摘 要：隨著工業(yè)的發(fā)展和橡膠應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)橡膠制品的尺寸精度要求日益嚴(yán)格。介紹了橡膠材料在硫化后，制品產(chǎn)生尺寸收縮的原理和分類，論述了生膠種類、橡膠配方、硫化工藝和計(jì)量方法等因素對(duì)橡膠制品尺寸收縮的影響，并指出各因素對(duì)尺寸影響的機(jī)理。列舉了目前橡膠材料收縮率的檢測(cè)方法和計(jì)算方法，對(duì)比了各種檢測(cè)方法的適用性和局限性，并提出橡膠材料收縮率新的檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：橡膠；收縮率；影響因素；測(cè)試方法

橡膠作為彈性體，在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)與塑料材料成型時(shí)一樣，設(shè)計(jì)人員要在橡膠制品成型時(shí)預(yù)先考慮到橡膠收縮而后才設(shè)計(jì)橡膠模具[1]，但要獲得尺寸精良的制品還是很難，這是因?yàn)橄鹉z在成型后進(jìn)行收縮，同時(shí)橡膠制品可彈性伸縮；因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的橡膠制品的公差較大。隨著航空航天、電子和汽車等工業(yè)科技的發(fā)展，各類橡膠的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)橡膠零件的尺寸精度要求也越來越高。電連接器產(chǎn)品上的橡膠密封件如圖1所示，在φ31.6 mm的端面內(nèi)分布128個(gè)通孔，要求每2個(gè)孔的圓心位置精度控制在≤0.05 mm，可見，生產(chǎn)高精度的橡膠零件是橡膠制品行業(yè)的追求目標(biāo)。

1 原理

影響橡膠制品尺寸的關(guān)鍵因素是膠料硫化后的冷卻收縮。

橡膠材料在壓制、加熱硫化過程中，膠料內(nèi)部發(fā)生變形和交聯(lián)，同時(shí)產(chǎn)生熱膨脹力。硫化膠料在冷卻過程中，應(yīng)力趨于消除，橡膠質(zhì)制品的線性尺寸成比例縮小[2]，同時(shí)，橡膠在硫化(交聯(lián))過程中由線型結(jié)構(gòu)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膠料會(huì)聚集收縮；因此，橡膠模壓制品在完成硫化并從模型中取出、冷卻后，尺寸、面積和體積按收縮情況具體可分為線收縮率、面收縮率和體積收縮率[3]。本文對(duì)橡膠的線收縮率進(jìn)行研究。

2 影響因素

2.1 生膠種類

結(jié)構(gòu)是高分子材料性能的物質(zhì)基礎(chǔ)，與塑料、纖維同為三大合成材料的橡膠，其主要性能由分子結(jié)構(gòu)決定。不同種類的橡膠，其分子結(jié)構(gòu)中均包含復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)、分子間的復(fù)雜的相互作用決定其性能各異，并直接導(dǎo)致各種橡膠硫化成型后的收縮率不同。不同種類的橡膠的收縮率見表1。

表1 不同種類橡膠收縮率

   橡膠種類收縮率/%天然橡膠1.2～2.0丁腈橡膠1.5～2.0丁苯橡膠2.0氯丁橡膠2.0乙丙橡膠1.5～2.0硅橡膠2.5～3.0氟橡膠2.5～3.0氯硅橡膠2.5～3.0

2.2 配方

在橡膠的配方中，生膠是主導(dǎo)因素，因此不同種橡膠的收縮率存在不同程度的差異。為獲得橡膠所需的性能，應(yīng)在橡膠中加入一定的填充劑、硫化劑和其他物質(zhì)。典型的硫化橡膠是分子呈三維空間排布的聚合物母體，在其中常摻用炭黑或其他添加劑制成復(fù)合材料制品。橡膠的大分子鏈網(wǎng)絡(luò)間存在較大自由空間，當(dāng)膠料中的其他組分進(jìn)入后，就填充到空隙中去，壓縮了自由空間，使收縮率下降；因此，在同種橡膠的不同配方中，收縮率也不一致。同種生膠的硅橡膠經(jīng)不同改性后的收縮率見表2。

