第三章　高分子材料成型加工實驗

實驗一　塑料的擠出成型

一、實驗?zāi)康?/p>

了解雙螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，熟悉擠出成型原理；掌握擠出成型基本操作，加深對擠出理論的理解。

二、實驗原理

擠出成型是熱塑性塑料重要的成型方法之一。利用擠出成型的方法可以加工塑料制品，也可以對塑料進(jìn)行造粒和改性。擠出成型是連續(xù)性生產(chǎn)過程，由擠出機(jī)（主機(jī)）、機(jī)頭（口模）和輔機(jī)協(xié)同完成，加工的制品不同，機(jī)頭（口模）和輔機(jī)也不同。擠出機(jī)有單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)等，但擠出成型的原理是相似的。塑料的擠出成型是塑料在擠出機(jī)中，通過加熱的方法使塑料粒子在一定溫度和一定壓力下熔融塑化，成為黏流狀態(tài)，在加壓的情況下，通過具有一定形狀的口模而成為截面與口模形狀相仿的連續(xù)體，通過降溫，具有一定幾何形狀和尺寸的塑料由黏流態(tài)變?yōu)楦邚棏B(tài)，最后冷卻定型為玻璃態(tài)，得到所需要的制品。不論擠出造粒還是擠出制品，都要經(jīng)歷兩個階段。第一階段，固體狀的熱塑性樹脂原料在料筒中，借助料筒外部加熱和螺桿轉(zhuǎn)動的剪切擠壓作用而逐漸熔融，在螺桿轉(zhuǎn)動過程中融料進(jìn)一步均化，均化好的熔融物料在壓力的推動下，定量、定壓、定溫地被擠出口模。第一階段由主機(jī)和機(jī)頭完成，第二階段的切割、卷取等由輔機(jī)完成。

本實驗是利用同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)和切粒機(jī)進(jìn)行擠出造粒，對不同品種塑料或不同配方體系進(jìn)行擠出成型、造粒，以便對材料性能進(jìn)行后續(xù)研究。

三、實驗設(shè)備和原料

雙螺桿擠出機(jī)，如圖3-1所示；水冷切粒機(jī)組；烘箱。

聚丙烯、加工助劑以及各種功能性助劑。

圖3-1　雙螺桿擠出機(jī)

四、實驗步驟

1．首先閱讀安全注意事項。根據(jù)實驗要求，確定實驗原料，查閱擠出塑料的熔融指數(shù)，確定擠出溫度的范圍。用于擠出機(jī)生產(chǎn)的物料根據(jù)需要確定其干燥的要求；根據(jù)實驗要求確定塑料是否需要添加適當(dāng)加工助劑，或者是改性助劑，根據(jù)工藝采用高速混合機(jī)對原料進(jìn)行預(yù)處理。

2．根據(jù)產(chǎn)品的品種、尺寸，選好機(jī)頭規(guī)格，按順序?qū)C(jī)頭裝好：安裝機(jī)頭法蘭、模體、口模、多孔板以及過濾網(wǎng)。

3．檢查擠出機(jī)各個部分，確認(rèn)設(shè)備是否正常。

4．打開電源，在擠出機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)定需要的各加熱段溫度。

5．開動主機(jī)，首先以低速啟動開車、空轉(zhuǎn)（不能加塑料），檢查螺桿轉(zhuǎn)動有無異常，檢查電機(jī)電流表有無超負(fù)荷現(xiàn)象，壓力表是否正常。（注意開機(jī)空轉(zhuǎn)時間不宜過長，控制3分鐘以內(nèi)）

6．逐漸少量加料，待物料擠出口模時，方可大量投料，投料時注意進(jìn)料和電流指示。塑料熔體在擠出前，任何人不得站在機(jī)頭的正前方。

7．塑料熔體擠出后，將擠出物用手（帶手套）和鑷子慢慢牽引經(jīng)過冷卻水槽，引上造粒機(jī)（輔機(jī)），開動、調(diào)整造粒機(jī)到合適的速度進(jìn)行切粒操作，并收集造出的粒料。

8．調(diào)整各個部分，使擠出平穩(wěn)進(jìn)行，繼續(xù)加料，控制溫度、牽引速度等工藝條件，維持正常操作。

9．觀察擠出料的外觀質(zhì)量，記錄在擠出物均勻、光滑時各個加熱段的溫度、壓力等工藝條件，記錄運轉(zhuǎn)正常后一定時間內(nèi)的擠出量（對于不同的實驗配方，要記錄各個配方之間擠出量、工藝條件的差異）。

10．完成一個改性配方后，在更換物料以前，必須將前面的物料擠出完畢，才能更換物料，更換物料之前必須確定工藝條件。

11．停止加料，將擠出機(jī)內(nèi)的塑料全部擠出，關(guān)閉主機(jī)、輔機(jī)的電源。

12．趁熱消除機(jī)頭的殘留物料，整理各個部分。

13．關(guān)閉所有電源、水源等，清掃干凈現(xiàn)場。保存好實驗造出的粒料，待用。

五、注解

1．實驗前，檢查料斗中是否有異物，檢查設(shè)備是否正常，清理設(shè)備現(xiàn)場，嚴(yán)格防止金屬雜質(zhì)、小工具等落入進(jìn)料料斗中。在操作或者維修過程中切記工具不能隨便亂放。

2．塑料熔體在擠出前，任何人不得站在機(jī)頭的正前方，防止高壓熔體射出傷人。

3．清理設(shè)備和機(jī)頭時，切忌損壞螺桿和口模等處的光潔表面。

4．?dāng)D出過程中要密切注意工藝條件的變化，一旦穩(wěn)定后，不得隨意改動。如果發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象立即停車，進(jìn)行檢查排出毛病后再恢復(fù)實驗。

5．制品剛剛流出口模，溫度很高，防止?fàn)C傷。

6．?dāng)D出機(jī)組

一個完整的擠出過程是靠擠出機(jī)組來實現(xiàn)的，一般來說一個擠出機(jī)組包括下列幾部分。

（1）擠壓系統(tǒng)，主要由料筒和螺桿組成，料筒上還有加料裝置，料筒周圍還要設(shè)置加熱冷卻系統(tǒng)。塑料就是在這里得以塑化成均勻的熔體，熔體在塑化和輸送過程中建立一定的壓力，被螺桿帶動連續(xù)定壓、定量、定溫地擠出口模。加熱冷卻系統(tǒng)是通過對料筒或者螺桿進(jìn)行加熱和冷卻，保證成型過程在制品工藝要求的溫度范圍內(nèi)完成。

（2）傳動系統(tǒng)，由電動機(jī)、減速機(jī)和軸承等組成，給螺桿提供所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速。

（3）機(jī)頭（口模），是制品成型的主要部件，熔融塑料通過它獲得制品要求的幾何截面和尺寸。機(jī)頭要根據(jù)塑料的品種、制品的形狀和加熱方法以及擠出機(jī)的大小和類型而定。機(jī)頭（口模）結(jié)構(gòu)的好壞，對制品的產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大，其尺寸根據(jù)流變學(xué)和實踐經(jīng)驗而定。

（4）定型裝置，其作用是將從機(jī)頭中擠出的塑料以特定形狀穩(wěn)定下來，從而獲得更為精確的截面形狀、尺寸和光亮的表面。定型裝置通常采用冷卻和加壓的方法來完成。

（5）冷卻裝置，定型裝置出來的連續(xù)制品在此得到充分的冷卻，獲得最終的形狀和尺寸。

（6）牽引裝置，其作用為均勻地牽引制品，并對制品的截面尺寸進(jìn)行控制，使擠出過程連續(xù)、穩(wěn)定地進(jìn)行。

（7）其他輔助裝置，包括切割裝置、卷取裝置、造粒裝置，針對不同的制品而定。

（8）擠出機(jī)的控制系統(tǒng)，由各種電器、儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)自動化水平的高低，可控制擠出機(jī)的主機(jī)和輔機(jī)，檢測、控制主機(jī)的溫度、壓力和流量，控制輔機(jī)的牽引速度，最終實現(xiàn)對整個擠出機(jī)組的自動控制，達(dá)到控制制品質(zhì)量的目的。

六、實驗預(yù)習(xí)

1．列出擠出機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，報告實驗所用原料和助劑、操作工藝條件，計算單位時間的擠出量（千克/小時）。

2．對于功能性助劑改性的塑料粒子，記錄實驗配方，并對改性的塑料進(jìn)行相應(yīng)表征，如添加阻燃劑要表征改性前后阻燃性的區(qū)別。

3．討論實驗中擠出工藝參數(shù)對塑料制品性能的影響。

七、思考題

1．?dāng)D出機(jī)組中各個組成部分在制品生產(chǎn)中的作用是什么？

2．為什么要對高分子樹脂進(jìn)行造粒？

3．?dāng)D出機(jī)的哪些參數(shù)影響擠出機(jī)的擠出量，怎樣影響？

4．結(jié)合螺桿的“三段”論，分析塑料在塑化過程中的熔融情況。

實驗二　熱塑性塑料的注射成型

一、實驗?zāi)康?/p>

通過本實驗使學(xué)生了解螺桿式注射機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，掌握熱塑性塑料注射成型的操作過程，學(xué)會注射成型工藝條件設(shè)定的基本方法。

二、實驗原理

注射成型是塑料成型的重要方法，注射成型可以加工熱塑性塑料，也可以加工熱固性塑料。注射成型的最大特點是能一次成型外形復(fù)雜、尺寸精確或者帶有各種嵌件的塑料制件，對塑料加工的適應(yīng)性強(qiáng)（幾乎能加工所有熱塑性塑料和部分熱固性塑料），生產(chǎn)效率高，容易實現(xiàn)自動化，所成型的制件經(jīng)過很少修飾或者不修飾就可以滿足使用要求。注射機(jī)分類方法很多，按照塑料塑化方式和注射方式分為柱塞式注射機(jī)、螺桿式注射機(jī)、螺桿塑化柱塞注射式注射機(jī)等。

注射成型是通過注射機(jī)和相應(yīng)制品的注射模具共同完成的。一個注射成型過程稱為一個工作循環(huán)，由模具閉合開始算起一個循環(huán)是：合模—注射—保壓（螺桿預(yù)塑）—冷卻—開?！敵鲋破贰夏＃渲性谧⑸浣Y(jié)束后的保壓階段，螺桿又對物料開始預(yù)塑為下一個循環(huán)做塑化準(zhǔn)備。高分子樹脂加入料斗后進(jìn)入料筒內(nèi)，通過外部加熱，螺桿、料筒與樹脂之間的剪切和摩擦力作用生熱，使樹脂塑化成黏流態(tài)，經(jīng)過螺桿很高的壓力和較快的速度，將塑化好的樹脂從料筒中擠出，通過噴嘴注入到閉合的模具型腔中。注射滿模具型腔要經(jīng)過一段時間的保壓，使熔融料能充滿模具型腔的任何角落，保壓的目的是使制品密實，而后冷卻固化，打開模具取出制品。熱固性塑料注射時，由于熔融物料進(jìn)入模具型腔后需要在一定溫度下才能交聯(lián)固化而定型，因此模具需要加熱保溫，一般比注射料的溫度還高。熱塑性塑料注射時，模具一般不需要加熱，制品通過冷卻而定型，有時需要通冷卻水。

注射機(jī)一般由三部分組成：注射裝置、鎖模裝置、液壓和電器控制系統(tǒng)。注射裝置將塑料均勻塑化并以足夠的壓力和速度將一定量的塑料熔體注射到模具型腔中，注射裝置位于注射機(jī)的右上部，包括料筒、螺桿和噴嘴、加料斗、計量裝置、驅(qū)動螺桿的液壓電動機(jī)、注射油缸、注射座移動油缸等。鎖模裝置是實現(xiàn)模具的開啟與閉合以及脫出制品的裝置，位于機(jī)器的左上部，包括動模板、定模板、鎖模油缸、大活塞、拉桿、機(jī)械頂出桿、安全門等部件。液壓和電器控制系統(tǒng)保證注射機(jī)按照工藝過程設(shè)定的要求和動作程序準(zhǔn)確而有效地工作，液壓系統(tǒng)由各種液壓元件（溢流閥、壓力閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、壓力表等）和液壓回路及其輔助設(shè)備等組成，電器控制系統(tǒng)由各種電器儀表和繼電器元件等組成?？刂葡到y(tǒng)的面板就在注射機(jī)的正面，通過控制面板控制工作循環(huán)的動作。

