- 余辉
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硫化中橡胶分子变化图“硫化”一词有其历史性,因最初的天然橡胶制品用硫磺作交联剂进行交联而得名,随着橡胶工业的发展,现在可以用多种非硫磺交联剂进行交联。
因此硫化的更科学的意义应是“交联”或“架桥”,即线性高分子通过交联作用而形成的网状高分子的工艺过程。
从物性上即是塑性橡胶转化为弹性橡胶或硬质橡胶的过程。
“硫化”的含义不仅包含实际交联的过程,还包括产生交联的方法。
概述橡胶大分子在加热下与交联剂硫磺发生化学反应,交联成为立体网状结构的过程。
经过硫化后的橡胶称硫化胶。
硫化是橡胶中的最后一个工序,可以得到定型的具有实用价值的橡胶制品。
在橡胶的网状结构中,硫磺交联键(其中硫的原子数n≥1;而未交联的硫原子数为Sx或Sy)的密度,决定着橡胶的硫化程度。
后者在工艺实践中,是以胶料宏观的物理机械性能或橡胶粘度的变化来判断的。
条件硫化条件影响硫化过程的主要因素是硫磺用量、硫化温度及硫化时间。
①硫磺用量。
其用量越大,硫化速度越快,可以达到的硫化程度也越高。
硫磺在橡胶中的溶解度是有限的,过量的硫磺会由胶料表面析出,俗称“喷硫”。
为了减少喷硫现象,要求在尽可能低的温度下,或者至少在硫磺的熔点以下加硫。
根据橡胶制品的使用要求,硫磺在软质橡胶中的用量一般不超过3%,在半硬质胶中用量一般为20%左右,在硬质胶中的用量可高达40%以上。
②硫化温度。
若温度高10℃,硫化时间约缩短一半。
由于橡胶是不良导热体,制品的硫化进程由于其各部位温度的差异而不同。
为了保证比较均匀的硫化程度,厚橡胶制品一般采用逐步升温、低温长时间硫化。
③硫化时间。
这是硫化工艺的重要环节。
时间过短,硫化程度不足(亦称欠硫)。
时间过长,硫化程度过高(俗称过硫)。
只有适宜的硫化程度(俗称正硫化),才能保证最佳的综合性能。
过程注压硫化机通过胶料定伸强度的测量(或硫化仪)可以看到,整个硫化过程可分为硫化诱导,预硫,正硫化和过硫(对天然胶来说是硫化返原)四个阶段。
硫化诱导期(焦烧时间)内,交联尚未开始,胶料有很好的流动性。
这一阶段决定了胶料的焦烧性及安全性。
这一阶段的终点,胶料开始交联并丧失流动性。
硫化诱导期的长短除与生胶本身性质有关,主要取决于所用助剂,如用迟延性促进剂可以得到较长的焦烧时间,且有较高的安全性。
硫化诱导期以后便是以一定速度进行交联的预硫化阶段。
预硫化期的交联程度低,即使到后期硫化胶的扯断强度,弹性也不能到达预想水平,但撕裂和动态裂口的性能却比相应的正硫化好。
到达正硫化阶段后,硫化胶的各项物理性能分别达到或接近最佳点,或达到性能的综全平衡。
正硫化阶段(硫化平坦区)之后,即为过硫阶段,有两种情况:天然胶出现“返原”现象(定伸强度下降),大部分胶(除丁基胶外)定伸强度继续增加。
对任何橡胶来说,硫化时不只是产生交联,还由于热及其它因素的作用产生产联链和分子链的断裂。
这一现象贯穿整个硫化过程。
在过硫阶段,如果交联仍占优势,橡胶就发硬,定伸强度继续上升,反之,橡胶发软,即出现返原。
方法个体硫化机按硫化条件可分为冷硫化、室温硫化和热硫化三类。
冷硫化可用于薄膜制品的硫化,制品在含有2%~5%氯化硫的二硫化碳溶液中浸渍,然后洗净、干燥即可。
室温硫化时,硫化过程在室温和常压下进行,如使用室温硫化胶浆(混炼胶溶液)进行自行车内胎接头、修补等。
热硫化是橡胶制品硫化的主要方法。
根据硫化介质及硫化方式的不同,热硫化又可分为直接硫化、间接硫化和混气硫化三种方法。
①直接硫化,将制品直接置入热水或蒸汽介质中硫化。
②间接硫化,制品置于热空气中硫化,此法一般用于某些外观要求严格的制品,如胶鞋等。
③混气硫化,先采用空气硫化,而后再改用直接蒸汽硫化。
此法既可以克服蒸汽硫化影响制品外观的缺点,也可以克服由于热空气传热慢,而硫化时间长和易老化的缺点。
上述硫化方法均属于间歇生产,有些长度不限的橡胶制品可以连续硫化,如压出制品的盐浴硫化、沸腾床硫化、微波或高频硫化、胶带及胶板的鼓式硫化机硫化等。
除硫磺硫化外,橡胶制品还可采用无硫硫化、高能射线硫化等,但其应用面均有限。
设备平板硫化机橡胶通用的硫化设备一般可分为硫化罐、平板硫化机、个体硫化机、注压硫化机四大类。