表2 不同改性方法的硅橡膠收縮率

硅橡膠狀態(tài)收縮率/%生膠2.5～3.0普通補(bǔ)強(qiáng)硅橡膠2.1～2.8導(dǎo)電硅橡膠1.3～1.5

虞福榮[4]指出：膠料中填充劑用量越多，收縮率越?。缓z量越高，收縮率越大；當(dāng)邵氏硬度≤90度時(shí)，膠料的硬度越高，收縮率越小。

2.3 硫化工藝

硫化是改變橡膠化學(xué)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)橡膠質(zhì)量的必需的工藝過程，其對(duì)橡膠的收縮率有著重要的影響。

2.3.1 成型方法

注射法制品比模壓法制品的收縮率小，這是因?yàn)樵谧⑸涑尚蜁r(shí)，膠料已在塑化裝置內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，可以更好地充滿模腔，而且在螺桿的作用下，一直進(jìn)行補(bǔ)膠；因此，制品的密度偏高，收縮率偏小。

2.3.2 硫化溫度

每種膠料都有最佳的成型溫度，也就是正硫化溫度。在成型溫度超過正硫化溫度的情況下，溫度越高，收縮率越大。制品在較高的溫度下，體積膨脹較大，冷卻時(shí)自然收縮較大；同時(shí)溫度過高，會(huì)造成橡膠分子鏈的裂解，導(dǎo)致制品性能下降[5]；因此，不能為提高效率而無限制地提高硫化溫度，否則制品的性能無法保證。在一般情況下，溫度每升高10 ℃，其收縮率就增加0.1%～0.2%。很多專業(yè)人士認(rèn)為，硫化溫度是橡膠收縮率的主要影響因素之一。

2.3.3 壓延(流動(dòng))方向

橡膠制品在成型時(shí)，分子鏈在壓延(流動(dòng))方向得到取向，成型后的解取向又會(huì)引起膠料在長(zhǎng)、寬、厚等各個(gè)方向收縮率不一樣：膠料壓延方向和在模具中流動(dòng)方向的收縮率大于垂直方向的收縮率；流動(dòng)距離越長(zhǎng)，收縮率越大。

2.4 尺寸計(jì)量

由于橡膠的彈性變形特征，使制件的尺寸測(cè)量變得困難。膠圈試樣一般用顯微鏡測(cè)量，長(zhǎng)方形和正方形試樣用直尺測(cè)量[6]。對(duì)收縮率的檢測(cè)，筆者認(rèn)為應(yīng)采用GB/T 5723中的方法D進(jìn)行，利用誤差≤1%或0.01 mm的光學(xué)儀器進(jìn)行無接觸的尺寸計(jì)量。

3 檢測(cè)及計(jì)算方法

影響橡膠收縮率的因素較多，到目前為止，得到官方認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化的橡膠收縮率計(jì)算公式還很少，而且應(yīng)用還有一定的局限性，大多數(shù)情況下測(cè)定出的數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)經(jīng)過修正。

3.1 橡膠制品與模腔相應(yīng)尺寸計(jì)算

計(jì)算式如下：

(1)

式中，C是膠料的收縮率；L1是室溫時(shí)測(cè)得的橡膠制品尺寸；L2是室溫時(shí)測(cè)得的模具型腔尺寸。

式1計(jì)算方法已被GJB 5873—2006采用，筆者認(rèn)為該公式是簡(jiǎn)單明了的，但是結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試片及取值方法，使得該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用有局限性。正如該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍所規(guī)定的一樣，其只適合于模壓成型膠料的收縮率的確定。因?yàn)槠湟?guī)定的試片為模壓圓形(見圖2)，利用上述公式計(jì)算出各方向的收縮率，從而取最大值、最小值和平均值，而沒有涵蓋注射成型(含傳遞成型)時(shí)膠料的流動(dòng)方向和垂直方向，也就是說所得到的數(shù)據(jù)，不一定就是該膠料收縮的最大值和最小值。因在橡膠收縮率的檢測(cè)方面沒有其他更好的官方規(guī)定，所以，該試驗(yàn)方法已用于沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司橡膠材料的入廠性能檢測(cè)上。

