浅析橡胶密封件硫化收缩率及测定方法

目前，国内有关书刊、资料对橡胶密封件模具的设计制造介绍相对较少，而橡胶密封件在工业中起着重要作用。长期以来，国内密封件行业都采用模具来生产制造，模具对密封件外观和尺寸又有着直接影响，要生产出合格品就必须保证产品尺寸的稳定性，稳定性又取决于橡胶硫化收缩率。

1 橡胶硫化后收缩率的确定

橡胶在加热硫化的过程中内部发生形变和交联，内部分子由线型结构变成立体网状结构，由此产生应力，在硫化冷却过程中趋于消除，产品的线性尺寸也成比例的缩小。因此，设计模具之前型腔尺寸需要相应加大比例，即为橡胶收缩率，收缩率的单位一般采用百分比。收缩率的确定是模具型腔尺寸设计的一个关键环节，在实际生产中由于设计者没有选择好合适的收缩率而造成模具的返修甚至报废。

2 影响橡胶收缩率变化的因素

笔者在设计密封件模具过程中，发现影响橡胶收缩率的因素很多，不同种类橡胶自身的物理性能（配合剂类型与用量比例等），硫化工艺（时间、温度、压力），产品结构（纯胶、夹织物、金属骨架），模具结构等。

2.1 橡胶自身物理性能

由于橡胶的种类繁多，不同种类的橡胶受配方的影响，包括配合剂的类型和用量的比例，配合剂中影响最大的是填充剂和炭黑，填充剂用量增加，收缩率将变小。而炭黑也能有效的降低胶料收缩率，炭黑用量增加，收缩率减小，模压产品尺寸稳定性增加。炭黑对胶料收缩率的影响也随橡胶的类型而异。

影响收缩率的主要因素有橡胶的种类，每种橡胶由于分子结构特性不同，按种类排序来看，收缩率大小顺序是天然橡胶＜氯丁橡胶＜丁腈橡胶＜氟橡胶＜硅橡胶。只是在选择收缩率大小时，最终根据硬度的不同而略有差异。一般来讲，含胶率越大，硬度越低，收缩率越大。反之，含胶率越小，硬度越大，收缩率越小。在设计模具型腔尺寸的时候一般将橡胶硬度作为选择收缩率的一个参考值，见表1。

表1 两种丁腈橡胶收缩率范围对比表

2.2 硫化工艺对收缩率的影响

在实际生产中，优化工艺提高生产效率，降低产品成本，这已成为企业的生产模式。一般采用提高硫化温度和缩短时间，增加硫化剂和促进剂的用量、进行二段硫化等方式。硅胶和氟橡胶一般需要二段硫化，包括部分丁腈橡胶也在试用二段硫化工艺来代替传统的一次硫化成型。二段硫化也称补充硫化，二段硫化的目的是为了让剩余的未反应交联基团完成反应，除去一段硫化中的交联反应残余物，从而改善产品的力学性能和压缩永久变形，使产品的质量进一步提高。

橡胶在模具型腔内所受压力并不是一直不变的，在移至烘箱内是可实现的，烘箱内硫化可以成千上万的进行，这样可以极大的提高设备利用率，节省能源，间接的缩短硫化时间。

工艺的改变也对密封件产品在一段和二段硫化后收缩率有影响。硫化工艺的三大要素，指时间、温度、压力，这三大要素的变化对收缩率有较大的影响。

（1）时间与温度

在生产制造环节，硫化温度与时间有着密切的关系，在正常情况下，温度每提高10℃，硫化时间就要缩短一半，所以硫化时间对收缩率的影响表现在硫化温度上，而欠硫和过硫都会使收缩率变小。另外，橡胶的停放时间过长，收缩率也会变小。

（2）压力

通过多年的实践经验积累发现，压力是影响收缩率的一个非常重要的因素，对于同一种胶料，因硫化压力的大小影响到产品的致密度，从而使产品的收缩率不同，模具型腔受力大，产品致密度高，收缩率就小；反之，受力小，产品致密度小，收缩率就大。具体表现在以下两方面：

a.同一种规格的产品单腔模和多腔模的不同

由于单腔模和多腔模的外形尺寸相差较大，在相同压力下，单位面积受力不同。例如O形圈24×2.4单腔模和多腔模收缩率的对比，见表2。

表2 O形圈24×2.4单腔模和多腔模收缩率对比表

b.同一种规格模具在不同设备上生产收缩率不同受设备自动化影响，考虑到一些大规格产品的模具，工人在操作上的不便利，影响到生产效率，故采用真空硫化机进行生产，一般橡胶产品的公差比机械公差要宽，其尺寸的变化并未引起注意。例如O形圈240×5.7在普通硫化机和真空硫化机硫化后收缩率的对比，见表3。

