橡胶硫化反应

一、橡胶硫化的定义与本质

二、硫化反应的核心原理

1. 硫化剂的作用
   • 硫磺硫化：最传统的硫化方式，硫磺在加热条件下分解为活性硫原子，与橡胶分子链中的双键发生加成反应，形成硫桥（-Sx-） 交联结构。交联密度（硫桥数量）决定橡胶的硬度和弹性，如天然橡胶常用硫磺硫化，硫含量越高，橡胶越硬（如硬橡胶）。
   • 过氧化物硫化：过氧化物分解产生自由基，引发橡胶分子链交联，适用于饱和橡胶（如三元乙丙橡胶 EPDM），交联结构不含硫，耐老化性更优。
   • 其他硫化体系：如金属氧化物（用于氯丁橡胶）、树脂硫化剂（用于丁基橡胶）等，根据橡胶种类和性能需求选择。
2. 交联反应的影响
   • 未硫化橡胶：分子链自由移动，受力易变形，耐温性差（如天然橡胶在 60℃以上易软化）。
   • 硫化后橡胶：三维网络结构限制分子链移动，受力时弹性变形能力增强，且不易因温度或外力永久变形。

三、硫化工艺的关键要素

1. 硫化体系配方
   • 硫化剂：硫磺（常用量 1-3 份，1 份 = 100g 橡胶中添加 1g）、过氧化二异丙苯（DCP）等。
   • 促进剂：加快硫化速度，减少硫磺用量，如噻唑类（促进剂 M）、次磺酰胺类（促进剂 CZ）。
   • 活化剂：增强促进剂效果，常用氧化锌（ZnO）与硬脂酸复配。
   • 防老剂：防止硫化橡胶老化，如胺类、酚类防老剂。
2. 硫化条件控制
   • 温度：提高温度可加快硫化速度，但温度过高会导致橡胶分子链断裂（过硫化），一般硫化温度为 140-200℃，具体取决于硫化剂种类（如硫磺硫化需 150℃以上，过氧化物硫化需 180℃以上）。
   • 时间：硫化时间与温度成反比，需通过硫化仪测定最佳硫化时间（如焦烧时间、正硫化时间），避免欠硫（强度不足）或过硫（弹性下降）。
   • 压力：压制硫化时需施加压力（5-20MPa），防止气泡产生，确保交联均匀，适用于模压制品（如轮胎胎面）。
3. 硫化工艺分类
   • 模压硫化：将混炼胶放入模具中加热加压成型，适用于轮胎、密封件等复杂形状制品。
   • 挤出硫化：通过挤出机将胶料挤出成型后，进入硫化罐或微波硫化隧道，适用于胶管、密封条等连续生产。
   • 注压硫化：将胶料注入模具并硫化，效率高，适用于精密制品（如 O 型圈）。

四、硫化程度的评估指标

1. 硫化特性曲线
   使用硫化仪测定，曲线显示胶料黏度随时间的变化：
   • 焦烧时间（T10）：胶料开始交联的时间，避免加工过程中提前硫化。
   • 正硫化时间（T90）：黏度达到稳定值 90% 的时间，此时橡胶性能最佳。
   • 硫化平坦期：正硫化时间后的平台期，工艺窗口越宽，越容易控制硫化质量。
2. 物理性能测试
   • 拉伸强度、断裂伸长率、硬度（邵氏硬度）、弹性恢复率等，硫化不足时强度低、弹性差，过硫化时硬度增加、伸长率下降。