未硫化膠的流動(dòng)行為對(duì)擠出性能的影響

那洪東 編譯

（炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院, 四川 自貢 643000）

未硫化膠的流動(dòng)行為對(duì)擠出性能的影響

那洪東 編譯

（炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院, 四川 自貢 643000）

介紹了如何解析未硫化膠在加工過程中的流動(dòng)行為，并分析未硫化橡膠的流動(dòng)行為對(duì)擠出性能的影響。

未硫化橡膠；機(jī)頭；喂料；黏度

0 前 言

為了正確評(píng)價(jià)橡膠的成型加工性能，解析未硫化橡膠在加工過程中的流動(dòng)行為是極其重要的。實(shí)際上，了解未硫化橡膠在成型加工設(shè)備內(nèi)是怎樣流動(dòng)的，對(duì)于橡膠配方設(shè)計(jì)，螺桿、口型、機(jī)頭等部件的設(shè)計(jì)和性能改善具有重要的意義。目前，人們依靠流動(dòng)模擬技術(shù)和可視化技術(shù)大體上可以探明其中的內(nèi)涵，但遺憾的是還有許多方面的內(nèi)在機(jī)理尚未揭示出來。

日本橡膠協(xié)會(huì)成型加工分會(huì)的專家們對(duì)未硫化橡膠的特性、它們?cè)诔尚图庸ぴO(shè)備中的流動(dòng)行為、適宜的加工性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及它們與發(fā)生故障之間的關(guān)系等進(jìn)行了分析和研究。雖然，目前還沒有完全掌握，但是，他們把至今所做的部分工作內(nèi)容進(jìn)行了分析。文中介紹的主要是以擠出加工為中心所做的一系列研究，實(shí)驗(yàn)以及考證的匯總。

1 未硫化橡膠流動(dòng)的特征和對(duì)擠出加工性能的影響

與塑料相比，橡膠的加工性能具有其獨(dú)特性，且較為復(fù)雜。即，實(shí)際生產(chǎn)中配合了填料的混煉膠，其黏度較高，它對(duì)溫度的敏感性比較低。即與塑料相比，由溫度變化引起的黏度變化幅度較小。黏度與剪切速率的關(guān)系遵循帕瓦勞（Power Law）方程式，將它們兩者的對(duì)數(shù)進(jìn)行對(duì)比，則如圖1所示，黏度與剪切速率呈直線關(guān)系。此時(shí)的n值約為0.3，即使改變橡膠的種類，增減炭黑的配合量，n值也沒有太大的變化。為了證實(shí)這一點(diǎn)，該文作者采用毛細(xì)管流變儀測(cè)定了30種EPDM、SbR的炭黑膠料，其中SbR膠料的具有代表性的數(shù)據(jù)見圖2所示。

一般來說，在低剪切速率范圍內(nèi)，橡膠的黏度與剪切速率無關(guān)，而為一定值。此時(shí)的黏度被稱為零剪切黏度。但是，若增大剪切速率，則黏度下降，這一行為被稱為西雅辛寧固（ミアシンニング）現(xiàn)象。

將擠出加工區(qū)域的剪切速率提高到10～102sec-1，將注射成型時(shí)的剪切速率提高到102～104sec-1時(shí)，黏度將會(huì)下降。要注意的是，圖1中，由橡膠溫度變化導(dǎo)致的黏度變化幅度較小。要想通過設(shè)定加工溫度來有效調(diào)節(jié)擠出效果是困難的。另一方面，由溫度變化所產(chǎn)生的流動(dòng)性（或加工性）的變化幅度也比較小。

圖1 未硫化橡膠以及塑料的黏度特性的一般趨勢(shì)之比較

圖2 SBR炭黑膠料的黏度與剪切速率的關(guān)系

圖3 毛細(xì)管內(nèi)的橡膠在流動(dòng)中的壓力損失（與塑料相比較）

圖4 未硫化橡膠在擠出機(jī)機(jī)筒壁上和螺桿底部的流動(dòng)行為（膠料流動(dòng)行為）

談到未硫化橡膠的流動(dòng)行為，需要關(guān)注的是橡膠流過毛細(xì)管或口型時(shí)的壓力下降問題。圖3所示為在注射成型時(shí)，橡膠和塑料從噴嘴中流出通過流道到達(dá)注?？跁r(shí)，它們?cè)诿?xì)管內(nèi)流動(dòng)中的壓力變化情況。

