隔震橡膠支座的硫化工藝優(yōu)化

張遠(yuǎn)喜，任 姝，黃兆明，袁維娜，唐 均，管慶松

（震安科技股份有限公司 云南省工程結(jié)構(gòu)減隔震應(yīng)用工程研究中心，云南 昆明 650041）

隔震橡膠支座（以下簡(jiǎn)稱支座）是由多層橡膠與多層鋼板疊層組合而成的橡膠厚制品。在模壓加熱硫化時(shí)，橡膠厚制品的不同部位因與熱源距離不同而存在明顯溫度梯度，從而導(dǎo)致硫化程度不同，直接影響制品的使用性能。因此，支座的硫化工藝制定除應(yīng)考慮硫化三要素（壓力、溫度、時(shí)間）外，還須保證支座各膠層均能獲得最佳的硫化程度。合理的硫化工藝條件對(duì)改善支座的使用性能、提高硫化設(shè)備利用率、節(jié)約動(dòng)力和能源至關(guān)重要[1-4]。

本工作利用TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)硫化過(guò)程中支座各膠層的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄膠層的溫度隨時(shí)間的變化；利用阿累尼烏斯方程式計(jì)算各膠層的硫化效應(yīng)，并換算成等效硫化時(shí)間，求得各膠層的實(shí)際硫化程度[5-6]，并根據(jù)各膠層的性能確定支座的硫化工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

直徑為600 mm的支座由28層橡膠和27層鋼板疊層組合而成。剝離支座每層鋼板均涂抹適量硅油，測(cè)試剝離膠層的物理性能。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀，深圳市拓普瑞電子有限公司產(chǎn)品；500 t平板硫化機(jī)，無(wú)錫錦和科技有限公司產(chǎn)品；1 500 t電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)，北京富力通達(dá)科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 支座測(cè)溫埋線位置

支座中熱電偶測(cè)溫埋線的位置為從上往下第2，4，6，8，10，12，14膠層，第14膠層為中間膠層。

1.4 性能測(cè)試

邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行測(cè)試；拉伸性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試。

支座的剛度按照GB/T 20688.1—2007進(jìn)行測(cè)試，面壓為12 N·mm-2，水平剪應(yīng)變?yōu)椤?00%，循環(huán)次數(shù)為3。

1.5 數(shù)據(jù)分析公式

（1）硫化強(qiáng)度表示膠料在一定溫度下單位時(shí)間所達(dá)到的硫化程度，其取決于膠料的硫化溫度，即：

（4）硫化程度可以衡量膠料經(jīng)過(guò)一定的硫化歷程后獲得的相對(duì)交聯(lián)程度。制品的基準(zhǔn)硫化溫度為T0，某部位膠料在該溫度下的工藝正硫化時(shí)間為t90，等效硫化時(shí)間為td，則它們的比值即為硫化程度（DOV）：

（5）硫化反應(yīng)活化能。可以利用硫化儀測(cè)試法，根據(jù)阿累尼烏斯方程（K=Ae-E/RT）線性擬合得出（K為反應(yīng)速率常數(shù)，A為頻率因子）。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化反應(yīng)活化能

半成品膠料的硫化特性見(jiàn)表1。

表1 膠料的硫化特性Tab.1 Curing characteristics of compound

膠料的阿累尼烏斯方程線性擬合曲線見(jiàn)圖1，曲線擬合數(shù)據(jù)如下：斜率為1.057 2×104，截距為－18.583，活化能為87.899 kJ·mol-1，A為1.176×108s-1，。由此可知，半成品膠料的反應(yīng)活化能為87.899 kJ·mol-1。

圖1 膠料的阿累尼烏斯方程線性擬合曲線Fig.1 Linear fitting curve of Arrhenius equation of compound

2.2 溫度監(jiān)測(cè)

支座的暫定硫化條件為120 ℃×8.5 h，圖2為TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀記錄的硫化過(guò)程中支座各膠層的測(cè)試溫度與硫化時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖2 硫化過(guò)程中支座各膠層的測(cè)試溫度與硫化時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between test temperature and vulcanization time of each compound layer of bearing during vulcanization process

由圖2可知，硫化過(guò)程中的傳熱主要通過(guò)硫化機(jī)的上下平板，因此越接近平板的膠層硫化速度越快，中間膠層傳熱慢，硫化速度較慢。支座脫模后降溫時(shí)間長(zhǎng)，特別是中間膠層降至室溫需要約22 h，因此模壓硫化效應(yīng)和后硫化效應(yīng)同等重要。