硫化罐有立式及卧式之分,前者多用于轮胎外胎的硫化,后者多用于胶管、电缆、胶鞋的硫化;平板硫化机用于胶板、胶带及部分模型制品的硫化;个体硫化机多用于汽车轮胎及力车胎的硫化;注压硫化机在胶鞋及密封件生产中应用。
对于橡胶模型制品而言,它们的模压、定型及硫化是结合在一起同时进行的。
至于长度不限的制品(如胶带、胶布等),可用连续硫化机进行生产。
2006年,桂林橡胶机械厂开发的1725液压硫化机,通过了广西壮族自治区科学技术厅组织的鉴定。
鉴定委员会一致认为,该产品填补了中国国内空白,产品性能达到国际先进水平,是硫化高等级载重子午胎的理想设备,在国际市场上具有较强的竞争力。
该产品具有如下特点,机架受力合理,每个硫化室有一个独立的框架来承受合模力;刚性好,上横梁和底座变形小;中心机构设计新颖,具有独创性,与装胎、卸胎机械手自动找正对中,提高了定位精度;硫化室结构新颖,采用下蒸汽室包容上蒸汽室的结构,改变了传统密封形式,从而提高了密封效果、使用寿命和安全性;将模具活络块安装在下蒸汽室,提高了模具使用寿命和安全性,又便于模具的清理;液压系统的元件全部采用先进可靠元件,运行平稳;电气系统采用国际先进的控制元件,设备的开合模位置、机械手升降位置、中心机构上环升降位置采用直线位移传感器控制,保证了定位精度和可靠性;采用国际先进的光栅安全监控技术,保证了作人员的安全。
目前该产品已通过欧盟的"CE"认证,硫化室已通过欧盟的压力容器认证。
促进剂硫化促进剂硫化促进剂是一类能加快硫化反应速度,缩短硫化时间,降低硫化温度,减少硫化剂用量,并能提高或改善硫化胶物理机械性能的助剂。
按其性质和化学组成可分为无机促进剂和有机促进剂两大类。
无机促进剂使用最早,但因促进效果小,硫化胶性能差.现基本被有机促进剂所取代。
随着橡胶品种和用途的不断发展,现有促进剂名目繁杂,根据促进剂的化学结构通常将其分为噻唑类、秋兰姆类、次磺酰胺类、胍类、二硫代氨基甲酸盐类、醛胺类、黄原酸盐类和硫脲。
含仲胺基的传统促进剂NOBS、DIBS、D、TETD
等被认为对健康存在潜在危害,因此寻找这些促进剂的替代品或者开发无亚促进剂的问题受到国际广泛关注。
美国惠利实公司推出的新型促进剂N-叔丁基-2-双苯并噻唑次磺酰胺,是含仲胺基传统促进剂的最好替代品。
此外美国的孟山都公司、固特异公司和尤尼罗伊尔公司及德国的拜尔公司和莱茵化学公司也相继生产出了各种无亚毒性的复配促进剂。
中国的淄博颖汇橡胶助剂公司开发成功了伯胺基非致癌促进剂NS.给替代仲胺基致癌性促进剂创造了条件。
南京化工厂对非致癌促进剂的开发已经取得可喜进展,存在的主要问题是对非亚型促进剂多品种的开发和NS等促进剂替代技术的研究及其替换速度进展缓慢,与发达国家相距甚远。
热硫化的工艺方式:反应性注射模压硫化法:是指在高压(14-20MPa)下撞击混合两种或两种以上组分,然后将按一定比例混合均匀的物料经注射机定量注射到有一定温度的模腔中进行硫化,成型为制品,由于在生产过程中将原料的聚合反应和制品的模塑成型合二为一,混合速度快,混合质量高,并优化了生产步骤,提高了生产效率,例如多元醇类的共混物和异氰酸酯在约14MPa的压力下通过计量泵进入混合室,在混合室内产生湍流,充分混合后由注射口进入模腔,在80-100℃间保压硫化一定的时间;室温硫化法:在室温及常压下对制品进行硫化的工艺方法通常称室温硫化法,如室温硫化的胶黏剂,胶黏剂通常制成双组分:促进剂及惰性配合剂与溶剂配成一组分,橡胶、硫化剂等配成另一组分,用时按比例混合使用,室温硫化胶浆常用于皮带硫化胶的接头或工业橡胶板产品的修理等;冷硫化法:硫化法又称一氯化硫溶液硫化法,即将半成品浸入含2-5%的一氯化硫的二硫化碳、苯或四氯化碳的溶液中经过一定时间的浸泡完成硫化;电子束辐射连续硫化:它与微波硫化的不同在于可以实现室温使橡胶大分子交联,电子束可直接使胶料离子化、活化并产生交联反应;橡胶模具制品的去边修整,使制品表面光洁、外形尺寸达到要求,经过一些特殊工艺,如对其表面进行处理,使特种用途制品性能有所提高,对含有织物骨架的制品的普通帆布运输带等制品要进行热拉伸冷却和硫化后在充气压力下冷却,以保证制品尺寸、形状稳定和良好的使用性能;