此處的壓力下降是由于能量損耗所致，而這種能量損耗則是由未硫化橡膠的壓力損失造成的。與塑料相比，橡膠的壓力下降幅度較大。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生,來自橡膠流動(dòng)引起與毛細(xì)管管壁的摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致能量損耗及橡膠自身因反復(fù)壓縮變形導(dǎo)致黏度降低。進(jìn)而造成能量損耗這兩方面原因。與塑料相比，橡膠的能量損耗比較大。如圖4、5所示，已有報(bào)告分析了未硫化橡膠在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)狀況。圖4所示的是，擠出機(jī)內(nèi)螺桿溝槽底部的橡膠和螺桿底壁的界面處，以及橡膠和機(jī)筒壁的界面處的橡膠的流動(dòng)狀態(tài)。由于未硫化橡膠黏度比較高，因此，該橡膠在與金屬的界面處產(chǎn)生了滑移現(xiàn)象，從而使能量有所損耗。圖5是擠出有色橡膠，目測(cè)毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)行為，由此測(cè)定滑移程度。

另一方面，由于橡膠反復(fù)承受壓縮變形使黏度下降導(dǎo)致生熱，這是由于橡膠的黏度下降所產(chǎn)生的，所以生熱與未硫化橡膠的黏彈特性有很大的關(guān)系。

為了研究擠出過程中黏度和壓力下降的影響，將擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)和未硫化橡膠在擠出過程中的流動(dòng)路線與塑料的進(jìn)行比較，結(jié)果示于圖6和表1。

在實(shí)際的橡膠擠出操作中，一般以截面為長方形的帶狀，從喂料部供膠，通過螺桿、濾膠板、篩目、機(jī)頭后，從口型部被擠出。表1中列示了根據(jù)擠出路線的要求所設(shè)計(jì)的擠出機(jī)各部位的結(jié)構(gòu)與橡膠流動(dòng)行為之間的關(guān)系。將圖6上的擠出機(jī)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)路線聯(lián)系起來，就容易理解。

從喂料部向擠出機(jī)喂料將影響擠出量的增減和穩(wěn)定性。為了均勻地喂料，橡膠的壓力損失應(yīng)當(dāng)確定一適當(dāng)?shù)闹?。喂料口金屬面的摩擦力、橡膠的凝集力（與橡膠黏度下降有關(guān)）對(duì)喂料的影響，可通過實(shí)際的擠出試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

其次，在螺桿部，當(dāng)橡膠的黏度低，流動(dòng)性高時(shí)，會(huì)影響擠出量的增加。黏度的溫度特性與剪切速率的相關(guān)性大，這一點(diǎn)與由溫度變化以及流速增大所導(dǎo)致的流動(dòng)性能的提高密切相關(guān)，因而在實(shí)際的擠出加工中加工條件容易掌握。

圖5 顯示未硫化橡膠在毛細(xì)管內(nèi)的滑動(dòng)行為的試驗(yàn)結(jié)果（對(duì)有色橡膠進(jìn)行目測(cè)）

圖6 擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)和擠出路線

表1 擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)（擠出路線）和對(duì)流動(dòng)行為的影響

螺桿溝槽內(nèi)的橡膠在流動(dòng)中壓力下降較大，這與擠出量的減少、混煉分散效果的降低有關(guān)，這都是不利的。因此，希望采用壓力損失較小的橡膠。但是，如果壓力損失過小，則在壓縮部剪切生熱難以形成，因此這中間存在著一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

至于濾膠板、機(jī)頭、口型各部位對(duì)于流動(dòng)行為的影響，基本與喂料部位的影響相同。其中，關(guān)于口型膨脹問題，擬采用壓力損失小，應(yīng)力松弛系數(shù)（參照?qǐng)D9）小的橡膠。

由此可見，黏性流動(dòng)性能和擠出加工性能，與黏度和壓力損失密切相關(guān)。它們與黏度的關(guān)系容易理解，而與壓力損失的關(guān)系，再略加簡單的說明。