三、實驗設(shè)備和原料

JN55-E注射成型機(jī)，如圖3-2所示；注射模具（塑料拉伸試樣模具）；烘箱。聚丙烯粒料。

圖3-2　注射成型機(jī)

四、實驗步驟

1．實驗準(zhǔn)備和模具安裝

（1）仔細(xì)觀察、了解注射機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成，熟悉其工作原理和安全注意事項。了解原料的規(guī)格型號和成型工藝特點，擬定各項成型工藝條件，并對原料進(jìn)行預(yù)熱干燥備用。檢查注射機(jī)各個部分，確認(rèn)設(shè)備是否正常。

（2）模具安裝：打開安全門，從前固定模板和動模板上松開模具壓板的螺釘，兩人合作取下原有模具，操作時注意人身和模具、設(shè)備安全。對比原有模具與實驗需要模具的厚度差別，在模具安裝后作為調(diào)整模板間距的參考。啟動注射機(jī)，并將控制面板上的工作狀態(tài)開關(guān)放到“調(diào)整”的位置，注射機(jī)在開模狀態(tài)下，裝上實驗需要的模具，并擰緊每一個緊固螺釘，用模具壓板把模具固定于模板上，調(diào)整模具位置直到主流道定位和定模板的定位孔對中。

（3）模具調(diào)整：調(diào)整模具厚度（動模板與定模板之間的距離），以達(dá)到所需要的合模力，將工作狀態(tài)選擇開關(guān)放置到“調(diào)整”位置，用棘輪扳手調(diào)整固定模板與動模板之間的距離。進(jìn)行“合?！辈僮?，適當(dāng)選擇曲肘連桿壓縮余量，即可得到適當(dāng)?shù)暮夏ＡΓ藭r曲肘機(jī)構(gòu)應(yīng)伸直，并把模具壓板與動模板固定。將導(dǎo)桿上的定位螺帽和螺釘固定緊。確認(rèn)安裝完好后，重復(fù)幾次開合模動作。

（4）注射成型參考工藝條件（以注射拉伸樣條為例）

料筒溫度：（前）180～190℃；（中）200～220℃；（后）190～200℃。

注射壓力：7～9 MPa；注射時間：4～7秒；模具保護(hù)時間：3秒。

（5）安全檢查：按照設(shè)計的工藝條件，在控制面板上設(shè)定各段溫度，檢查各個按鈕、操作開關(guān)及手柄是否在零位或者斷開的位置上，電器線路是否有異常和安全門移動是否靈活。檢查加料斗及料筒上是否有雜物以及金屬件掉在里面，將實驗用塑料加入料斗中。

（6）注射機(jī)預(yù)熱：調(diào)整機(jī)械安全裝置螺桿的長度到適當(dāng)?shù)奈恢?，使其真正能起到保護(hù)作用，然后鎖緊螺母。沒有異常后，將安全門關(guān)閉，打開加熱電源開始預(yù)熱，待溫度達(dá)到工藝要求后即可開始實驗。

2．開機(jī)實驗

（1）預(yù)先開啟冷卻水，使冷卻器通水。

（2）調(diào)整注射量行程，調(diào)整防流涎行程，調(diào)整保壓行程，調(diào)整注射座移動行程，調(diào)整開模行程。

（3）手動注射：將選擇開關(guān)撥到“手動”位置，關(guān)上前、后安全門。每按動一個按鈕，就完成一個相應(yīng)的動作。手動注射一般在試車、調(diào)整模具和簡單生產(chǎn)時使用。手動注射依次操作按鈕的次序是：合模（模具閉合）—注射座前進(jìn)（將噴嘴與模具充分接觸）—注射—保壓—預(yù)塑（螺桿轉(zhuǎn)動后退并預(yù)塑）—冷卻—開模頂出制品，打開安全門取出制品和流道中的料把，這樣一個循環(huán)完成。下一個循環(huán)從安全門關(guān)閉—模具閉合又開始。手動操作注射時，必須在噴嘴頂住模具時方可進(jìn)行。不然，會因為注射座向前移動而發(fā)生事故。

（4）半自動注射：將選擇開關(guān)撥到“半自動”位置，關(guān)上安全門。機(jī)器就會依次完成一個相應(yīng)的系列動作。合?！⑸洹骸A(yù)塑—冷卻—開模頂出制品，這樣一個循環(huán)完成（如果制品沒有脫落，手動打開安全門取出制品）；下一個循環(huán)從安全門關(guān)閉后開始，模具會自動閉合，重復(fù)上述動作。

（5）全自動：將選擇開關(guān)撥到“全自動”位置，關(guān)上安全門。機(jī)器就會自行按照工藝程序工作，依次完成一個相應(yīng)的系列動作，最后由頂出桿頂出制品。全自動要求制品的模具有安全可靠的自動脫模裝置，才能保證制品和流道中的料把能自動脫落。由于光電管的探測，各個動作會周而復(fù)始，自動過程中無須打開安全門。假使制品沒有脫落，還需要打開安全門取出制品。安全門一旦打開，機(jī)器就停止動作，因此安全門打開和關(guān)閉是一定要確認(rèn)后才能開始下一個動作，安全門一旦關(guān)閉，絕不允許任何錯誤操作。

（6）觀察注射制品的外觀質(zhì)量，記錄每次實驗工藝條件，結(jié)合制品外觀質(zhì)量（包括顏色、透明度、有無缺料、凹痕、氣泡等），合理調(diào)整預(yù)先設(shè)定的注射成型工藝條件到最合適的位置。

（7）實驗完畢停車，先關(guān)閉所有電器開關(guān)，最后關(guān)閉冷卻水。

（8）關(guān)閉所有電源、水源等，清掃干凈現(xiàn)場。保存實驗樣品，做好相應(yīng)的編號，待性能測試時用，建議對比不同制件的力學(xué)性能差異。

五、注解

1．合模與開模

合模是動模板快速前移，在即將與定模接觸時，依靠合模系統(tǒng)自動切換成低壓力產(chǎn)生低的合模速度，使模具慢速閉合，閉合后切換成高壓將模具可靠鎖緊，以免熔體的壓力將模具頂開。注射機(jī)的鎖模力是注射機(jī)的一個重要技術(shù)指標(biāo)，是指注射機(jī)的合模機(jī)構(gòu)對模具所能施加的最大夾緊力。鎖模力同公稱注射量一樣，也在一定程度上反映出注射機(jī)能生產(chǎn)制品的大小，一個公稱注射量為86克的注射機(jī)，其鎖模力一般高達(dá)400 k N。

開模是制品冷卻定型結(jié)束后，動模板首先在液壓油缸的作用下低速后撤，而后快速后撤到最大開模位置的動作過程，一般在開模后頂桿會將制品直接頂出。

2．注射階段

模具閉合后，動、定模具之間就形成了模具型腔，注射機(jī)的機(jī)身前移使注射機(jī)的噴嘴與定模具貼合，注射油缸推動與活塞相連接的螺桿前進(jìn)，將螺桿頭部前面已經(jīng)均勻塑化好的物料以規(guī)定的壓力和速度注射進(jìn)模具型腔，直到熔體充滿模具型腔為止。螺桿作用于熔體的壓力叫注射壓力，螺桿移動的速度叫注射速度。熔體充模是否順利，取決于注射壓力、注射速度、熔體的溫度和模具的溫度等，它們?nèi)Q于熔體的黏度和流動特性，決定制品的質(zhì)量。

注射壓力使熔體克服料筒、噴嘴、主流道、分流道和模具型腔的阻力，保證熔體以一定的速度注射入模具型腔內(nèi)，而且保證熔體能充滿模具型腔的任何地方；一旦充滿，模具型腔內(nèi)的壓力迅速達(dá)到最大值，充模速度則迅速下降，型腔內(nèi)物料受壓而密實。注射壓力過高或者過低，都會對制品有影響。注射壓力過高，造成充模過量，制品容易留邊或者噴嘴處容易發(fā)生“流涎”；壓力過低容易造成充模不足，產(chǎn)生廢品。注射速度影響熔體填充型腔的流動狀態(tài)，注射速度快，充模時間短，熔體溫差小，制品密實均勻，料流匯合處熔接強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好，外觀質(zhì)量好；注射速度慢，不但充模時間長，影響生產(chǎn)效率，更主要是熔體流動過程的剪切作用使大分子取向程度大，制品呈現(xiàn)各向異性。注射時，注射壓力和注射速度的確定比較麻煩，要考慮原料、設(shè)備、模具和制品各個方面的因素，結(jié)合實踐而決定。

3．保壓階段

熔體充模完成后，為了防止熔體倒流，螺桿還要施加一定的壓力，保持一定的時間，同時也為了解決模腔內(nèi)熔體因冷卻收縮、造成制品缺料時，能夠及時快速進(jìn)行補(bǔ)料，使制品飽滿密實。保壓時，螺桿向前稍做移動。保壓過程包括控制保壓壓力和保壓時間，它們都影響制品的質(zhì)量。

4．冷卻階段

保壓時間到達(dá)后，通過模具冷卻系統(tǒng)將模腔內(nèi)塑料熔體冷卻到玻璃化溫度或者熱變形溫度以下，使塑料制件定型的過程稱為冷卻階段。模具冷卻溫度的高低和冷卻時間的長短與塑料的結(jié)晶性、熱性能、玻璃化溫度、流道的長短、制品的厚薄、大小、形狀復(fù)雜程度等諸多因素都有關(guān)，經(jīng)驗告訴我們最終以在開模頂出制品時保證足夠的強(qiáng)度為準(zhǔn)。

5．原料預(yù)塑化階段

制品在保壓階段結(jié)束時，螺桿轉(zhuǎn)動后退，同時螺桿將帶動物料塑化，并且將塑化好的樹脂輸送到螺桿的前部，為下一次注射做準(zhǔn)備，此為塑料的預(yù)塑化階段。預(yù)塑化時，螺桿后移的速度由后移的各種阻力決定。預(yù)塑化是要求得到定量的、均勻塑化的塑料熔體。塑化是靠料筒的外部加熱、摩擦熱和剪切力等作用來實現(xiàn)的。料筒溫度的高低與諸多因素有關(guān)，如樹脂的種類、注射量、制品大小、注射機(jī)類型、模具的結(jié)構(gòu)、噴嘴以及模具溫度、成型周期等等。一般來說，料筒的溫度總是在材料的熔點或者黏流溫度與分解溫度之間，通常是分段控制。

噴嘴通常也需要加熱，加熱目的是為了維持充模的料流有很好的流動性，噴嘴溫度以接近料筒的溫度為宜，過高的噴嘴溫度會出現(xiàn)“流涎”現(xiàn)象，過低會造成噴嘴的堵塞。

塑料的預(yù)塑化與模具內(nèi)制品的冷卻定型是同時進(jìn)行的，一般預(yù)塑化的時間小于制品的冷卻時間。

六、實驗注意事項

1．實驗前，檢查料斗中是否有異物，檢查設(shè)備是否正常，清理設(shè)備現(xiàn)場，嚴(yán)格防止金屬雜質(zhì)、小工具等落入進(jìn)料口，在操作或者維修過程中切記工具不能隨便亂放。

