變溫變壓硫化裝置設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

王義銘，劉宇鵬

（1.黑龍江省實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)輪胎硫化工藝進(jìn)行了大量的研究[1-4]，試圖了解硫化程度對(duì)輪胎各項(xiàng)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(guò)硫化機(jī)來(lái)控制硫化溫度和硫化壓力，然而由于硫化機(jī)制造精度和成本控制等原因，其溫度的均勻性（尤其是對(duì)于厚橡膠制品）很難控制，而硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力有一部分施加在模具上。這兩個(gè)因素導(dǎo)致硫化溫度和硫化壓力對(duì)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(dòng)力站及硫化機(jī)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(duì)橡膠物理性能的影響。

本工作首先根據(jù)活塞原理設(shè)計(jì)變溫變壓硫化裝置，通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有平板硫化模具，并引入壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠硫化過(guò)程中溫度壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為準(zhǔn)確分析硫化溫度和硫化壓力對(duì)橡膠的各項(xiàng)物理性能的影響規(guī)律提供有效平臺(tái)。

1 變溫變壓試驗(yàn)

1.1 變溫變壓模具設(shè)計(jì)

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(jī)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(jì)有把手，方便操作與開(kāi)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(shí)物如圖2所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)示意

圖2 模具實(shí)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(guò)模腔直接與橡膠接觸，能夠真實(shí)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(guò)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(gè)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(jī)進(jìn)行硫化試驗(yàn)，利用外加模板與硫化機(jī)組合實(shí)現(xiàn)了模具的抽送式拉取，使用自行設(shè)計(jì)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(jì)了M14的螺紋孔通過(guò)溫度/壓力變送器與熔體溫度/壓力測(cè)量裝置連接，將模腔內(nèi)部膠料的實(shí)際溫度與側(cè)邊壓力傳輸?shù)饺垠w溫度/壓力測(cè)量裝置中，并通過(guò)與電腦連接直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到電腦中。將平板硫化機(jī)、溫度/壓力測(cè)試裝置、模具和電腦組裝到一起，組成變溫變壓測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 變溫變壓測(cè)量裝置

2 變溫變壓硫化試驗(yàn)

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(duì)天然橡膠膠料進(jìn)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(duì)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(jìn)行硫化。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 硫化溫度對(duì)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(duì)膠料硬度和彈性模量的影響

測(cè)量膠料硬度是監(jiān)測(cè)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(shí)，硬度隨著硫化溫度的升高而增加；在硫化溫度較高（＞148 ℃）時(shí)，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(duì)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(shí)。這一現(xiàn)象表明當(dāng)硫化溫度較低（＜148℃）時(shí)，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(shí)，交聯(lián)鍵進(jìn)一步環(huán)化，進(jìn)而使有效交聯(lián)密度降低。

2.2.2 硫化壓力對(duì)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(duì)天然橡膠的致密度有重要影響，進(jìn)而提高了天然橡膠的交聯(lián)密度。

圖7 硫化壓力對(duì)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(kāi)模模具的制作方法，并設(shè)計(jì)了開(kāi)模模具，較好地解決了硫化完成后開(kāi)模困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單人操作模具；同時(shí)設(shè)計(jì)一套熔體溫度/壓力檢測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)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(shí)際溫度。通過(guò)組合平板硫化機(jī)、模具以及熔體測(cè)溫裝置制成一套易操作的變溫變壓測(cè)量裝置，利用該裝置硫化膠料試樣，對(duì)比了不同硫化溫度和硫化壓力對(duì)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(shì)；且隨著壓力的增大，膠料的硬度和彈性模量均呈增高趨勢(shì)。