第2章橡胶的硫化
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橡胶硫化橡胶硫化原理橡胶受热变软,遇冷变硬、发脆,不易成型,容易磨损,易溶于汽油等有机溶剂,分子内具有双键,易起加成反应,容易老化。
为改善橡胶制品的性能,生产上要对生橡胶进行一系列加工过程,在一定条件下,使胶料中的生胶与硫化剂发生化学反应,使其由线型结构的大分子交联成为立体网状结构的大分子,使从而使胶料具备高强度、高弹性、高耐磨、抗腐蚀等等优良性能。
这个过程称为橡胶硫化。
一般将硫化过程分为四个阶段,诱导-预硫-正硫化-过硫。
为实现这一反应,必须外加能量使之达到一定的硫化温度,然后让橡胶保温在该硫化温度范围内完成全部硫化反应。
橡胶硫化的来历硫化是胶料通过生胶分子间交联,形成三维网络结构,制备硫化胶的基本过程。
不同的硫化体系适用于不同的生胶。
以橡胶(生胶)为主体,加以多种辅助材料而成的合成体、(辅助材料有几大体系、填充补强、硫化、防护、增塑、特殊物质加入剂、)而硫化是包覆绝缘层或护套层以后的一种处理方法、其目的就是让辅助体系里的硫化体系发生作用,使橡胶永久交联、增加弹性、减少塑性。
硫化的名词是因最早时间是用硫磺使橡胶交联的故称硫化,沿用至今.橡胶硫化体系不饱和橡胶通常使用如下几类硫化体系。
以硫黄,有机二硫化物及多硫化物、噻唑类、二苯胍类,氧化锌及硬脂酸为主的硫化剂。
这是最通用的硫化体系。
但所制得的硫化胶的耐热氧老化性能不高。
烷基酚醛树脂。
多卤化物(如用于聚丁二烯橡胶、丁苯橡胶及丁腈橡胶的六氯乙烷)、六氯-对二甲苯。
双官能试剂[如醌类、二胺类、偶氮及苯基偶氮衍生物(用于丁基橡胶及乙丙橡胶)等]。
双马来酰亚胺,双丙烯酸酯。
两价金属的丙烯酸酯(甲基丙烯酸酯)、预聚醚丙烯酸酯。
用于硫化饱和橡胶的有机过氧化物。
饱和橡胶硫化不同种类的饱和橡胶时,可使用不同的硫化体系。
硫化三元乙丙橡胶时,使用有机过氧化物与不饱和交联试剂,如三烯丙基异氰脲酸酯(硫化剂TAIC)。
硫化硅橡胶时也可使用有机过氧化物。
乙烯基硅橡胶硫化时可在催化剂(Pt)参与条件下进行。
橡胶的硫化反应历程硫化历程是橡胶大分子链发生化学交联反应的过程包括橡胶分子与硫化剂及其他配合剂(主要是活性剂、促进剂)之间发生的一系列化学反应以及在形成网状结构时伴随发生的各种副反应。
硫化仪无转子硫化仪的结构示意图硫化曲线分成四个阶段,即1)焦烧阶段:热硫化开始前的延迟时间2)热硫化阶段:硫化反应的交联阶段,其斜率代表反应速度3)平坦硫化阶段:交联反应基本结束,熟化阶段(短化、重排、裂解),性能最佳4)过硫化阶段:胶料硫化在此阶段,可能出现三种形式1、焦烧期(ab段)焦烧期(诱导期):从胶料放入模具至出现轻微硫化的整个过程所需要的时间叫硫化诱导期,又称为焦烧时间。
焦烧(scorch):加有硫化剂的混炼胶在加工或停放过程中产生的早期硫化现象。
焦烧现象本质是硫化,胶料局部交联。
胶料焦烧后,流动性明显变差,甚至不能流动,后续加工工序无法正常进行。
诱导期反应了胶料的加工安全性。
诱导期短,加工安全性差;诱导期太长,会降低生产效率。
表征参数ts1——焦烧时间(scorchtime),从开始加热起,至胶料的转矩由最低值上升0.1N.m所需要的时间。
tc10——焦烧时间,从开始加热起,至胶料的转矩由最低值上升10个单位所需要的时间。
焦烧时间又分为操作焦烧时间:胶料在加工或停放过程中由于热积累效应所消耗的焦烧时间;剩余焦烧时间:胶料在模具内保持流动的时间。
操作焦烧时间长,剩余焦烧时间就短2、热硫化期(BC段)由焦烧点到工艺正硫化点(C点)所经历的阶段,即硫化反应过程的交联反应期。
