橡胶硫化发泡点分析分析（BPA）

1  编制BAP应用程序的使用说明

根据橡胶硫化发泡点分析（BPA）所需，只要橡胶硫化试样发泡临界位置确认后，对此位置计算出每一时刻相应的实际温度，由此计算出此时刻的硫化时间。显然该时刻的硫化时间并非当前硫化时间，是等效时间；将累计各时刻的等效时间即为发泡点时间t_BP。有了硫化时间就可以从流变数据内找到对应的硫化度CD_BP。

发泡点位置L_BP确认很关键，为尽力排除各种干扰和不稳定因素，运用统计原理，进行一定数量的重复测试，以统计后计算的L(———)_BP为准计算出发泡位置的温度数据，硫化时间的算法类同单个试样；采集试样的源流变数据也需作重复试验，获取弹性扭矩等数据，稳定的流变数据是正确估计硫化度的基本保障；另外还需要一组不同温度下试样的流变数据，以各温度t₉₀计算出所需的活化能。整个采集数据的计算过程全以均值为参数。

由于原始数据皆作统计运算，不宜仅靠手工计算。故将以上过程由《BPA应用程序》完成（也是工作簿名，以下简称本程序），本程序采用Excel的VBA（Visual Basic ）编制代码，简化批量的重复分析作业，提高计算分析效率，可以说，向智能化的方向迈出新的一步。

2  步骤

2.1等效温度的流变数据的导入

打开工作簿《BPA应用程序》，将等效温度（作为物性检测和活化能计算的参照温度，又称标准温度）的流变数据导入到工作表“流变源”。通过点击本程序功能区RIBBON (见附)的BPA  →流变数复制 →出现

流变数据引入对话框（图1）。根据提示选择相应的胎面、带束层、垫胶、三角胶胶料名称按钮。

按钮后，出现一个搜索框（略），你可从已知文件夹内选取所需文件，确认后原始流变数据就导入到工作表“流变源”内，即完成了导入。按退出按钮即退出对话框。

2.2硫化度的截取

2.1导入流变数据后，需对其相应的硫化度参数进行截取，截取后存于工作表“CD截取”内。通过点击功能区RIBBON的BPA →硫化度截取→出现硫化度截取对话框（图2）。类同2.1选取按钮操作。按钮后，相应硫化度均在工作表“CD截取”的规定区域内，硫化度范围为1%～100%，间隔为1%，见表1。

表1从B列至Q列，第二行分别标有“胶名”、“Tread”、“时间”……，第三行标有“CD%”、“Mx”、“分”、“秒”……。每个硫化度的时间皆截取在此表内（时间分及秒都有）。

末行中黑底白字部分表示四层意思，第一个数值为数据采集点（20点）前的最小扭矩值、第二个数值是其对应时间、第三个数值为20点后的最低扭矩值（作为ML）, 第四个数值是ML对应的时间。

注：根据现有流变仪的特点，程序内刨除首个采集数据的最小值作为ML，即“0”和采集从第3点到第19个点有一个最小值，ML采集点是从第20点后的所有数据最小值。

可根据流变曲线初期的特点对其作出相应的检验此ML是否正确。

表1的硫化度是作为同种胶料在一段时期内评判的依据，若是胶料流变参数稳定，那么评判精度会高（实际BPA测试运行中不可能对每次测试都做全面的流变数据）

3、活化能计算

点击程序功能区RIBBON的BPA→活化能计算→即停留在工作表“AE”，见表2，其中蓝色单元格内如温度、胶料名称、以及对应的t₉₀均可以直接键入，计算时直接点击本表内按钮活化能计算，即刻计算完毕，结果显示在黄色单元格内。工作表“AE”内温度需要五个（表内尚有例子，可供参考）。

注：表2仅以五个温度的t₉₀（分）计算，也可以根据需要用t₁₀、t₅₀、t₉₅……等计算。程序计算采用阿累尼乌斯公式

如以上A35为例，将温度皆转为开氏（加273.15），且设为倒数1/(273.15+146) ……，再取自然对数Ln（19.4）……，用slope函数解之，结果乘以0.008314就得到所需活化能，也可用散点图的斜率求得。

4、标准升温曲线的确立

已知在理想状态下恒定模温下橡胶试样被硫化时内部固定位置的升温历程是恒定的。稳定的橡胶硫化工艺就是做好条件的管控，使其达到稳定的硫化状态。BPA的测试就是在最大限度稳定的硫化状态下工作。稳定硫化温度与硫化时间是两个及其关键要素，它比现有大多数制品的控温条件要严格，况且BPA橡胶试样特殊结构和较小的体积。故BPA楔形胶试样中心线内各点的升温历程是固定的，无数次的实际测试，也证明了这点。所以只需做好标准模温下的测试获知内部已知点的升温历程数据就行了（称标定）（见图3）。