日本成型加工分會(huì)使用毛細(xì)管流變儀，研究EPDM炭黑膠料的配合問題，專家們改變剪切速率，測(cè)定其壓力損失，結(jié)果示于圖7。觀察一下該壓力損失與剪切速率的相關(guān)性，則可以看到在曲線的a區(qū)域中，即使剪切速率有所變化，壓力損失也基本上處于一定的范圍內(nèi)。這一現(xiàn)象在配方不同的所有試樣中都可以看到。另一方面由于配方不同，在a區(qū)域中剪切速率的范圍卻有所變化。采用φ60 mm擠出機(jī)對(duì)這些試樣進(jìn)行擠出試驗(yàn)，觀察擠出量的穩(wěn)定情況、口型膨脹情況和外觀，可以確認(rèn)，采用與a區(qū)域范圍相對(duì)應(yīng)的擠出速度（螺桿轉(zhuǎn)數(shù)），加工性能最為優(yōu)異。如果擠出速度過慢，則擠出物的外觀會(huì)變差，口型膨脹率也會(huì)變大，擠出量會(huì)變得不穩(wěn)定。反之，如果擠出速度過快，也會(huì)發(fā)生上述現(xiàn)象，這表明存在著一個(gè)適宜的剪切速率范圍。

下文介紹壓力損失的測(cè)定方法。正如圖3所示，壓力損失就是橡膠流過毛細(xì)管時(shí)壓力下降，一般可采用毛細(xì)管流變儀（毛細(xì)管計(jì)量化）測(cè)定。壓力損失的模型圖和曲線示于圖8。毛細(xì)管直徑R和長度L之比在3以上變化，在不同剪切速率下測(cè)定毛細(xì)管出口處的應(yīng)力，繪出曲線圖，求出穿過L/R 之比為0時(shí)的應(yīng)力P，該P(yáng)值即為壓力損失。

在擠出加工過程當(dāng)中，剪切生熱雖然是必要的，但是考慮到擠出量的增加，口型膨脹，擠出物外觀等因素，還是希望剪切生熱不能太大。

圖7 EPDM炭黑膠料的壓力損失和剪切速率的相關(guān)性

圖8 用壓力損失模型圖和曲線測(cè)定壓力損失的方法（毛細(xì)管黏度計(jì)）

圖9 應(yīng)力松弛曲線和應(yīng)力松弛系數(shù)

在擠出加工過程中，還有一項(xiàng)涉及橡膠流動(dòng)性能的指標(biāo)就是應(yīng)力松弛系數(shù)。它也是與壓力損失具有部分共性的通用指標(biāo)，它還是推測(cè)包括未硫化橡膠彈性在內(nèi)的黏彈性的一項(xiàng)指標(biāo)。它會(huì)影響擠出加工中的口型膨脹、剪切生熱、膠料從口型擠出后擠出物的變形等性能。未硫化橡膠的應(yīng)力松弛系數(shù)，一般多采用門尼黏度計(jì)（附應(yīng)力松弛結(jié)構(gòu)）測(cè)定。測(cè)得的應(yīng)力松弛曲線，以及可求取應(yīng)力松弛系數(shù)的曲線部分見圖9所示。

松弛系數(shù)可用松弛曲線切線部分的斜率表示。彈性高的橡膠，其斜率也大，變形復(fù)原的時(shí)間短。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，門尼黏度計(jì)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)數(shù)在15r/min時(shí)的松弛系數(shù)和旋轉(zhuǎn)數(shù)為0.2 r/ min，松弛系數(shù)（接近1）的未硫化膠的加工性能優(yōu)異。根據(jù)這一結(jié)果是否可以確認(rèn)，即使剪切速率發(fā)生變化，黏彈性變化小的橡膠，其加工性能優(yōu)異。

以上討論了橡膠的流動(dòng)性，下文擬就橡膠的摩擦系數(shù)對(duì)擠出加工性能的影響進(jìn)行探討。

最近，有人提出了以提高生產(chǎn)能力為目的，而增加擠出量的研究課題。解決辦法是提高擠出機(jī)喂料部機(jī)筒表面的摩擦阻力，將機(jī)筒表面制成粗糙狀面，使機(jī)筒與擠出膠料的摩擦力大于螺桿表面與擠出膠料表面的摩擦力。從擠出原理來看，如果機(jī)筒表面與橡膠的摩擦力小于螺桿表面與橡膠的摩擦力，則橡膠不能很好地被擠出。不僅是提高橡膠和機(jī)筒表面摩擦力的問題，如何控制橡膠材料與金屬之間的基本摩擦問題，也需要進(jìn)一步進(jìn)行探討。

