王义铭，刘宇鹏

（1.黑龙江省实验中学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学 化工与化学学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

橡胶的物理性能及耐老化性能严重影响橡胶制品的质量和寿命，其物理性能又受硫化工艺的影响。国内外研究机构对轮胎硫化工艺进行了大量的研究[1-4]，试图了解硫化程度对轮胎各项物理性能的影响，研究不同硫化程度下橡胶材料的物理性能变化规律。大部分研究都通过硫化机来控制硫化温度和硫化压力，然而由于硫化机制造精度和成本控制等原因，其温度的均匀性（尤其是对于厚橡胶制品）很难控制，而硫化机液压系统的压力有一部分施加在模具上。这两个因素导致硫化温度和硫化压力对橡胶物理性能的影响仅停留在定性分析上。而橡胶制品的硫化温度和硫化压力通常根据工厂的动力站及硫化机提供的合模力确定，缺乏从橡胶材料角度准确考察硫化温度和硫化压力对橡胶物理性能的影响。

本工作首先根据活塞原理设计变温变压硫化装置，通过改进现有平板硫化模具，并引入压力和温度监测系统，实现对橡胶硫化过程中温度压力的实时监测，为准确分析硫化温度和硫化压力对橡胶的各项物理性能的影响规律提供有效平台。

1 变温变压试验

1.1 变温变压模具设计

变温变压模具结构如图1所示。该模具分为三部分，成型机头中上模座为直径270 mm、高20 mm的圆柱体，上模板为直径200 mm、高60 mm的圆柱体；模腔套筒为内径200 mm、厚35 mm、高55 mm的空腔圆柱体；下模板为直径200 mm、高10 mm的圆柱体，底座为直径220 mm、高10 mm的圆柱体。该模具在上模板以及模腔上设计有把手，方便操作与开模，上下模板均为圆形，最大程度地减轻了模具的质量。加工后的模具实物如图2所示。

图1 模具结构示意

图2 模具实物

1.2 温度/压力采集装置

使用温度/压力变送器探头（如图3所示）穿过模腔直接与橡胶接触，能够真实地反映模腔内部温度与侧边压力。温度/压力变送器探头由日本西门子公司生产，温度、压力感应灵敏。该探头通过传感器与模腔相连，传感器的头部为M14的螺纹，因此需要在模腔上加工一个M14螺纹孔。螺纹孔结构如图4所示。

图3 温度/压力变送器及探头

图4 M14螺纹孔结构示意

利用平板硫化机进行硫化试验，利用外加模板与硫化机组合实现了模具的抽送式拉取，使用自行设计的模具作为硫化模具，方便混炼胶放入和硫化胶取出。在模腔上设计了M14的螺纹孔通过温度/压力变送器与熔体温度/压力测量装置连接，将模腔内部胶料的实际温度与侧边压力传输到熔体温度/压力测量装置中，并通过与电脑连接直接将数据存储到电脑中。将平板硫化机、温度/压力测试装置、模具和电脑组装到一起，组成变温变压测量装置，结构如图5所示。

图5 变温变压测量装置

2 变温变压硫化试验

2.1 条件

在不同的初始硫化温度（140，143，145，148，150，153，155和157 ℃）下对天然橡胶胶料进行硫化（硫化压力为1 MPa）直至正硫化状态。为了探究压力对硫化胶性能的影响，固定硫化反应的温度为150 ℃，硫化至正硫化状态后，以初始硫化压力分别为1，3，5和7 MPa进行硫化。

2.2 结果与分析

2.2.1 硫化温度对天然橡胶胶料物理性能的影响

图6示出了胶料硬度和弹性模量随硫化温度的变化情况。

图6 硫化温度对胶料硬度和弹性模量的影响

测量胶料硬度是监测橡胶和橡胶制品质量的最普遍方法[5]。从图6可以看出：当硫化温度低于148 ℃时，硬度随着硫化温度的升高而增加；在硫化温度较高（＞148 ℃）时，硬度随着硫化温度的升高而显著减小。这意味着硫化温度对天然橡胶胶料的硬度影响较为明显，应该予以关注。

从图6还可以看出，弹性模量随着硫化温度的升高先增加后减小，最大值出现在硫化温度为148℃时。这一现象表明当硫化温度较低（＜148℃）时，交联密度较低，交联键类型以多硫键为主；而随着硫化温度的升高，多硫键减少，单硫键及双硫键增多，交联密度提高。而当硫化温度高于148℃时，交联键进一步环化，进而使有效交联密度降低。

2.2.2 硫化压力对天然橡胶胶料物理性能的影响

图7示出了胶料硬度和弹性模量随硫化压力的变化情况。从图7可以看出：硬度和弹性模量随着硫化压力的增大而增加。这意味着硫化压力对天然橡胶的致密度有重要影响，进而提高了天然橡胶的交联密度。

图7 硫化压力对胶料硬度和弹性模量的影响

3 结论

本研究提出一种易开模模具的制作方法，并设计了开模模具，较好地解决了硫化完成后开模困难的问题，实现了单人操作模具；同时设计一套熔体温度/压力检测装置，可实时监控模腔内部的温度和侧边压力，了解模腔内部胶料的实际温度。通过组合平板硫化机、模具以及熔体测温装置制成一套易操作的变温变压测量装置，利用该装置硫化胶料试样，对比了不同硫化温度和硫化压力对硫化胶物理性能的影响规律，发现硬度和弹性模量随硫化温度的升高均表现出先升高后下降的趋势；且随着压力的增大，胶料的硬度和弹性模量均呈增高趋势。