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氟橡膠混合物
日期：2024-11-23 02:10
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摘要：
設(shè)計(jì)定製氟橡膠混合物 |
| 作者：Gary D.D 來源：RubberWorld |
| 定製混合物要求開發(fā)出來的材料的物理性能必須達(dá)到客戶和產(chǎn)品使用過程中所需要的標(biāo)準(zhǔn)。由於不同的物理性能之間存在競爭關(guān)係，該標(biāo)準(zhǔn)通常很難權(quán)衡，使得人們很難確定一個(gè)能滿足所有需求的優(yōu)化配方。此外，人們還經(jīng)常需要在很短時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)解決方案。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）是混配料師用來滿足客戶需求的一條途徑。利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)可以得到一個(gè)具有預(yù)見性的模型，這可以幫助混料工更好理解輸入的變量（例如：混合物的成分）將會(huì)如何影響輸出的量（例如：物理性能）。有時(shí)候我們也許會(huì)在設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)中引入數(shù)學(xué)技術(shù)，以此來加深我們對所觀察到的現(xiàn)象的理解。 人們發(fā)展了許多種類型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，值得強(qiáng)調(diào)的是，在攻克實(shí)驗(yàn)難關(guān)時(shí)，這些設(shè)計(jì)都有其各自的特點(diǎn)。它們擁有的一個(gè)共同的特征，就是需要實(shí)驗(yàn)者從容不迫地設(shè)計(jì)一個(gè)測試計(jì)劃，然後實(shí)施這個(gè)測試計(jì)劃，*後分析他們得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些測試計(jì)劃可能會(huì)非常複雜，在設(shè)計(jì)、實(shí)施和分析上要做許多的試驗(yàn)測量和花費(fèi)大量的工時(shí)。此外，如果在完成所設(shè)計(jì)的矩陣之前實(shí)驗(yàn)中止了，那麼，從這些數(shù)據(jù)中我們很可能得不到一個(gè)有用的模型。 混配料師可以利用其經(jīng)驗(yàn)來縮小實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的範(fàn)圍。比如說，當(dāng)客戶需要*大限度的壓縮形變和*小的伸長率時(shí)，混配料師可以利用其在混合物方麵知識，通過把輸入變量限定在少數(shù)幾種已知的可以影響交聯(lián)密度的組分中，來開發(fā)一個(gè)*優(yōu)的解決方案。這樣，我們就可以在有限的時(shí)間裡快速得到可以滿足多種物理性能需求的簡化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 一個(gè)可以被用來替代實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法是做一係列的實(shí)驗(yàn)，每次更換其中的一項(xiàng)因素而保持其它因素不變（簡稱為OFAAT）。這類替代實(shí)驗(yàn)雖然很可靠，但是卻常常會(huì)給出一些誤導(dǎo)人的結(jié)果，特彆是當(dāng)體係中存在相互作用時(shí)。但儘管如此，它們還是能夠幫助人們加深理解和篩選一些想法。 混配料師也可以使用一個(gè)“銀色子彈”（致命武器的代名詞）方法，利用以往的知識建立一套實(shí)驗(yàn)方法。雖然這樣的方法很省事、快捷，但是這種技巧隻能告訴我們某一種特定的混合物是否能滿足需求，並且隻能給實(shí)驗(yàn)者提供非常有限的指導(dǎo)。 實(shí)驗(yàn) 在每一個(gè)實(shí)例中，我們都通過進(jìn)行一個(gè)或者一係列設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)來判定是否可以設(shè)計(jì)出能滿足多種物理性能需求的優(yōu)化配方。在大多數(shù)情況下，我們都采用簡單的2x 2區(qū)組設(shè)計(jì)。 