因為碳黑生熱作用）。

D：拉伸強(qiáng)度與填充劑的關(guān)系：

補(bǔ)強(qiáng)劑是影響拉伸強(qiáng)度的重要因素之一，填料的料徑越小，比表面積越大、表面活性越大補(bǔ)強(qiáng)性能越好。結(jié)晶橡膠的硫化膠，出現(xiàn)單調(diào)下降因為是自補(bǔ)強(qiáng)性非結(jié)晶橡膠如丁苯隨著用量增加補(bǔ)強(qiáng)性能增加、過度使用會有下降趣向。低不和橡膠隨著用量的增加達(dá)到最在值可保持不變。

E：拉伸強(qiáng)度與軟化劑的關(guān)系：

加入軟化劑會降低拉伸強(qiáng)度，但少量加入，一般在開練機(jī)7份以下，密練機(jī)在5份以下會改善分散，有利于提高拉伸強(qiáng)度。軟化劑的不同對拉伸強(qiáng)度降低的程度也不同。一般天然橡膠適用于植物油類。非極性橡膠用芳烴油如SBR/IR/BR. 。如IIR /EPDM用石臘油、環(huán)烷油。NBR/CR用DBP/DOP.之類。

提高拉伸強(qiáng)度的其它方法有，用橡膠與樹脂共混、橡膠化學(xué)改性、填料表面改性（如加桂烷等）

2、撕裂強(qiáng)度：

橡膠的撕裂是由于材料中的裂紋或裂口受力時迅速擴(kuò)大開裂而導(dǎo)至破壞現(xiàn)象。

A：撕裂強(qiáng)度與拉伸沒有直接關(guān)系：在許多情況下撕裂與拉伸是不成正比的。一般

   情況下，結(jié)晶橡膠比非結(jié)晶橡膠撕裂強(qiáng)高。

B：撕裂強(qiáng)度與溫度有關(guān)：除了天然橡膠外，高溫下撕裂強(qiáng)度均有明顯地下降。碳

   黑、白炭黑填充的橡膠其撕裂強(qiáng)度有明顯地提高。

C：撕裂強(qiáng)度與硫化體系有關(guān)。多硫鍵有較高的撕裂強(qiáng)度。硫黃用量高撕裂強(qiáng)度

   高。但過多的硫黃用量撕裂強(qiáng)度會顯著地降低。使用平坦性較好的促進(jìn)劑有利

   于提高撕裂強(qiáng)度。

D：撕裂強(qiáng)度與填充體系有關(guān)：

各種補(bǔ)強(qiáng)填充如、碳黑、白炭黑、白艷華、氧化鋅等，可獲較高的撕裂強(qiáng)度。某些桂烷等偶聯(lián)劑可以提高撕裂強(qiáng)度。通常加入軟化劑會使撕裂強(qiáng)度下降。如石臘油會使丁苯膠的撕裂強(qiáng)度極為不利。而芳烴油就變化不大。如CM/NBR用酯類增塑劑比其它軟化劑就影響小多了。

3、定伸應(yīng)力與硬度：

定伸應(yīng)力與硬度是橡膠材料的剛度重要指標(biāo)，是硫化膠產(chǎn)生一定形變所需要的力，與較大的拉伸形變有關(guān)，兩者相關(guān)性較好，變化規(guī)律基本一至。

橡膠分子量越大，有效交聯(lián)定伸應(yīng)力越大。為了得到規(guī)定的定伸應(yīng)力，可對分子量較小的橡膠適當(dāng)提高交聯(lián)密度。凡能增加分子間作用力的結(jié)構(gòu)因素。都能提高硫化膠的網(wǎng)洛抵抗變形能力。如CR/NBR/PU/NR等有較高的定伸應(yīng)力。