曲线快速上升。
热硫化期特性参数:tc90——工艺正硫化时间,从开始加热起,至胶料的转矩由最低值上升90个单位所需要的时间。
斜率k——反映胶料硫化速度快慢,斜率越大,硫化速度越快CRI——加硫指数【CRI=100/(tc90—ts1)】,min-1,反映胶料硫化速度快慢,CRI值大,硫化速度快。
3、平坦硫化期(cd段)曲线保持水平所经历的时间长短,反映胶料在硫化过程中性能稳定性的高低。
橡胶硫化原理
橡胶硫化是一种将天然橡胶或合成橡胶转化为具有较好弹性和耐磨性的过程。
它的原理是通过将硫元素添加到橡胶分子链中,从而形成交叉链结构。
硫化剂通常是硫或含有硫的化合物,如硫醇、硫含量较高的化合物和多硫化物。
在硫化过程中,硫与橡胶中的双键发生反应,使橡胶链之间形成交联。
这种交联结构能够增强橡胶的强度、耐磨性和耐老化性。
硫化反应需要在适当的温度和压力下进行。
通常,使用硫化机或硫化炉将橡胶制品置于高温和压力下进行硫化。
在硫化过程中,硫与橡胶中的双键发生加成反应,形成硫醇中间体,然后再与其他硫醇或橡胶分子链发生反应,形成交链结构。
交联结构的形成使橡胶变得坚固耐用。
交联结构可以限制橡胶分子链的自由运动,从而提高橡胶的强度和弹性。
另外,交联还能够使橡胶对温度、化学品和老化等外界环境的变化具有更好的耐性。
橡胶硫化是橡胶工业中一项重要的工艺,它使橡胶制品具有更广泛的应用。
硫化过程中的交联结构为橡胶制品提供了优良的性能,使其能够在汽车、轮胎、皮革制品、密封件和电气绝缘材料等领域发挥重要作用。
橡胶的硫化硫磺作用1839年和 1843年固特异 (Cood year) 和汉考克 (Hancook) 先后发现,将天然橡胶与硫黄共热后,就会变成坚实有弹性的物质。
这一过程即是硫化。
硫黄聚为硫化剂。
从发现用硫黄硫化橡胶时,由于成本低廉,来源丰富,硫化橡胶质量较好,至今仍广泛地应用于橡胶工业。
它不仅用于天然橡胶,而且可用于二烯类合成橡胶( 丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、丁腈橡胶) 的硫化。
低不饱和度的丁基橡胶和某些硫化速度快的三元丙橡胶有时也可用硫黄硫化。
但是。
在生产上早已不是单独采用硫黄来硫化橡胶了。
有罪是单纯用黄硫化反应很慢,硫化时间硫黄用量多,且硫化胶结构复杂,性能不好。
但为便于比较和说明含有有机硫化会促进的硫化。
反应体系的性质,先讨论单用硫黄硫化的问题。
一、硫黄的性质和品种天然硫黄分子是由八个硫原子的环状结构,空间结构为冠型配位 ( 如图3-3) 。
它是淡黄色或黄色固体物质,不溶于水,易溶于二硫化碳 (CS2 ,室温下为菱形晶体,熔点为 113℃。
159℃时硫黄的八元环可以断裂,当受到橡胶大分子双键的极化作用时,其开环能量降低,140℃即可开环。
开环所生成的活泼双基硫黄( ·S8·) 能够与橡胶发生硫化反应。
橡胶工业常用的硫黄有如下品种1 、粉末硫黄由块状硫黄经粉碎筛选而得。
其细度在200 目以上,特殊情况也有 600目以上者。
2、沉淀硫黄硫黄与氢氧化钙共热生成多硫化钙,再加入稀硫酸使硫黄沉淀出来。
其粒径为 1~5 微米。
纯度高,在胶料中分散性好,但成本高,仅于用高级制品。
3、胶体硫黄( 高分散硫黄) 粉末硫黄或沉淀硫黄加入保护胶体( 分散剂 ) ,经球磨或胶体磨研磨而成,其粒径为 1~3 微米,适用于胶乳制品。
4、不溶性硫黄由粉末硫黄加热至沸点,倾于冷水中急冷而成。
它是透明的无定形弹性硫黄,不溶于二硫化碳。
使用这种硫黄不会喷硫,也不易产生早期硫化。
很适于高温短时间硫化。