2 未硫化橡膠的流動(dòng)性和擠出加工中故障的解決方法[1]

在橡膠擠出加工中常會(huì)有口型膨脹、產(chǎn)生流痕、擠出物外觀不良、口型周圍產(chǎn)生焦燒料、焦燒及凝膠化等不良現(xiàn)象產(chǎn)生（見表2）。表2中列舉了具有代表性的不良現(xiàn)象及其解決方法，其中也包括了對(duì)橡膠流動(dòng)行為的影響和其它產(chǎn)生故障的原因及其對(duì)策。在擠出加工中所產(chǎn)生的外觀不良現(xiàn)象至今仍是一個(gè)既永恒又新鮮的研究課題，所謂不良現(xiàn)象是指表面粗糙、焦燒、麻點(diǎn)、氣孔、膨脹、變色、表面凹凸不平等。

造成擠出物外觀不良的原因包含在擠出加工的綜合性問題之中。影響擠出物外觀不良的因素有以下幾點(diǎn)：

（1）在擠出機(jī)內(nèi)發(fā)生的老化，交聯(lián)以及分解等原因引起；

（2）橡膠塑化不良引起；

（3）橡膠焦燒（早期硫化）引起；

表2 擠出加工中的不良現(xiàn)象及其解決方法 （重點(diǎn)從橡膠的流動(dòng)特性方面考察）

（4）加工工藝上的差錯(cuò)，加工條件設(shè)定錯(cuò)誤引起。

現(xiàn)就其中的（1）和（2）進(jìn)行討論。

（1）在橡膠擠出機(jī)中最容易引起老化，焦燒，交聯(lián)和分解的部分是擠出機(jī)中的螺桿內(nèi)，濾膠板，濾膠板和機(jī)頭的連接處以及口型部。在這些部位橡膠容易滯留，容易產(chǎn)生上述問題。橡膠的擠出溫度設(shè)定在60～130 ℃左右，與塑料（100～280 ℃）相比并不算高，但未硫化橡膠的黏度較高，壓力損失較大，剪切生熱較高。壓力損失和剪切生熱有關(guān)聯(lián)，壓力損失較大的橡膠，其剪切生熱也較高。

（2）引起橡膠塑化不良的原因：由螺桿結(jié)構(gòu)造成塑化不充分；在濾膠板部位因篩目的選擇不當(dāng)引起背壓不足；溫度設(shè)定不當(dāng)；溫控精確度下降等等。未硫化橡膠和塑料在螺桿內(nèi)的塑化，按圖10 所示的狀態(tài)進(jìn)行。從螺桿溝內(nèi)擠出側(cè)的螺紋部分開始有序塑化，熔融，最后在隨動(dòng)側(cè)的螺紋部分結(jié)束塑化和熔融，這一過程可通過可視化技術(shù)加以驗(yàn)證。

螺桿的結(jié)構(gòu)對(duì)塑化過程來說至關(guān)重要。目前橡膠擠出用螺桿又增加了阻隔型和攪拌型結(jié)構(gòu)。如圖11所示，它們的工作原理是，將螺桿主螺紋中的輔助螺紋部分與機(jī)筒的間隙擴(kuò)大數(shù)倍，以求充分的塑化，只將熔融的膠料推向前方。通過調(diào)整濾膠板篩孔的大小，控制背壓，設(shè)定適當(dāng)?shù)臏囟龋刂茰囟?，在適當(dāng)?shù)募羟兴俾史秶鷥?nèi)作業(yè)，這些措施均可用于改善擠出物的外觀。

圖10 橡膠、塑料在螺桿溝內(nèi)的塑化過程

圖11 阻隔型螺桿的輔助螺紋結(jié)構(gòu)可促進(jìn)塑化

[1] 西澤仁．加工性を左右する未硫化ゴムの流動(dòng)挙動(dòng)[J]日本ゴム協(xié)會(huì)誌, 2012(11)：23-29.

[責(zé)任編輯：鄒瑾芬]

TQ 330.6+4

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1671-8232(2014)12-0048-06

2013-05-27