硫化工藝

“硫化”一詞有其歷史性，因最初的天然橡膠製品用硫磺作交聯劑進行交聯而得名

基本介紹

• 中文名：硫化工藝
• 類型：工業技術
• 過程：誘導、預硫、正硫化、過硫
• 釋義：硫的交聯

定義

硫化(Vulcanization) (引申定義)

硫化過程中發生了硫的交聯，這個過程是指把一個或更多的硫原子接在聚合物鏈上形成橋狀結構。反應的結果是生成了彈性體，它的性能在很多方面都有了改變,硫化劑可以是硫或者其它相關物質。

隨著橡膠工業的發展，現在可以用多種非硫磺交聯劑進行交聯。因此硫化的更科學的意義應是“交聯”或“架橋”，即線性高分子通過交聯作用而形成的網狀高分子的工藝過程。硫化過程中發生了硫的交聯，這個過程是指把一個或更多的硫原子接在聚合物鏈上形成橋狀結構。反應的結果是生成了彈性體，它的性能在很多方面都有了改變，硫化劑可以是硫或者其它相關物質。從物性上即是塑性橡膠轉化為彈性橡膠或硬質橡膠的過程。“硫化”的含義不僅包含實際交聯的過程，還包括產生交聯的方法。

硫化中橡膠分子變化圖

硫化條件

四個階段

硫化過程可分為四個階段，各階段的特點：

通過膠料定伸強度的測量（或硫化儀）可以看到，整個硫化過程可分為硫化誘導，預硫，正硫化和過硫（對天然膠來說是硫化返原）四個階段。

誘導期

硫化誘導期（焦燒時間）內，交聯尚未開始，膠料有很好的流動性。這一階段決定了 膠料的焦燒性及加工安全性。這一階段的終點，膠料開始交聯並喪失流動性。硫化誘導期的長短除與生膠本身性質有關，主要取決於所用助劑，如用遲延性促進劑可以得到較長的焦燒時間，且有較高的加工安全性。

預硫期

硫化誘導期以後便是以一定速度進行交聯的預硫化階段。預硫化期的交聯程度低，即使到後期硫化膠的扯斷強度，彈性也不能到達預想水平，但撕裂和動態裂口的性能卻比相應的正硫化好。

到達正硫化階段後，硫化膠的各項物理性能分別達到或接近最佳點，或達到性能的綜全平衡。

正硫化

正硫化階段（硫化平坦區）之後，即為過硫階段，有兩種情況：天然膠出現“返原”現象（定伸強度下降），大部分合成膠（除丁基膠外）定伸強度繼續增加。

過硫

對任何橡膠來說，硫化時不只是產生交聯，還由於熱及其它因素的作用產生產聯鏈和分子鏈的斷裂。這一現象貫穿整個硫化過程。在過硫階段，如果交聯仍占優勢，橡膠就發硬，定伸強度繼續上升，反之，橡膠發軟，即出現返原。

硫化工藝主要是用來改善橡膠製品性能

橡膠在未硫化之前，分子之間沒有產生交聯，因此缺乏良好的物理機械性能，實用價值不大。當橡膠加入硫化劑以後，經熱處理或其他方式能使橡膠分子之間產生交聯，形成三維網狀結構，從而使其性能大大改善，尤其是橡膠的定伸應力、彈性、硬度、拉伸強度等一系列物理機械性能都會大大提高。

注壓硫化成型

普通模壓與注壓最明顯的區別在於前者膠料是以冷的狀態充入模腔的，而後者則是將膠料加熱混合，並在接近硫化溫度下注入模腔。因而，在注壓過程中，加熱模板所提供的熱量僅僅只用於維持硫化，它能很快將膠料加熱到190℃-220℃。在模壓過程中，由加熱模板所提供的熱量首先要用於預熱膠料，由於橡膠的導熱性能差，如果製品很厚，熱量要傳導到製品中心需要較長的時間。採用高溫硫化也可在一定程度上縮短操作時間，但往往導致靠近熱板的製品邊緣出現焦燒。

