現(xiàn)代工業(yè)制造質(zhì)量項目的一個關(guān)鍵要求就是擁有一個高效、靈敏的測量標(biāo)準(zhǔn)。美國橡膠行業(yè)近期發(fā)布了許多新的質(zhì)量項目，旨在發(fā)現(xiàn)工廠生產(chǎn)過程中變數(shù)產(chǎn)生的異常原因，并采取改進(jìn)措施，通過減少廢料和返工，來提高加工過程的效率。其中一種質(zhì)量控制項目就是六西格瑪（6 Sigma），它可以推斷團(tuán)隊操作的統(tǒng)計特性。由于傳統(tǒng)測試方法對加工變量非常敏感，因此當(dāng)這些方法用于有關(guān)金屬材料的難題時，通常工業(yè)質(zhì)量控制小組是非常成功的。但是，當(dāng)他們調(diào)查的是一個與橡膠變量有關(guān)的難題時，許多時候他們很難確定異常原因，也無法采取必要的改進(jìn)措施來解決難題。經(jīng)驗表明困難通常是由于使用了不夠靈敏的橡膠測試方法。
Alpha技術(shù)有限公司開發(fā)的RPA2000型橡膠加工分析儀是幾年前設(shè)計的，目的是提高測量橡膠材料物理性質(zhì)的靈敏性。本文將介紹RPA2000，從而說明橡膠性能測試方法的改進(jìn)使得RPA2000進(jìn)入了ASTM和其他國際測試標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)又?jǐn)U展了RPA2000在保證世界各地工廠的橡膠材料質(zhì)量控制中所起的作用。
RPA2000
RPA2000是一個動態(tài)機(jī)械流變測試儀，設(shè)計用于測量一系列溫度、應(yīng)變和頻率范圍內(nèi)的生膠、母煉膠和最終混合料。寬范圍的測試條件對于測量硫化前、硫化中和硫化后的各種橡膠材料非常重要。
RPA2000口模系統(tǒng) — RPA測試模腔由兩個錐形口模和兩塊密封板組成，密封板可使測試樣品模腔完全封閉并受壓。雙錐形口模使整個樣品在恒定的應(yīng)變條件下完成測試。密封的樣品模腔消除了多孔效應(yīng)對物理性質(zhì)測試的影響，而兩個口模分開便于樣品加料。一個四到六立方厘米的樣品加入下口模，然后上口模降低到樣品位置，形成一個恒定體積的壓塑模，而多余的樣品被擠入溢流槽。在試驗最后，口模打開樣品被移出。這樣的操作使儀器可與許多工廠加工過程保持一致。
溫度控制 — 每個RPA2000口模都是直接加熱，并通過自己的數(shù)字溫度控制器進(jìn)行控制。由于口模和加熱器的質(zhì)量低，溫度可以非常迅速地升高，同時風(fēng)冷卻系統(tǒng)也使溫度可快速降低。例如，口模溫度可在5分鐘不到的時間內(nèi)降低150°C。因此需要變溫測試的樣品在工廠里可以最短的損失工時完成測試。對要求多重溫度變化的復(fù)雜測試也可輕易編程。
測量粘彈性能 — 橡膠對形變同時具有粘性響應(yīng)和彈性響應(yīng)。粘性響應(yīng)與形變速率成正比，而彈性響應(yīng)與形變程度成正比。粘性響應(yīng)通常以阻尼延遲器為模型，而彈性響應(yīng)則以金屬彈簧為模型。分別測量彈性性質(zhì)和粘性性質(zhì)可幫助表征加工過程中的橡膠行為和最終成品性能。RPA2000可測試生膠、母煉膠和硫化橡膠化合物的粘性和彈性性質(zhì)。
橡膠的粘彈性能隨著測試時溫度、應(yīng)變和頻率的變化而變化。RPA2000有一個特殊的直接驅(qū)動馬達(dá)，在一定應(yīng)變和頻率范圍內(nèi)與下口模呈正弦波振蕩。上口模連接在一個扭矩轉(zhuǎn)換器上，這樣可消除下口模驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。扭矩轉(zhuǎn)換器測量通過樣品傳輸?shù)呐ぞ亓?，這個扭矩就被稱作復(fù)合扭矩，或S*，由于橡膠具有粘彈特性，S*與應(yīng)變不同相。對S*應(yīng)用傅里葉變換式，S*扭矩信號就被RPA還原為一個彈性（S’）組分（與應(yīng)變同相）和一個粘性（S’’）組分（與應(yīng)變位相相差90o）。傅里葉變換式也提高了信噪比，通過（S’’/S’）比率可計算介質(zhì)損耗角正切（Tan Delta）。扭矩值乘以適當(dāng)?shù)目谀３尚拖禂?shù)或除以應(yīng)變，可直接轉(zhuǎn)化成剪切模量（G）或動態(tài)粘度（n*）。
子測試和測試 — RPA2000中可以編排六種不同的子測試。子測試結(jié)合起來可組成一個完整的測試用于單一樣品。子測試包括：
1． 頻率掃描 — 應(yīng)變和溫度保持恒定，而頻率變化。
