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    阻壩擴(kuò)張式復(fù)合機(jī)頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

    2016-07-27 02:45:44張德偉汪傳生李紹明邊慧光
    橡膠工業(yè) 2016年6期
    關(guān)鍵詞:短纖維段長(zhǎng)度膠料

    張德偉,汪傳生*,沈 波,李紹明,邊慧光

    (1.山東省高分子材料先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061;2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

    短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料發(fā)展于20世紀(jì)70年代,它將短纖維的剛性和橡膠的高彈性結(jié)合在一起,賦予橡膠制品高模量、耐切割、耐撕裂、低生熱、低壓縮永久變形等優(yōu)良性能[1],近年來(lái)得到深入研究和廣泛應(yīng)用[2-10]。研究[11-16]發(fā)現(xiàn),如果短纖維在橡膠基體中適當(dāng)取向,能夠顯著提高橡膠制品的性能,尤其對(duì)輪胎而言,如果實(shí)現(xiàn)短纖維徑向取向,即短纖維的取向方向是沿著胎面膠厚度方向,則能顯著提高輪胎的耐磨性和抗崩花掉塊性,降低滾動(dòng)阻力和行駛噪聲。

    目前,實(shí)現(xiàn)短纖維徑向取向一般采用擠出成型方法。阻壩擴(kuò)張式復(fù)合機(jī)頭具有特殊的流道結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型并實(shí)現(xiàn)短纖維在橡膠基體中的徑向取向[3]。為尋求最佳的機(jī)頭結(jié)構(gòu)參數(shù),實(shí)現(xiàn)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的最佳擠出成型,本工作在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)機(jī)頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn),研究了機(jī)頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響。研究的參數(shù)包括擴(kuò)張比、擴(kuò)張角、阻壩間隙、定型流道段長(zhǎng)度、收斂角和過(guò)渡流道段長(zhǎng)度。

    1 實(shí)驗(yàn)

    1.1 原材料及配方

    天然橡膠(SCR5) 100,聚酯短纖維 3,炭黑N330 37.4,白炭黑 15,氧化鋅 3.6,硬脂酸2,偶聯(lián)劑TESPT 3,增塑劑A 2,防老劑RD 1.5,防老劑6PPD 2,防老劑PP-3 1,硫黃 1,促進(jìn)劑NOBS 1.5。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)備

    X(S)K-160型開(kāi)煉機(jī),上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品;X(S)M-1.7L型實(shí)驗(yàn)用密煉機(jī),青島科技大學(xué)產(chǎn)品;銷釘機(jī)筒冷喂料擠出機(jī),內(nèi)蒙古富特橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品;QLB-D400 400 2(柱)型硫化試驗(yàn)機(jī),上海第一橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品;UT-2060型拉力試驗(yàn)機(jī),優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品;GT-7016-AB型氣壓式自動(dòng)切片機(jī),GT-2012-D型磨耗試驗(yàn)機(jī),高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品。

    1.3 試驗(yàn)過(guò)程及條件

    (1)在混煉試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行混煉膠的制備,條件為:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 70 r min-1,冷卻水溫度(40 1) ℃,壓砣壓力 0.6 MPa,填充因數(shù) 0.6,混煉時(shí)間 150 s,開(kāi)煉機(jī)輥筒溫度 40~50 ℃。

    (2)在擠出成型試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行短纖維徑向取向擠出成型,條件為:機(jī)筒溫度 (70 1) ℃,機(jī)頭溫度 (80 1) ℃,螺桿轉(zhuǎn)速 15 r min-1。

    試驗(yàn)過(guò)程中,需標(biāo)記膠料的擠出方向,即短纖維的徑向取向方向。

    (3)在硫化試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行擠出膠料的硫化,條件為:150 ℃/20 MPa 25 min。

    試驗(yàn)過(guò)程中,按標(biāo)記的膠料擠出方向采取兩種硫化方式,一種為短纖維取向方向沿著模具模腔的長(zhǎng)度方向,另一種為沿著寬度方向。

    (4)進(jìn)行測(cè)試試樣的制備,切片氣壓為0.6 MPa。

    沿著短纖維的不同取向方向進(jìn)行短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能測(cè)試試樣的制備,如圖1所示,短橫線示意短纖維及其取向排列方向,其中試樣(a)~(c)的測(cè)試記為S測(cè)試,(d)~(f)的測(cè)試記為V測(cè)試。

