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现代工业制造质量项目的一个关键要求就是拥有一个高效、灵敏的测量标准。美国橡胶行业近期发布了许多新的质量项目，旨在发现工厂生产过程中变数产生的异常原因，并采取改进措施，通过减少废料和返工，来提高加工过程的效率。其中一种质量控制项目就是六西格玛（6 Sigma），它可以推断团队操作的统计特性。由于传统测试方法对加工变量非常敏感，因此当这些方法用于有关金属材料的难题时，通常工业质量控制小组是非常成功的。但是，当他们调查的是一个与橡胶变量有关的难题时，许多时候他们很难确定异常原因，也无法采取必要的改进措施来解决难题。经验表明困难通常是由于使用了不够灵敏的橡胶测试方法。 （图片） Alpha技术有限公司开发的RPA2000型橡胶加工分析仪是几年前设计的，目的是提高测量橡胶材料物理性质的灵敏性。本文将介绍RPA2000，从而说明橡胶性能测试方法的改进使得RPA2000进入了ASTM和其他国际测试标准。这些标准又扩展了RPA2000在保证世界各地工厂的橡胶材料质量控制中所起的作用。
RPA2000（图片） RPA2000是一个动态机械流变测试仪，设计用于测量一系列温度、应变和频率范围内的生胶、母炼胶和最终混合料。宽范围的测试条件对于测量硫化前、硫化中和硫化后的各种橡胶材料非常重要。
RPA2000口模系统 — RPA测试模腔由两个锥形口模和两块密封板组成，密封板可使测试样品模腔完全封闭并受压。双锥形口模使整个样品在恒定的应变条件下完成测试。密封的样品模腔消除了多孔效应对物理性质测试的影响，而两个口模分开便于样品加料。一个四到六立方厘米的样品加入下口模，然后上口模降低到样品位置，形成一个恒定体积的压塑模，而多余的样品被挤入溢流槽。在试验最后，口模打开样品被移出。这样的操作使仪器可与许多工厂加工过程保持一致。
温度控制 — 每个RPA2000口模都是直接加热，并通过自己的数字温度控制器进行控制。由于口模和加热器的质量低，温度可以非常迅速地升高，同时风冷却系统也使温度可快速降低。例如，口模温度可在5分钟不到的时间内降低150°C。因此需要变温测试的样品在工厂里可以最短的损失工时完成测试。对要求多重温度变化的复杂测试也可轻易编程。
测量粘弹性能 — 橡胶对形变同时具有粘性响应和弹性响应。粘性响应与形变速率成正比，而弹性响应与形变程度成正比。粘性响应通常以阻尼延迟器为模型，而弹性响应则以金属弹簧为模型。分别测量弹性性质和粘性性质可帮助表征加工过程中的橡胶行为和最终成品性能。RPA2000可测试生胶、母炼胶和硫化橡胶化合物的粘性和弹性性质。
橡胶的粘弹性能随着测试时温度、应变和频率的变化而变化。RPA2000有一个特殊的直接驱动马达，在一定应变和频率范围内与下口模呈正弦波振荡。上口模连接在一个扭矩转换器上，这样可消除下口模驱动系统产生的噪声。扭矩转换器测量通过样品传输的扭矩量，这个扭矩就被称作复合扭矩，或S*，由于橡胶具有粘弹特性，S*与应变不同相。对S*应用傅里叶变换式，S*扭矩信号就被RPA还原为一个弹性（S’）组分（与应变同相）和一个粘性（S’’）组分（与应变位相相差90o）。傅里叶变换式也提高了信噪比，通过（S’’/S’）比率可计算介质损耗角正切（Tan Delta）。扭矩值乘以适当的口模成型系数或除以应变，可直接转化成剪切模量（G）或动态粘度（n*）。
子测试和测试 — RPA2000中可以编排六种不同的子测试。子测试结合起来可组成一个完整的测试用于单一样品。子测试包括：
1． 频率扫描 — 应变和温度保持恒定，而频率变化。
