橡胶制品的成形技术

11.2　橡胶制品的成形技术

橡胶制品的生产主要包括混炼、成形、硫化等加工过程。橡胶的混炼是指将各种配合剂混入并均匀分散在橡胶中的过程，其基本任务是生产出符合品质要求的混炼胶。混炼好的胶可用来成形，即在压延机上压延得到板材、片材，挤出机上挤出棒材、管材及各种型材，在织物上贴胶而得到胶布、管带等。这些成品还要经过加热、加压、硫化。橡胶硫化的目的在于使橡胶具有足够的强度、耐久性，以及抗剪切和其他变形能力，减少橡胶的可塑性。本节简要介绍橡胶制品常用的成形方法。

11.2.1　橡胶制品的成形性能

1.流变性能

胶料的黏度随剪切速率而降低的特性称为流变性。流变性对橡胶的加工过程有十分重要的意义。在炼胶、压延、压出、注射成形中，由于剪切速率高，因而胶料的黏度低，流动性好。当流动停止时，则黏度变得很大，使半成品有良好的挺性，不易变形。

橡胶的流变性与许多因素有关。随着分子量增高，分子量分布增宽，其流变性也增强。

胶料的品种不同，即链结构及化学组成不同，黏度随剪切速率下降的速度也不同。一般天然橡胶的黏度随剪切速率的增加而下降得最快，而丁苯橡胶比较慢。但在实际加工条件下，一般柔顺性高的胶料，黏度对剪切速率的敏感性强，即流变性强。

胶料的流变性能还与加工条件（如温度、速率、压力等）有关。

2.流动性

橡胶在一定温度、压力的作用下，能够充满模腔各个部分的性能称为橡胶的流动性。橡胶流动性的好坏，在很大程度上影响着成形过程的许多参数，如成形时的温度、压力、模具浇注系统的尺寸及其结构参数。

橡胶生产中常用黏度和可塑度来表示胶料的流动性。门尼黏度值越小，可塑性越高，胶料的流动性越好。

影响胶料和生胶流动性的因素是高聚物高分子链的结构、温度、剪切速率及剪切应力和配合剂。

3.硫化性能

橡胶的硫化是指将生胶和硫黄或硫化剂共同加热，在加热和硫黄或硫化剂的作用下产生化学反应，使线型（包括轻度支链型）的橡胶大分子变成具有网状（交联）结构的分子。其示意图如图11－24所示，从而使塑弹性的生胶变成具有高弹性的硫化胶，其目的在于改善橡胶制品的物理力学性能。

图11－24　硫化时橡胶分子结构示意图

图11－25　硫化历程图

在硫化过程中，橡胶的各种性能都随时间增加而发生变化，若将橡胶的某一项性能的变化与对应的硫化时间作图，则可得到一个曲线图形，从这种曲线图形可显示出胶料的硫化历程，如图11－25所示。

工业上从硫化过程控制的角度考虑将硫化曲线分成四个阶段，即焦烧（又称硫化诱导）阶段、热硫化（又称预硫化）阶段、平坦硫化（又称正硫化）阶段和过硫化阶段，它反映出随硫化进行过程中橡胶各项物理力学性能变化的情况。

（1）正硫化点　橡胶在硫化过程中，成品的物理力学性能达到最佳点时称为正硫化点。

硫化平坦线　从正硫化点开始成平坦前进的曲线部分，称为硫化平坦线，硫化平坦线越长对制品越有利。硫化平坦线的平坦性与生胶种类、硫黄用量、促进剂品种及其用量有关。

（2）早期硫化　生胶加工过程中，尚未进入硫化工序前，在辊炼或化胶打浆过程中，由于硫化剂、促进剂的用量、品种选择不当，操作温度过高，操作时间过长，均可能导致提前硫化和交联，影响工艺操作进行，严重时胶料老化而报废的现象称为早期硫化。

（3）过硫　橡胶硫化时，超过正硫化点后，若继续硫化，制品物理力学性能会逐步下降，称为过硫。

一般只有处于正硫化状态时，橡胶的各种物理力学性能才出现最佳值，而处于正硫化前期（欠硫）或后期（过硫），橡胶的物理力学性能均较差。所以，必须正确地把握硫化的时机。

胶料硫化性能的优劣主要体现在焦烧安全性、快速硫化、高交联率及存放稳定性方面。测定胶料的硫化性能可用多种仪器，如流变仪等。焦烧时间和硫化速率指标也可在各种黏度计上测定。掌握了胶料的硫化特性就可在给定的硫化条件下确定硫化制品的极限厚度和允许的温度降。

