橡膠模具結(jié)垢成因研究

來(lái)源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2009-02-14 15:03:38點(diǎn)擊率：

        橡膠加工工業(yè)中，模具結(jié)垢問(wèn)題是一個(gè)常見(jiàn)的現(xiàn)象。硫化過(guò)程中模具壁面上形成一層沉積物，并在隨后的生產(chǎn)循環(huán)中逐漸積累?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)：對(duì)于在聚合體橡膠混合物中所包含的各種硫化物（和氧化鋅）來(lái)說(shuō)，硫化鋅是硫化過(guò)程中引起結(jié)垢的煩人的反應(yīng)副產(chǎn)物。沒(méi)有一種半- 的脫模劑或性的（金屬）覆蓋層可以避免這種沉積。結(jié)論是：結(jié)垢初是由附著在模具上的硫化鋅（無(wú)機(jī)的沉積物）引起的，并形成一個(gè)灰色的沉積層。作為溫度的函數(shù)，混合物中低分子量的成份附著在硫化鋅的微晶體上，并引起第二階段的沉積（有機(jī)沉積）。在一定時(shí)間內(nèi)形成氧化產(chǎn)物，并引起碳的沉積。
    通過(guò)了解模具結(jié)垢的原因和模具的金屬表面硫化鋅微晶體形成的內(nèi)在機(jī)制，有可能產(chǎn)生一種對(duì)目前的加工處理過(guò)程適用的辦法，來(lái)降低硫化鋅的形成，從而防止模具結(jié)垢。通過(guò)對(duì)結(jié)垢原因的研究，減少這種現(xiàn)象是很有可能的。
    有兩種可能的解決辦法來(lái)防止或減少污垢的形成:改變混合物的成份或改進(jìn)模子的表面。
改變混合物成份減少模垢
    由于氧化鋅或硫化合而引起的模垢必須減少或被消除。大多數(shù)的沉積物與高含量的硫化物和氧化鋅有關(guān)，而這些成份又通常要在輪胎橡膠產(chǎn)品中應(yīng)用。按體積計(jì)，輪胎是全球橡膠產(chǎn)品中大的一種（達(dá)到75%）。因此，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)是用常用于輪胎生產(chǎn)中的NR/BR化合物和SBR化合物的混合料來(lái)進(jìn)行的。在通過(guò)改變混合物成份減少模垢方面，考察了硫化鋅的影響、短期的硫化實(shí)驗(yàn)、和化合物成份的影響。
◆ 硫化鋅的確定
    本研究從考察硫化鋅的形成開(kāi)始，這是產(chǎn)生初的污垢的根源。硫化實(shí)驗(yàn)顯示有硫化鋅在金屬表面形成。通過(guò)放大1000倍的顯微鏡檢測(cè)內(nèi)插件的沉積物，確定可見(jiàn)的初微晶體，然后用RMA方法（Rontgen micro analysis）分析。RMA元素分析檢測(cè)到有鋅和硫的存在。根據(jù)檢測(cè)到的硫和鋅的比例得出結(jié)論：微晶主要是由不可溶解的硫化鋅組成的。為了確定的硫化鋅的存在，用一種物理的分析方法（AP-TPR）分析硫化后混合物中H2S的含量（間接方法）。一個(gè)模壓硫化實(shí)驗(yàn)用來(lái)確定在有鐵存在的情況下硫化鋅的形成過(guò)程，該實(shí)驗(yàn)是在密閉管道中在200℃和無(wú)氧的條件下進(jìn)行的，試管中含有異三十烷、氧化鋅、硫和高表面積的元素鐵。在該實(shí)驗(yàn)中，借助RMA同樣檢測(cè)到硫化鋅。正如期待的一樣，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都得出有硫化鋅形成的結(jié)果。然而，沒(méi)有證據(jù)表明，硫化鋅是在混合物和模子的界面上形成的，或者ZnS是在硫化過(guò)程中作為鋅和硫的反應(yīng)副產(chǎn)物而形成的。
    為了確定橡膠混合物中硫化鋅的含量，應(yīng)用了另外一種方法。模壓的橡膠在低溫下磨碎，制成小顆粒，再用丙酮提取，并用鹽酸和乙酸的混合物處理，金屬硫化物就分解了。產(chǎn)生的硫化氫用醋酸鎘緩沖溶液吸收，用碘量法測(cè)定所形成的硫化鎘。此外，將被萃取的橡膠在微波爐中在硫酸和硝酸中水解。水解液用ICP-ES進(jìn)行元素掃描。