2．檢查安全門是否安全可靠。

3．裝卸模具務(wù)必注意安全，模具較重需要兩人以上協(xié)作。

4．在注射機(jī)開機(jī)后，注射機(jī)操作臺的左、右兩邊不得站人，嚴(yán)防傷人。

5．清理模具時，切忌損壞模具和噴嘴等處的光潔表面。

七、思考題

1．分析注射制品的外觀質(zhì)量，從記錄的每次實驗工藝條件分析對比試樣質(zhì)量，指明導(dǎo)致各種質(zhì)量缺陷的原因。

2．列出注射機(jī)的技術(shù)參數(shù)。報告實驗所用原料和助劑，操作工藝條件和注射周期。

3．用游標(biāo)卡尺測試5個正常試樣的尺寸，結(jié)合模具尺寸，計算制品的收縮率。

4．觀察注射成型時模具運動速度有何特點，為什么？

5．觀察注射模具結(jié)構(gòu)包括哪幾個部分？指出陰模、陽模、澆口、流道、頂桿。

6．結(jié)合注射模具的結(jié)構(gòu)，分析壁厚的制件、壁薄的制件各容易出現(xiàn)哪些缺陷？在注射工藝上應(yīng)該如何調(diào)整？

7．分析用注射成型制作PE、PC、PP、PS、PA、ABS的制件時，哪些樹脂需要進(jìn)行預(yù)干燥，為什么？

實驗三　塑料模壓成型

一、實驗?zāi)康?/p>

通過本實驗使學(xué)生了解熱固性塑料成型的基本原理，掌握酚醛樹脂（或者脲醛樹脂）模壓成型方法。

二、實驗原理

熱固性塑料是以熱固性樹脂為主要原料，加上各種配合劑所組成的可塑性物料，常見的有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂、不飽和聚酯等幾大類。這些樹脂的共同特點是含有活性官能團(tuán)，在加工成型過程中官能團(tuán)能夠繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終固化為塑料制品。熱固性塑料可以通過多種成型方法和工藝，加工成型為各種塑料制品。不同類型的熱固性塑料的成型工藝有所不同，其中以酚醛樹脂的壓制成型最為重要。壓制成型又分為模壓和層壓，層壓成型主要用于生產(chǎn)一些薄的板材制品。

模壓成型的工藝參數(shù)同擠出成型和注射成型相近，也包括溫度、壓力和時間，其物料的量是根據(jù)模具尺寸決定的，一次性加入到模具型腔中，這一點與擠出成型和注射成型不同，因此模壓成型不適合連續(xù)生產(chǎn)。

模壓成型中，溫度決定著模塑粉在模具型腔中的熔融狀態(tài)、流動狀況和固化速度快慢。溫度高，有利于縮短模壓成型的周期，而且又能改善制品的表面粗糙度和制品的力學(xué)性能。但溫度過高，樹脂會因為硬化太快而充模不完整，制品中的水分和小分子揮發(fā)物來不及排出，存在于制品中使制品的性能不良。反之，如果溫度過低，物料流動性差，物料流程短、流量小，交聯(lián)固化不完善，生產(chǎn)周期長，也是不宜的。酚醛模塑粉的模壓溫度通常控制在145～180℃之間，不同品種的模塑粉和不同的制品其具體的模壓溫度要通過實驗方法確定。

模壓壓力是指模具在加入物料完全閉合一直到模壓成型結(jié)束時這段時間內(nèi)壓機(jī)施加給模具的維持壓力。模塑粉模壓成型壓強(qiáng)不等于液壓機(jī)的油缸壓力表的指示壓力。液壓機(jī)的指示壓力需考慮制品的壓制面積、型腔的個數(shù)、模塑粉模壓成型壓強(qiáng)等參數(shù)通過換算而得，如用N表示，則N＝p 0×S×n/1　000，其中，p 0是模塑粉模壓成型的壓強(qiáng)，酚醛模塑粉一般在30～35 MPa，酚醛浸膠布在35～40 MPa，酚醛玻璃纖維模塑粉在45～50 MPa；S是每個制件的水平投影面積（cm2）；n是一副模具內(nèi)成型制品的個數(shù)，也就是一個模具內(nèi)型腔的個數(shù)，對于共用一個裝料室的多型腔模具n為1，此時S應(yīng)該是共用裝料室的水平投影面積。實際操作時還要考慮油壓機(jī)的效率，一般液壓機(jī)的效率在80%～90%。

模壓時間即保壓時間，主要決定于塑料在各個階段的硬化速度，與制品的厚度、型腔個數(shù)、模具的結(jié)構(gòu)形式、模壓溫度高低等有關(guān)。簡單的估算方法是：

模壓時間＝固化速度×制品厚度，通用型模塑粉的固化速度大約在45～60 s/mm。

三、實驗設(shè)備和原料

QLB-D500×500×2平板硫化機(jī)，見圖3-3；壓塑模具；烘箱；開模工具等。

酚醛模塑粉。

圖3-3　平板硫化機(jī)

四、實驗步驟

1．根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)定硫化機(jī)上下模板的溫度，開機(jī)預(yù)熱。溫度達(dá)到后，戴勞保防護(hù)手套將涂有脫模劑的模具放入上下模板之間。預(yù)熱的同時，稱量每個制件需要模塑粉的量，根據(jù)硬化速度、制品厚度估算模壓時間。

2．加料閉模壓制。待模具預(yù)熱完成后，打開壓機(jī)的上下模板，將預(yù)先稱量好的模塑粉迅速加入到壓機(jī)模板上的模具中（模具可以適當(dāng)靠近操作者放置，加料完畢合模后再推向中央部位），用相應(yīng)工具使其在模腔中分布均勻，中間略高，迅速合模，合模后迅速起動壓機(jī)加壓閉模。

3．加壓閉模、放氣。壓機(jī)迅速施加到達(dá)成型所需要的表壓后，即泄壓為0，這樣的操作反復(fù)兩三次，完成放氣。

4．保壓固化。壓機(jī)升壓到所需要的成型表壓，保壓開始，記錄保壓時間，目的是在保壓時間內(nèi)使塑料交聯(lián)固化定型，達(dá)到工藝要求的保壓時間后，泄壓為0，迅速趁熱脫模（脫模時取出模具放到工作臺上操作，務(wù)必戴防護(hù)手套）。

5．實驗完畢，關(guān)閉所有電源、水源等，清掃干凈現(xiàn)場。保存好實驗樣品，做好相應(yīng)的編號，待性能測試時用。

五、注解

1．酚醛樹脂

酚醛樹脂是酚類化合物和甲醛縮聚反應(yīng)的聚合物，其聚合方法分為酸法和堿法。堿法樹脂多用于層壓成型，酸性樹脂多為模壓料。純粹的酚醛樹脂通常不直接加工和應(yīng)用，大多數(shù)情況是將酚醛樹脂與填料和各種配合劑通過一定的共混工藝，將其預(yù)先加工成熱固性物料，變成加工制品原料。應(yīng)用最多的是酚醛模塑粉，其成型加工方法主要是壓制，其次是注射和擠出等成型。酚醛塑料制品有良好的物理性能，其制品種類很多，廣泛應(yīng)用于電工、電子工業(yè)中。

2．酚醛模塑粉

酚醛塑料模塑粉是多組分塑料，一般由酸法聚合的酚醛樹脂、固化劑、配合劑等組成。酸法聚合的酚醛樹脂是線性分子的低聚物，相對分子質(zhì)量通常是幾百到幾千。酚醛樹脂是塑料的主體，選用堿性固化劑，最常用的是六亞甲基四胺，在加熱和潮濕的條件下能分解出甲醛和氨氣。

（CH 2）6 N4＋6H 2→─O　6CH 2 O＋4NH 3

填料和配合劑包括木粉、石灰、氧化鎂、潤滑劑等。木粉是一種有機(jī)填料，是天然纖維素，其分散于酚醛樹脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，起到增容、增韌以及降低成本的作用。此外，纖維素中的羥基也可能參與樹脂的交聯(lián)，有利于改變制品的力學(xué)性能。石灰和氧化鎂都是堿性物質(zhì)，對樹脂的固化起到促進(jìn)作用，也可以中和由于酸法聚合得到的酚醛樹脂中殘留的酸，使交聯(lián)固化更加完善，有利于改善酚醛樹脂塑料制品的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度。硬脂酸鹽類物質(zhì)作為潤滑劑，不但能增加物料混合和成型時的流動性，也利于成型后脫模。

3．酚醛模塑粉制備

酚醛樹脂和各種配合劑通過一定的共混加工程序就得到酚醛樹脂模塑粉。共混的工序是首先對塊狀樹脂進(jìn)行粉碎，然后和配合劑捏合混合，再在130℃左右溫度下進(jìn)行輥壓塑煉，再經(jīng)過冷卻、磨碎而成。模塑粉中的樹脂已經(jīng)經(jīng)過高溫的塑煉，具有適宜的流動性，也有適當(dāng)?shù)募?xì)度、均勻度和適當(dāng)?shù)膿]發(fā)物含量，可以滿足制品成型和使用的要求。

將酚醛樹脂首先用粉碎機(jī)粉碎，木粉在80℃干燥1小時以上，而后將準(zhǔn)確稱量的各個組分（木粉除外）依次加入捏合機(jī)，開動捏合機(jī)混合20分鐘，然后加入木粉再混合30分鐘，停機(jī)出料。將混合物在塑料雙輥開煉機(jī)上進(jìn)行塑化，兩個滾筒的溫度分別調(diào)整為100℃和130℃，輥距控制在1～5 mm，塑化操作參照熱塑性塑料的塑煉操作進(jìn)行，混合物料加入到輥隙之間，形成包輥后，酚醛樹脂會因為輥筒的加熱而融化，并且浸漬其他組分；形成包輥后用長割刀進(jìn)行翻煉，促進(jìn)物料混合均勻。必須在輥的水平中心線以下進(jìn)行操作，防止被輥筒燙傷，必要時觸動緊急剎車。最終輥壓后的物料為黑色片材，冷卻后脆而硬，用錘子將塑化后片材打碎成50 mm以下的碎片，采用粉碎機(jī)把碎片粉化，模塑粉要有良好的松散性和均勻度。

4．酚醛模塑粉壓制過程的變化

酚醛塑料模塑粉模壓成型是一個物理變化伴隨化學(xué)變化的過程，模塑粉中的樹脂在一定的溫度和壓力下熔融、流動、充模、成型。在發(fā)生物理狀態(tài)變化的過程中，樹脂上的活性官能團(tuán)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，分子間繼續(xù)縮聚相互交聯(lián)；在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r間后，樹脂從共混后的比較難熔、難溶狀態(tài)逐步發(fā)展成不熔不溶的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終經(jīng)過保溫固化完全，得到穩(wěn)定的制品。

六、實驗注意事項

1．務(wù)必穿長袖、長褲防護(hù)工作服并戴勞保防護(hù)手套進(jìn)行操作，防止?fàn)C傷和擠傷。

2．加料時要迅速，脫模時要迅速，整個過程防止?fàn)C傷、砸傷和擠傷。

3．脫出來的制品要小心輕放到工作臺上冷卻。壓制制品要放置24小時以上才能進(jìn)行性能測試。

4．脫膜和清理模具時，切忌損壞模具的光潔表面。

七、思考題

1．寫出酚醛樹脂在堿性條件下進(jìn)一步縮合和交聯(lián)的反應(yīng)式。

2．列出平板硫化機(jī)技術(shù)參數(shù)，報告實驗所用原料和助劑，操作工藝條件。

3．分析模壓制件的表面質(zhì)量受工藝條件的影響情況；結(jié)合力學(xué)性能測試結(jié)果，分析力學(xué)性能與實驗工藝條件之間的關(guān)系。

4．熱固性塑料模壓成型為什么要排氣？

5．熱固性塑料制件和熱塑性塑料制件是否都可以回收利用，為什么？

6．模塑粉模壓溫度和時間對制品質(zhì)量是如何影響的？如何協(xié)調(diào)兩者關(guān)系？

實驗四　橡膠的塑煉與混煉

一、實驗?zāi)康?/p>

了解橡膠塑煉和混煉的基本原理，掌握橡膠塑煉和混煉工藝，掌握開放式煉膠機(jī)的使用方法。

二、實驗原理

生橡膠是由線形大分子或者帶支鏈的線形大分子構(gòu)成，在外力作用下，其力學(xué)性能較低，基本無使用價值，因此生膠需要通過一系列的加工才能制成有用的橡膠制品，其中橡膠的塑煉和混煉就是兩個重要的橡膠加工過程。