4.热物理性能

热物理性能也是橡胶成形时的主要行为特征之一。它的优劣将直接影响制品的品质。影响热物理性能的因素有热导率λ、热扩散率a及体积热容Cp。它们之间的关系为

温度对硫化胶和混炼胶的导热性影响不大，影响导热性的主要因素是填充剂的含量及其种类。橡胶的导热性取决于填充剂的体积含量。对填充炭黑的胶料来说，它的导热性取决于炭黑的含量。

11.2.2　橡胶制品的成形技术方法

1.橡胶注射成形技术

橡胶制品的注射成形技术是将胶料加热塑化成黏流态（或称熔融态），施以高压注射进模具，在模具中热压硫化，然后从模具中取出成形好的制品。注射是在模压法和移压法生产基础上发展起来的一种较新的技术。目前，主要用于模型橡胶制品（如密封圈、带金属骨架模制品、减振垫和鞋类等），也有试用于注射轮胎制品的。

1）注射成形工艺过程

用注射法生产橡胶制品，一般要经过预热、塑化、注射、硫化、出模等几个过程。

（1）塑化过程　带状和粒状胶料进入机筒加料口，随着螺杆旋转推动向前输送，并受到混合、搅拌作用。由于螺杆机筒对物料的剪切生热及机筒外部加热，使得胶料逐渐升温成为黏流态。

（2）注射　胶料经过塑化，堆积在机筒前端，已具有一定的流动性，当螺杆向前推进时，强大的压力将胶料经喷嘴、流胶道、浇口注入闭合的热模中。

（3）热压硫化　模腔中注满胶料后，经过一段时间的保压，注射机螺杆再后退，在锁模力作用下，模内胶料由于浇口封闭继续保持所需的硫化压力进行硫化，这个过程称为热压硫化过程。

（4）脱模　硫化到达预定的时间，模型开启，橡胶制品由脱模装置顶出。脱模后，模具又闭合，进行下一制品的生产循环。

2）橡胶制品注射成形技术条件

注射成形技术条件比较复杂，受很多因素所影响，而有些因素是互相制约的，影响注射成形技术因素主要有螺杆转速、注射压力、温度、胶料等。因此，必须依据这些因素的影响作用来确定注射技术条件。

（1）螺杆转速　胶料塑化时，螺杆的转速对注射温度、硫化时间和塑化能力都有影响。实验表明，随着螺杆转速提高，机筒内的胶料受到剪切、塑化、均化的效果提高，因而可获得较高的注射温度，缩短注射时间和硫化时间。但转速过高，使螺杆表面的橡胶分子链发生取向，产生“包辊现象”，结果使一部分胶料随着螺杆而旋转，不能产生剪切作用。因此一般认为，螺杆转速以不超过100r/min为宜。国内经验值在30～50r/min，螺杆直径大的转速宜低些，黏度高的胶料，转速也应低些。

（2）注射速度　注射速度与注射压力、喷嘴直径及胶料性质有关。当注射速度增加，注射温度和硫化速度随之增加，由于注射温度增加，缩短了注射时间，提高了生产效率。

但注射速度过高，由于摩擦产生热量大，易焦烧，制品表面产生皱纹或缺胶。

（3）注射压力　注射压力对胶料填充模具有决定性的作用。其值大小取决于胶料的性质、注射机类型、模具结构及其他技术条件。一般提高注射压力可以增加胶料的流动性，缩短注射时间，提高胶料温度。因此，原则上注射压力在许可的压力范围内选择较高值。

（4）温度　适当高温是保证胶料顺利注射和快速硫化的必要条件，因此，必须对注射成形过程的物料温度进行严格控制。主要应控制机筒温度、注射温度及模具温度。

①机筒温度　机筒温度不仅影响着橡胶的塑化过程，而且对其他技术条件和硫化胶某些性能（如硬度等）均有影响，在一定范围内，如果提高机筒温度可以提高注射温度，缩短注射时间和硫化时间。通常，应在焦烧安全许可的前提下尽量提高一些机筒温度。

②注射温度　注射温度即胶料通过喷嘴之后的温度，其控制原则是在焦烧安全许可的前提下尽可能接近模腔温度。若温度过高，容易产生焦烧；若温度过低，则造成硫化时间延长。

③模具温度　模具的温度根据胶料硫化的条件来确定。从提高生产率的角度，模温应尽可能采用充模时不会焦烧的最高温度，以免因模温过低，延长硫化时间，降低产量。一般模温的选择应比焦烧时的温度低3～5℃。