表3为工作表“标准温度”，以温度150℃加压时间630s为例，楔形试样内已知等间距位置四个通道的升温数据，数据在表内A1:F632区域内，A列为数据采集的时间（采样间隔为1秒B列为时间，分)，C列～F列分别记录四个通道（ch1～ch4）的温度数，G列～K列是拟合C列～F列的多项式二次函数的系数，J列是已知发泡位置L_BP的温度数据（是计算值）。

该标准温度是在现有测试条件下经重复测试后统计取值，（对大于五次的测试，经trimmean处理，取值分数为0.4，目前尚未将自动操作引入本程序），若标准温度需校正或更新，可直接采用复制源数据（必要时改为自动复制）。

图3是“标准模温150℃时的升温曲线”，分别为ch1、ch2、ch3、ch4各自的升温轨迹。

5、首表内数据的输入

打开工作表“首表”（数据汇总表）见表4，表内B列～F列（蓝色单元格内）分别为日期、试样名、加压时间、活化能、L_BP值，由人工输入的原始数据。

G列、H列分别是计算后的数据t_BP（发泡点时间）、CD_BP（发泡点的硫化度）

表4中的数据为例，是主要数据的汇总，本汇总表一目了然，故不另设报表。

6、计算（关键）

6.1 t_BP及CD_BP的计算

t_BP及CD_BP分别是发泡位置L_BP确定后的硫化时间和硫化度，点击功能区RIBBON的BPA →tBP计算→语音提示→轮胎类型对话框（图4）（OTR145℃、TBR151℃、PCR161℃）→选定确认后→计算出t_BP及CD_BP→结束时伴有语音报告。

计算所用的原始数据均来自工作表“首表”内（目前暂由手工输入），包括：试样名称、加压时间、活化能、L_BP等，见表4。计算中用到工作表“升温图”，通过与工作表“升温图”传递数据来完成t_BP计算。计算时程序先对G列是否有未计算的t_BP，如果有，就判别有多少个试样需计算，然后就逐个计算，结果自动填入“首表”的G列内。采用公式t_BP

计算出硫化时间。

CD_BP 的计算，程序根据已知范围的硫化度时间，工作表“首表”T～Z列部分内容，见表5。将已截取的数据作多项式拟合成函数，把计算所得t_BP代入已有函数得到CD_BP。（已有函数：黄色单元格内含有固定截取计算函数公式，蓝色单元格的硫化度可据实际作相应调整。现表5仅限于指数函数验证时使用，其余皆改为数组由程序内计算，为了使用者了解特保留，适当时候全部改为由程序内数组完成）

6.2t(——)_BP及C(——)D(——)_BP的统计计算

点击功能区RIBBON的BPA →tBP统计→语音提示→轮胎类型对话框（图4）→选择确认后即计算出每组数据的t(——)_BP及C(——)D(——)_BP。（伴有语音播报）

发泡点测试结果统计分析：参照橡胶的标准试验中的重复试验方法，本发泡点测试采用五次重复测试，将各次的L_BP作截尾均值处理得到L(——)_BP，计算由程序完成。

t(——)_BP及C(——)D(——)_BP算法与6.1同，其计算的显示位置如表6所示。“首表”的I列～O列，胶料名称、加压时间、活化能皆从单个试验中的首个中自动提取、其中M列内的L_BP已是经处理的截尾均值L(——)_BP，N列及O列就是统计后计算所得的t(——)_BP及C(——)D(——)_BP数值，其合理性要优于单个试样计算的值。

注：组数据规定，组试样名为五个试样的第一个名称，测试条件及活化能等相同。计算过程是先搜索单个试样的总数及组试样的总数，若匹配就进行L_BP的截尾均值统计。

6.3 CD_BP的验证

本程序对CD_BP或C(——)D(——)_BP作验证（*采用指数函数拟合公式），点击功能区RIBBON的BPA →CD验算→即验算相应的CD_BP或C(——)D(——)_BP，拟合结果存于P、Q列。P列为拟合后的CD，Q列是拟合的R²。