生膠的相對分子質(zhì)量通常很高，從幾十萬到幾百萬以上，過高的相對分子質(zhì)量帶來的強(qiáng)韌高彈性給加工帶來極大的困難，必須通過塑煉使之獲得一定的可塑性和流動性，才能滿足混煉、壓延、壓出、硫化、模壓、注射等各種加工過程的工藝性能要求。因此將生膠由強(qiáng)韌的彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳浐捅阌诩庸さ乃苄誀顟B(tài)，使生膠增加可塑性這一塑煉過程非常重要。目前生膠塑煉加工中使用最廣泛而又行之有效的增塑方法為機(jī)械增塑法，其原理在于利用機(jī)械的高剪切力作用使橡膠大分子鏈破壞降解而獲得可塑性。選用開放式煉膠機(jī)進(jìn)行機(jī)械法塑煉，橡膠置于開煉機(jī)的兩個相向轉(zhuǎn)動的輥筒間隙中，反復(fù)受到機(jī)械力作用而降解，降解后的大分子自由基在空氣中被氧化，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，最終達(dá)到一定的可塑度，滿足混煉的要求。塑煉的程度和效率主要與輥筒的間隙、溫度有關(guān)。間隙越少，溫度越低，機(jī)械與化學(xué)作用越大，塑煉效率越高。此外，塑煉時間、工藝操作及是否加入化學(xué)塑解劑也會影響塑煉效果。

混煉是在塑煉基礎(chǔ)上的又一個煉膠工序，橡膠的混煉工藝過程可以通過開煉機(jī)來實現(xiàn)。影響混煉效果的因素有溫度、輥距、裝料容量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)比、時間、混煉時的包輥性、加料順序和翻煉方法等。這些條件的控制均以手工操作為主，尤其是翻煉方法，受人為因素影響較大。由于開煉機(jī)只有一個方向固定剪切力分布所形成的呆滯層，需要采用人工翻煉的方法，不斷改變物料的受力位置，以便在較短的時間內(nèi)有效地完成混合塑化。因此，混煉膠的質(zhì)量（均勻的分散、均勻的分布、一定的可塑度）在很大程度上取決于操作者的經(jīng)驗和操作技術(shù)，熟練掌握這一操作技術(shù)是得到正確實驗結(jié)果的重要保證。為保證混煉膠的質(zhì)量，在開煉機(jī)上的混煉均有嚴(yán)格的規(guī)范操作程序和操作條件，不同規(guī)格的設(shè)備、不同的膠料、不同的配合劑，其操作程序均有所不同。其中配合劑的添加次序是影響開煉機(jī)混煉的最重要因素之一，加料順序不當(dāng)有可能造成配合劑分配不良，使混煉速度減慢并有可能導(dǎo)致膠料出現(xiàn)焦燒和過燒現(xiàn)象。加料順序一般為：①促進(jìn)劑、防老劑、硬脂酸。這一類小藥用量小，在膠料中所起的作用又很大，所以對其分散均勻度要求高，故應(yīng)先加。此外，防老劑先加有利于防止膠料高溫下混煉造成的老化。硬脂酸是一種表面活性劑，可以改善橡膠大分子和親水性配合劑之間的相互作用。②氧化鋅。氧化鋅是親水性的，在硬脂酸加入之后再加，有利于其在橡膠中的分散。③補(bǔ)強(qiáng)劑。如炭黑。④液體軟化劑。液體軟化劑具有浸潤性，容易使補(bǔ)強(qiáng)劑等粉料結(jié)團(tuán)，通常要在補(bǔ)強(qiáng)劑加入之后加。⑤硫磺。硫磺與促進(jìn)劑必須分開加入，為了防止混煉過程中出現(xiàn)焦燒，通常在混煉后期降溫后加入硫磺，但對有些橡膠（如丁腈橡膠），由于硫磺在橡膠中的分散特別困難，硫磺則宜早加，最后才加入促進(jìn)劑。

三、設(shè)備和原料

XK-160A型開煉機(jī)（煉膠機(jī)），如圖3-4所示。

圖3-4　XK-160 A型開煉機(jī)

天然橡膠（馬來西亞1號煙片膠），促進(jìn)劑CZ，防老劑RD，硫磺，軟化劑，炭黑，硬脂酸，Zn O。

混煉實驗配方：

天然橡膠（塑煉膠）　100份　　　促進(jìn)劑CZ3份

防老劑RD　　2份　　　　　　　　硫磺3份

軟化劑（30＃機(jī)油）3～5份　　　　炭黑（HAF）60份

ZnO　　5份　　　　　　　　　　　硬脂酸2份

四、實驗步驟

1．生膠的塑煉

（1）稱取一定量的天然橡膠。

（2）在指導(dǎo)教師和實驗工作人員允許后，按機(jī)器操作規(guī)程開機(jī)試運行，觀察機(jī)器是否運轉(zhuǎn)正常。

（3）檢查生膠中是否有金屬等異物，若無異物即可進(jìn)行塑煉。

（4）破膠：將輥距調(diào)節(jié)至1．5 mm左右，在靠近大牙輪一端操作，以防損壞設(shè)備。破膠時要依次連續(xù)投料，不宜中斷，以防膠塊彈出傷人。

（5）薄通：將輥距調(diào)至0．5 mm，輥溫控制在45℃左右。將破過膠的膠片靠大牙輪的一端加入輥筒，使之通過輥筒間隙，讓膠片直接落入接料盤中，當(dāng)輥筒上無堆積膠料時，將盤內(nèi)膠片扭轉(zhuǎn)90度，重新投入輥筒間隙內(nèi)繼續(xù)薄通到所規(guī)定的時間（10～15分鐘）。

（6）搗膠：將輥距放寬到1 mm，使膠料包輥后，手握割刀從左（右）方向向右（左），割刀近右（左）邊緣（約4/5，不要割斷），再向下割，使膠料落在接料盤上。到堆積膠塊消失時停止割刀，而后割落的膠隨著輥筒上的余膠帶入輥筒左（右）方。然后再從右（左）向左（右）同樣割膠，反復(fù)多次。

（7）將輥距調(diào)到所要求的下片厚度，切割下片。

（8）塑煉膠料停放24小時以上，備混煉用。

2．膠料的混煉

（1）配料：按混煉膠的實驗配方稱取所需原料。

（2）調(diào)節(jié)輥筒溫度：使前輥筒維持在50～60℃，后輥較前輥略低些（50～55℃）。

（3）包輥：將塑煉膠投入輥縫，調(diào)整輥距使輥縫上部維持適量堆積膠，經(jīng)2～3分鐘后，塑煉膠均勻連續(xù)地包于前輥，形成光滑無縫隙的包輥膠層，取下膠，放寬輥距至1．5 mm，再把膠投入輥縫使其包前輥，準(zhǔn)備加入配合劑。加料順序為：天然橡膠塑煉膠→小料（促進(jìn)劑、防老劑、硬脂酸）→氧化鋅→炭黑→30＃機(jī)油→硫磺。

（4）吃粉：投加配合劑應(yīng)按加料順序進(jìn)行，每加完一種配合劑均需搗膠2次。在加填充劑和補(bǔ)強(qiáng)劑時應(yīng)逐步調(diào)寬輥距，使堆積膠量保持在適宜的范圍內(nèi)。待粉料完全吃完后，由中央割刀，分經(jīng)兩端，進(jìn)行搗膠操作，促使膠料均勻。

（5）切割翻煉：各種配合劑加完以后，將輥距調(diào)至0．5～1．0 mm，一般用打三角包、打卷和走刀法等翻煉至符合要求為止。翻煉過程中應(yīng)取樣測定可塑度（門尼黏度）。

a．打三角包：在0．5～1 mm輥距下，將包輥膠割開，用右手捏住割左下角，將膠片翻至右下角，用左手將右上角翻至左下角，以此反復(fù)至膠料全部通過輥筒。

b．打卷法：將包輥膠割開，順勢向下翻卷成圓筒至膠料全部通過，然后將卷筒垂直投入輥筒，反復(fù)至規(guī)定次數(shù)。

c．走刀法：用割刀在包輥膠上交叉割刀，連續(xù)走刀，不割斷膠料，使膠料改變受剪切方向，更新堆積膠。整個翻煉時間掌握在5 min左右，割刀8～10次。

（6）下片：將輥距調(diào)至約3 mm，下片。

（7）將混煉膠停放冷卻16小時以上，備硫化用。

（8）混煉膠的稱量：混煉膠在停放冷卻前應(yīng)檢查是否符合混煉要求。生膠和配合劑的損耗量控制在以下范圍：

純膠配方：　　　　　　　≤0．3%

一般膠料：　　　　　　　≤0．6%

炭黑等易飛揚膠料：　　　≤1．0%

如不符合上述要求，應(yīng)重新混煉。

五、注解

1．XK-160A型開煉機(jī)

主要用于加工橡膠，因此又稱之為“雙輥煉膠機(jī)”，它是由兩個不同轉(zhuǎn)速的向心圓柱形輥筒提供強(qiáng)大的擠壓剪切作用力，對物料進(jìn)行輥軋從而達(dá)到各組分相互摻和分散的目的。XK-160A型開煉機(jī)的輥筒內(nèi)為空心，可以通入冷卻水吸收橡膠塑煉時的摩擦熱，維持操作溫度。主要技術(shù)參數(shù)：

輥筒工作直徑　　160mm　　　　　　輥筒工作長度　　　320mm

后輥轉(zhuǎn)速　　　　24r/min　　　　　前輥轉(zhuǎn)速　　　　　17.80r/min

最大輥距　　　　5mm　　　　　　　最小壓片厚度　　　0.2mm

加料量　　　　　100～1000g

2．其他方法

在工業(yè)上，特別是炭黑混煉膠的制備上，通常采用密煉機(jī)進(jìn)行橡膠的混煉，與開煉機(jī)混煉相比，密煉機(jī)混煉特別適合于膠料配方品種變換小、生產(chǎn)批量大的現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)，此外，密煉機(jī)還存在下列優(yōu)點：

（1）自動化程度高，生產(chǎn)效率高，勞動強(qiáng)度低，操作安全。

（2）密閉操作，藥品飛揚損失少，有利于膠料質(zhì)量的保證，并改善了操作環(huán)境條件。

（3）膠料中的炭黑分散度高，混煉膠質(zhì)量均勻。

六、安全提示

1．XK-160A開煉機(jī)操作必須按規(guī)程進(jìn)行，集中精力。

2．割刀必須在輥筒中心線以下操作。

3．禁止戴手套操作，手一定不能接近輥縫。操作時雙手盡量避免越過輥筒中心線上部，送料時應(yīng)握拳。

4．如遇到危險時應(yīng)立即觸動安全剎車。

5．留長辮的學(xué)生應(yīng)事先戴帽或?qū)⑥p子結(jié)扎短些。

七、結(jié)果處理

稱量結(jié)果記入表3-1中。

表3-1　實驗用膠料配方

八、思考題

1．生橡膠為什么要塑煉、混煉？

2．混煉過程中為什么要注意加料順序？

3．生膠及混煉膠有何不同？

4．使用XK-160A型煉膠機(jī)需注意哪些問題？

實驗五　橡膠硫化曲線測定

一、實驗?zāi)康?/p>

通過膠料硫化曲線的測定，掌握無轉(zhuǎn)子硫化儀的使用方法；學(xué)會分析硫化曲線，掌握硫化過程的特征。

二、實驗原理

橡膠硫化是橡膠加工中最重要的工藝過程之一，在這一過程中橡膠發(fā)生了一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，橡膠大分子鏈發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)是在一定的溫度、壓力和時間下通過一定的方式來實現(xiàn)的。硫化條件的不同，將會影響橡膠制品的物理機(jī)械性能。因此，必須根據(jù)不同膠料、不同制品的大小和形狀等，通過實驗找到最佳硫化條件，以獲得理想的橡膠制品。