（5）硫化条件　硫化条件通常是指硫化压力、温度和时间。这些因素对胶料的硫化效果有非常重要的影响。当硫化压力（注射压力）、硫化温度（模具温度）确定后，则主要应考虑硫化时间。

硫化时间是完成硫化反应过程的条件，它是由胶料配方、硫化温度来决定的。对于给定的胶料，在一定的硫化温度和压力条件下，有一最适宜的硫化时间，时间过长产生过硫，时间过短产生欠硫，过硫和欠硫都使制品性能下降。

用注射法可使模内外层胶料的温度在入模时达到均匀一致，但对于厚制品而言，在模内硫化阶段，内外层胶料仍会存在一定的温差。因此，其硫化时间要适当延长。

（6）胶料　一般情况下，可用测定门尼黏度和焦烧时间来预估胶料是否适合于注射。如果门尼黏度≤65min，而焦烧时间在10～20min之间，通常认为这种胶料适合于注射。

门尼黏度高，注射温度可较高，但需注射时间长，易于焦烧。门尼黏度低的胶料易于充模，注射时间短，但需要较长的硫化时间，故以≥40min为好。目前，可采用测定胶料注射能力的办法来判断是否适合注射。所谓胶料注射能力是指胶料在一定条件下注入螺旋注射模中的充模长度。充模长度越长，胶料的注射能力越强，反之越差。

2.橡胶制品的压延成形

压延是橡胶加工中重要的基本过程之一。压延是利用压延机辊筒之间的挤压力作用，使物料发生塑性流动变形，最终制成具有一定断面尺寸规格和几何形状的片状聚合物；或者将聚合物材料覆盖并附着于纺织物和纸张等基材的表面，制成具有一定断面厚度和一定断面几何形状的复合材料。通过压延过程可制造胶片，如胶料的压片、压型和胶片的贴合；胶布的压延，如纺织物的贴胶、擦胶和压力贴胶等。

压延是一个连续生产过程。压延成形速度快，生产效率高，产品断面厚度尺寸精确，橡胶的压延速度一般在30～50m/min，胶布的压延速度可≥100m/min。对压延制品的品质要求是表面光滑、花纹清晰；内部密实；断面几何形状准确，厚度尺寸精确。

1）胶片压延

胶片的压延是利用压延机将胶料制成具有规定断面厚度和宽度的表面光滑的胶片，如胶管、胶带的内外层胶和中间层胶片、轮胎的缓冲层胶片等；当压延胶片的断面较大，一次压延难以保证品质时，可以分别压延制成两层以上的较薄的胶片；然后再用压延机贴合在一起，制成规定厚度要求的胶片；或者将两种不同配方胶料的胶片贴合在一起，制成符合要求的胶片；还可将胶料制成一定断面尺寸规格，表面带有一定花纹的胶片。因此，胶片的压延包括压片、胶片贴合和压型。

（1）压片　压片方法依设备不同分为三辊压延机和四辊压延机两种。其加工方法如图11－26所示。图11－26（a）、（b）所示为三辊压延机压延胶片，图11－26（c）所示为四辊压延机压延胶片。三辊压延机压片又分为两种情况，图11－26（a）表示中，下辊无积胶压延法，图11－26（b）所示为中下辊有积胶压延法。有适量的积存胶可使胶片表面光滑，减少内部的气泡，提高密实程度，但同时也会增大压延效应，因此，有积胶法适用于丁苯橡胶，无积胶法适用天然橡胶。

图11－26　压片过程示意图

1—胶料；2—胶片；3—积存胶

采用四辊压延机压片时，胶片的收缩率比三辊压延机压延小，断面厚度的精度较高，但压延效应较大，这应加以注意。当胶片的断面厚度要求精确度高时采用四辊压延机压片，其胶片的厚度范围在0.04～1.00mm。若胶片厚度为2～3mm时，采用三辊压延机压延比较理想。影响压片品质的因素有辊温、压延速度、生胶种类、胶料的可塑度与配方的含胶率等。

①辊温　辊温高，胶料的黏度低，压延时的流动性好，半成品收缩率低，表面光滑。但辊温过高时，又容易产生气泡和焦烧现象。辊温过低会降低胶料的流动性，使半成品表面粗糙，收缩率增大。因此，辊温必须根据生胶品种，可塑度大小及配方含胶量确定。胶料的可塑度低或弹性较大、配方含胶率高时，辊温应适当提高；反之则低。此外，还应保持各辊筒之间适当的温差，保证压延过程顺利进行。一般辊筒温差范围为5～10℃。

