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設計定制氟橡膠混合物
日期：2024-11-23 05:35
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摘要：
設計定制氟橡膠混合物
定制混合物要求開發出來的材料的物理性能必須達到客戶和產品使用過程中所需要的標準。由于不同的物理性能之間存在競爭關系，該標準通常很難權衡，使得人們很難確定一個能滿足所有需求的優化配方。此外，人們還經常需要在很短時間內得到一個解決方案。
實驗設計（DOE）是混配料師用來滿足客戶需求的一條途徑。利用設計的實驗可以得到一個具有預見性的模型，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計好的實驗中引入數學技術，以此來加深我們對所觀察到的現象的理解。
人們發展了許多種類型的實驗設計，值得強調的是，在攻克實驗難關時，這些設計都有其各自的特點。它們擁有的一個共同的特征，就是需要實驗者從容不迫地設計一個測試計劃，然后實施這個測試計劃，*后分析他們得到的實驗結果。這些測試計劃可能會非常復雜，在設計、實施和分析上要做許多的試驗測量和花費大量的工時。此外，如果在完成所設計的矩陣之前實驗中止了，那么，從這些數據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驗來縮小實驗設計的范圍。比如說，當客戶需要*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面知識，通過把輸入變量限定在少數幾種已知的可以影響交聯密度的組分中，來開發一個*優的解決方案。這樣，我們就可以在有限的時間里快速得到可以滿足多種物理性能需求的簡化的實驗設計。
一個可以被用來替代實驗設計的方法是做一系列的實驗，每次更換其中的一項因素而保持其它因素不變（簡稱為OFAAT）。這類替代實驗雖然很可靠，但是卻常常會給出一些誤導人的結果，特別是當體系中存在相互作用時。但盡管如此，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驗方法。雖然這樣的方法很省事、快捷，但是這種技巧只能告訴我們某一種特定的混合物是否能滿足需求，并且只能給實驗者提供非常有限的指導。
實驗
在每一個實例中，我們都通過進行一個或者一系列設計好的實驗來判定是否可以設計出能滿足多種物理性能需求的優化配方。在大多數情況下，我們都采用簡單的2x 2區組設計。
試驗用的混合物是將商品化的成分放在6" x13"的實驗室研缽中混合而得。被測樣品在實驗室壓力（大氣壓）和177℃下硫化10分鐘，然后在表中所示的條件下進行二次硫化。物理測試與下面所示的測試過程相似：
ASTM D-395-03，橡膠性質—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度；
ASTM D-2240-05，橡膠性質—硬度計硬度；
ASTM D-6204-05，用無轉子剪切流變儀測量未硫化橡膠的流變性質。
在每一個例子中，測試程序都根據實際情況進行了調試，以滿足不同實驗的需要。在大多數情況下，每一個實驗都在一周之內完成。
結果與討論
◆ 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），并且擁有良好的橡膠-金屬粘結性以及合適的撕裂強度。已知金屬氧化物會影響含氟彈性體混合物的橡膠-金屬粘結性，而炭黑則會影響其撕裂強度。在這里我們設計了一個2x 2區組實驗，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*好的撕裂強度和綜合性能，我們從中取樣給客戶做產品評估。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現的物理性能。在*初的測試中，該混合物并不能達到客戶所需要的物理性能標準。于是，我們利用他們的配方進行了一項設計實驗，研究二次硫化的時間和溫度對*終產品物理性能的影響。
該設計是一項有一個中心點的2 x2區組設計。這里所選擇的時間（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系的二次硫化條件的范圍。根據客戶的要求，我們增加了第6個點（在121℃二次硫化12小時）。該研究的首要目的是提高定伸強度（100％模量）值，而次要目的是為了達到上面提到的物理性能要求。
由于該研究的目的是為了使模量*大化，我們用圖解法代替了嚴格的數學分析。以下列出了一些大體傾向：
☆ 溫度的影響要大于時間的影響；
☆ 在所有的測試條件中，拉伸強度和伸長率都超出了目標值；
☆ 伸長率隨著二次硫化溫度的增高而降低；
☆ 壓縮形變大于目標值，并且我們驚訝地發現，它的值不受二次硫化條件的影響；
☆ 在所有的被測樣品中，該混合物的模量都沒有達到目標值；
☆ 模量似乎是隨著二次硫化溫度的提高而升高。
調整二次硫化條件并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度（100％模量）和斷裂伸長率，客戶提出的目標值對于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。客戶沒有對硫化條件做規定，我們在加壓硫化和二次硫化之后對樣品進行測試，以期其性能達到客戶的需求。多種實驗技術被運用到該案例中，以滿足客戶對產品的性能的需求。
該項目中的**個設計實驗是一個兩因素、兩水平析因的設計，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，而使得拉伸強度下降。替換硫化劑的類別對產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沒有達到目標值，這使得我們不得不進行另外的研究。