無轉(zhuǎn)子硫化儀測定膠料硫化特性原理：實驗?zāi)z料放入具有規(guī)定壓力、保持設(shè)定硫化溫度、完全密閉的實驗?zāi)Ｇ粌?nèi)，其中一個模腔以一定頻率（1．7 Hz）和振幅（±0．5°、±1°）振蕩，模腔的振蕩使試樣產(chǎn)生剪切應(yīng)變，此時試樣將對該模腔產(chǎn)生一個反作用力矩，得到力信號，力信號通過與之相連的傳動部分傳到測定裝置傳感器上，傳感器把力信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號通過固定的控制裝置轉(zhuǎn)化成扭矩信號（轉(zhuǎn)矩），在計算機(jī)上繪制出來，得到硫化曲線，如圖3-5所示。對硫化曲線常用平行線法進(jìn)行解析，就是通過硫化曲線最小轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩值分別引平行于時間軸的直線，該兩條平行線與時間軸距離分別為M L和M H，即M L為最小轉(zhuǎn)矩值，反映未硫化膠在一定溫度下的流動性；M H為最大轉(zhuǎn)矩值，反映硫化膠最大交聯(lián)度。焦燒時間和正硫化時間分別以達(dá)到一定轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的時間表示，焦燒時間ts1為從實驗開始到曲線由最低轉(zhuǎn)矩上升1 kg·cm所對應(yīng)的時間；起始硫化時間tc10為轉(zhuǎn)矩達(dá)到M L＋10% （M H-M L）時所對應(yīng)的硫化時間；正硫化時間tc90為轉(zhuǎn)矩達(dá)到M L＋90%（M H-M L）時所對應(yīng)的硫化時間；通常還有硫化速度指數(shù)V C＝100/（tc90-tsx）。硫化曲線的形狀與實驗溫度和膠料特性有關(guān)。

圖3-5　硫化曲線

三、實驗儀器和試樣

MDR-2000E型橡膠硫化儀，如圖3-6所示。

混煉膠試樣。

圖3-6　MDR-2000E橡膠硫化儀

四、實驗步驟

1．溫度和時間設(shè)定。

（1）依次打開顯示器、打印機(jī)、電腦、主機(jī)開關(guān)。

（2）設(shè)定實驗溫度：在主界面下，按動溫度設(shè)定下面的溫度讀數(shù)，即進(jìn)入溫度設(shè)定界面，按動加或減的按鈕，即可將溫度設(shè)定為所需要的值，然后按返回鍵，便完成溫度的設(shè)定，返回到主界面。

（3）實驗時間設(shè)定：在主界面上，按動時間設(shè)定下面的數(shù)值，即可進(jìn)入實驗時間設(shè)定的界面。按動加或減鍵，使讀數(shù)顯示所需要的時間，按返回鍵，即可完成實驗時間設(shè)定?；氐街鹘缑妗?/p>

（4）膠料編號：點擊主界面中編號下面的“時間”，對試樣進(jìn)行編號，或點擊“手工”再用系統(tǒng)內(nèi)字符或WINDOWS內(nèi)部字符編號。同種膠料編號：只要在第一次實驗完成，開模之前，點擊“加1”，以后的編號將自動加1。

2．按“加熱”按鍵，對模腔進(jìn)行加熱升溫，待模腔溫度達(dá)設(shè)定值并穩(wěn)定后，開始實驗。

3．按“開模/合?！遍_關(guān)，打開模腔。

4．將直徑約為38 mm，厚度4～5 mm，質(zhì)量約6．5 g左右的圓形試樣放入模腔中。

5．將“手動/自動”開關(guān)切換到“自動”。

6．按“開模/合?！遍_關(guān)，關(guān)閉模腔，實驗自動開始，達(dá)到設(shè)定實驗時間后，實驗會自動結(jié)束，若在實驗過程中要結(jié)束正在進(jìn)行的實驗，只要點擊“曲線圖”界面中的“停止”，實驗即可終止。

7．全部實驗結(jié)束后，開模，取出試樣并清除模腔內(nèi)的殘料，將“手動/自動”切換到“手動”，按“合?！辨I，關(guān)閉“加熱”開關(guān)，將界面返回到主界面，點擊“結(jié)束”鍵，退出硫化儀實驗狀態(tài)，然后關(guān)掉儀器主機(jī)電源，再按正常順序關(guān)閉電腦及其余外圍設(shè)備。

五、實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

將所測實驗數(shù)據(jù)填入表3-2中。每種實驗樣品數(shù)量不應(yīng)少于2個，實驗精度用最大轉(zhuǎn)矩和正硫化時間兩個指標(biāo)控制，同一膠料兩個試樣的最大轉(zhuǎn)矩的差不得大于2 kg·cm，t90的差不得大于4 min。

表3-2　實驗數(shù)據(jù)記錄

六、注解

MDR-2000E型橡膠硫化儀由機(jī)械部件、氣動系統(tǒng)、電氣控制三部分組成。該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下，控溫范圍：室溫～200℃；升溫時間：≤10 min；溫度波動：≤±0．3℃；力矩量程：0～10 N·m；力矩顯示分辨率：0．001 N·m；擺動頻率：1．7 Hz（100 r/min）；擺動角度：±0．5°（±1°）；機(jī)械部件分為機(jī)箱、上下模腔、擺動機(jī)構(gòu)和測力傳動機(jī)構(gòu)；氣動系統(tǒng)分為開合模氣缸、移門氣缸和電磁閥等；電氣控制分為強(qiáng)電控制線路板、測控模塊、測溫控溫元件、按鍵面板及PC電腦、打印機(jī)。

七、安全事項

1．在按“加熱”按鍵之前，應(yīng)首先檢查“電機(jī)”按鍵是否處于高位狀態(tài)（電機(jī)不轉(zhuǎn)）。

2．調(diào)節(jié)溫度時，在“曲線圖”界面上，上?；蛳履囟戎碉@示為-246．84℃時，應(yīng)立即關(guān)掉電源。斷電后，首先檢查鉑電阻是否斷路或短路，否則有燒斷加熱盤及燒壞模塊的危險，后果極其嚴(yán)重。

八、思考題

1．什么叫正硫化時間、焦燒時間？

2．橡膠硫化特性曲線的測定有什么意義？

實驗六　橡膠硫化成型

一、實驗?zāi)康?/p>

了解橡膠硫化成型的基本原理，掌握平板硫化機(jī)的使用方法。

二、實驗原理

在橡膠制品生產(chǎn)過程中，硫化是最后一道加工工序。在這道工序中，橡膠經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，由線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)，失去了混煉膠的可塑性，具有了交聯(lián)橡膠的高彈性，進(jìn)而獲得優(yōu)良的物理機(jī)械性能、耐熱性、耐溶劑性及耐腐蝕性能，提高了橡膠制品的使用價值和應(yīng)用范圍。

橡膠硫化前后發(fā)生了變化。硫化前：線形結(jié)構(gòu)，分子間以范德華力相互作用，可塑性大，伸長率高，具可溶性；硫化時，分子被引發(fā)，發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)；硫化后，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間主要以化學(xué)鍵結(jié)合，不能溶解，只能溶脹。硫化后橡膠力學(xué)性能如彈性、扯斷強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度都得到提高，而伸長率、壓縮永久變形、疲勞生熱降低。此外，透氣率、透水率降低，耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性提高。

根據(jù)制品的性能和用途不同，橡膠材料的硫化過程可采用多種不同的硫化方法。硫化方法主要有：（1）按硫化溫度分類，分為冷硫化、室溫硫化及熱硫化三種工藝方法，其中熱硫化是目前大多數(shù)橡膠制品普遍采用的方法，如各種輪胎制品的硫化。（2）按硫化介質(zhì)分類，分為熱水法、熱空氣法、熱空氣和水蒸氣的混合氣體法以及固體介質(zhì)法等。（3）按硫化設(shè)備分類，分為平板機(jī)硫化、硫化罐硫化、個體硫化機(jī)硫化以及注壓硫化等。（4）按生產(chǎn)方式分類，分為間歇生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)，前者如輪胎及各種橡膠制件的生產(chǎn)，后者如各種長條形橡膠制品，比如汽車及各種門窗密封條在微波作用下的連續(xù)硫化。

本實驗主要通過對天然橡膠的平板硫化操作來掌握平板硫化機(jī)特點、壓力和溫度調(diào)整方法，了解硫化過程及影響因素，掌握硫化過程對制品性能的影響。

三、實驗儀器和原料

實驗儀器為25噸平板硫化機(jī)，見本章實驗三“塑料模壓成型”。疲勞、磨耗模具各一套。

自制天然橡膠混煉膠。

四、實驗步驟

1．根據(jù)硫化工藝條件，對壓機(jī)進(jìn)行壓力調(diào)整和溫度調(diào)整。

2．根據(jù)制品面積、所需壓力和油壓機(jī)的技術(shù)規(guī)范，計算出油壓機(jī)的表壓。

3．按油壓機(jī)操作程序，檢查油壓機(jī)各部分的運轉(zhuǎn)，同時將平板硫化機(jī)加熱到硫化所需的溫度。

4．將清理好并涂好脫模劑的模具放入壓機(jī)的加熱板間約10分鐘（應(yīng)帶上手套?。?/p>

5．將膠料分別稱重，G1（磨耗模具用），G2（屈撓疲勞模具用），待用。

6．取出預(yù)熱好的模具，并將稱好的膠料裝入模具中，重新放回壓機(jī)的加熱板上，加壓到規(guī)定的表壓。

7．反復(fù)將模具放氣三次，然后保壓，并開始計算硫化時間。

8．到規(guī)定的硫化時間后，取出模具并脫模（此時應(yīng)注意安全），以備測定性能用。

9．清理好模具，停機(jī)，切斷電源。

五、實驗結(jié)果

硫化壓力（表壓）：_______MPa

硫化溫度：　　　　_______℃

硫化時間：　　　　_______min

六、安全事項

1．模具須位于平板中間，以免受力不均，從而導(dǎo)致制品厚薄不均。

2．硫化時，溫度和壓力必須嚴(yán)格控制，上下模具溫度盡量保持一致，操作時應(yīng)戴好手套，嚴(yán)防燙傷。

七、思考題

1．硫化過程中為什么要放氣？

2．在硫化操作中應(yīng)該注意哪些問題？

3．如何計算本實驗中疲勞及磨耗試樣的硫化壓力？

實驗七　摩擦材料與制品制備及性能評價

一、實驗?zāi)康?/p>

了解摩擦材料的制備工藝，學(xué)會使用定速式摩擦實驗機(jī)評價制品性能。

二、實驗原理

隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，各種機(jī)器和結(jié)構(gòu)的功率、速度和負(fù)荷迅速增加，對摩擦材料的要求也越來越高。由摩擦材料制成的零件和其對偶組成的摩擦部件是機(jī)器中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械、鐵道車輛、飛機(jī)和汽車中的摩擦制動器、離合器等。它決定了機(jī)器工作的可靠性和壽命，有時甚至決定人們的生命安全。對摩擦材料的基本要求是：由其制造的摩擦零件在摩擦副中能將工作時大量動能短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，摩擦材料經(jīng)多次制動而摩擦零件和對偶材料沒有大的損傷，不影響工作性能，也就是說摩擦材料要滿足性能穩(wěn)定、使用壽命長和工作平穩(wěn)等相關(guān)的綜合要求。