3.2 硬度經(jīng)驗(yàn)公式

硬度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

C=(2.8-0.02K)×100%

(2)式中，K是橡膠的邵氏硬度。

式2為經(jīng)驗(yàn)公式，通過橡膠的硬度可以大致估算出膠料的收縮率，但偏差較大，因其只考慮了硬度，而其他重要影響因素均未納入，所以只適用于橡膠性能的大致估算，對(duì)生產(chǎn)精度較高的橡膠制品來講，實(shí)際應(yīng)用意義不大。某型硅橡膠在2015年的采購批次進(jìn)行的收縮率檢測(cè)與按式2計(jì)算的結(jié)果對(duì)比見表3，表3中的收縮率實(shí)測(cè)值是按GJB 5873—2006的規(guī)定測(cè)得。由表3可知，按經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)值明顯偏小。

表3 硅橡膠收縮率的實(shí)測(cè)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比

批次序號(hào)硬度(邵氏A)/度收縮率/%計(jì)算值實(shí)測(cè)值1521.762.62521.762.293501.82.24501.82.385511.782.526511.782.067501.82.298501.82.9

3.3 線脹溫度系數(shù)法

計(jì)算式如下：

C=(α-β)ΔT×100%

(3)式中，α是橡膠的線性膨脹系數(shù)；β是模具材料的線性膨脹系數(shù)；ΔT是硫化溫度與室溫(20 ℃)差值。

3.4 橡膠體積分法

計(jì)算式如下：

C=(α-β)ΔTR×100%

(4)式中，R是生膠、硫磺或有機(jī)配合劑在橡膠中的體積百分?jǐn)?shù)。

式3和式4作為一種經(jīng)驗(yàn)公式，表示各參數(shù)之間的關(guān)系。筆者認(rèn)為于實(shí)際應(yīng)用意義不大，因?yàn)椴煌浞降慕M分會(huì)使混煉膠料的線性膨脹系數(shù)也不同，對(duì)于新配方來說，該指標(biāo)也是未知的，但對(duì)于模具的型腔尺寸預(yù)留來說有一定的參考價(jià)值。劉洪認(rèn)為，式3適用于模具和產(chǎn)品實(shí)樣均已具備的情況，對(duì)生產(chǎn)單位比較適用，而式4適用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖樣及膠料配方已經(jīng)具備，但模具尚在加工之中的情況。

3.5 新方法探討

筆者更傾向于采用下述方法來確定橡膠材料的收縮率，在此提出，供專業(yè)人士探討。

該方法是參照熱塑性塑料的收縮率檢測(cè)方法(見GB/T 17037.4—2003)，采用的試片尺寸為60 mm×60 mm×5 mm(見圖3)，澆口成形在一側(cè)，與澆口平行方向?yàn)槟z料的流動(dòng)方向。計(jì)算時(shí)，應(yīng)測(cè)量平行方向和垂直方向的試片和模具型腔的尺寸，再利用式1計(jì)算出收縮率，這樣基本可確定該種膠料的收縮率極限值，也就確定了膠料的收縮率范圍。

4 結(jié)語

橡膠制品的收縮率與諸多因素有關(guān)，包括生膠的種類、膠料的配方和硫化工藝等。雖然無法保證每一環(huán)節(jié)不發(fā)生變化，但通過質(zhì)量控制，可最大限度地降低各因素對(duì)收縮率的影響，使膠料的收縮率控制在一定范圍內(nèi)。橡膠收縮率的檢測(cè)方法和計(jì)算公式也有很多，但形成標(biāo)準(zhǔn)的通用方法還有待探討和制訂，以規(guī)范橡膠制品的生產(chǎn)和提高橡膠制品的尺寸精度，來滿足日益發(fā)展的工業(yè)需求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：韓繼先(1977-)，男，高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事新材料應(yīng)用等方面的研究。