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設(shè)計定製氟橡膠混合物
日期：2024-08-28 09:01
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摘要：
設(shè)計定製氟橡膠混合物
定製混合物要求開發(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)。由於不同的物理性能之間存在競爭關(guān)係，該標(biāo)準(zhǔn)通常很難權(quán)衡，使得人們很難確定一個能滿足所有需求的優(yōu)化配方。此外，人們還經(jīng)常需要在很短時間內(nèi)得到一個解決方案。
實(shí)驗設(shè)計（DOE）是混配料師用來滿足客戶需求的一條途徑。利用設(shè)計的實(shí)驗可以得到一個具有預(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）將會如何影響輸出的量（例如：物理性能）。有時候我們也許會在設(shè)計好的實(shí)驗中引入數(shù)學(xué)技術(shù)，以此來加深我們對所觀察到的現(xiàn)象的理解。
人們發(fā)展了許多種類型的實(shí)驗設(shè)計，值得強(qiáng)調(diào)的是，在攻克實(shí)驗難關(guān)時，這些設(shè)計都有其各自的特點(diǎn)。它們擁有的一個共同的特征，就是需要實(shí)驗者從容不迫地設(shè)計一個測試計劃，然後實(shí)施這個測試計劃，*後分析他們得到的實(shí)驗結(jié)果。這些測試計劃可能會非常複雜，在設(shè)計、實(shí)施和分析上要做許多的試驗測量和花費(fèi)大量的工時。此外，如果在完成所設(shè)計的矩陣之前實(shí)驗中止了，那麼，從這些數(shù)據(jù)中我們很可能得不到一個有用的模型。
混配料師可以利用其經(jīng)驗來縮小實(shí)驗設(shè)計的範(fàn)圍。比如說，當(dāng)客戶需要*大限度的壓縮形變和*小的伸長率時，混配料師可以利用其在混合物方麵知識，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*優(yōu)的解決方案。這樣，我們就可以在有限的時間裡快速得到可以滿足多種物理性能需求的簡化的實(shí)驗設(shè)計。
一個可以被用來替代實(shí)驗設(shè)計的方法是做一係列的實(shí)驗，每次更換其中的一項因素而保持其它因素不變（簡稱為OFAAT）。這類替代實(shí)驗雖然很可靠，但是卻常常會給出一些誤導(dǎo)人的結(jié)果，特彆是當(dāng)體係中存在相互作用時。但儘管如此，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“銀色子彈”（致命武器的代名詞）方法，利用以往的知識建立一套實(shí)驗方法。雖然這樣的方法很省事、快捷，但是這種技巧隻能告訴我們某一種特定的混合物是否能滿足需求，並且隻能給實(shí)驗者提供非常有限的指導(dǎo)。
實(shí)驗
在每一個實(shí)例中，我們都通過進(jìn)行一個或者一係列設(shè)計好的實(shí)驗來判定是否可以設(shè)計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，我們都采用簡單的2x 2區(qū)組設(shè)計。
試驗用的混合物是將商品化的成分放在6" x13"的實(shí)驗室研缽中混合而得。被測樣品在實(shí)驗室壓力（大氣壓）和177℃下硫化10分鐘，然後在表中所示的條件下進(jìn)行二次硫化。物理測試與下麵所示的測試過程相似：
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，用振動圓盤硫化儀測量硫化作用；
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)—硬度計硬度；
ASTM D-6204-05，用無轉(zhuǎn)子剪切流變儀測量未硫化橡膠的流變性質(zhì)。
在每一個例子中，測試程序都根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)試，以滿足不同實(shí)驗的需要。在大多數(shù)情況下，每一個實(shí)驗都在一周之內(nèi)完成。
結(jié)果與討論
◆ 案例1
在這個例子中，客戶要求得到一種硬度為85的“GF”混合物（ASTMD-2000分類），並且擁有良好的橡膠-金屬粘結(jié)性以及合適的撕裂強(qiáng)度。已知金屬氧化物會影響含氟彈性體混合物的橡膠-金屬粘結(jié)性，而炭黑則會影響其撕裂強(qiáng)度。在這裡我們設(shè)計了一個2x 2區(qū)組實(shí)驗，用來論證這兩個因素-金屬氧化物和炭黑對材料性能的影響。
3號混合物展示出了*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
在這個例子中，客戶提供了一個配方以及一組需要實(shí)現(xiàn)的物理性能。在*初的測試中，該混合物並不能達(dá)到客戶所需要的物理性能標(biāo)準(zhǔn)。於是，我們利用他們的配方進(jìn)行了一項設(shè)計實(shí)驗，研究二次硫化的時間和溫度對*終產(chǎn)品物理性能的影響。