聚合物摩擦復(fù)合材料具有原料易得，價格便宜，性能調(diào)控余地大，工藝及生產(chǎn)設(shè)備簡單等優(yōu)點，是最早應(yīng)用于汽車和機(jī)械工業(yè)中的摩擦材料。汽車離合器和制動器對聚合物摩擦復(fù)合材料的要求是：（1）要有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較低的磨損率；（2）較高的耐熱性能和足夠的強(qiáng)度和韌性；（3）耐汽油、水等介質(zhì)；（4）噪音低；（5）成本適宜。以改性酚醛樹脂為黏結(jié)劑的混雜纖維摩擦復(fù)合材料，可以使制品硬度降低，柔韌性增加，在摩擦發(fā)熱時可產(chǎn)生塑性變形，增加了摩擦的接觸面，從而提高了摩擦系數(shù)，并在某種程度上可防止噪音，形成又軟又有韌性的碳化膜，不易脫落，使表面組成和發(fā)熱均一，從而保證穩(wěn)定的摩擦性能。聚合物基摩擦復(fù)合材料一般包括以下三個組分。

1．聚合物基體。大量使用改性酚醛樹脂，改性目的是增加酚醛樹脂的耐熱性，在高溫分解后仍能維持一定強(qiáng)度，改善其脆性及增強(qiáng)其共混效果。酚醛樹脂的改性物中較多使用油脂及腰果殼油，亦可采用硼酚醛；采用一些耐高溫的非酚醛型聚合物，如聚芳酯、聚芳酰胺、聚芳亞胺等也是有益的。其他使用的聚合物有三聚氰胺甲醛樹脂、呋喃樹脂、聚酚醚樹脂等。

2．增強(qiáng)材料。目前大力發(fā)展非石棉型摩擦材料，增強(qiáng)材料有天然吹煉成的礦物纖維、鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維和有機(jī)纖維等，對纖維進(jìn)行表面處理對于提高摩擦材料性能是很重要的。

3．摩擦性能調(diào)節(jié)劑。摩擦材料除了增強(qiáng)材料和聚合物所呈現(xiàn)的摩擦性能以外，不足之處往往依靠各種摩擦性能調(diào)節(jié)劑來彌補(bǔ)。例如，摩擦材料的預(yù)期摩擦效果、磨損的減少、提高恢復(fù)性、改善熱衰退、降低噪音以及在水、油存在時的摩阻效率的保持等，都和摩擦性能調(diào)節(jié)劑的加入及用量有關(guān)。摩擦性能調(diào)節(jié)劑主要有下列幾種：

（1）無機(jī)填料。一般用的多的有各種天然礦石、合成氧化物及鹽類。如陶土、高嶺土、云母、硫酸鋇（包括重晶石）、氧化鋇、三氧化二鋁（包括鋁礬土）等。

（2）有機(jī)摩擦粉。炭黑、石墨、橡膠粉、炭化腰果殼粉等。

（3）金屬。主要是減少磨損、改善導(dǎo)熱性及高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定性。有人認(rèn)為在表面層的某些金屬碎屑，當(dāng)摩擦溫度接近其熔點時，金屬的熔融涂層對摩擦表面起一定的增強(qiáng)作用。采用的形式有金屬粉、金屬屑、絲狀物等，采用的金屬種類有鐵、銅、鋅、鋁等。

三、設(shè)備與原料

D-MS定速式摩擦實驗機(jī)，如圖3-7所示，高速混合機(jī)，平板硫化機(jī)。

酚醛樹脂粉，炭黑，鋼纖維，針狀硅灰石，硫酸鋇（粉狀）。

圖3-7　定速式摩擦材料實驗機(jī)

四、實驗步驟

1．摩擦材料制備

（1）摩擦材料配方（100份）：酚醛樹脂粉15～25，炭黑5～10，鋼纖維15～30，針狀硅灰石15～25，剩余部分為硫酸鋇（粉狀）。

（2）將各組分按配方稱重，采用干法混料，用高速混合機(jī)將原料混合均勻。將混合好的原料放置烘箱中烘干（70℃，2 h），待用。

（3）采用模壓成型工藝制備矩形摩擦片，壓制溫度為（160±5）℃，壓制壓力為（25±5）MPa。模壓過程中需放氣2～3次。具體模壓成型工藝請參照模壓成型實驗。

2．摩擦性能測試

（1）摩擦片的熱處理，先在溫度為130℃進(jìn)行2 h，然后150℃再進(jìn)行8 h。摩擦片摩擦性能按GB　5763—1998《汽車用制動器襯片》，采用D-MS定速式摩擦實驗機(jī)測試。

（2）從上面制備的摩擦片上割取兩個試樣，試樣片摩擦面尺寸為25 mm×25 mm，允許偏差為-0．2～0 mm。試樣厚度為5～7 mm，2個試樣的厚度差要小于0．2 mm。

（3）按實驗要求，確定砝碼重量，把砝碼掛在砝碼盤上。

（4）把試片裝到試片夾具的方孔中，上面裝上壓板，壓板的球面朝上。再把試片夾具裝到試片支撐臂的燕尾槽中。調(diào)節(jié)加壓桿的水平，使杠桿水平指示器指向零位，鎖緊。

（5）把熱電偶放到摩擦盤上，打開測溫開關(guān)，按啟動按鈕，在100℃以下的溫度進(jìn)行試片的磨合，至接觸面達(dá)95%以上。磨合之后，在常溫下用游標(biāo)卡尺測試其4個角和中心處的厚度，作好記錄并做好標(biāo)記。

（6）在實驗規(guī)定的溫度100℃下，作額定轉(zhuǎn)數(shù)（5　000轉(zhuǎn)）的實驗。記錄滾筒上裝上記錄紙，放下熱電偶，計數(shù)器清零，預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)數(shù)，按風(fēng)機(jī)啟動按鈕（也可在噴嘴加水調(diào)溫之前啟動），啟動主電動機(jī)，用粗微調(diào)噴嘴控制實驗溫度，允差±10℃，達(dá)到預(yù)設(shè)的額定轉(zhuǎn)數(shù)后，自動停機(jī)，記錄測量的試片厚度。

（7）使用同樣的方法在各個規(guī)定的實驗溫度（如150℃、200℃、250℃、300℃、350℃）下進(jìn)行實驗操作并作記錄。

（8）測試實驗結(jié)束后，待實驗機(jī)摩擦盤溫度降至100℃左右，方可關(guān)閉冷卻水和總電源。

五、結(jié)果記錄與處理

1．在測定圓盤旋轉(zhuǎn)5　000轉(zhuǎn)期間，圓盤溫度應(yīng)在1　500轉(zhuǎn)內(nèi)升至各個規(guī)定的實驗溫度。若不能在此轉(zhuǎn)數(shù)內(nèi)升到，可以使用輔助加熱裝置，使溫度達(dá)到規(guī)定的實驗溫度。

2．各實驗溫度下的摩擦系數(shù)計算公式為

式中：μ為摩擦系數(shù)；f為摩擦力（總摩擦距離后半部分穩(wěn)定的摩擦力平均值），f＝Ks（N）；F為加在試樣上的法向力（N）；K為彈簧常數(shù)（N/mm）；s為基線和曲線之間的距離（mm）。

各實驗溫度下磨損率的計算公式為

式中：w為磨損率（cm3/N·m）；r為試樣中心與圓盤旋轉(zhuǎn)軸中心的距離（15 cm）；n為實驗圓盤的總轉(zhuǎn)數(shù)；A為試樣摩擦面的總面積（cm2）；d 1為實驗前試樣的平均厚度（cm）；d 2為實驗后試樣的平均厚度（cm）；f m為實驗時總的平均摩擦力（N）。

3．在某一個溫度下實驗后，必須待試片完全冷卻，再測量其厚度。把幾種溫度實驗完，取下記錄紙，綜合分析，計算出各種溫度下實驗試片的摩擦系數(shù)。

六、注解

1．原料性質(zhì)

酚醛樹脂是最早進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的合成材料之一，由酚類單體與醛類單體經(jīng)縮聚反應(yīng)制成。酚類單體主要是苯酚、甲酚、苯酚的一元烷基衍生物等，醛類單體主要是甲醛，其次為糠醛等。依催化劑的不同分為兩種合成路線：在強(qiáng)酸性和弱酸性條件下合成的稱酸法樹脂；在堿性條件下合成的稱堿法樹脂。酚醛樹脂作為摩擦材料的黏結(jié)劑，其性能好壞直接影響摩擦制品的性能。普通酚醛樹脂由于較脆，其制品的抗沖擊性能較差，因此研究增韌酚醛是酚醛樹脂改性的重要方向。酚醛樹脂的增韌方法主要有接枝共聚、嵌段共聚、共混改性以及引入納米粒子增韌改性。

2．定速式摩擦實驗機(jī)

定速式摩擦實驗機(jī)是GB　5763—1998、GB/T　5764—1998、GB　12834—2000等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的摩擦實驗機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，是目前國內(nèi)廣泛使用的一種小樣品實驗機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)如下。電機(jī)功率：7．5 k W；加熱電源功率：4．0 k W；電源：380 V；摩擦盤：材料HT250、硬度HB180-220、珠光體組織；主軸轉(zhuǎn)速：400～500 r/min；加載：最小面壓，0．3 MPa，最大面壓，0．98 MPa；主機(jī)外形尺寸：1　750×1　250×1　420。

3．影響摩擦材料性能的因素

凡是影響摩擦特性的因素，對磨損也都有影響，如摩擦材料成分、負(fù)荷、滑動速度、溫度、潤滑情況、對摩材料性能、表面粗糙度等。摩擦材料的磨損，在低溫區(qū)主要屬于磨粒磨損和黏著磨損，而在高溫區(qū)，則受磨粒磨損、黏著磨損、熱疲勞磨損和熱氧化磨損影響，但由于后兩者的作用強(qiáng)度遠(yuǎn)大于前兩者，因而高溫區(qū)磨耗主要由熱疲勞磨損和熱氧化磨損控制。

七、安全提示

1．在制備摩擦材料時，由于平板硫化機(jī)工作在高溫高壓下，應(yīng)特別注意：不要將手或身體其他部位觸碰或伸入上、下模板中，以免發(fā)生燙傷或夾傷事故。

2．摩擦實驗機(jī)在安裝完試樣進(jìn)行測試前，一定要檢查是否把試片放入套板內(nèi)，在確定無誤后，方可開機(jī)，并且實驗者不要站在實驗機(jī)摩擦盤的切線方向，以免試片飛出傷人。

八、實驗前預(yù)習(xí)的問題

1．寫出制備半金屬型摩擦材料的工藝流程。

2．理解摩擦材料摩擦系數(shù)和磨損率的物理意義。

九、思考題

1．半金屬型摩擦材料各組分的作用是什么？

2．如何制備摩擦系數(shù)平穩(wěn)即摩擦系數(shù)隨溫度變化小的摩擦材料？

3．性能優(yōu)良的摩擦材料對酚醛樹脂性能有哪些要求？

實驗八　溶脹法測定交聯(lián)材料的交聯(lián)密度

一、實驗?zāi)康?/p>

掌握測定交聯(lián)密度的方法，通過交聯(lián)密度測定研究硫化膠的結(jié)構(gòu)、硫化程度。

二、實驗原理

線型聚合物在適當(dāng)?shù)娜軇┲心苋芙?，但?dāng)線型聚合物之間以化學(xué)鍵彼此聯(lián)結(jié)后，整個聚合物就形成了體型大分子（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)），這種交聯(lián)聚合物不能被溶劑溶解，而只能被溶劑分子溶脹，因此常用單位體積內(nèi)交聯(lián)點的數(shù)目或者是交聯(lián)點之間分子鏈的平均相對分子質(zhì)量來作為判斷交聯(lián)程度的指標(biāo)。這一指標(biāo)是以一定量交聯(lián)聚合物達(dá)到溶脹平衡后在交聯(lián)聚合物內(nèi)所吸收溶劑的多少來具體反映，或者用聚合物占溶脹物的體積分?jǐn)?shù)表示。另外，吸收溶劑的多少，一方面與交聯(lián)點的多少有關(guān)，同時也與溶脹的溫度有關(guān)。