定伸應(yīng)力與交聯(lián)密度影響極大。不論是純膠還是補(bǔ)強(qiáng)硫化膠，隨著交聯(lián)密度的增加，定伸應(yīng)力與硬度也隨之直線增加。通常是通過對硫化劑、促進(jìn)劑、助硫化劑、活性劑等品種的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。含硫的促進(jìn)對提高定伸應(yīng)力更有顯著的效果。多硫健有利于提高定伸應(yīng)力。填充劑能提高制品的定伸應(yīng)力、硬度。補(bǔ)強(qiáng)性能越高、硬度越高，定伸應(yīng)力就越高。定伸應(yīng)力隨著硬度的增加，填充的增加越高。相反軟化劑的增加，硬度降低，定伸應(yīng)力下降。除了增加補(bǔ)強(qiáng)劑外還有并用烷基酚醛樹脂硬度可達(dá)95度、高苯乙烯樹脂。使用樹脂RS、促進(jìn)劑H并用體系硬度可達(dá)85度等等。

4、耐磨性：

耐磨耗性能表征是硫化膠抵抗摩察力作用下因表面破壞而使材料損耗的能力。是與橡膠制品使用壽命密切相關(guān)的力學(xué)性能。

耐磨性的形式有：

A、磨損磨耗：

在摩擦?xí)r表面上不平的尖銳的粗糙物不斷地切割、亂擦。致使橡膠表面接觸點(diǎn)被切割、扯斷成微小的顆粒，從橡膠表面脫落下來、形成磨耗。磨耗強(qiáng)度與壓力成正比與拉伸強(qiáng)度成反比。隨著回彈性提高而下降。

B、疲勞磨耗：

與摩擦面相接觸的硫化膠表面，在反復(fù)的過程中受周期性的壓縮、剪切、拉伸等變形作用，使橡膠表面產(chǎn)生疲勞，并逐漸在其中產(chǎn)生微裂紋。這些裂紋的發(fā)展造成材料表面的微觀剝落。疲勞磨耗隨著橡膠的彈性模量、壓力提高而增加，隨著拉伸強(qiáng)度的降低而和疲勞性能變差而加大。

C：巻曲磨耗：

橡膠下光滑的表面接觸時，由于磨擦力的作用，使硫化膠表面不平的地方發(fā)生變形，并被撕裂破壞，成巻的脫落表面。

耐磨性能和硫化膠的主要力學(xué)性能有關(guān)。在設(shè)計配方時要設(shè)法平衡各種性能之間的關(guān)系。耐磨性與膠種之間關(guān)系最大，一般來講NBR>BR>SSBR>SBR（EPDM）>NR>IR（IIR）>CR

耐磨性與硫化體系有關(guān)，適量地提高交聯(lián)徎度能提高耐磨性能。單硫健越多耐磨性越好，這就是半有效硫化體系的耐磨性最好的道理。用CZ做第一促進(jìn)劑的耐磨性能要比其它促進(jìn)劑好，最佳的補(bǔ)強(qiáng)劑用量會提高一定的耐磨性能。合理地使用軟化劑會能最小地降低耐磨性。如天然膠、丁苯膠用芳烴油。

有效地使用防老劑，可防止疲勞老化。提高碳黑的分散性可提高耐磨性能。

使用桂烷表面處理劑改性可大大地提高耐磨性能。

采用橡塑共混來提高耐磨性能，如丁睛與聚氯乙烯并用，所制造的紡織皮結(jié)。

用丁睛與三元尼龍并用，丁晴與酚醛樹脂并用。

添加固體潤滑劑和減磨性材料。如丁睛膠橡膠膠料中添加石墨、二硫化鉬、氮化硅、碳纖維，可使硫化膠的磨擦系數(shù)降低，提高其耐磨性能。

5：疲勞與疲勞破壞：

硫化膠受到交變應(yīng)力作用時，材料的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化的現(xiàn)象叫疲勞。隨著疲勞過徎的進(jìn)行，導(dǎo)至材料破壞的現(xiàn)象叫做疲勞破壞。