7、其它

7.1 发泡点的升温图

点击功能区RIBBON的BPA →LBP升温图→即出现对话框要求选择序号（统计后I列的）→有语音提示根据首表的序号，填入“选试样序号”对话框中的序号或组序号，见图5。（若试样为PCR、OTR，等效温度可自行改成161℃或145℃），软件默认TBR故等效温度为151℃，完成后“升温图”即可见图6

“升温图”表内，在第一行与第二行内显示了试样名，L_BP的值、t_BP、等效温度、活化能及加压时间。且还有发泡点的升温线（紫色）和硫化等效时间的增长线（绿色）图。语音同步播报。。

7.2 流变弹性扭矩与硫化反应速率图

点击功能区RIBBON的BPA →扭矩+v →出现BPA软件提醒：注意输入对话框（图7）→选择序号（统计后I列的）--→打开且停留在工作表 “流变源”等效温度下的流变弹性扭矩s′及反应速率可在工作表内看到。例如当输入“1”后，可见图8中胎面胶的流变数据及硫化反应速率

（注：目前暂适用于MonTec MDR 3000的数据结构）

7.3 各时刻温度场分布的三维图

点击功能区RIBBON的BPA →三维图→即有语音提示。同时停留在工作表“三维图”。见截图9

工作表“三维图”是反映标准温度下，一段规定时间内四个热电偶所示的温度轨迹。图9所示，表内规定一段时间在100s～350s范围内的三维温度场分布图。此时间范围可以根据所需更改，方法是直接将表内的蓝色C3单元格内（100）数值修改，后面数据就不用改（默认间隔50秒，当然也可修改间隔时间）。改毕，即点击确认按钮，表格内数据即刻被更新，三维温度场分布图也同时被更新。

7.4 建立距离L与等效时间 t_E相关表及图

点击功能区RIBBON的BPA →tE三维图→语音提示。同时停留在工作表“L2tE”，该工作表是不同距离（L）与对应的t_E。黄色框内为硫化时间。如硫化时间420s，L=60mm，则t_E=121.12s。该试样活化能如蓝色单元格所示。根据实际可改变蓝色单元格内的数据，点击确认按钮后，表内数据即刻更新，图10中的三维图（两图为预设，不要轻易改动，为了观察清晰，可以旋转角度改变观察方向）及相关性图也全同时被更新。L与t_E间的相关性图，有助于正确快速判别。

7.6 组发泡点时间及发泡点硫化度的比较图报告

点击功能区RIBBON的BPA →BPA报告。即刻在工作表“首表”内创建了图11及图12。

7.7 硫化度与时间关系图

点击功能区RIBBON的BPA →CD与时间→出现CD与时间对话框（图13）

  对话框（图13）告知每个试样可作三个图，分别为多项式与指数式，“二次项6”表示拟合采用多项式二次式，拟合数据为6个（全部）；“二次项4”表示采用多项式二次式，拟合数据为4个；“指数4”表示采用指数式，拟合数据为4个。如图13点击了胎面的指数4，即刻出现了图14，同时显示了指数函数表达式及判定系数R²

8、工作簿中的索引

  点击功能区RIBBON的BPA →工作簿索引→即出现工作表“索引”（图15），结束时伴有语音报告.

通过索引，掌握本工作簿内数据的总体情况，图表量等信息。表内的说明是针对各工作表内容的简单描述

9、工作簿中RIBBON各功能区

   此为本程序的核心，是依赖于EXCEL的RIBBON的扩展功能开发而得的BPA

 

 上图包括了本程序目前所开发的功能，点击后即进入执行阶段。

10、工作簿中各工作表名称（工程-VBAProject）

 

11、发泡点分析流程

注意：

1、   本程序运用VBA编制而成，使用EXCEL工作簿时务必开通宏；

2、   该程序需要满足试样名称（或代码）的标准化，如例中试样名A、B、D、G分别表示胎面胶、带束层胶、肩垫胶、三角胶；（暂定此四种胶，可随时扩展）

3、   流变原始数据采集目前仅适用来自MonTech  MDR3000的数据结构；（其它流变仪可以作为后续扩展处理）

4、   对于流变数据的最低值（ML）的采集，需根据实际试样可作程序的调整；

5、    t_BP及CD_BP 采用多项式二次函数拟合，t(—)_BP及C(——)D(——)_BP采用多项式二次函数拟合（来自L(——)_BP）

6、    从流变数据截取硫化度时，可以根据实际作相应的调整，

7、    为减少内存消耗，操作中建立的图及时删除。

8、    对于标准温度数据及表内的公式，在不熟悉情况下，不要去改动。

编制: 王朱遗

2020-5-22