    從這些結(jié)果可以得出結(jié)論：硫化鋅是作為氧化鋅和硫的反應(yīng)產(chǎn)物而形成的。在硫化生產(chǎn)中，這個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)橡膠產(chǎn)品和模具表面之間硫化鋅微晶體的形成是存在的和有用的。
     可接受的假設(shè)是：硫化鋅是作為氧化鋅和硫的反應(yīng)產(chǎn)物形成的。這種普通的化學(xué)反應(yīng)在各種橡膠手冊(cè)中都有描述。一種簡(jiǎn)化的反應(yīng)機(jī)制是：
    2RH+Sx + ZnO + (催化劑) R-S(x-1)-R + ZnS + H2O
    大多數(shù)輪胎混合物每100份中含有5份氧化鋅和大約2份硫。對(duì)于一種輪胎混合物，可以計(jì)算：一個(gè)以100份橡膠（總量大約175份）為基礎(chǔ)的配方，含有2.8%(重量)的氧化鋅和1.1%（重量）硫。從反應(yīng)式可計(jì)算出每1克氧化鋅大約生成0.6克硫化鋅。顯然，可產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的硫化鋅。實(shí)際上，只有存在于輪胎上層的硫化鋅是硫化鋅的微晶（可能是由金屬表面引起的）。在模具必須進(jìn)行清洗操作前，大約可執(zhí)行500次的模壓。
◆ 實(shí)驗(yàn)
    已經(jīng)知道：用來(lái)作為模具表面的插入件（小金屬片）原則上可以很容易地通過(guò)RMA方法分析是否含有硫化鋅微晶體，但是，這是一種相當(dāng)昂貴的測(cè)試。因此，開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法來(lái)測(cè)定插入件上初的（可見(jiàn)）的微晶。借助500放大倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡，可以看到0.5到1微米的單個(gè)微晶。為了使之產(chǎn)生微晶，對(duì)不同的混合物、不同的溫度和時(shí)間進(jìn)行硫化實(shí)驗(yàn)。選出了兩種混合物，其中包括基于s-SBR的輪胎面的混合料和基于NR/BR的混合物的中間混合料。兩種混合料都被用來(lái)作為進(jìn)行各種硫化實(shí)驗(yàn)的母煉膠。
    為了進(jìn)行硫化實(shí)驗(yàn)，制造了一個(gè)簡(jiǎn)單的壓模，適用于多8個(gè)插入件，這種壓模是為了進(jìn)行多20個(gè)周期的短期實(shí)驗(yàn)而制造的。在每5個(gè)連續(xù)的周期以后目測(cè)檢查插入件。這樣，各種參數(shù)，諸如不同添加劑的混合物參數(shù)，或者關(guān)于插入件的參數(shù)—如金屬的選擇，粗糙度，或鍍層等，可以檢測(cè)。在兩種基本的輪胎混合料上進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn),輪胎混合料在160℃下硫化20分鐘，并在200℃下硫化2分鐘（數(shù)據(jù)是從流變儀曲線(xiàn)計(jì)算得到的）。結(jié)果顯示：目測(cè)發(fā)現(xiàn)的硫化鋅微晶體的數(shù)量沒(méi)有什么區(qū)別。為了壓縮時(shí)間，所有的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)都在200℃下進(jìn)行。在短期運(yùn)行20次硫化實(shí)驗(yàn)后，借助注射成型作更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，多到500次硫化。
◆ 混合物組成的影響
▲ 鋅的選擇
    在混合物的組成方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。正如已經(jīng)顯示的，硫化鋅是作為氧化鋅（或者含鋅的組份）和硫的反應(yīng)產(chǎn)物而形成的。想將硫或者硫化鋅從配方中消除，不是很容易的。因?yàn)檫@兩種組份在橡膠配方中都是必須的。天然的硫能提高機(jī)械力和膠接作用，而氧化鋅可激活硫化體系。