2.3 等效硫化時(shí)間

利用公式（1）—（4）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，支座第4膠層的等效硫化時(shí)間為82.47 min，超出平坦期，處于過(guò)硫狀態(tài)。第14膠層的等效硫化時(shí)間雖在平坦期內(nèi)，但遠(yuǎn)超過(guò)t90。此外，各膠層的硫化程度較大，均達(dá)到3以上。因此，可推斷整個(gè)支座的硫化時(shí)間較長(zhǎng)。

表2 支座各測(cè)溫點(diǎn)硫化效應(yīng)及等效硫化時(shí)間Tab.2 Vulcanization effect and equivalent vulcanization time at each temperature measurement point

2.4 物理性能

半成品膠料的物理性能如下：邵爾A型硬度38度，100%定伸應(yīng)力 0.79 MPa，300%定伸應(yīng)力3.22 MPa，拉伸強(qiáng)度 25.0 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率717%。

支座各膠層的物理性能見(jiàn)表3。

表3 支座各膠層的物理性能Tab.3 Physical properties of each compound layer of bearing

從表3可以看出，支座第2至第14膠層的硬度、定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度逐漸增大，但較半成品膠料明顯降低，說(shuō)明支座的硫化時(shí)間較長(zhǎng)，與上述等效硫化時(shí)間分析結(jié)果一致，特別是外膠層過(guò)硫嚴(yán)重，出現(xiàn)分子鏈斷裂，導(dǎo)致拉伸性能下降明顯。

2.5 硫化工藝優(yōu)化

（1）支座的優(yōu)化硫化條件。將支座第14膠層的硫化時(shí)間作為制定工藝的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各測(cè)溫點(diǎn)的硫化溫度與時(shí)間數(shù)據(jù)，得出第14膠層的等效硫化時(shí)間的理論計(jì)算值，見(jiàn)表4。

表4 第14膠層的等效硫化時(shí)間理論計(jì)算值Tab.4 Theoretical calculation values of equivalent vulcanization time of 14th compound layer

當(dāng)支座的硫化條件為120 ℃×7 h，模壓時(shí)膠層即將達(dá)到正硫化，加上后硫化效應(yīng)，膠層完全可以達(dá)到正硫化狀態(tài)。綜合考慮，120 ℃×7 h為支座的優(yōu)化硫化條件，該優(yōu)化硫化條件的硫化時(shí)間較原定硫化時(shí)間縮短1.5 h。

（2）優(yōu)化硫化條件下支座各膠層的等效硫化時(shí)間及物理性能。120 ℃×7 h優(yōu)化硫化條件下支座各膠層的硫化效應(yīng)及物理性能見(jiàn)表5。

由表5可知，在120 ℃×7 h優(yōu)化硫化條件下支座各膠層的等效硫化時(shí)間均在硫化平坦期之內(nèi)，硫化程度也在要求范圍之內(nèi)，硬度、定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度較原定硫化條件下支座膠層明顯增大，即優(yōu)化條件下支座各膠層的性能均有提高。

表5 支座各膠層的等效硫化效應(yīng)及物理性能Tab.5 Vulcanization effect and physical properties of each compound layer of bearing

（3）優(yōu)化硫化條件下支座的性能。在120℃×7 h優(yōu)化硫化條件下支座的性能見(jiàn)表6。

表6 在120 °C×7 h優(yōu)化硫化條件下支座的性能Tab.6 Performance of bearing under 120 °C×7 h optimized vulcanization condition

計(jì)算得出，支座的豎向剛度測(cè)試值偏差為+11%，100%水平等效剛度測(cè)試值偏差為－9%，即支座的豎向剛度和100%水平等效剛度測(cè)試值與設(shè)計(jì)值吻合很好，滿足S-A類產(chǎn)品這兩項(xiàng)性能測(cè)試值偏差±15%要求，說(shuō)明優(yōu)化硫化條件下支座的性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）采用阿累尼烏斯方程式進(jìn)行等效硫化時(shí)間計(jì)算，對(duì)支座的硫化狀態(tài)分析評(píng)價(jià)較為準(zhǔn)確。

（2）支座的優(yōu)化硫化條件為125 ℃×7 h，在該優(yōu)化硫化條件下支座的硫化時(shí)間大幅縮短，硫化設(shè)備利用率提高，生產(chǎn)成本降低，產(chǎn)品性能滿足設(shè)計(jì)要求。