橡膠經(jīng)過交聯(lián)能改善性能，未硫化的生膠很軟，容易形變，外力去除后仍保留較大的不可逆形變。為了避免產(chǎn)生不可逆形變，因此生膠必須經(jīng)過硫化交聯(lián)。但是，隨著交聯(lián)度的增加，鏈段活動性降低，使得橡膠變硬，產(chǎn)生的高彈性形變減小。因此，要通過控制適當(dāng)?shù)牧蚧瘲l件來保持適當(dāng)?shù)慕宦?lián)度。本實驗就是采用溶脹法來測定不同硫化程度橡膠的交聯(lián)度。

Flory-Rehner公式可以計算交聯(lián)密度：

式中：v為單位質(zhì)量橡膠中網(wǎng)絡(luò)鏈數(shù)（mol/g）；n為單位質(zhì)量橡膠中交聯(lián)鍵數(shù)（mol/g）；V r為在溶脹樣品中橡膠體積分?jǐn)?shù)；V 0為未溶脹樣品中橡膠體積分?jǐn)?shù)；V s為溶劑的摩爾體積（cm3/mol）；ρr為生膠密度（g/cm3）；μ為橡膠與溶劑相互作用參數(shù)。

其中，

式中：m0為溶脹樣品中橡膠的質(zhì)量（g）；m1為溶脹樣品中溶劑的質(zhì)量（g）；m1＝ms-m0；ms為試樣溶脹平衡后的質(zhì)量（g）；ρs為溶劑的密度（g/mL）；ρr為生膠的密度（g/cm3）；α為配方中生膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（α＝W生膠/W混煉膠）。

式中：mr為生膠的質(zhì)量（g）；mc為炭黑的質(zhì)量（g）；ρr為生膠的密度（g/cm3）；ρc為炭黑的密度（g/cm3）。

式中：Ms為溶劑的相對分子質(zhì)量（g/mol）；ρs為溶劑的密度（g/m L）。

將公式（2）、（3）、（4）代入公式（1），即可求出交聯(lián)密度。

溶脹法測定交聯(lián)度只適用于中等交聯(lián)程度的聚合物。交聯(lián)度太高，相鄰交聯(lián)點之間的分子鏈太短，缺乏應(yīng)有的柔性，溶脹體積增量很小，實驗誤差很大；相反，交聯(lián)度太低，樣品會存在大量的自由鏈端，它們可以自由運動，沒有起到交聯(lián)的作用，對溶脹性沒有貢獻(xiàn)，也會引起較大誤差。

三、實驗儀器和試樣

實驗儀器：

恒溫水浴　　　　　　1套

大試管（帶塞子）　　若干支

50毫升燒杯　　　　　1個

稱量瓶　　　　　　　1支

剪刀　　　　　　　　1把

濾紙　　　　　　　　若干

鑷子　　　　　　　　1把

分析天平　　　　　　精度0.001g實驗試樣：

不同交聯(lián)度的順丁橡膠，取1 cm2左右，溶劑為苯。順丁橡膠在30℃的苯溶液中μ＝0．39，苯ρs＝0．874 g/m L，順丁橡膠的生膠ρr＝0．91 g/cm3，高耐磨炭黑ρc＝1．82 g/cm3。

四、實驗步驟

1．取一定面積（1 cm2左右）硫化膠試片，用分析天平準(zhǔn)確稱量到0．001 g，即為m0。

2．恒溫水浴控制水溫為30℃，將大試管中裝入苯（苯的量到試管的三分之一處），將塞子塞好后放入恒溫水槽中升溫穩(wěn)定在30℃。

3．將稱好的試樣用鑷子夾住分別放入盛有溶劑的試管中，塞好塞子進(jìn)行溶脹。

4．待溶脹平衡后（樣品的體積不再增加，說明達(dá)到溶脹平衡），取出瓶中樣品，用濾紙迅速吸去試樣表面多余的苯（注意：切勿擠壓試樣），立刻移入已稱量的稱量瓶中，準(zhǔn)確稱量到0．001 g，即為ms。

5．將測試的數(shù)據(jù)代入公式計算不同試樣的交聯(lián)密度。

五、實驗注意事項

1．操作過程中注意安全，要求符合一般化學(xué)實驗的要求。

2．稱量準(zhǔn)確，切勿擠壓試樣。

3．實驗完畢，收拾實驗現(xiàn)場。

六、思考題

1．溶脹法測定聚合物的交聯(lián)密度有什么優(yōu)點和局限性？

2．樣品交聯(lián)度過高或者過低對結(jié)果有何影響，為什么？

3．線性聚合物和體型聚合物在適當(dāng)溶劑中，它們的溶脹情況有何區(qū)別？

實驗九　硫化橡膠耐磨耗、屈撓龜裂測定

一、實驗?zāi)康?/p>

了解硫化橡膠磨耗原理，掌握阿克隆磨耗實驗機(jī)使用方法；了解硫化橡膠屈撓龜裂的原理，學(xué)會De Mattia屈撓實驗機(jī)的使用方法。

二、實驗原理

橡膠的磨耗是由于橡膠表面發(fā)生微觀破裂而脫落的現(xiàn)象，這種破壞現(xiàn)象或者由于橡膠在粗糙表面上摩擦?xí)r，由于摩擦表面上尖銳的刮擦，使橡膠表面產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中點橡膠被強(qiáng)烈扯斷成微小顆粒而脫落所造成的；或者由于橡膠與相對光滑的摩擦面摩擦?xí)r，在高摩擦高滑動條件下，表面起卷剝離而產(chǎn)生；或者由于反復(fù)變形而損壞所造成的，也可能由于橡膠表面薄層內(nèi)的溫度遠(yuǎn)高于橡膠的熱分解溫度，從而使橡膠薄層脫離下來所造成的，橡膠磨耗性能與其他物性也有一定的相關(guān)性。

橡膠的磨耗實驗機(jī)有多種，本實驗采用目前仍在我國廣泛使用的阿克隆磨耗實驗機(jī)。其測試原理是，使環(huán)行試樣在一定負(fù)荷下，以一定傾斜角與砂輪接觸進(jìn)行滾動摩擦，測試試樣在一定行程內(nèi)的磨損體積。

硫化橡膠在反復(fù)屈撓過程中，拉伸應(yīng)力集中部位將產(chǎn)生龜裂口，此裂口在與應(yīng)力垂直的方向上擴(kuò)展，因此，大體上可將硫化橡膠的屈撓龜裂分為兩個階段：第一為初始裂口的產(chǎn)生階段，第二為裂口的擴(kuò)展階段。不同硫化橡膠，其初始裂口的產(chǎn)生和抗裂口擴(kuò)展性能不同。有些硫化橡膠，其耐初始裂口產(chǎn)生的性能較好，而抗裂口擴(kuò)展的性能較差，反之亦然。影響硫化橡膠抗屈撓龜裂性能的因素很多，如膠料種類、配方、加工工藝、橡膠制品的使用環(huán)境等。此外，測定工具、測定條件、人為因素等對硫化膠屈撓龜裂實驗結(jié)果也有影響。

用屈撓龜裂方法可以測定硫化橡膠耐初始裂口的產(chǎn)生和耐裂口擴(kuò)展性能。本實驗采用De Mattia屈撓實驗機(jī)反復(fù)屈撓硫化橡膠試樣，測定其耐初始裂口產(chǎn)生和耐裂口擴(kuò)展的性能。

三、實驗儀器和試樣

磨耗實驗使用MZ-4061型阿克隆磨耗機(jī)，見圖3-8。

疲勞實驗使用MZ-4003型De Mattia屈撓實驗機(jī)，見圖3-9。

圖3-8　MZ-4061阿克隆磨耗機(jī)

圖3-9　MZ-4003屈撓實驗機(jī)

磨耗試樣為條狀，沿圓周粘固在一個膠輪上，試樣長為［（膠輪直徑＋試樣厚度）×3．14 ±0．5］mm，寬為（12．7±0．2）mm，厚為（3．2±0．2）mm，膠輪直徑為68 mm，厚度為（12．7± 0．2）mm，硬度為（邵爾A型）75～80。

疲勞試樣為帶有模壓溝槽（半圓形端面）的長條，也可為帶有模壓溝槽的矩形斷面的長條。試樣可用多模腔的模具硫化，模壓溝槽應(yīng)垂直于壓延方向。試樣模壓溝槽應(yīng)具有光滑的表面，并且沒有使龜裂過早開始的不規(guī)則現(xiàn)象。由于試樣厚度對實驗結(jié)果有較大的影響，所以接近溝槽測量時，厚度在允許公差范圍內(nèi)的試樣才具有可比性。硫化后試樣的停放時間不應(yīng)少于16 h，也不準(zhǔn)超過4星期，每種實驗材料的試樣不少于3個。

四、實驗步驟

1．磨耗實驗

（1）準(zhǔn)備工作：將經(jīng)打磨后的試樣用氯丁膠水沿圓周粘固在膠輪上，放置48 h后待用。

（2）把粘好試樣的膠輪固定在回軸上，接通電子計數(shù)器電源，打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)預(yù)置數(shù)按鍵至600轉(zhuǎn)（預(yù)磨時間為15～20 min）后，按下“啟動”開始預(yù)磨，當(dāng)記數(shù)達(dá)到預(yù)定值后，按下“清零”鍵，取下膠輪，用天平稱量，準(zhǔn)確到0．001 g。

（3）將預(yù)磨后的膠輪固定在膠輪軸上，調(diào)節(jié)預(yù)置數(shù)鍵至3　416轉(zhuǎn)（實驗里程為1．61 km）再進(jìn)行實驗，實驗結(jié)束后，取下試樣，刷去膠屑，在1小時內(nèi)稱量，準(zhǔn)確到0．001 g。

2．疲勞實驗

（1）調(diào)節(jié)偏心輪上的小桿，移動滑塊，滑塊上裝有指針，讓指針停在適當(dāng)位置，使下夾持器在滑柱上的移動距離為（57±0．5）mm，兩夾持器間最大距離為（75±1）mm。

（2）把兩夾持器分開到最大距離，裝上試樣，使試樣平展而不受張力，每個試樣的溝槽都應(yīng)位于兩夾持器的中間，且當(dāng)試樣屈撓時，溝槽應(yīng)向外彎曲。

（3）合上電源開關(guān)，啟動實驗機(jī)，每屈撓一萬次就停機(jī)，將兩夾持器分開到65 mm，檢查試樣龜裂等級，用游標(biāo)卡尺測取裂口長度，然后繼續(xù)實驗。

（4）將屈撓次數(shù)為橫坐標(biāo)，裂口長度為縱坐標(biāo)作圖，觀察裂口產(chǎn)生和擴(kuò)展情況。

五、實驗結(jié)果

1．磨耗實驗

試樣的磨耗體積按下式計算，

式中：V為磨耗體積（cm3/1．61km）；G1為實驗前試樣質(zhì)量（g）；G2為實驗后試樣質(zhì)量（g）；γ為試樣密度（g/cm3）。

代表每種實驗品性能的試樣不少于2個，取其算術(shù)平均值表示實驗結(jié)果。實驗結(jié)果記錄在表3-3中。

表3-3　硫化膠的磨耗實驗記錄

2．疲勞實驗

在不同的疲勞次數(shù)下，觀察裂口的產(chǎn)生和擴(kuò)展情況。硫化膠疲勞龜裂等級按下列等級分級。

1級：試樣出現(xiàn)肉眼可見像“針刺點”一樣的龜裂裂口，而且“針刺點”的數(shù)目不超過10個。

2級：如有下列情況之一時可作為2級。

a．“針刺點”樣的龜裂裂口數(shù)目超過10個；

b．“針刺點”樣的龜裂裂口數(shù)目雖然少于10個，但有1個或多個裂口已擴(kuò)展到超出“針刺點”的階段，即裂口擴(kuò)展長度不超過0．5 mm，沒有足夠的深度。