    圖1 各性能測(cè)試試樣

    (5)進(jìn)行短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料綜合物理性能的測(cè)試,條件為:拉伸速率 500 mm min-1,夾持壓力 0.6 MPa,DIN磨耗行程 40 m。

    對(duì)每個(gè)待測(cè)性能參數(shù)均進(jìn)行5次測(cè)試,除去測(cè)試所得數(shù)據(jù)中的極大值和極小值,對(duì)剩余3個(gè)測(cè)試值取算術(shù)平均值。

    2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    2.1 擴(kuò)張比

    擴(kuò)張比對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響如表1所示。

    表1 擴(kuò)張比對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

    從表1可以看出:對(duì)于S測(cè)試,短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料物理性能均隨擴(kuò)張比的增大而優(yōu)化;對(duì)于V測(cè)試,各項(xiàng)性能隨著擴(kuò)張比的增大而劣化,且擴(kuò)張比越大,同一性能參數(shù)的S測(cè)試結(jié)果越優(yōu)于V測(cè)試結(jié)果。

    擴(kuò)張比反映膠料經(jīng)過(guò)阻壩結(jié)構(gòu)后壓力釋放空間(即膨脹空間)的大小。由于短纖維在橡膠基體中徑向取向的首要影響因素是擠出脹大,因此必須要有足夠的空間使短纖維隨著膠料的脹大發(fā)生取向。若膨脹空間偏小,則膠料的膨脹程度較小,使短纖維的取向受限,因此當(dāng)擴(kuò)張比較?。ㄈ≈禐?)時(shí),短纖維在橡膠基體中的徑向取向程度較差,使V試樣中短纖維的排布方向與外力的加載方向相近,試樣能夠承受較大的外力載荷,而S測(cè)試試樣中短纖維的排布方向與外力的加載方向相近垂直,增加了應(yīng)力集中的作用,減弱了橡膠基體的承載能力,因此V測(cè)試結(jié)果優(yōu)于S測(cè)試結(jié)果;當(dāng)擴(kuò)張比較大(取值為5)時(shí),短纖維在橡膠基體中的徑向取向程度較好,使S試樣中短纖維的排布方向與外力的加載方向相近(徑向取向程度越好,與外力的加載方向越相近),因此,其試樣能夠承受較大的外力載荷,其測(cè)試結(jié)果優(yōu)于V測(cè)試結(jié)果,同時(shí)表現(xiàn)出了復(fù)合材料的各向異性特征。

    若擴(kuò)張比過(guò)大,即膨脹空間很大,理論上有利于膠料的膨脹及短纖維的取向,但這將導(dǎo)致膠料擠出成型后致密性下降,因此膨脹空間不宜過(guò)大。綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果,確定擴(kuò)張比為5。

    2.2 擴(kuò)張角

    擴(kuò)張角對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響見(jiàn)表2。

    表2 擴(kuò)張角對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

    擴(kuò)張角反映膠料經(jīng)過(guò)阻壩結(jié)構(gòu)后在壓力釋放過(guò)程中膠料的速度矢量方向,或者表征為膠料壓力釋放的緩急程度。當(dāng)擴(kuò)張角較小時(shí),S測(cè)試結(jié)果與V測(cè)試結(jié)果相近,可推測(cè)膠料的壓力釋放過(guò)程較緩慢,膠料在定型流道段內(nèi)不能快速釋放壓力而膨脹,導(dǎo)致短纖維取向程度較差;若擴(kuò)張角較大,S測(cè)試結(jié)果優(yōu)于V測(cè)試結(jié)果,但當(dāng)擴(kuò)張角為180°時(shí),膠料經(jīng)過(guò)阻壩間隙后能夠快速釋放壓力并迅速膨脹,有利于短纖維的取向,但產(chǎn)生了定型流道段后端的膠料滯留區(qū)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮確定擴(kuò)張角為150°。

    2.3 阻壩間隙

    阻壩間隙對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響見(jiàn)表3。

    表3 阻壩間隙對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

    由表3可以看出,隨著阻壩間隙的增大,短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的S測(cè)試結(jié)果先逐漸優(yōu)于V測(cè)試結(jié)果,隨后二者相互趨近。