2． 應(yīng)變掃描 — 頻率和溫度保持恒定，而應(yīng)變變化。
3． 溫度掃描 — 頻率和應(yīng)變保持恒定，而溫度變化。
4． 硫化（定時測試）— 頻率、應(yīng)變和溫度固定，輸入一個測試時間。
5． 變溫分析（VTA）— 頻率和應(yīng)變固定，溫度進(jìn)行預(yù)編程，或者在現(xiàn)有子測試之間提供一個線性斜波轉(zhuǎn)換，或者預(yù)編程來模擬工廠硫化一個特定的時間-溫度模型。
6． 應(yīng)力松馳 — 通過預(yù)編程快速移動下口模，對橡膠樣品施加一個脈沖形變，以測量粘彈模型。
這些研究對樣品應(yīng)用了各種測試條件，并結(jié)合了多種子測試。每個樣品都在最敏感的測試條件下測量。通過振蕩的應(yīng)變和頻率計算出正弦振蕩的剪切速率。
測試靈敏度
對于一個橡膠混合過程，很多時候新型現(xiàn)代質(zhì)量問題解決方法論要求找出其變數(shù)的異常原因，有時變數(shù)原因來自于生膠。根據(jù)早期橡膠制造商協(xié)會（RMA）的研究，所有傳統(tǒng)橡膠測試都發(fā)現(xiàn)有兩個含氮聚合物是一樣的，包括其門尼粘度和ACN含量百分率。但是，這兩個含氮聚合物在工廠加工時重復(fù)表現(xiàn)出不同的性能。用新型快速RPA2000測試這兩個聚合物，發(fā)現(xiàn)它們的粘彈特性有很大區(qū)別。根據(jù)實驗測得的信噪比（S/N）計算，RPA2000還表現(xiàn)出優(yōu)異的統(tǒng)計測試靈敏度。用兩種化合物的信號差除以標(biāo)準(zhǔn)偏差，計算出S/N比（參見ASTM D6600）。在這種情況下，對于一種能區(qū)分“好”和“壞”、鑒別能力強(qiáng)的高效測試方法，其信噪比必須超過6，只有RPA2000產(chǎn)生的S/N比可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過6。其他傳統(tǒng)測試方法沒有顯示出這樣的靈敏度，因此對于這類含氮聚合物，傳統(tǒng)測試方法不適合應(yīng)用于質(zhì)量保證和特殊美國質(zhì)量項目，如六西格瑪。
橡膠加工過程和產(chǎn)生的問題
眾所周知，橡膠制造過程由幾個特定的加工步驟組成，這些加工步驟可能包括以下任一組合：
1． 接收原料聚合物，配料組分，儲存
2． 初次通過混合
3． 二次通過混合
4． 壓延
5． 冷進(jìn)料或熱進(jìn)料擠出
6． 壓塑、轉(zhuǎn)移、或注塑
7． 連續(xù)硫化或高壓釜硫化，等。
目前這些加工步驟在使用六西格瑪?shù)墓S中都要進(jìn)行完全的分析，以徹底了解這些步驟是如何工作的。沒有兩個加工過程是完全一樣的。六西格瑪小組要完成流程圖，需要預(yù)先選擇區(qū)域，包括制造、質(zhì)量保證、R&D、財務(wù)和所需的其他區(qū)域（正如二十世紀(jì)九十年代早期Motorola開發(fā)小組那樣）。
以下橡膠產(chǎn)品問題可能推動特殊質(zhì)量項目如六西格瑪：
1． 起泡
2． 裸斑點
3． 多孔
4． 分層
5． 動態(tài)性能不符合規(guī)格
6． 拉伸性能不符合規(guī)格
7． 硬度不符合規(guī)格
8． 不填充
9． 填充不足
10． 硫化收縮超標(biāo)
11． 尺寸穩(wěn)定性差
12． 口模膨脹變量
13． 針孔
14． 結(jié)塊
15． 不分散的燒結(jié)塊
16． 可變硫化模型
這些可能在制造過程的上游或下游出現(xiàn)的問題通常在更上游都有異常原因。通過應(yīng)用RPA2000測試，對橡膠制造過程不同階段的粘彈特性建立一個基準(zhǔn)線，就可以用數(shù)據(jù)來找到下游問題的異常原因，這樣就可以采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。
對于特殊工廠質(zhì)量小組如六西格瑪小組事先決定具體在哪個過程取樣用于RPA2000測試（取樣點），以及具體采取哪種RPA測試配置非常重要。這些特殊質(zhì)量小組應(yīng)該包括來自于工廠其他關(guān)鍵相關(guān)領(lǐng)域的同事。
結(jié)論
已證明Alpha技術(shù)有限公司開發(fā)的RPA2000橡膠加工分析儀對于測量橡膠化合物的變量非常靈敏。它獨有可測量橡膠每一加工階段材料性質(zhì)的特性 — 從原料到達(dá)到最終動態(tài)硫化性能。由于其優(yōu)異的性能正成為許多國際測量標(biāo)準(zhǔn)的一個重要組成部分。
