橡胶材料收缩率研究

摘 要：随着工业的发展和橡胶应用领域的扩大，对橡胶制品的尺寸精度要求日益严格。介绍了橡胶材料在硫化后，制品产生尺寸收缩的原理和分类，论述了生胶种类、橡胶配方、硫化工艺和计量方法等因素对橡胶制品尺寸收缩的影响，并指出各因素对尺寸影响的机理。列举了目前橡胶材料收缩率的检测方法和计算方法，对比了各种检测方法的适用性和局限性，并提出橡胶材料收缩率新的检测方法。

关键词：橡胶；收缩率；影响因素；测试方法

橡胶作为弹性体，在工业上应用时与塑料材料成型时一样，设计人员要在橡胶制品成型时预先考虑到橡胶收缩而后才设计橡胶模具[1]，但要获得尺寸精良的制品还是很难，这是因为橡胶在成型后进行收缩，同时橡胶制品可弹性伸缩；因此，国家标准规定的橡胶制品的公差较大。随着航空航天、电子和汽车等工业科技的发展，各类橡胶的应用领域不断扩大，对橡胶零件的尺寸精度要求也越来越高。电连接器产品上的橡胶密封件如图1所示，在φ31.6 mm的端面内分布128个通孔，要求每2个孔的圆心位置精度控制在≤0.05 mm，可见，生产高精度的橡胶零件是橡胶制品行业的追求目标。

1 原理

影响橡胶制品尺寸的关键因素是胶料硫化后的冷却收缩。

橡胶材料在压制、加热硫化过程中，胶料内部发生变形和交联，同时产生热膨胀力。硫化胶料在冷却过程中，应力趋于消除，橡胶质制品的线性尺寸成比例缩小[2]，同时，橡胶在硫化(交联)过程中由线型结构变成网状结构，胶料会聚集收缩；因此，橡胶模压制品在完成硫化并从模型中取出、冷却后，尺寸、面积和体积按收缩情况具体可分为线收缩率、面收缩率和体积收缩率[3]。本文对橡胶的线收缩率进行研究。

2 影响因素

2.1 生胶种类

结构是高分子材料性能的物质基础，与塑料、纤维同为三大合成材料的橡胶，其主要性能由分子结构决定。不同种类的橡胶，其分子结构中均包含复杂的化学结构和物理结构，分子内、分子间的复杂的相互作用决定其性能各异，并直接导致各种橡胶硫化成型后的收缩率不同。不同种类的橡胶的收缩率见表1。

表1 不同种类橡胶收缩率

   橡胶种类收缩率/%天然橡胶1.2～2.0丁腈橡胶1.5～2.0丁苯橡胶2.0氯丁橡胶2.0乙丙橡胶1.5～2.0硅橡胶2.5～3.0氟橡胶2.5～3.0氯硅橡胶2.5～3.0

2.2 配方

在橡胶的配方中，生胶是主导因素，因此不同种橡胶的收缩率存在不同程度的差异。为获得橡胶所需的性能，应在橡胶中加入一定的填充剂、硫化剂和其他物质。典型的硫化橡胶是分子呈三维空间排布的聚合物母体，在其中常掺用炭黑或其他添加剂制成复合材料制品。橡胶的大分子链网络间存在较大自由空间，当胶料中的其他组分进入后，就填充到空隙中去，压缩了自由空间，使收缩率下降；因此，在同种橡胶的不同配方中，收缩率也不一致。同种生胶的硅橡胶经不同改性后的收缩率见表2。

表2 不同改性方法的硅橡胶收缩率

硅橡胶状态收缩率/%生胶2.5～3.0普通补强硅橡胶2.1～2.8导电硅橡胶1.3～1.5

虞福荣[4]指出：胶料中填充剂用量越多，收缩率越小；含胶量越高，收缩率越大；当邵氏硬度≤90度时，胶料的硬度越高，收缩率越小。

2.3 硫化工艺

硫化是改变橡胶化学结构和改进橡胶质量的必需的工艺过程，其对橡胶的收缩率有着重要的影响。

2.3.1 成型方法

注射法制品比模压法制品的收缩率小，这是因为在注射成型时，胶料已在塑化装置内进行预热，可以更好地充满模腔，而且在螺杆的作用下，一直进行补胶；因此，制品的密度偏高，收缩率偏小。

2.3.2 硫化温度

每种胶料都有最佳的成型温度，也就是正硫化温度。在成型温度超过正硫化温度的情况下，温度越高，收缩率越大。制品在较高的温度下，体积膨胀较大，冷却时自然收缩较大；同时温度过高，会造成橡胶分子链的裂解，导致制品性能下降[5]；因此，不能为提高效率而无限制地提高硫化温度，否则制品的性能无法保证。在一般情况下，温度每升高10 ℃，其收缩率就增加0.1%～0.2%。很多专业人士认为，硫化温度是橡胶收缩率的主要影响因素之一。

2.3.3 压延(流动)方向

橡胶制品在成型时，分子链在压延(流动)方向得到取向，成型后的解取向又会引起胶料在长、宽、厚等各个方向收缩率不一样：胶料压延方向和在模具中流动方向的收缩率大于垂直方向的收缩率；流动距离越长，收缩率越大。