採用注壓法硫化，可以縮短成型周期，實現自動化操作，這對大批量生產最為有利。注壓還具有以下優點：可以省去半成品準備、起模和製品修邊等工序；可以生產出尺寸穩定、物理機械性能優異的高質量產品；減少硫化時間，提高生產效率，減少膠料用量，降低成本，減少廢品，提高企業經濟效益。

採用注壓硫化成型工藝時，需要注意以下幾點：

1、採用合理的螺桿轉速、背壓，控制適當的注射機溫度。一般地，應保持出料口膠溫和控制循環溫度之差不大於30度為宜。

注射機螺桿的用途是在選定的和均勻的溫度下為每一循環製備足夠量的膠料；它明顯地影響著注射機的產量。

背壓是通過放慢注射缸中出油口的流量而產生的，並對注射機所射出膠料，對注射油缸的推擠作用進行限制。實踐中，背壓只會稍微增加對膠料的剪下，而不會引起硫化製品物理性能的降低。

2、噴嘴的設計。噴嘴連線注射機頭和模具，同時對熱平衡有一定作用。經過噴嘴的壓力損失會經由注射而轉換成為熱量。膠料絕不允許在這個部位硫化。因此，選擇合適的噴嘴直徑非常重要，它影響著噴嘴部位的摩擦生熱、膠料注射時所需要的壓力和充模時間。

3、合適的模具溫度，最佳的硫化條件。在選擇好膠料的最佳配合之後，重要的就是注射成型條件與硫化條件的相互配合。注壓成型與模壓成型相比，由於模具表面、內部溫度分布不同，要實現良好的硫化就必須對溫度進行高精度控制，使模具表面、內部同時達到最佳硫化條件。高溫會增大橡膠的收縮率，但二者關係是線性的，在生產前應有充分的估計。此外，就成型壓力而言，高壓成型是極為有利的，因為壓力與收縮成反比關係。

4、安全合理的膠料配方設計。對於進行注壓硫化成型的膠料，要求其具有以下特性：（1）膠料的門尼焦燒時間應當儘可能的長，以獲得最大的安全性。通常，門尼焦燒時間應比膠料在機筒中的停留時間長2倍。（2）硫化速度快，通過對不同膠料硫化體系的合理選擇，添加合適的促進劑，使膠料在注壓硫化時有令人滿意的效率。（3）流動性良好，良好的流動性能減少膠料的停留時間，減少注壓時間，並提高防焦燒能力。

選用合適的工藝條件，合理的膠料配方，採用注壓硫化工藝可比普通模壓硫化快10~20倍。降低膠料損失10%~15%。

氮氣硫化工藝

採用充氮氣硫化的主要優點是節能和延長膠囊壽命，可節省蒸汽80%，膠囊使用壽命可延長1倍。輪胎在硫化過程中要消耗大量熱能和電能，因此開發和推廣節能硫化工藝意義重大。由於氮氣分子量小、熱容很小，氮氣充入輪胎膠囊內腔時，不會吸熱而引起溫度降低，也不易造成膠囊氧化裂解破壞。

氮氣硫化的工藝特點是，先通高溫高壓蒸汽，若干分鐘後切換通入氮氣，利用充氮硫化的“保壓變溫”工藝硫化至結束。因為最初通入幾分鐘蒸汽的熱量足夠保持硫化一條輪胎，理論上只要在完成硫化之前溫度不降到150℃以下即可。但是，採用氮氣硫化時，首先通入的是高溫高壓蒸汽，會造成上下胎側的溫差，要消除上下胎側的硫化溫差，必須合理布置硫化介質噴射的位置，改進密封和熱工管路系統。

硫化用氮氣的純度要求達99.99%，最好達到99.999%，並建議企業自配製氮系統，以降低使用成本。氮氣純度不夠，會影響膠囊的使用壽命。

將氮氣硫化的“保壓變溫”硫化原理套用於傳統循環過熱水硫化工藝的改造，人們又開發出了用高溫高壓蒸汽加過熱水的硫化工藝取代常規的循環過熱水硫化工藝。硫化時，先通入高溫高壓蒸汽，若干分鐘後切換通入循環過熱水，再過若干分鐘後關閉回水閥停止循環，直到利用潛熱硫化至結束。採用這種新的加熱硫化方法，據理論計算，其能耗僅是傳統硫化工藝方法的1/2。