變溫變壓硫化裝置設計及其應用研究

王義銘，劉宇鵬

（1.黑龍江省實驗中學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學 化工與化學學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

橡膠的物理性能及耐老化性能嚴重影響橡膠制品的質(zhì)量和壽命，其物理性能又受硫化工藝的影響。國內(nèi)外研究機構(gòu)對輪胎硫化工藝進行了大量的研究[1-4]，試圖了解硫化程度對輪胎各項物理性能的影響，研究不同硫化程度下橡膠材料的物理性能變化規(guī)律。大部分研究都通過硫化機來控制硫化溫度和硫化壓力，然而由于硫化機制造精度和成本控制等原因，其溫度的均勻性（尤其是對于厚橡膠制品）很難控制，而硫化機液壓系統(tǒng)的壓力有一部分施加在模具上。這兩個因素導致硫化溫度和硫化壓力對橡膠物理性能的影響僅停留在定性分析上。而橡膠制品的硫化溫度和硫化壓力通常根據(jù)工廠的動力站及硫化機提供的合模力確定，缺乏從橡膠材料角度準確考察硫化溫度和硫化壓力對橡膠物理性能的影響。

本工作首先根據(jù)活塞原理設計變溫變壓硫化裝置，通過改進現(xiàn)有平板硫化模具，并引入壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對橡膠硫化過程中溫度壓力的實時監(jiān)測，為準確分析硫化溫度和硫化壓力對橡膠的各項物理性能的影響規(guī)律提供有效平臺。

1 變溫變壓試驗

1.1 變溫變壓模具設計

變溫變壓模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模具分為三部分，成型機頭中上模座為直徑270 mm、高20 mm的圓柱體，上模板為直徑200 mm、高60 mm的圓柱體；模腔套筒為內(nèi)徑200 mm、厚35 mm、高55 mm的空腔圓柱體；下模板為直徑200 mm、高10 mm的圓柱體，底座為直徑220 mm、高10 mm的圓柱體。該模具在上模板以及模腔上設計有把手，方便操作與開模，上下模板均為圓形，最大程度地減輕了模具的質(zhì)量。加工后的模具實物如圖2所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)示意

圖2 模具實物

1.2 溫度/壓力采集裝置

使用溫度/壓力變送器探頭（如圖3所示）穿過模腔直接與橡膠接觸，能夠真實地反映模腔內(nèi)部溫度與側(cè)邊壓力。溫度/壓力變送器探頭由日本西門子公司生產(chǎn)，溫度、壓力感應靈敏。該探頭通過傳感器與模腔相連，傳感器的頭部為M14的螺紋，因此需要在模腔上加工一個M14螺紋孔。螺紋孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 溫度/壓力變送器及探頭

圖4 M14螺紋孔結(jié)構(gòu)示意

利用平板硫化機進行硫化試驗，利用外加模板與硫化機組合實現(xiàn)了模具的抽送式拉取，使用自行設計的模具作為硫化模具，方便混煉膠放入和硫化膠取出。在模腔上設計了M14的螺紋孔通過溫度/壓力變送器與熔體溫度/壓力測量裝置連接，將模腔內(nèi)部膠料的實際溫度與側(cè)邊壓力傳輸?shù)饺垠w溫度/壓力測量裝置中，并通過與電腦連接直接將數(shù)據(jù)存儲到電腦中。將平板硫化機、溫度/壓力測試裝置、模具和電腦組裝到一起，組成變溫變壓測量裝置，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 變溫變壓測量裝置

2 變溫變壓硫化試驗

2.1 條件

在不同的初始硫化溫度（140，143，145，148，150，153，155和157 ℃）下對天然橡膠膠料進行硫化（硫化壓力為1 MPa）直至正硫化狀態(tài)。為了探究壓力對硫化膠性能的影響，固定硫化反應的溫度為150 ℃，硫化至正硫化狀態(tài)后，以初始硫化壓力分別為1，3，5和7 MPa進行硫化。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 硫化溫度對天然橡膠膠料物理性能的影響

圖6示出了膠料硬度和彈性模量隨硫化溫度的變化情況。

圖6 硫化溫度對膠料硬度和彈性模量的影響

測量膠料硬度是監(jiān)測橡膠和橡膠制品質(zhì)量的最普遍方法[5]。從圖6可以看出：當硫化溫度低于148 ℃時，硬度隨著硫化溫度的升高而增加；在硫化溫度較高（＞148 ℃）時，硬度隨著硫化溫度的升高而顯著減小。這意味著硫化溫度對天然橡膠膠料的硬度影響較為明顯，應該予以關注。

從圖6還可以看出，彈性模量隨著硫化溫度的升高先增加后減小，最大值出現(xiàn)在硫化溫度為148℃時。這一現(xiàn)象表明當硫化溫度較低（＜148℃）時，交聯(lián)密度較低，交聯(lián)鍵類型以多硫鍵為主；而隨著硫化溫度的升高，多硫鍵減少，單硫鍵及雙硫鍵增多，交聯(lián)密度提高。而當硫化溫度高于148℃時，交聯(lián)鍵進一步環(huán)化，進而使有效交聯(lián)密度降低。

2.2.2 硫化壓力對天然橡膠膠料物理性能的影響

圖7示出了膠料硬度和彈性模量隨硫化壓力的變化情況。從圖7可以看出：硬度和彈性模量隨著硫化壓力的增大而增加。這意味著硫化壓力對天然橡膠的致密度有重要影響，進而提高了天然橡膠的交聯(lián)密度。

圖7 硫化壓力對膠料硬度和彈性模量的影響

3 結(jié)論

本研究提出一種易開模模具的制作方法，并設計了開模模具，較好地解決了硫化完成后開模困難的問題，實現(xiàn)了單人操作模具；同時設計一套熔體溫度/壓力檢測裝置，可實時監(jiān)控模腔內(nèi)部的溫度和側(cè)邊壓力，了解模腔內(nèi)部膠料的實際溫度。通過組合平板硫化機、模具以及熔體測溫裝置制成一套易操作的變溫變壓測量裝置，利用該裝置硫化膠料試樣，對比了不同硫化溫度和硫化壓力對硫化膠物理性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)硬度和彈性模量隨硫化溫度的升高均表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢；且隨著壓力的增大，膠料的硬度和彈性模量均呈增高趨勢。