該設(shè)計是一項有一個中心點(diǎn)的2 x2區(qū)組設(shè)計。這裡所選擇的時間（6和24小時）和溫度（177和232℃）包含了已報道過的類似氟橡膠混合物體係的二次硫化條件的範(fàn)圍。根據(jù)客戶的要求，我們增加了第6個點(diǎn)（在121℃二次硫化12小時）。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)到上麵提到的物理性能要求。
由於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：
☆ 溫度的影響要大於時間的影響；
☆ 在所有的測試條件中，拉伸強(qiáng)度和伸長率都超出了目標(biāo)值；
☆ 伸長率隨著二次硫化溫度的增高而降低；
☆ 壓縮形變大於目標(biāo)值，並且我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，它的值不受二次硫化條件的影響；
☆ 在所有的被測樣品中，該混合物的模量都冇有達(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)整二次硫化條件並不能使混合物滿足客戶對其物理性能的要求。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）和斷裂伸長率，客戶提出的目標(biāo)值對於氟橡膠來說顯得比較高。此外，客戶還對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?？蛻魞佑袑α蚧瘲l件做規(guī)定，我們在加壓硫化和二次硫化之後對樣品進(jìn)行測試，以期其性能達(dá)到客戶的需求。多種實(shí)驗技術(shù)被運(yùn)用到該案例中，以滿足客戶對產(chǎn)品的性能的需求。
該項目中的**個設(shè)計實(shí)驗是一個兩因素、兩水平析因的設(shè)計，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硬度和比重，而使得拉伸強(qiáng)度下降。替換硫化劑的類彆對產(chǎn)品物理性能的影響很小。所有的被測混合物的硬度計硬度都冇有達(dá)到目標(biāo)值，這使得我們不得不進(jìn)行另外的研究。
設(shè)計實(shí)驗說明了改變聚合物和硫化類型對產(chǎn)品的物理性能並冇有多大改善，所以我們在原來的聚合物和硫化類型的基礎(chǔ)上，對填充劑進(jìn)行了調(diào)整，建立起一個“銀色子彈”試驗，以期快速得到一個滿意的解決方案。兩種混合物的模量和伸長率都更接近於客戶的需求，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)。
由於還冇有得到滿意的解決方案，我們進(jìn)行了一項變換單因素（礦物填料）的篩選實(shí)驗，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。用於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比，高比表麵積的二氧化矽在較低裝填量的條件下作對比。填料的研究結(jié)果總結(jié)於表5中。
有些填料會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)，我們在其中另外添加了硫化劑。與預(yù)料的一樣，冇有一種混合物的性能達(dá)到所有的目標(biāo)值。不過該實(shí)驗給我們展示了哪種填料會使產(chǎn)品的模量增加，而其又是如何影響產(chǎn)品的其它性能的。
我們通過一項三因素、兩水平析因設(shè)計實(shí)驗，進(jìn)一步檢測填料對混合物性能的影響。這三個因素為：二氧化矽填料的表麵積，硫化劑的數(shù)量和對原生礦物填料的矽烷化處理，矽酸鈣。該實(shí)驗設(shè)計、混合物的配方以及產(chǎn)品的物理性能測試結(jié)果列於表6中。雖然，在給定的硫化條件下，冇有一個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，並且可以從這些數(shù)據(jù)中定量出每一種輸入變量的影響?；旌衔顴7滿足了模量和拉伸強(qiáng)度的需求，並且展現(xiàn)了良好的伸長性能。
混合物F2是基於混合物E7的一種改良產(chǎn)品，它用另一種來源的高比表麵積二氧化矽代替了原來相應(yīng)的組分，並調(diào)整了矽酸鈣成分，使混合物滿足硬度計硬度的目標(biāo)值。除了斷裂伸長率，該混合物滿足了其它所有的物理性能要求?？蛻粢步邮芰嗽摶旌衔铮萌ミM(jìn)行成型試驗和產(chǎn)品評估。
◆ 案例4
大多數(shù)氟橡膠聚合物在經(jīng)過共混後，其硬度計硬度將會在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，並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)行了一項兩因素、兩水平析因?qū)嶒灒宰C明這兩種金屬氧化物對45硬度級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分鐘後還冇有完全硫化。在混合物D和E中，更高的填料含量使得混合物的硬度計硬度提高到45硬度級的目標(biāo)值範(fàn)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45硬度級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)驗手段來優(yōu)化其混合配方，以滿足客戶的需求。一些簡單的設(shè)計實(shí)驗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爭關(guān)係的物理性能。實(shí)驗案例描述了為客戶快速定製設(shè)計特定需求的氟橡膠混合物的可行性。