    阻壩間隙反映阻壩對(duì)膠料體積流量的抑制能力,或者表征單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)阻壩間隙的短纖維數(shù)量。在一定剪切流場(chǎng)和拉伸流場(chǎng)的作用下,如果阻壩間隙較大,即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)阻壩的短纖維數(shù)量較多,則降低了短纖維的平均取向程度,使得S測(cè)試結(jié)果與V測(cè)試結(jié)果相近。如果阻壩間隙太小,不僅影響擠出機(jī)的生產(chǎn)能力,而且使短纖維承受較大的剪切流場(chǎng)作用而被剪斷,降低了補(bǔ)強(qiáng)能力,也使S測(cè)試結(jié)果與V測(cè)試結(jié)果相近。綜合考慮后,確定阻壩間隙為4 mm。

    2.4 定型流道段長(zhǎng)度

    定型流道段長(zhǎng)度對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響見(jiàn)表4。

    從表4可以看出,定型流道段長(zhǎng)度對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響與擴(kuò)張比和擴(kuò)張角試驗(yàn)相比,具有相似性。

    表4 定型流道段長(zhǎng)度對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

    剪切流場(chǎng)和拉伸流場(chǎng)的共同作用是影響短纖維徑向取向的另一個(gè)重要因素,而定型流道段長(zhǎng)度正是流場(chǎng)作用時(shí)間的反映。從測(cè)試結(jié)果可以看出,隨著定型流道段長(zhǎng)度的增大,S測(cè)試結(jié)果優(yōu)于V測(cè)試結(jié)果,這表明短纖維的取向程度增大,但不能說(shuō)明定型流道段越長(zhǎng)越好。由于過(guò)長(zhǎng)的流道延長(zhǎng)了膠料在機(jī)頭內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,容易導(dǎo)致膠料發(fā)生焦燒,因此定型流道段不宜過(guò)長(zhǎng)。綜合考慮后,確定定型流道段長(zhǎng)度為50 mm。

    2.5 收斂角

    收斂角對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響見(jiàn)表5。

    從表5可以看出,收斂角的增大未對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的性能產(chǎn)生較大影響,這主要是由于收斂角的變化對(duì)短纖維取向程度的影響程度較小。

    表5 收斂角對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

    收斂角大小反映膠料從過(guò)渡流道段進(jìn)入阻壩的流動(dòng)形式。若收斂角較小,膠料會(huì)比較平緩地從過(guò)渡流道段進(jìn)入到阻壩中,膠料不能在有效時(shí)間內(nèi)被壓縮從而獲得膨脹的內(nèi)能,不利于短纖維的取向,表現(xiàn)為S測(cè)試與V測(cè)試結(jié)果相近;收斂角過(guò)大(180°)時(shí),雖有利于膠料在有效的時(shí)間內(nèi)獲得膨脹的內(nèi)能,但造成過(guò)渡流道段與阻壩連接處形成膠料的滯留區(qū)。綜合考慮后,確定收斂角為120°。

    2.6 過(guò)渡流道段長(zhǎng)度

    過(guò)渡流道段長(zhǎng)度對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響見(jiàn)表6。

    從表6可以看出,過(guò)渡流道段長(zhǎng)度對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響與收斂角試驗(yàn)結(jié)果相似。

    表6 過(guò)渡流道段長(zhǎng)度對(duì)短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

    過(guò)渡流道段的作用是使膠料在流道內(nèi)的流動(dòng)趨于穩(wěn)定。由于從機(jī)頭入口端到阻壩間流道的尺寸變化較大,若沒(méi)有過(guò)渡流道段,膠料易發(fā)生紊流而影響短纖維的預(yù)軸向取向程度,因此過(guò)渡流道段不宜太短。如果過(guò)渡流道段過(guò)長(zhǎng),同樣容易引起膠料在流道內(nèi)的焦燒。綜合考慮后,確定過(guò)渡流道段長(zhǎng)度為30 mm。

    3 結(jié)語(yǔ)

    (1)S測(cè)試和V測(cè)試的對(duì)比表明,短纖維在橡膠基體中的徑向取向使短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料具備了各向異性的特性,且S測(cè)試結(jié)果越優(yōu)于V測(cè)試結(jié)果,短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料在短纖維取向的方向上性能越好。

    (2)綜合分析阻壩擴(kuò)張式復(fù)合機(jī)頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果,其優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為:擴(kuò)張比 5,擴(kuò)張角 150°,阻壩間隙 4 mm,定型流道段長(zhǎng)度 50 mm,收斂角 120°,過(guò)渡流道段長(zhǎng)度 30 mm。

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