現代工業制造質量項目的一個關鍵要求就是擁有一個高效、靈敏的測量標準。美國橡膠行業近期發布了許多新的質量項目，旨在發現工廠生產過程中變數產生的異常原因，并采取改進措施，通過減少廢料和返工，來提高加工過程的效率。其中一種質量控制項目就是六西格瑪（6 Sigma），它可以推斷團隊操作的統計特性。由于傳統測試方法對加工變量非常敏感，因此當這些方法用于有關金屬材料的難題時，通常工業質量控制小組是非常成功的。但是，當他們調查的是一個與橡膠變量有關的難題時，許多時候他們很難確定異常原因，也無法采取必要的改進措施來解決難題。經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技術有限公司開發的RPA2000型橡膠加工分析儀是幾年前設計的，目的是提高測量橡膠材料物理性質的靈敏性。本文將介紹RPA2000，從而說明橡膠性能測試方法的改進使得RPA2000進入了ASTM和其他國際測試標準。這些標準又擴展了RPA2000在保證世界各地工廠的橡膠材料質量控制中所起的作用。
RPA2000
RPA2000是一個動態機械流變測試儀，設計用于測量一系列溫度、應變和頻率范圍內的生膠、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 — 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變條件下完成測試。密封的樣品模腔消除了多孔效應對物理性質測試的影響，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，并通過自己的數字溫度控制器進行控制。由于口模和加熱器的質量低，溫度可以非常迅速地升高，同時風冷卻系統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和彈性響應。粘性響應與形變速率成正比，而彈性響應與形變程度成正比。粘性響應通常以阻尼延遲器為模型，而彈性響應則以金屬彈簧為模型。分別測量彈性性質和粘性性質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。
橡膠的粘彈性能隨著測試時溫度、應變和頻率的變化而變化。RPA2000有一個特殊的直接驅動馬達，在一定應變和頻率范圍內與下口模呈正弦波振蕩。上口模連接在一個扭矩轉換器上，這樣可消除下口模驅動系統產生的噪聲。扭矩轉換器測量通過樣品傳輸的扭矩量，這個扭矩就被稱作復合扭矩，或S*，由于橡膠具有粘彈特性，S*與應變不同相。對S*應用傅里葉變換式，S*扭矩信號就被RPA還原為一個彈性（S’）組分（與應變同相）和一個粘性（S’’）組分（與應變位相相差90o）。傅里葉變換式也提高了信噪比，通過（S’’/S’）比率可計算介質損耗角正切（Tan Delta）。扭矩值乘以適當的口模成型系數或除以應變，可直接轉化成剪切模量（G）或動態粘度（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 — 應變和溫度保持恒定，而頻率變化。
2． 應變掃描 — 頻率和溫度保持恒定，而應變變化。
3． 溫度掃描 — 頻率和應變保持恒定，而溫度變化。
4． 硫化（定時測試）— 頻率、應變和溫度固定，輸入一個測試時間。
5． 變溫分析（VTA）— 頻率和應變固定，溫度進行預編程，或者在現有子測試之間提供一個線性斜波轉換，或者預編程來模擬工廠硫化一個特定的時間-溫度模型。
6． 應力松馳 — 通過預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。
這些研究對樣品應用了各種測試條件，并結合了多種子測試。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，很多時候新型現代質量問題解決方法論要求找出其變數的異常原因，有時變數原因來自于生膠。根據早期橡膠制造商協會（RMA）的研究，所有傳統橡膠測試都發現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表現出不同的性能。用新型快速RPA2000測試這兩個聚合物，發現它們的粘彈特性有很大區別。根據實驗測得的信噪比（S/N）計算，RPA2000還表現出優異的統計測試靈敏度。用兩種化合物的信號差除以標準偏差，計算出S/N比（參見ASTM D6600）。在這種情況下，對于一種能區分“好”和“壞”、鑒別能力強的高效測試方法，其信噪比必須超過6，只有RPA2000產生的S/N比可以遠遠超過6。其他傳統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，傳統測試方法不適合應用于質量保證和特殊美國質量項目，如六西格瑪。
橡膠加工過程和產生的問題
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． 冷進料或熱進料擠出
6． 壓塑、轉移、或注塑
7． 連續硫化或高壓釜硫化，等。
目前這些加工步驟在使用六西格瑪的工廠中都要進行完全的分析，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，需要預先選擇區域，包括制造、質量保證、R&D、財務和所需的其他區域（正如二十世紀九十年代早期Motorola開發小組那樣）。
以下橡膠產品問題可能推動特殊質量項目如六西格瑪：
1． 起泡
2． 裸斑點
3． 多孔
4． 分層
5． 動態性能不符合規格
6． 拉伸性能不符合規格
7． 硬度不符合規格
8． 不填充
9． 填充不足
10． 硫化收縮超標
11． 尺寸穩定性差
12． 口模膨脹變量
13． 針孔
14． 結塊
15． 不分散的燒結塊
16． 可變硫化模型
這些可能在制造過程的上游或下游出現的問題通常在更上游都有異常原因。通過應用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線，就可以用數據來找到下游問題的異常原因，這樣就可以采取相應的改進措施。
對于特殊工廠質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。這些特殊質量小組應該包括來自于工廠其他關鍵相關領域的同事。
結論
已證明Alpha技術有限公司開發的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的特性 — 從原料到達到最終動態硫化性能。由于其優異的性能正成為許多國際測量標準的一個重要組成部分。