定製混合物要求開發(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)。由於不同的物理性能之間存在競爭關(guān)係，該標(biāo)準(zhǔn)通常很難權(quán)衡，使得人們很難確定一個能滿足所有需求的優(yōu)化配方。此外，人們還經(jīng)常需要在很短時間內(nèi)得到一個解決方案。
實(shí)驗設(shè)計（DOE）是混配料師用來滿足客戶需求的一條途徑。利用設(shè)計的實(shí)驗可以得到一個具有預(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）將會如何影響輸出的量（例如：物理性能）。有時候我們也許會在設(shè)計好的實(shí)驗中引入數(shù)學(xué)技術(shù)，以此來加深我們對所觀察到的現(xiàn)象的理解。
人們發(fā)展了許多種類型的實(shí)驗設(shè)計，值得強(qiáng)調(diào)的是，在攻克實(shí)驗難關(guān)時，這些設(shè)計都有其各自的特點(diǎn)。它們擁有的一個共同的特征，就是需要實(shí)驗者從容不迫地設(shè)計一個測試計劃，然後實(shí)施這個測試計劃，*後分析他們得到的實(shí)驗結(jié)果。這些測試計劃可能會非常複雜，在設(shè)計、實(shí)施和分析上要做許多的試驗測量和花費(fèi)大量的工時。此外，如果在完成所設(shè)計的矩陣之前實(shí)驗中止了，那麼，從這些數(shù)據(jù)中我們很可能得不到一個有用的模型。
混配料師可以利用其經(jīng)驗來縮小實(shí)驗設(shè)計的範(fàn)圍。比如說，當(dāng)客戶需要*大限度的壓縮形變和*小的伸長率時，混配料師可以利用其在混合物方麵知識，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*優(yōu)的解決方案。這樣，我們就可以在有限的時間裡快速得到可以滿足多種物理性能需求的簡化的實(shí)驗設(shè)計。
一個可以被用來替代實(shí)驗設(shè)計的方法是做一係列的實(shí)驗，每次更換其中的一項因素而保持其它因素不變（簡稱為OFAAT）。這類替代實(shí)驗雖然很可靠，但是卻常常會給出一些誤導(dǎo)人的結(jié)果，特彆是當(dāng)體係中存在相互作用時。但儘管如此，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“銀色子彈”（致命武器的代名詞）方法，利用以往的知識建立一套實(shí)驗方法。雖然這樣的方法很省事、快捷，但是這種技巧隻能告訴我們某一種特定的混合物是否能滿足需求，並且隻能給實(shí)驗者提供非常有限的指導(dǎo)。
實(shí)驗
在每一個實(shí)例中，我們都通過進(jìn)行一個或者一係列設(shè)計好的實(shí)驗來判定是否可以設(shè)計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，我們都采用簡單的2x 2區(qū)組設(shè)計。
試驗用的混合物是將商品化的成分放在6" x13"的實(shí)驗室研缽中混合而得。被測樣品在實(shí)驗室壓力（大氣壓）和177℃下硫化10分鐘，然後在表中所示的條件下進(jìn)行二次硫化。物理測試與下麵所示的測試過程相似：
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，用振動圓盤硫化儀測量硫化作用；
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)—硬度計硬度；
ASTM D-6204-05，用無轉(zhuǎn)子剪切流變儀測量未硫化橡膠的流變性質(zhì)。
在每一個例子中，測試程序都根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)試，以滿足不同實(shí)驗的需要。在大多數(shù)情況下，每一個實(shí)驗都在一周之內(nèi)完成。
結(jié)果與討論
◆ 案例1
在這個例子中，客戶要求得到一種硬度為85的“GF”混合物（ASTMD-2000分類），並且擁有良好的橡膠-金屬粘結(jié)性以及合適的撕裂強(qiáng)度。已知金屬氧化物會影響含氟彈性體混合物的橡膠-金屬粘結(jié)性，而炭黑則會影響其撕裂強(qiáng)度。在這裡我們設(shè)計了一個2x 2區(qū)組實(shí)驗，用來論證這兩個因素-金屬氧化物和炭黑對材料性能的影響。
3號混合物展示出了*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
在這個例子中，客戶提供了一個配方以及一組需要實(shí)現(xiàn)的物理性能。在*初的測試中，該混合物並不能達(dá)到客戶所需要的物理性能標(biāo)準(zhǔn)。於是，我們利用他們的配方進(jìn)行了一項設(shè)計實(shí)驗，研究二次硫化的時間和溫度對*終產(chǎn)品物理性能的影響。
該設(shè)計是一項有一個中心點(diǎn)的2 x2區(qū)組設(shè)計。這裡所選擇的時間（6和24小時）和溫度（177和232℃）包含了已報道過的類似氟橡膠混合物體係的二次硫化條件的範(fàn)圍。根據(jù)客戶的要求，我們增加了第6個點(diǎn)（在121℃二次硫化12小時）。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)到上麵提到的物理性能要求。