②压延速度　压延速度快，生产效率高，压缩收缩率也大。因此，压延速度应考虑胶料的可塑度及配方含胶率。可塑度大，含胶率较低的胶料压延时，辊速可适当加快；反之，应适当减慢。

③胶料的可塑度　胶料的可塑度大，流动性好，半成品的表面光滑，压延收缩率也低。但可塑度过大时，容易产生粘辊现象。

④配方的含胶率　配方含胶率高，胶料的弹性也大，压延收缩率大，表面不光滑。

⑤生胶品种　不同品种生胶的胶料的压片特性差别较大。天然橡胶胶料比较容易压延，胶片表面光滑，收缩率较小，气泡少，断面厚度比较容易控制。与天然橡胶比较，合成橡胶压延成形要困难一些，不同的合成橡胶品种之间又存在较大的差异。

（2）贴合　胶片贴合是利用压延机将两层以上的同种胶片或异种胶片贴在一起，结合成为厚度较大的一个整体胶片的压延过程。贴合适用于胶片厚度较大，品质要求高的胶片压延；配方含胶率高，除气困难的胶片压延；两种以上不同配方胶片之间的复合胶片的压延；夹胶布制造以及气密性要求严的中空橡胶制品制造等。

胶片贴合的压延技术有两辊压延机贴合、三辊压延机贴合、四辊压延机贴合等方法。选择压延过程时，应根据各种方法的特点、适用范围及制品品质要求合理选用。

（3）压型　压型过程可以采用两辊压延机、三辊压延机和四辊压延机压型。但不管采用哪种压延机，都必须有一个带花纹的辊筒，且花纹辊可以随时更换，以变更胶片的品种和规格。压型压延过程如图11－27所示。

图11－27　胶片压型过程示意图

胶料的压型与压片过程基本相同，为保证压延品质，胶料的配方含胶率不宜过高，应添加较多的填料和适量的增塑剂。加入硫化油膏和再生胶可增大胶料的塑性流动性和半成品挺性，减少收缩变形率，防止花纹塌扁。胶料的收缩变形一般应控制在10%～30%以内。对压型胶料的塑炼、混炼、停放，返回胶的掺用比例，包卷次数，以及热炼温度等条件均应保持恒定。压延过程应采用提高辊温、减慢辊速或急速冷却等措施。

2）纺织物挂胶

纺织物挂胶是指利用压延机将胶料覆盖于纺织物表面，并渗入织物缝隙的内部，使胶料和纺织物紧密结合在一起成为胶布的过程，故又称胶布压延过程。

纺织物挂胶的压延方法主要有三种:一般贴胶压延、压力贴胶压延和擦胶压延。

（1）一般贴胶　纺织物一般贴胶是使纺织物和胶片通过压延机等速回转的两个辊筒之间，在辊筒的挤压力作用下贴合在一起，制成胶布的挂胶方法。通常采用三辊压延机和四辊压延机进行挂胶。

一般贴胶压延法的优点是压延速度快，生产效率高，对纺织物的损伤小；胶布的附胶量较大，耐疲劳性能较好，但胶料对纺织物的渗透能力差，附着力较低，胶布断面中易产生气泡。因此，主要用于浸胶处理后的帆布挂胶。

（2）压力贴胶　压力贴胶通常采用三辊压延机，其方法与贴胶技术基本相同，唯一的差别是在纺织物引入压延机的辊隙处留有适量的积存胶料，借以增加胶料对织物的挤压和渗透，从而提高胶料对布料的附着力。

实际生产上常将压力贴胶法与一般贴胶法结合使用，如对帘布的一面进行贴胶，而另一边压力贴胶。

（3）擦胶　擦胶是指在压延时利用辊筒之间速比的作用将胶料挤擦进入纺织物缝隙中的挂胶方法。该法提高了胶料对纺织物的渗透力与结合强度，适于纺织物结构比较紧密的帆布挂胶。但容易损伤纺织物，不适于帘布挂胶。主要用于白坯帆布的压延挂胶。

3.橡胶制品的挤出成形技术

挤出成形是使高弹性的橡胶在挤出机机筒及螺杆的相互作用下，受到剪切、混合和挤压，在此过程中，物料在外加热及内摩擦剪切作用下熔融成为黏流态，并在一定的压力和温度下连续均匀地通过机头口模成形出各类断面形状和一定尺寸的制品。