設計實驗說明了改變聚合物和硫化類型對產品的物理性能并沒有多大改善，所以我們在原來的聚合物和硫化類型的基礎上，對填充劑進行了調整，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于客戶的需求，然而這兩種混合物還是不能達到所有的物理性能標準。
由于還沒有得到滿意的解決方案，我們進行了一項變換單因素（礦物填料）的篩選實驗，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。用于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，高比表面積的二氧化硅在較低裝填量的條件下作對比。填料的研究結果總結于表5中。
有些填料會阻斷該混合物中交聯反應的進行，為了使混合物在177℃下10分鐘內完成交聯，我們在其中另外添加了硫化劑。與預料的一樣，沒有一種混合物的性能達到所有的目標值。不過該實驗給我們展示了哪種填料會使產品的模量增加，而其又是如何影響產品的其它性能的。
我們通過一項三因素、兩水平析因設計實驗，進一步檢測填料對混合物性能的影響。這三個因素為：二氧化硅填料的表面積，硫化劑的數量和對原生礦物填料的硅烷化處理，硅酸鈣。該實驗設計、混合物的配方以及產品的物理性能測試結果列于表6中。雖然，在給定的硫化條件下，沒有一個混合物能滿足所有的物理性能需求，但是，我們仍然可以看到一些方案的結果很接近，并且可以從這些數據中定量出每一種輸入變量的影響。混合物E7滿足了模量和拉伸強度的需求，并且展現了良好的伸長性能。
混合物F2是基于混合物E7的一種改良產品，它用另一種來源的高比表面積二氧化硅代替了原來相應的組分，并調整了硅酸鈣成分，使混合物滿足硬度計硬度的目標值。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。客戶也接受了該混合物，拿去進行成型試驗和產品評估。
◆ 案例4
大多數氟橡膠聚合物在經過共混后，其硬度計硬度將會在50以上。硬度目標值為45的混合物配方中將含有很少量的填料，并且這些填料中大部分為硫化反應所需要的酸受體。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。我們進行了一項兩因素、兩水平析因實驗，以證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℃下了反應了10分鐘后還沒有完全硫化。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硬度級的目標值范圍（45±5）以上。其它剩下的混合物的數據可以被用來滿足對45硬度級氟橡膠混合物的特殊需求。
總結
混配料師可以用多種實驗手段來優化其混合配方，以滿足客戶的需求。一些簡單的設計實驗可以鑒定出那些滿足條件的混合配方，這些混合物配方實現了客戶需要的多種存在競爭關系的物理性能。實驗案例描述了為客戶快速定制設計特定需求的氟橡膠混合物的可行性。
定制混合物要求開發出來的材料的物理性能必須達到客戶和產品使用過程中所需要的標準。由于不同的物理性能之間存在競爭關系，該標準通常很難權衡，使得人們很難確定一個能滿足所有需求的優化配方。此外，人們還經常需要在很短時間內得到一個解決方案。
實驗設計（DOE）是混配料師用來滿足客戶需求的一條途徑。利用設計的實驗可以得到一個具有預見性的模型，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計好的實驗中引入數學技術，以此來加深我們對所觀察到的現象的理解。
人們發展了許多種類型的實驗設計，值得強調的是，在攻克實驗難關時，這些設計都有其各自的特點。它們擁有的一個共同的特征，就是需要實驗者從容不迫地設計一個測試計劃，然后實施這個測試計劃，*后分析他們得到的實驗結果。這些測試計劃可能會非常復雜，在設計、實施和分析上要做許多的試驗測量和花費大量的工時。此外，如果在完成所設計的矩陣之前實驗中止了，那么，從這些數據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驗來縮小實驗設計的范圍。比如說，當客戶需要*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面知識，通過把輸入變量限定在少數幾種已知的可以影響交聯密度的組分中，來開發一個*優的解決方案。這樣，我們就可以在有限的時間里快速得到可以滿足多種物理性能需求的簡化的實驗設計。
一個可以被用來替代實驗設計的方法是做一系列的實驗，每次更換其中的一項因素而保持其它因素不變（簡稱為OFAAT）。這類替代實驗雖然很可靠，但是卻常常會給出一些誤導人的結果，特別是當體系中存在相互作用時。但盡管如此，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驗方法。雖然這樣的方法很省事、快捷，但是這種技巧只能告訴我們某一種特定的混合物是否能滿足需求，并且只能給實驗者提供非常有限的指導。
實驗
在每一個實例中，我們都通過進行一個或者一系列設計好的實驗來判定是否可以設計出能滿足多種物理性能需求的優化配方。在大多數情況下，我們都采用簡單的2x 2區組設計。
試驗用的混合物是將商品化的成分放在6" x13"的實驗室研缽中混合而得。被測樣品在實驗室壓力（大氣壓）和177℃下硫化10分鐘，然后在表中所示的條件下進行二次硫化。物理測試與下面所示的測試過程相似：
ASTM D-395-03，橡膠性質—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度；
ASTM D-2240-05，橡膠性質—硬度計硬度；
ASTM D-6204-05，用無轉子剪切流變儀測量未硫化橡膠的流變性質。