表3 O形圈240×5.7在普通和真空硫化机硫化后收缩率对比表

（3）一段硫化和二段硫化工艺后的对比

密封件一段硫化仅仅是定型硫化，只有通过二段硫化才能使橡胶完全交联，其基本物理性能才趋于稳定。笔者在测算产品收缩率的过程中发现，一次硫化成型与一段二段分别硫化成型工艺，O形圈的收缩率完全不一，例如O形圈35.5×3.55多腔模收缩率的对比 ，见表4。

表4 O形圈35.5×3.55不同工艺硫化后收缩率对比表

所以在模具的设计过程中，计算模具型腔尺寸时，应尽可能考虑采用什么硫化工艺条件，尽量避免设计过程中出错，做到模具设计一次性合格。

2.3 产品结构对收缩率的影响

橡胶密封件种类很多，结构形状各异，产品结构对收缩率的影响主要包括构成产品的材料，其中包括橡胶与金属骨架、产品形状和尺寸，按结构分为纯胶制品、夹织物制品、金属骨架制品等。

（1）纯胶件又可分为实心结构和空心结构，它们的径向收缩基本一致，不同的是轴向，一般指向结构中心，实心件在内部正在进行径向收缩的同时产生了收缩阻力，而阻碍了高度方向的收缩，所以实心类橡胶制品轴向上的收缩率可以忽略不计。

（2）与纯胶制品不同的是，由于金属骨架对橡胶的牵制，使得与骨架相黏接的橡胶总是向骨架方向进行收缩，带有金属骨架的产品最常见就是骨架油封，这类产品的收缩与橡胶部分到骨架的距离有关系，均匀夹骨架的制品各处所受牵制力基本相同，而非均匀夹骨架的制品，离骨架越远的橡胶，所受骨架的牵制力越小，使其收缩率离骨架从近到远呈现出从小到大的规律。离骨架越近，收缩越小，单向黏合油封的收缩在0.2%～1%。

（3）为了满足耐高压、耐特殊介质的要求，有时会在产品表面覆盖凡布、航空亚麻布、尼龙布等特殊织物来增加抗压耐磨性，而织物对橡胶所产生的制约在水平方向上是相同的，按照织物在产品中的位置可分为均匀夹布和非均匀夹布两种，非均匀夹布指橡胶与织物所占比例不同，或者厚度层数不同，

织物所占比例越大，收缩率越小。均匀夹布的收缩率比同类纯胶产品小0.5%～0.8%，然而在考虑非均匀夹布类产品收缩率时，在制品各部位仍有一定规律可言，收缩率规律可参照，夹布多于橡胶可按0～0.4%，夹布和橡胶各占50%的比例可按1.1%～1.2%，中间夹布按1%来计算。

2.4 模具结构对收缩率的影响

模具结构对收缩率的影响不明显，一般在模具设计中不予考虑。模具结构对收缩率的影响仍然取决于模具单位面积的受力大小。同一产品的压铸模和压制模在同一台硫化机上硫化，产品收缩率没有明显差异。

3 收缩率的测定方法

目前橡胶密封件收缩率的测量计算公式很多，现推荐以下几种。

（1）产品与模具模腔相应尺寸的计算公式

式中 C—制品胶料的收缩率平均值%；

L1—在室温时测得的产品尺寸（mm）；

L2—在室温时测得的模具型腔尺寸（mm）。

（2）以邵氏硬度计算制品胶料收缩率的经验公式

式中C—制品胶料收缩率(%)；

k—橡胶邵氏硬度。

（3）以橡胶硫化温度计算制品胶料收缩率的一般计算公式

式中C—制品胶料收缩率(%)；

A—橡胶的线性膨胀系数；

B—模具金属的膨胀系数；

ΔT—硫化温度与测量温度之差；

R—生胶，硫磺和有机配合剂在橡胶中的体积百分数。

4 结束语

对于橡胶密封件的收缩率，至今为止还没有一个具有实用价值，真正准确的计算公式。因此只能凭借经验估计或以实际测定的数据作参考，影响橡胶制品的收缩率的变化因素还有很多，各橡胶密封件的生产企业工艺不统一，所以在生产过程中出现很多问题，这充分说明，对橡胶收缩率的研究和掌握是一件很重要的事情，这需进一步探讨与发展。