2.4 尺寸计量

由于橡胶的弹性变形特征，使制件的尺寸测量变得困难。胶圈试样一般用显微镜测量，长方形和正方形试样用直尺测量[6]。对收缩率的检测，笔者认为应采用GB/T 5723中的方法D进行，利用误差≤1%或0.01 mm的光学仪器进行无接触的尺寸计量。

3 检测及计算方法

影响橡胶收缩率的因素较多，到目前为止，得到官方认可的标准化的橡胶收缩率计算公式还很少，而且应用还有一定的局限性，大多数情况下测定出的数据在实际应用时还应经过修正。

3.1 橡胶制品与模腔相应尺寸计算

计算式如下：

(1)

式中，C是胶料的收缩率；L1是室温时测得的橡胶制品尺寸；L2是室温时测得的模具型腔尺寸。

式1计算方法已被GJB 5873—2006采用，笔者认为该公式是简单明了的，但是结合标准规定的试片及取值方法，使得该标准的应用有局限性。正如该标准的适用范围所规定的一样，其只适合于模压成型胶料的收缩率的确定。因为其规定的试片为模压圆形(见图2)，利用上述公式计算出各方向的收缩率，从而取最大值、最小值和平均值，而没有涵盖注射成型(含传递成型)时胶料的流动方向和垂直方向，也就是说所得到的数据，不一定就是该胶料收缩的最大值和最小值。因在橡胶收缩率的检测方面没有其他更好的官方规定，所以，该试验方法已用于沈阳兴华航空电器有限责任公司橡胶材料的入厂性能检测上。

3.2 硬度经验公式

硬度经验公式如下：

C=(2.8-0.02K)×100%

(2)式中，K是橡胶的邵氏硬度。

式2为经验公式，通过橡胶的硬度可以大致估算出胶料的收缩率，但偏差较大，因其只考虑了硬度，而其他重要影响因素均未纳入，所以只适用于橡胶性能的大致估算，对生产精度较高的橡胶制品来讲，实际应用意义不大。某型硅橡胶在2015年的采购批次进行的收缩率检测与按式2计算的结果对比见表3，表3中的收缩率实测值是按GJB 5873—2006的规定测得。由表3可知，按经验公式的计算结果较实测值明显偏小。

表3 硅橡胶收缩率的实测值与经验公式计算值对比

批次序号硬度(邵氏A)/度收缩率/%计算值实测值1521.762.62521.762.293501.82.24501.82.385511.782.526511.782.067501.82.298501.82.9

3.3 线胀温度系数法

计算式如下：

C=(α-β)ΔT×100%

(3)式中，α是橡胶的线性膨胀系数；β是模具材料的线性膨胀系数；ΔT是硫化温度与室温(20 ℃)差值。

3.4 橡胶体积分法

计算式如下：

C=(α-β)ΔTR×100%

(4)式中，R是生胶、硫磺或有机配合剂在橡胶中的体积百分数。

式3和式4作为一种经验公式，表示各参数之间的关系。笔者认为于实际应用意义不大，因为不同配方的组分会使混炼胶料的线性膨胀系数也不同，对于新配方来说，该指标也是未知的，但对于模具的型腔尺寸预留来说有一定的参考价值。刘洪认为，式3适用于模具和产品实样均已具备的情况，对生产单位比较适用，而式4适用于产品的设计图样及胶料配方已经具备，但模具尚在加工之中的情况。

3.5 新方法探讨

笔者更倾向于采用下述方法来确定橡胶材料的收缩率，在此提出，供专业人士探讨。

该方法是参照热塑性塑料的收缩率检测方法(见GB/T 17037.4—2003)，采用的试片尺寸为60 mm×60 mm×5 mm(见图3)，浇口成形在一侧，与浇口平行方向为胶料的流动方向。计算时，应测量平行方向和垂直方向的试片和模具型腔的尺寸，再利用式1计算出收缩率，这样基本可确定该种胶料的收缩率极限值，也就确定了胶料的收缩率范围。

4 结语

橡胶制品的收缩率与诸多因素有关，包括生胶的种类、胶料的配方和硫化工艺等。虽然无法保证每一环节不发生变化，但通过质量控制，可最大限度地降低各因素对收缩率的影响，使胶料的收缩率控制在一定范围内。橡胶收缩率的检测方法和计算公式也有很多，但形成标准的通用方法还有待探讨和制订，以规范橡胶制品的生产和提高橡胶制品的尺寸精度，来满足日益发展的工业需求。

参考文献：

[1] 王作龄.橡胶硫化收缩率及其测定方法[J].世界橡胶工业，2005，32(3)：34-36.

[2] 刘洪，魏福智，强福智，等.橡胶硫化收缩率分析[J].橡塑技术与装备，2015(19)：60-62.

[3] 刘印文，刘振华，刘涌.橡胶密封制品实用加工技术[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4] 虞福荣.橡胶模具设计制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1993.

[5] 雍铭熙.新编橡胶制品实用配方及相关技术标准实用手册[M].吉林：吉林电子音像出版社，2004.

[6] 郭祥久，脱锐，王菲，等.模压橡胶制品收缩率测试方法及结果影响因素分析[J].

作者简介：韩继先(1977-)，男，高级工程师，工程硕士，主要从事新材料应用等方面的研究。