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氟橡膠混合物
日期：2025-08-03 19:16
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摘要：
設(shè)計(jì)定制氟橡膠混合物 |
| 作者：Gary D.D 來源：RubberWorld |
| 定制混合物要求開發(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)。由于不同的物理性能之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，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(duì)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(cè)試計(jì)劃，然后實(shí)施這個(gè)測(cè)試計(jì)劃，*后分析他們得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些測(cè)試計(jì)劃可能會(huì)非常復(fù)雜，在設(shè)計(jì)、實(shí)施和分析上要做許多的試驗(yàn)測(cè)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，那么，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)的范圍。比如說，當(dāng)客戶需要*大限度的壓縮形變和*小的伸長(zhǎng)率時(shí)，混配料師可以利用其在混合物方面知識(shí)，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)間里快速得到可以滿足多種物理性能需求的簡(jiǎn)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)的方法是做一系列的實(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(jiǎn)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，特別是當(dāng)體系中存在相互作用時(shí)。但盡管如此，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**的代名詞）方法，利用以往的知識(shí)建立一套實(shí)驗(yàn)方法。雖然這樣的方法很省事、快捷，但是這種技巧只能告訴我們某一種特定的混合物是否能滿足需求，并且只能給實(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)或者一系列設(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(jiǎn)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(cè)樣品在實(shí)驗(yàn)室壓力（大氣壓）和177℃下硫化10分鐘，然后在表中所示的條件下進(jìn)行二次硫化。物理測(cè)試與下面所示的測(cè)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(cè)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(cè)量未硫化橡膠的流變性質(zhì)。 在每一個(gè)例子中，測(cè)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），并且擁有良好的橡膠-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。在這里我們?cè)O(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(duì)材料性能的影響。 3號(hào)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(píng)估。客戶表示，該混合物在他們的加工過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(cè)試中，該混合物并不能達(dá)到客戶所需要的物理性能標(biāo)準(zhǔn)。于是，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(duì)*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)。這里所選擇的時(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系的二次硫化條件的范圍。根據(jù)客戶的要求，我們?cè)黾恿说?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)到上面提到的物理性能要求。 由于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： ☆ 溫度的影響要大于時(shí)間的影響； ☆ 在所有的測(cè)試條件中，拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都超出了目標(biāo)值； ☆ 伸長(zhǎng)率隨著二次硫化溫度的增高而降低； ☆ 壓縮形變大于目標(biāo)值，并且我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，它的值不受二次硫化條件的影響； ☆ 在所有的被測(cè)樣品中，該混合物的模量都沒有達(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)整二次硫化條件并不能使混合物滿足客戶對(duì)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(duì)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(zhǎng)率，客戶提出的目標(biāo)值對(duì)于氟橡膠來說顯得比較高。此外，客戶還對(duì)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。客戶沒有對(duì)硫化條件做規(guī)定，我們?cè)诩訅毫蚧投瘟蚧髮?duì)樣品進(jìn)行測(cè)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(duì)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。替換硫化劑的類別對(duì)產(chǎn)品物理性能的影響很小。所有的被測(cè)混合物的硬度計(jì)硬度都沒有達(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(duì)產(chǎn)品的物理性能并沒有多大改善，所以我們?cè)谠瓉淼木酆衔锖土蚧愋偷幕A(chǔ)上，對(duì)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(zhǎng)率都更接近于客戶的需求，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)。 由于還沒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。用于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(duì)比，高比表面積的二氧化硅在較低裝填量的條件下作對(duì)比。填料的研究結(jié)果總結(jié)于表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?cè)谄渲辛硗馓砑恿肆蚧瘎Ｅc預(yù)料的一樣，沒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(cè)填料對(duì)混合物性能的影響。這三個(gè)因素為：二氧化硅填料的表面積，硫化劑的數(shù)量和對(duì)原生礦物填料的硅烷化處理，硅酸鈣。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(cè)試結(jié)果列于表6中。雖然，在給定的硫化條件下，沒有一個(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，并且可以從這些數(shù)據(jù)中定量出每一種輸入變量的影響。混合物E7滿足了模量和拉伸強(qiáng)度的需求，并且展現(xiàn)了良好的伸長(zhǎng)性能。 混合物F2是基于混合物E7的一種改良產(chǎn)品，它用另一種來源的高比表面積二氧化硅代替了原來相應(yīng)的組分，并調(diào)整了硅酸鈣成分，使混合物滿足硬度計(jì)硬度的目標(biāo)值。除了斷裂伸長(zhǎng)率，該混合物滿足了其它所有的物理性能要求。客戶也接受了該混合物，拿去進(jìn)行成型試驗(yàn)和產(chǎn)品評(píng)估。 ◆ 案例4 大多數(shù)氟橡膠聚合物在經(jīng)過共混后，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，并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(duì)45硬度級(jí)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分鐘后還沒有完全硫化。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(jí)的目標(biāo)值范圍（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(duì)45硬度級(jí)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(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的物理性能。實(shí)驗(yàn)案例描述了為客戶快速定制設(shè)計(jì)特定需求的氟橡膠混合物的可行性。 |