在橡胶加工中，它可以用来成形轮胎胎面胶条，内胎，胎筒，纯胶管，胶管内、外层胶，以及电线、电缆等半成品，也可用于胶料的过滤、造粒、生胶的塑炼等。

挤出过程的主要设备是挤出机，用于橡胶成形的挤出机称为橡胶挤出机，其结构与塑料挤出机基本相同，但结构参数有较大的差别。

1）热喂料挤出过程

热喂料挤出过程一般包括胶料热炼、挤出冷却等工序。

（1）胶料热炼和供胶　胶料经混炼冷却停放后，必须进行热炼再进入挤出机加料口，热炼使混炼胶均匀性和热塑性进一步提高，易于挤出，并获得规格准确表面光滑的制品。热炼可分为两次进行:第一次为粗炼，辊温为45℃左右，辊距1～2mm，提高胶料的均匀性；第二次为细炼，辊温为60～70℃，辊距5～6mm，增加胶料的热塑性。

热炼之后，可以从开炼机上割取胶条，通过运输皮带连续进入挤出机，也可将胶条切成一定长度由加料口加入。在供胶或喂料时应连续而且均匀，经细炼后的胶料在供胶前不宜停放过长，以免影响热塑性。

（2）挤出成形技术条件　挤出成形过程中主要技术条件包括以下几方面。

①胶料的可塑性　胶料的可塑性用可塑度（是指胶料受外力作用而变形，当外力去除后不能恢复原本形状的能力）表示，通常供挤出用胶料的可塑度为0.25～0.4（冷喂料挤出为0.3～0.5）。胶料可塑度过小，则流动性不好，难以挤出，挤出后半成品表面粗糙、膨胀大，但可塑度太大时，又会使半成品太软，缺乏挺性，容易塌陷或变形。胶料可塑度适当时，挤出过程摩擦小，生热低、不易焦烧、流动性好、挤出速度较快，且表面光滑。

②挤出温度　挤出机各段温度直接影响挤出过程的正常进行和制品的品质。挤出机一般以口模处温度最高，机头次之，机筒最低。采用这种温度控制方法，有利于机筒进料，可获得表面光滑、尺寸稳定和收缩较小的挤出物。几种橡胶的挤出温度如表11－6所示。

表11－6　几种橡胶的挤出温度　（单位:℃）

③挤出速度　挤出速度通常是以单位时间内挤出物料的体积或质量来表示，对一些固定产品，也可用单位时间挤出长度来表示。

挤出机塑化性能好，胶料温升在过程范围的情况下，可用较高的速度挤出。同一挤出机，当挤出胶料中生胶含量低或挤出性能较好时，挤出速度可选取较高的范围；反之，取较低速范围。如丁苯、丁腈和丁基橡胶膨胀收缩大于天然橡胶和氯丁橡胶，挤出较困难，故挤出速度较慢。

同时，还应保证挤出速度稳定，以免引起制品断面尺寸和长度收缩变化过大，超出预定的公差范围而难以控制制品品质。

④挤出物的冷却　挤出物离开口模时，温度较高，必须冷却，其目的是:防止半成品存放时产生自硫；使胶料恢复一定的挺性，防止变形。

冷却方式有喷淋和水槽冷却两种，对较厚或厚度相差较大的挤出物，不宜骤冷，以免冷却程度不一而导致变形。一般常用40℃左右的温水冷却，然后再进一步降至20～30℃。

挤出大型的半成品（如胎面），一般须先经预缩处理后才进入冷却槽，预缩的方法是使半成品经过一组倾斜的导辊或一组由大到小的圆辊，使其沿长度方向进行预缩。

2）冷喂料挤出过程

冷喂料挤出，其主机采用冷喂料挤出机，因此它具有节省热炼设备，易于实现机械化、自动化生产等特点，而且由于主机强化了螺杆结构的剪切和塑化作用，使胶料获得均匀的温度和可塑度。改善了挤出制品的品质，减小了表面粗糙度，压出的半成品具有较稳定一致的尺寸规格。

目前，冷喂料挤出已广泛应用于天然橡胶及各种合成橡胶的挤出，它在电线、电缆、胶管等小型制品挤出方面逐渐取代了热喂料挤出机热炼设备。

冷喂料挤出过程与热喂料有所不同，加热前应先将各部位的温度调节到规定值。各部位常用温度范围为:螺杆＜35℃；加料段35～50℃；塑化段40～60℃；挤出段50～70℃；机头和口模80～100℃。待温度稳定后，即以低速开启电机，然后加料。和热喂料一样在冷喂料挤出过程中也要注意控制物料的可塑性、温度、挤出速度等技术因素。