    流變儀實(shí)驗(yàn)顯示：在不改變流變儀大扭矩的情況下，氧化鋅的水平可以從5份降至3份(每100份橡膠），幾乎可以以2倍的因子降低。然而，即使隨著這種水平的降低，硫化鋅的沉積物還是沒(méi)有明顯的變化。同樣，用一種粒度較小的氧化鋅取代，與使用氧化鋅（RS）相比較，沉積物也沒(méi)有什么明顯的不同。
    但是，用0.25份的納米氧化鋅代替40nm粒度值的氧化鋅（相同的流變儀大值），氧化鋅水平可降低20倍，沉積物的差別是明顯的。用納米氧化鋅的短期硫化實(shí)驗(yàn)，壓模使用次數(shù)直到20個(gè)循環(huán)，沒(méi)有顯示硫化鋅沉積。
▲ 氧化鋅的取代物
    由其它的金屬氧化物如氧化鈣或者氧化鎂取代氧化鋅，不是一個(gè)解決辦法，因?yàn)椋谀欠N情況下會(huì)形成硫化鈣或者硫化鎂，形成另外的模垢。）
    與氧化鋅比較，胺是一種催化劑，也對(duì)它進(jìn)行了研究。為這個(gè)目的，在混合物中加入了多個(gè)官能團(tuán)的胺（MFA= Duomeen TDO, Akzo），此外，通過(guò)加入0.2 份ZBEC使硫化體系化。插入件上沒(méi)有明顯的微晶體或者其它沉積物。在短期硫化實(shí)驗(yàn)中，這種低濃度的ZBEC沒(méi)有引起硫化鋅的沉積。然而，因?yàn)榘返臍馕峨y聞和毒性(依賴(lài)于類(lèi)型)，所以它的使用并不可取。在輪胎模子上沒(méi)有進(jìn)行這些混合物的實(shí)驗(yàn)。
    在抑制劑方面進(jìn)行一些附加的實(shí)驗(yàn)。有人聲稱(chēng)：抑制劑是防止或降低模垢的材料。測(cè)試了不同種類(lèi)的抑制劑，例如乙二胺四乙酸（EDTA）、十二醇嘧啶氯化物(LPC)、2-氨基-2甲基-1丙醇(AMP)和苯并三唑(BTZ)。在所研究的這些化學(xué)品中，沒(méi)有一個(gè)能夠降低硫化鋅的沉積。
▲ 減少氧化鋅對(duì)環(huán)境的好處
    減少氧化鋅，用納米氧化鋅作為催化劑體系的一部分替代，以及采用可供選擇的硫化體系都可降低模子上的沉積物。這將會(huì)使模子的經(jīng)受時(shí)間較長(zhǎng)（設(shè)想至少可達(dá)到10倍），因此，在模子清洗操作中可降低成本。
    氧化鋅的減少對(duì)環(huán)境也是有利的。輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的橡膠污染也會(huì)引起一個(gè)環(huán)境問(wèn)題。從輪胎橡膠里跑出去的鋅化合物進(jìn)入地表水，會(huì)干擾和毀壞水環(huán)境中的微生物平衡。
    然而，輪胎制造商不愿意降低橡膠中的氧化鋅含量。原因是那樣的混合物呈現(xiàn)出低的性質(zhì)，諸如：回復(fù)性、轉(zhuǎn)動(dòng)阻力和熱量積累。那些性質(zhì)與氧化鋅的水平是（密切）相關(guān)的，但是直到現(xiàn)在還沒(méi)有進(jìn)行一個(gè)可比較的研究。從（歐洲）政府的觀(guān)點(diǎn)，由于氧化鋅在水環(huán)境中的生態(tài)毒性行為，強(qiáng)烈推薦在橡膠中降低氧化鋅的水平。
◆ 引言
    改進(jìn)模具減少模子結(jié)垢，是通過(guò)對(duì)涂層的研究來(lái)進(jìn)行的。已經(jīng)表明：大多數(shù) 性的覆蓋層，例如，鉻或者釩，是以金屬為基礎(chǔ)，厚度為5到10微米。早期的研究表明：結(jié)垢的大多數(shù)原因在硫化鋅。在基于聚四氟乙烯（PTFE）的聚合物涂層上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)污垢。然而，涂層在加工處理溫度較高時(shí)變得脆弱，并且由于在注射橡膠的過(guò)程中的高的剪切應(yīng)力，經(jīng)過(guò)一些周期后，涂層會(huì)部分損壞。所以，對(duì)涂層的研究和密切的觀(guān)察能對(duì)模垢行為給出一個(gè)新的見(jiàn)解。本研究中考察了模具參數(shù)、非金屬涂層和磁性覆蓋層的影響。
◆ 模子參數(shù)的影響 &nb

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橡膠模具結(jié)垢成因研究

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