在每一個例子中，測試程序都根據實際情況進行了調試，以滿足不同實驗的需要。在大多數情況下，每一個實驗都在一周之內完成。
結果與討論
◆ 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），并且擁有良好的橡膠-金屬粘結性以及合適的撕裂強度。已知金屬氧化物會影響含氟彈性體混合物的橡膠-金屬粘結性，而炭黑則會影響其撕裂強度。在這里我們設計了一個2x 2區組實驗，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*好的撕裂強度和綜合性能，我們從中取樣給客戶做產品評估。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現的物理性能。在*初的測試中，該混合物并不能達到客戶所需要的物理性能標準。于是，我們利用他們的配方進行了一項設計實驗，研究二次硫化的時間和溫度對*終產品物理性能的影響。
該設計是一項有一個中心點的2 x2區組設計。這里所選擇的時間（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系的二次硫化條件的范圍。根據客戶的要求，我們增加了第6個點（在121℃二次硫化12小時）。該研究的首要目的是提高定伸強度（100％模量）值，而次要目的是為了達到上面提到的物理性能要求。
由于該研究的目的是為了使模量*大化，我們用圖解法代替了嚴格的數學分析。以下列出了一些大體傾向：
☆ 溫度的影響要大于時間的影響；
☆ 在所有的測試條件中，拉伸強度和伸長率都超出了目標值；
☆ 伸長率隨著二次硫化溫度的增高而降低；
☆ 壓縮形變大于目標值，并且我們驚訝地發現，它的值不受二次硫化條件的影響；
☆ 在所有的被測樣品中，該混合物的模量都沒有達到目標值；
☆ 模量似乎是隨著二次硫化溫度的提高而升高。
調整二次硫化條件并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度（100％模量）和斷裂伸長率，客戶提出的目標值對于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。客戶沒有對硫化條件做規定，我們在加壓硫化和二次硫化之后對樣品進行測試，以期其性能達到客戶的需求。多種實驗技術被運用到該案例中，以滿足客戶對產品的性能的需求。
該項目中的**個設計實驗是一個兩因素、兩水平析因的設計，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，而使得拉伸強度下降。替換硫化劑的類別對產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沒有達到目標值，這使得我們不得不進行另外的研究。
設計實驗說明了改變聚合物和硫化類型對產品的物理性能并沒有多大改善，所以我們在原來的聚合物和硫化類型的基礎上，對填充劑進行了調整，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于客戶的需求，然而這兩種混合物還是不能達到所有的物理性能標準。
由于還沒有得到滿意的解決方案，我們進行了一項變換單因素（礦物填料）的篩選實驗，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。用于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，高比表面積的二氧化硅在較低裝填量的條件下作對比。填料的研究結果總結于表5中。
有些填料會阻斷該混合物中交聯反應的進行，為了使混合物在177℃下10分鐘內完成交聯，我們在其中另外添加了硫化劑。與預料的一樣，沒有一種混合物的性能達到所有的目標值。不過該實驗給我們展示了哪種填料會使產品的模量增加，而其又是如何影響產品的其它性能的。
我們通過一項三因素、兩水平析因設計實驗，進一步檢測填料對混合物性能的影響。這三個因素為：二氧化硅填料的表面積，硫化劑的數量和對原生礦物填料的硅烷化處理，硅酸鈣。該實驗設計、混合物的配方以及產品的物理性能測試結果列于表6中。雖然，在給定的硫化條件下，沒有一個混合物能滿足所有的物理性能需求，但是，我們仍然可以看到一些方案的結果很接近，并且可以從這些數據中定量出每一種輸入變量的影響。混合物E7滿足了模量和拉伸強度的需求，并且展現了良好的伸長性能。
混合物F2是基于混合物E7的一種改良產品，它用另一種來源的高比表面積二氧化硅代替了原來相應的組分，并調整了硅酸鈣成分，使混合物滿足硬度計硬度的目標值。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。客戶也接受了該混合物，拿去進行成型試驗和產品評估。
◆ 案例4
大多數氟橡膠聚合物在經過共混后，其硬度計硬度將會在50以上。硬度目標值為45的混合物配方中將含有很少量的填料，并且這些填料中大部分為硫化反應所需要的酸受體。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。我們進行了一項兩因素、兩水平析因實驗，以證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℃下了反應了10分鐘后還沒有完全硫化。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硬度級的目標值范圍（45±5）以上。其它剩下的混合物的數據可以被用來滿足對45硬度級氟橡膠混合物的特殊需求。
總結
混配料師可以用多種實驗手段來優化其混合配方，以滿足客戶的需求。一些簡單的設計實驗可以鑒定出那些滿足條件的混合配方，這些混合物配方實現了客戶需要的多種存在競爭關系的物理性能。實驗案例描述了為客戶快速定制設計特定需求的氟橡膠混合物的可行性。