2． 应变扫描 — 频率和温度保持恒定，而应变变化。
3． 温度扫描 — 频率和应变保持恒定，而温度变化。
4． 硫化（定时测试）— 频率、应变和温度固定，输入一个测试时间。
5． 变温分析（VTA）— 频率和应变固定，温度进行预编程，或者在现有子测试之间提供一个线性斜波转换，或者预编程来模拟工厂硫化一个特定的时间-温度模型。
6． 应力松驰 — 通过预编程快速移动下口模，对橡胶样品施加一个脉冲形变，以测量粘弹模型。
这些研究对样品应用了各种测试条件，并结合了多种子测试。每个样品都在最敏感的测试条件下测量。通过振荡的应变和频率计算出正弦振荡的剪切速率。
测试灵敏度
对于一个橡胶混合过程，很多时候新型现代质量问题解决方法论要求找出其变数的异常原因，有时变数原因来自于生胶。根据早期橡胶制造商协会（RMA）的研究，所有传统橡胶测试都发现有两个含氮聚合物是一样的，包括其门尼粘度和ACN含量百分率。但是，这两个含氮聚合物在工厂加工时重复表现出不同的性能。用新型快速RPA2000测试这两个聚合物，发现它们的粘弹特性有很大区别。根据实验测得的信噪比（S/N）计算，RPA2000还表现出优异的统计测试灵敏度。用两种化合物的信号差除以标准偏差，计算出S/N比（参见ASTM D6600）。在这种情况下，对于一种能区分“好”和“坏”、鉴别能力强的高效测试方法，其信噪比必须超过6，只有RPA2000产生的S/N比可以远远超过6。其他传统测试方法没有显示出这样的灵敏度，因此对于这类含氮聚合物，传统测试方法不适合应用于质量保证和特殊美国质量项目，如六西格玛。
橡胶加工过程和产生的问题
众所周知，橡胶制造过程由几个特定的加工步骤组成，这些加工步骤可能包括以下任一组合：
1． 接收原料聚合物，配料组分，储存
2． 初次通过混合
3． 二次通过混合
4． 压延
5． 冷进料或热进料挤出
6． 压塑、转移、或注塑
7． 连续硫化或高压釜硫化，等。
目前这些加工步骤在使用六西格玛的工厂中都要进行完全的分析，以彻底了解这些步骤是如何工作的。没有两个加工过程是完全一样的。六西格玛小组要完成流程图，需要预先选择区域，包括制造、质量保证、R&D、财务和所需的其他区域（正如二十世纪九十年代早期Motorola开发小组那样）。（图片） 以下橡胶产品问题可能推动特殊质量项目如六西格玛：
1． 起泡
2． 裸斑点
3． 多孔
4． 分层
5． 动态性能不符合规格
6． 拉伸性能不符合规格
7． 硬度不符合规格
8． 不填充
9． 填充不足
10． 硫化收缩超标
11． 尺寸稳定性差
12． 口模膨胀变量
13． 针孔
14． 结块
15． 不分散的烧结块
16． 可变硫化模型
这些可能在制造过程的上游或下游出现的问题通常在更上游都有异常原因。通过应用RPA2000测试，对橡胶制造过程不同阶段的粘弹特性建立一个基准线，就可以用数据来找到下游问题的异常原因，这样就可以采取相应的改进措施。
对于特殊工厂质量小组如六西格玛小组事先决定具体在哪个过程取样用于RPA2000测试（取样点），以及具体采取哪种RPA测试配置非常重要。这些特殊质量小组应该包括来自于工厂其他关键相关领域的同事。
结论
已证明Alpha技术有限公司开发的RPA2000橡胶加工分析仪对于测量橡胶化合物的变量非常灵敏。它独有可测量橡胶每一加工阶段材料性质的特性 — 从原料到达到最终动态硫化性能。由于其优异的性能正成为许多国际测量标准的一个重要组成部分。
11/17/2004
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