由於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：
☆ 溫度的影響要大於時間的影響；
☆ 在所有的測試條件中，拉伸強(qiáng)度和伸長率都超出了目標(biāo)值；
☆ 伸長率隨著二次硫化溫度的增高而降低；
☆ 壓縮形變大於目標(biāo)值，並且我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，它的值不受二次硫化條件的影響；
☆ 在所有的被測樣品中，該混合物的模量都冇有達(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)整二次硫化條件並不能使混合物滿足客戶對其物理性能的要求。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）和斷裂伸長率，客戶提出的目標(biāo)值對於氟橡膠來說顯得比較高。此外，客戶還對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?？蛻魞佑袑α蚧瘲l件做規(guī)定，我們在加壓硫化和二次硫化之後對樣品進(jìn)行測試，以期其性能達(dá)到客戶的需求。多種實(shí)驗技術(shù)被運(yùn)用到該案例中，以滿足客戶對產(chǎn)品的性能的需求。
該項目中的**個設(shè)計實(shí)驗是一個兩因素、兩水平析因的設(shè)計，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硬度和比重，而使得拉伸強(qiáng)度下降。替換硫化劑的類彆對產(chǎn)品物理性能的影響很小。所有的被測混合物的硬度計硬度都冇有達(dá)到目標(biāo)值，這使得我們不得不進(jìn)行另外的研究。
設(shè)計實(shí)驗說明了改變聚合物和硫化類型對產(chǎn)品的物理性能並冇有多大改善，所以我們在原來的聚合物和硫化類型的基礎(chǔ)上，對填充劑進(jìn)行了調(diào)整，建立起一個“銀色子彈”試驗，以期快速得到一個滿意的解決方案。兩種混合物的模量和伸長率都更接近於客戶的需求，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)。
由於還冇有得到滿意的解決方案，我們進(jìn)行了一項變換單因素（礦物填料）的篩選實(shí)驗，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。用於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比，高比表麵積的二氧化矽在較低裝填量的條件下作對比。填料的研究結(jié)果總結(jié)於表5中。
有些填料會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)，我們在其中另外添加了硫化劑。與預(yù)料的一樣，冇有一種混合物的性能達(dá)到所有的目標(biāo)值。不過該實(shí)驗給我們展示了哪種填料會使產(chǎn)品的模量增加，而其又是如何影響產(chǎn)品的其它性能的。
我們通過一項三因素、兩水平析因設(shè)計實(shí)驗，進(jìn)一步檢測填料對混合物性能的影響。這三個因素為：二氧化矽填料的表麵積，硫化劑的數(shù)量和對原生礦物填料的矽烷化處理，矽酸鈣。該實(shí)驗設(shè)計、混合物的配方以及產(chǎn)品的物理性能測試結(jié)果列於表6中。雖然，在給定的硫化條件下，冇有一個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，並且可以從這些數(shù)據(jù)中定量出每一種輸入變量的影響?；旌衔顴7滿足了模量和拉伸強(qiáng)度的需求，並且展現(xiàn)了良好的伸長性能。
混合物F2是基於混合物E7的一種改良產(chǎn)品，它用另一種來源的高比表麵積二氧化矽代替了原來相應(yīng)的組分，並調(diào)整了矽酸鈣成分，使混合物滿足硬度計硬度的目標(biāo)值。除了斷裂伸長率，該混合物滿足了其它所有的物理性能要求?？蛻粢步邮芰嗽摶旌衔铮萌ミM(jìn)行成型試驗和產(chǎn)品評估。
◆ 案例4
大多數(shù)氟橡膠聚合物在經(jīng)過共混後，其硬度計硬度將會在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，並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)行了一項兩因素、兩水平析因?qū)嶒灒宰C明這兩種金屬氧化物對45硬度級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分鐘後還冇有完全硫化。在混合物D和E中，更高的填料含量使得混合物的硬度計硬度提高到45硬度級的目標(biāo)值範(fàn)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45硬度級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)驗手段來優(yōu)化其混合配方，以滿足客戶的需求。一些簡單的設(shè)計實(shí)驗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爭關(guān)係的物理性能。實(shí)驗案例描述了為客戶快速定製設(shè)計特定需求的氟橡膠混合物的可行性。