試驗(yàn)用的混合物是將商品化的成分放在6" x13"的實(shí)驗(yàn)室研缽中混合而得。被測樣品在實(shí)驗(yàn)室壓力（大氣壓）和177℃下硫化10分鐘，然後在表中所示的條件下進(jìn)行二次硫化。物理測試與下麵所示的測試過程相似： ASTM D-395-03，橡膠性質(zhì)—壓縮形變； ASTM D-412-98a，硫化橡膠和熱塑性彈性體 —張力； ASTM D-2084-01，用振動(dòng)圓盤硫化儀測量硫化作用； ASTM D-624-00，通用硫化橡膠和熱塑性彈性體撕裂強(qiáng)度； ASTM D-2240-05，橡膠性質(zhì)—硬度計(jì)硬度； ASTM D-6204-05，用無轉(zhuǎn)子剪切流變儀測量未硫化橡膠的流變性質(zhì)。 在每一個(gè)例子中，測試程序都根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)試，以滿足不同實(shí)驗(yàn)的需要。在大多數(shù)情況下，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都在一周之內(nèi)完成。 結(jié)果與討論 ◆ 案例1 在這個(gè)例子中，客戶要求得到一種硬度為85的“GF”混合物（ASTMD-2000分類），並且擁有良好的橡膠-金屬粘結(jié)性以及合適的撕裂強(qiáng)度。已知金屬氧化物會(huì)影響含氟彈性體混合物的橡膠-金屬粘結(jié)性，而炭黑則會(huì)影響其撕裂強(qiáng)度。在這裡我們設(shè)計(jì)了一個(gè)2x 2區(qū)組實(shí)驗(yàn)，用來論證這兩個(gè)因素-金屬氧化物和炭黑對材料性能的影響。 3號混合物展示出了*好的撕裂強(qiáng)度和綜合性能，我們從中取樣給客戶做產(chǎn)品評估?？蛻舯硎荆摶旌衔镌谒麄兊募庸み^程中展示出了良好的粘結(jié)性能。 ◆ 案例2 在這個(gè)例子中，客戶提供了一個(gè)配方以及一組需要實(shí)現(xiàn)的物理性能。在*初的測試中，該混合物並不能達(dá)到客戶所需要的物理性能標(biāo)準(zhǔn)。於是，我們利用他們的配方進(jìn)行了一項(xiàng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究二次硫化的時(shí)間和溫度對*終產(chǎn)品物理性能的影響。 該設(shè)計(jì)是一項(xiàng)有一個(gè)中心點(diǎn)的2 x2區(qū)組設(shè)計(jì)。這裡所選擇的時(shí)間（6和24小時(shí)）和溫度（177和232℃）包含了已報(bào)道過的類似氟橡膠混合物體係的二次硫化條件的範(fàn)圍。根據(jù)客戶的要求，我們增加了第6個(gè)點(diǎn)（在121℃二次硫化12小時(shí)）。該研究的首要目的是提高定伸強(qiáng)度（100％模量）值，而次要目的是為了達(dá)到上麵提到的物理性能要求。 由於該研究的目的是為了使模量*大化，我們用圖解法代替了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析。以下列出了一些大體傾向： ☆ 溫度的影響要大於時(shí)間的影響； ☆ 在所有的測試條件中，拉伸強(qiáng)度和伸長率都超出了目標(biāo)值； ☆ 伸長率隨著二次硫化溫度的增高而降低； ☆ 壓縮形變大於目標(biāo)值，並且我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，它的值不受二次硫化條件的影響； ☆ 在所有的被測樣品中，該混合物的模量都冇有達(dá)到目標(biāo)值； ☆ 模量似乎是隨著二次硫化溫度的提高而升高。 調(diào)整二次硫化條件並不能使混合物滿足客戶對其物理性能的要求。所以，很顯然，我們必須通過研究其它因素來滿足客戶對材料性能的要求。 ◆ 案例3 在該案例中，客戶要求得到一種具有一套特定物理性能的混合物，這些物理性能包括定伸強(qiáng)度（100％模量）和斷裂伸長率，客戶提出的目標(biāo)值對於氟橡膠來說顯得比較高。此外，客戶還對混合物的材料作了規(guī)定，必須至少含有60％的聚合物，即使組分限定為每100份橡膠*多能配成166.67份（pphr）混合物。客戶冇有對硫化條件做規(guī)定，我們在加壓硫化和二次硫化之後對樣品進(jìn)行測試，以期其性能達(dá)到客戶的需求。多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)被運(yùn)用到該案例中，以滿足客戶對產(chǎn)品的性能的需求。 