變溫變壓硫化裝置設(shè)計及其應(yīng)用研究

王義銘，劉宇鵬

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

橡膠的物理性能及耐老化性能嚴(yán)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(dǎo)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(zhǔn)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(shè)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(zhǔn)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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(dāng)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(yīng)該予以關(guān)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(shè)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。