A：橡膠結(jié)構(gòu)的影響，玻璃化溫度低的橡膠耐疲勞性能好。有極性基團(tuán)的橡膠耐疲勞性能差。分子內(nèi)有龐大基團(tuán)或側(cè)基的橡膠，耐疲勞性能差、結(jié)構(gòu)序列規(guī)整的橡膠，容易聚向結(jié)晶，耐疲勞性差。

B：橡膠硫化體系影響，單硫健的硫化體系，疲勞性能最小，耐疲勞性能好，增加交聯(lián)劑的用量會使硫化膠的疲勞性能下降。所以應(yīng)盡量減少交聯(lián)劑的用量。

C：填充劑的影響，補(bǔ)強(qiáng)性能越小的填充劑影響越小，填充劑用量越大影響越大，應(yīng)盡量少用填充劑。

D：軟化體系的影響，盡可能選用軟化點(diǎn)低的非粘稠性軟化劑；軟化劑的用量盡可能多一些，相反高粘度軟化劑不宜多用，如松焦油的耐疲勞性差，脂類增塑劑的耐疲勞性就好。

6、彈性：

橡膠最寶貴特性是彈性。高彈性源于橡膠分子運(yùn)動，完全由卷曲分子的構(gòu)象變化所造成的，除去外力后能立即恢復(fù)原狀，稱理想的彈性體。橡膠分子之間的作用會妨礙分子鏈段運(yùn)動，表現(xiàn)出粘性或粘度。所以說橡膠的特性是既有彈性又有粘性。影響彈性的因素有形變大小、作用時間、溫度等。橡膠分子間的作用增大，分子鏈的規(guī)整性高時，易產(chǎn)生拉伸結(jié)晶，有利于強(qiáng)度提高，顯示出高彈性。在通用橡膠中的天然、順丁膠彈性最好，其次是丁睛、氯丁。丁苯與丁基較差。

A：彈性與交聯(lián)密度有關(guān)：

隨著交聯(lián)密度的增加，硫化膠的彈性增加，并出現(xiàn)最大值，交聯(lián)密繼續(xù)增加彈性呈下的趣勢。適當(dāng)?shù)靥岣吡骰�程度對彈性有利。在高彈性配合中選用硫黃與CZ并用、與促進(jìn)D并用硫化膠的回彈性較高，滯后損失小。

B：彈性與填充體系有關(guān)：

提高含膠率是提高彈性的最直接、最有效的辦法，補(bǔ)強(qiáng)性越好的填充對彈性越不利。

C：彈性與軟化劑的關(guān)系：

軟化劑與橡膠的相溶性有關(guān)，相溶性越小，彈性越差。如天然、順丁、丁基加石臘油，優(yōu)于加環(huán)烷油。丁睛加DOP優(yōu)于使用環(huán)烷油、芳烴油。一般來說增塑劑會降低橡膠的彈性，應(yīng)盡量少用增塑劑。

 

7：扯斷伸長率（延伸率）：

A：扯斷伸長率與拉伸強(qiáng)度有關(guān)：

只有具有較高的拉伸強(qiáng)度，保證其在變形過程中不受破壞，才會有較高的伸長率。一般隨著定伸應(yīng)力和硬度增大則扯斷伸長率下降，回彈性大、永久變形小，則扯斷伸長率大。不同的橡膠，它的扯斷伸長率不同，天然膠它的含膠率在80%以上時它的扯斷伸長率可達(dá)1000%。在形變時易產(chǎn)生塑性流動的橡膠也會有較高的伸長率。如丁基橡膠。

B：扯斷伸長率隨著交聯(lián)密度的提高而降低。制造高定伸制品，硫化程度不宜過高，可以稍欠硫或降低硫化劑用量。增加填充劑的用量會降低扯斷伸長率，結(jié)構(gòu)越高的補(bǔ)強(qiáng)劑，扯斷伸長率越低，曾加軟化劑的用量，可以獲較大的扯斷伸長。