該項(xiàng)目中的**個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)兩因素、兩水平析因的設(shè)計(jì)，其中的兩因素是指高聚物和硫化類型。 將三元共聚物氟橡膠（Viton-B橡膠）添加到配方中可以提高混合物的硬度計(jì)硬度和比重，而使得拉伸強(qiáng)度下降。替換硫化劑的類彆對產(chǎn)品物理性能的影響很小。所有的被測混合物的硬度計(jì)硬度都冇有達(dá)到目標(biāo)值，這使得我們不得不進(jìn)行另外的研究。 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)說明了改變聚合物和硫化類型對產(chǎn)品的物理性能並冇有多大改善，所以我們在原來的聚合物和硫化類型的基礎(chǔ)上，對填充劑進(jìn)行了調(diào)整，建立起一個(gè)“銀色子彈”試驗(yàn)，以期快速得到一個(gè)滿意的解決方案。兩種混合物的模量和伸長率都更接近於客戶的需求，然而這兩種混合物還是不能達(dá)到所有的物理性能標(biāo)準(zhǔn)。 由於還冇有得到滿意的解決方案，我們進(jìn)行了一項(xiàng)變換單因素（礦物填料）的篩選實(shí)驗(yàn)，以確定哪種礦物填料能夠**提升混合物的物理性能，使之滿足客戶的需求。用於氟橡膠混合物的常用礦物填料在相同裝填量的條件下作了對比，高比表麵積的二氧化矽在較低裝填量的條件下作對比。填料的研究結(jié)果總結(jié)於表5中。 有些填料會(huì)阻斷該混合物中交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，為了使混合物在177℃下10分鐘內(nèi)完成交聯(lián)，我們在其中另外添加了硫化劑。與預(yù)料的一樣，冇有一種混合物的性能達(dá)到所有的目標(biāo)值。不過該實(shí)驗(yàn)給我們展示了哪種填料會(huì)使產(chǎn)品的模量增加，而其又是如何影響產(chǎn)品的其它性能的。 我們通過一項(xiàng)三因素、兩水平析因設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步檢測填料對混合物性能的影響。這三個(gè)因素為：二氧化矽填料的表麵積，硫化劑的數(shù)量和對原生礦物填料的矽烷化處理，矽酸鈣。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、混合物的配方以及產(chǎn)品的物理性能測試結(jié)果列於表6中。雖然，在給定的硫化條件下，冇有一個(gè)混合物能滿足所有的物理性能需求，但是，我們?nèi)匀豢梢钥吹揭恍┓桨傅慕Y(jié)果很接近，並且可以從這些數(shù)據(jù)中定量出每一種輸入變量的影響?；旌衔顴7滿足了模量和拉伸強(qiáng)度的需求，並且展現(xiàn)了良好的伸長性能。 混合物F2是基於混合物E7的一種改良產(chǎn)品，它用另一種來源的高比表麵積二氧化矽代替了原來相應(yīng)的組分，並調(diào)整了矽酸鈣成分，使混合物滿足硬度計(jì)硬度的目標(biāo)值。除了斷裂伸長率，該混合物滿足了其它所有的物理性能要求?？蛻粢步邮芰嗽摶旌衔?，拿去進(jìn)行成型試驗(yàn)和產(chǎn)品評估。 ◆ 案例4 大多數(shù)氟橡膠聚合物在經(jīng)過共混後，其硬度計(jì)硬度將會(huì)在50以上。硬度目標(biāo)值為45的混合物配方中將含有很少量的填料，並且這些填料中大部分為硫化反應(yīng)所需要的酸受體。在氟橡膠混合物中常用的兩種酸受體為氫化鈣和高活性氧化鎂。我們進(jìn)行了一項(xiàng)兩因素、兩水平析因?qū)嶒?yàn)，以證明這兩種金屬氧化物對45硬度級氟橡膠混合物物理性能的影響。 混合物B在177℃下了反應(yīng)了10分鐘後還冇有完全硫化。在混合物D和E中，更高的填料含量使得混合物的硬度計(jì)硬度提高到45硬度級的目標(biāo)值範(fàn)圍（45±5）以上。其它剩下的混合物的數(shù)據(jù)可以被用來滿足對45硬度級氟橡膠混合物的特殊需求。 總結(jié) 混配料師可以用多種實(shí)驗(yàn)手段來優(yōu)化其混合配方，以滿足客戶的需求。一些簡單的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以鑒定出那些滿足條件的混合配方，這些混合物配方實(shí)現(xiàn)了客戶需要的多種存在競爭關(guān)係的物理性能。實(shí)驗(yàn)案例描述了為客戶快速定製設(shè)計(jì)特定需求的氟橡膠混合物的可行性。 |