3級：1個或多個“針刺點”已變成明顯的裂口，即裂口有明顯的長度和極小的深度，其裂口長度大于0．5 mm，但不大于1．0 mm。

4級：最大裂口長度大于1．0 mm，不大于1．5 mm。

5級：最大裂口長度大于1．5 mm，小于或等于3．0 mm。

6級：最大裂口長度大于3．0 mm。

實驗數(shù)據(jù)應(yīng)取試樣數(shù)量的平均值，實驗結(jié)果記入表3-4。

表3-4　硫化膠的屈撓實驗記錄

六、注解

1．MZ-4061型阿克隆磨耗機(jī)

主要技術(shù)指標(biāo)：膠輪所受作用力為26．7 N，膠輪軸的回轉(zhuǎn)速度為（76±2）r/min，砂輪軸回轉(zhuǎn)半徑為（34±1）cm。膠輪軸和砂輪軸之間的角度為0°～45°。電源電壓為AC220 V±22 V。整個裝置包括傳動機(jī)構(gòu)、加荷機(jī)構(gòu)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電子計數(shù)裝置。

2．MZ-4003型De Mattia屈撓實驗機(jī)

主要技術(shù)指標(biāo)：下夾持器最高往復(fù)速度為300 c/min（5 Hz），上下夾持器可調(diào)節(jié)最大距離為200 mm，偏心輪可調(diào)節(jié)最大距離為50 mm，下夾持器最大往復(fù)行程為100 mm，計數(shù)范圍為0～9　999或0～99　999　999，可設(shè)定。MZ-4003型De Mattia屈撓實驗機(jī)主要由底座、滑柱、上下夾持器、支桿、上蓋、偏心輪機(jī)構(gòu)、數(shù)顯控制部分等組成。底座上裝有兩根滑柱，由箱體、上蓋、支桿形成一體。在實驗機(jī)的固定部件上備有可使試樣一端保持在固定位置的上夾持器，還有用來夾住試樣另一端的相類似的可往復(fù)移動下夾持器。下夾持器由連桿連接偏心輪，當(dāng)偏心輪回轉(zhuǎn)時，下夾持器即可沿兩夾持器中心線的方向做往復(fù)運動，在運動中兩夾持器的夾持面應(yīng)始終保持平行。下夾持器的運動頻率為（500±10）次/min，也可選用（300±10）次/min。數(shù)顯部分可直接顯示并控制往復(fù)次數(shù)，并根據(jù)要求調(diào)節(jié)下夾持器往復(fù)速度。

七、思考題

1．橡膠磨耗的影響因素是什么？

2．橡膠疲勞的影響因素是什么？

實驗十　塑料的耐燃燒性實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

了解塑料的可燃性和高分子材料阻燃性能的測試原理與表征方法；熟悉氧指數(shù)儀的組成、構(gòu)造，掌握氧指數(shù)測定和計算方法。

二、實驗原理

大部分塑料耐燃燒性不好，遇火極易燃燒，當(dāng)其應(yīng)用于工業(yè)以及日常生活中時，出于安全方面的考慮，人們往往對它的燃燒性能給予很大的重視。耐燃燒性能測試方法很多，有間接火焰法、直接火焰法、閃點和自燃點測定法及氧指數(shù)法等，本實驗介紹的是氧指數(shù)法。氧指數(shù)法可以用具體數(shù)值來評價塑料的耐燃燒性能。

氧指數(shù)法測定塑料燃燒性能是指在規(guī)定的實驗條件下［（23±2）℃］，在氧氣、氮氣的混合氣流中，測定剛好維持試樣燃燒所需要的最低氧氣濃度，并用混合氣體中氧氣含量的體積百分?jǐn)?shù)來表示。

三、實驗儀器和試樣

HC-2型氧指數(shù)儀，如圖3-10所示，點火器，秒表（能以±0．2 s的準(zhǔn)確度測量5 min以內(nèi)的時間）。

圖3-10　HC-2型氧指數(shù)儀

試樣類型、尺寸參見表3-5。

表3-5　試樣尺寸

注：

（1）不同型式、不同厚度的試樣，測試結(jié)果不可比。

（2）由于該實驗需要反復(fù)預(yù)測氣體的比例和流速，預(yù)測燃燒時間和燃燒長度，影響測試結(jié)果的因素比較多，因此試樣要準(zhǔn)備1個以上，并且尺寸規(guī)格、內(nèi)部質(zhì)量、均勻度要一致。

（3）試樣表面清潔，應(yīng)平整光滑，無氣泡、飛邊、毛刺等。

四、實驗步驟

1．在試樣的寬面上距離點火端50 mm處劃“標(biāo)記”線。

2．取下玻璃筒，放置一旁，將試樣垂直地裝在“試樣夾”上，裝上玻璃筒，要求試樣的上端到筒部頂端的距離不少于100 mm。

3．根據(jù)經(jīng)驗或者試樣在空氣中點燃的情況，估計所需要的初始氧濃度值，對于在空氣中很容易燃燒的試樣，初始氧濃度選在18%左右（或者以下）；如果試樣緩慢燃燒或者時斷時續(xù)，初始氧濃度選為21%左右；如果試樣在空氣中不著火，估計初始氧濃度在25%以上。

4．打開氧氣瓶和氮氣瓶，兩種氣體通過穩(wěn)壓閥減壓達(dá)到儀器的允許壓力范圍。調(diào)節(jié)兩種氣體的流量閥，使流入燃燒筒的氧、氮混合氣體達(dá)到預(yù)計的初始氧濃度，使混合氣體在（23±2）℃下，以（40±10）m L/s的流動速度流經(jīng)燃燒筒。

5．讓調(diào)節(jié)好的混合氣體流流動30秒以上，用氣流洗滌玻璃筒。然后用點火器點燃試樣的頂部，在確認(rèn)試樣頂部全部著火后，迅速移去點火器，立即開始計時，并觀察試樣的燃燒情況。

6．按照如下方法操作：①若試樣（50 mm長）燃燒時間不足180 s或者“火焰步伐”超過“標(biāo)記”線，就降低氧濃度；②若試樣（50 mm長）燃燒時間超過180 s或者“火焰步伐”不到“標(biāo)記”線，就增加氧濃度。如此反復(fù)，直到用①和②所得氧濃度之差小于0．5%，即可由該時的氧濃度計算所測試樣的氧指數(shù)。

五、實驗報告

按照下列公式計算氧指數(shù)［OI］：

式中：［O2］為氧氣流量（m L/min）；［N2］為氮氣流量（m L/min）。

取三次實驗結(jié)果的算術(shù)平均值作為該材料的氧指數(shù)。

六、注解

氧指數(shù)儀由燃燒筒、試樣夾、流量測量和控制系統(tǒng)（控制閥、轉(zhuǎn)子流量計等）、帶有壓力表的氧氣鋼瓶和氮氣鋼瓶（氣源、混合供氣管）、點火器等幾部分組成。

（1）燃燒筒。燃燒筒是內(nèi)徑為75 mm，高450 mm的耐熱透明玻璃管，垂直固定于可通入含氮氧混合氣體的基座上。試樣夾在筒內(nèi)下部約1/3處，試樣夾下方有金屬網(wǎng)。金屬網(wǎng)下方的筒內(nèi)底部用直徑3～5 mm的玻璃珠填充，填充高度到100 mm左右，金屬網(wǎng)用來遮擋塑料燃燒時的滴落物。燃燒筒的基座上安裝使混合氣體分布均勻的裝置，玻璃珠能達(dá)到混合氣體分布均勻的目的。燃燒筒基座應(yīng)安裝有水平調(diào)整器和指示器，以便使圓柱筒和安裝在其中的試樣垂直對中。

（2）試樣夾。試樣夾是在燃燒筒軸心位置上垂直地夾住試樣的構(gòu)件。對于自撐材料，試樣可用一個小夾子夾住，夾持處與燃燒范圍可能燒到的最近距離至少為15 mm。

（3）流量測量和控制系統(tǒng)。由壓力表、穩(wěn)壓閥、調(diào)節(jié)閥、管路和轉(zhuǎn)子流量計等組成。計算后的氧、氮氣體經(jīng)過混合氣室混合后由燃燒筒底部的進(jìn)氣口進(jìn)入燃燒筒。

（4）點火器。由裝有丁烷或者丙烷的小容器瓶、氣閥和內(nèi)徑為1 mm的金屬導(dǎo)管噴嘴組成，當(dāng)噴嘴處氣體點著時，其火焰的高度為6～25 mm，金屬導(dǎo)管從燃燒筒上方伸入筒內(nèi)，以點燃試樣。

點燃燃燒筒內(nèi)的試樣采用頂端點燃法。頂端點燃法：使火焰的最低可見部分接觸試樣頂端并覆蓋整個頂表面，勿使火焰碰到試樣的棱邊和側(cè)表面，在確認(rèn)試樣頂部全部著火后，立即移去點火器，開始計時或觀察試樣燒掉的長度。點燃試樣時，火焰作用的最長時間為30秒，若在30秒內(nèi)不能點燃，則應(yīng)增大氧的濃度，繼續(xù)點燃，直到30 s內(nèi)點燃為止。

（5）氣源。應(yīng)采用純度不低于98%的氧氣和氮氣作為氣源。

（6）排氣系統(tǒng)。應(yīng)能充分通風(fēng)或者排風(fēng)，及時排出燃燒生成的煙塵或者灰粒，但不干擾燃燒筒中的溫度和氣流速度。

七、實驗注意事項

1．注意點火安全，注意用氣安全，防止?fàn)C傷和燒傷。

2．實驗試樣的“標(biāo)記”線應(yīng)能清楚辨認(rèn)。

3．注意控制氧氣和氮氣的流速。

4．點火后應(yīng)立即開始計時，并隨時觀察試樣燃燒情況。

八、思考題

1．如何改進(jìn)材料的耐燃燒性能？

2．定性說明影響塑料氧指數(shù)測定的因素。

實驗十一　橡膠耐老化性實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

了解橡膠老化機(jī)理，掌握鼓風(fēng)老化實驗箱使用方法。

二、實驗原理

橡膠的老化是指生膠或橡膠制品在加工、儲存或使用過程中，由于受熱、光、氧等外界因素的影響使其發(fā)生物理或者化學(xué)變化，性能逐漸下降的現(xiàn)象。根據(jù)外部影響因素的不同，橡膠的老化通常分為：①熱氧老化，其影響因素為熱和氧的共同作用；②臭氧老化，其影響因素為熱和臭氧的共同作用；③疲勞老化，其影響因素為交變應(yīng)力同氧、臭氧的共同作用；④光氧老化，其影響因素為光與氧共同作用。其中橡膠的熱氧老化是最普通而且最重要的一種老化形式，本實驗著重研究橡膠的熱氧老化。

橡膠在熱氧老化過程中的反應(yīng)屬于自由基鏈?zhǔn)阶源呋趸磻?yīng)，其化學(xué)反應(yīng)可表示為：

在橡膠的自由基鏈?zhǔn)窖趸匣^程中，自由基鏈反應(yīng)可以因交聯(lián)或斷鏈而終止。因此在反應(yīng)過程中，可以發(fā)生交聯(lián)或斷鏈反應(yīng)。不同的橡膠，其熱氧老化模型不同，有的以交聯(lián)反應(yīng)為主，有的以斷鏈反應(yīng)為主。隨著分子結(jié)構(gòu)的改變，橡膠的性能隨之發(fā)生變化，可通過熱氧老化前后橡膠性能的改變來衡量老化程度。

通常在合成過程和加工過程中加入防老劑以阻滯橡膠在加工、儲存及使用過程中所產(chǎn)生的老化，常用的防老劑有胺類防老劑、酚類防老劑及有機(jī)硫化物類防老劑。

三、樣品及儀器

實驗中采用標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀拉伸樣條。

老化實驗采用401A鼓風(fēng)老化實驗箱，如圖3-11所示。老化溫度為100℃，老化時間為6小時。

圖3-11　401A鼓風(fēng)老化實驗箱

四、實驗步驟

將試樣用回形針固定于工作轉(zhuǎn)盤上，開啟老化實驗箱，6小時后取出物料，測定物料老化前后的拉伸性能，按下式計算老化系數(shù)。

五、思考題

試分析影響橡膠老化的主要因素。