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阻坝扩张式复合机头结构参数对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响

时间:2024-05-22

张德伟,汪传生*,沈 波,李绍明,边慧光

(1.山东省高分子材料先进制造技术重点实验室,山东 青岛 266061;2.青岛科技大学 机电工程学院,山东 青岛 266061)

短纤维补强橡胶复合材料发展于20世纪70年代,它将短纤维的刚性和橡胶的高弹性结合在一起,赋予橡胶制品高模量、耐切割、耐撕裂、低生热、低压缩永久变形等优良性能[1],近年来得到深入研究和广泛应用[2-10]。研究[11-16]发现,如果短纤维在橡胶基体中适当取向,能够显著提高橡胶制品的性能,尤其对轮胎而言,如果实现短纤维径向取向,即短纤维的取向方向是沿着胎面胶厚度方向,则能显著提高轮胎的耐磨性和抗崩花掉块性,降低滚动阻力和行驶噪声。

目前,实现短纤维径向取向一般采用挤出成型方法。阻坝扩张式复合机头具有特殊的流道结构,能够实现短纤维补强橡胶复合材料的挤出成型并实现短纤维在橡胶基体中的径向取向[3]。为寻求最佳的机头结构参数,实现短纤维补强橡胶复合材料的最佳挤出成型,本工作在正交试验的基础上,通过机头结构参数的对比试验,研究了机头结构参数对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响。研究的参数包括扩张比、扩张角、阻坝间隙、定型流道段长度、收敛角和过渡流道段长度。

1 实验

1.1 原材料及配方

天然橡胶(SCR5) 100,聚酯短纤维 3,炭黑N330 37.4,白炭黑 15,氧化锌 3.6,硬脂酸2,偶联剂TESPT 3,增塑剂A 2,防老剂RD 1.5,防老剂6PPD 2,防老剂PP-3 1,硫黄 1,促进剂NOBS 1.5。

1.2 试验设备

X(S)K-160型开炼机,上海橡胶机械厂产品;X(S)M-1.7L型实验用密炼机,青岛科技大学产品;销钉机筒冷喂料挤出机,内蒙古富特橡塑机械有限公司产品;QLB-D400 400 2(柱)型硫化试验机,上海第一橡胶机械厂产品;UT-2060型拉力试验机,优肯科技股份有限公司产品;GT-7016-AB型气压式自动切片机,GT-2012-D型磨耗试验机,高铁科技股份有限公司产品。

1.3 试验过程及条件

(1)在混炼试验平台上进行混炼胶的制备,条件为:转子转速 70 r min-1,冷却水温度(40 1) ℃,压砣压力 0.6 MPa,填充因数 0.6,混炼时间 150 s,开炼机辊筒温度 40~50 ℃。

(2)在挤出成型试验平台上进行短纤维径向取向挤出成型,条件为:机筒温度 (70 1) ℃,机头温度 (80 1) ℃,螺杆转速 15 r min-1。

试验过程中,需标记胶料的挤出方向,即短纤维的径向取向方向。

(3)在硫化试验平台上进行挤出胶料的硫化,条件为:150 ℃/20 MPa 25 min。

试验过程中,按标记的胶料挤出方向采取两种硫化方式,一种为短纤维取向方向沿着模具模腔的长度方向,另一种为沿着宽度方向。

(4)进行测试试样的制备,切片气压为0.6 MPa。

沿着短纤维的不同取向方向进行短纤维补强橡胶复合材料性能测试试样的制备,如图1所示,短横线示意短纤维及其取向排列方向,其中试样(a)~(c)的测试记为S测试,(d)~(f)的测试记为V测试。

图1 各性能测试试样

(5)进行短纤维补强橡胶复合材料综合物理性能的测试,条件为:拉伸速率 500 mm min-1,夹持压力 0.6 MPa,DIN磨耗行程 40 m。

对每个待测性能参数均进行5次测试,除去测试所得数据中的极大值和极小值,对剩余3个测试值取算术平均值。

2 试验结果及分析

2.1 扩张比

扩张比对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响如表1所示。

表1 扩张比对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响

从表1可以看出:对于S测试,短纤维补强橡胶复合材料物理性能均随扩张比的增大而优化;对于V测试,各项性能随着扩张比的增大而劣化,且扩张比越大,同一性能参数的S测试结果越优于V测试结果。

扩张比反映胶料经过阻坝结构后压力释放空间(即膨胀空间)的大小。由于短纤维在橡胶基体中径向取向的首要影响因素是挤出胀大,因此必须要有足够的空间使短纤维随着胶料的胀大发生取向。若膨胀空间偏小,则胶料的膨胀程度较小,使短纤维的取向受限,因此当扩张比较小(取值为2)时,短纤维在橡胶基体中的径向取向程度较差,使V试样中短纤维的排布方向与外力的加载方向相近,试样能够承受较大的外力载荷,而S测试试样中短纤维的排布方向与外力的加载方向相近垂直,增加了应力集中的作用,减弱了橡胶基体的承载能力,因此V测试结果优于S测试结果;当扩张比较大(取值为5)时,短纤维在橡胶基体中的径向取向程度较好,使S试样中短纤维的排布方向与外力的加载方向相近(径向取向程度越好,与外力的加载方向越相近),因此,其试样能够承受较大的外力载荷,其测试结果优于V测试结果,同时表现出了复合材料的各向异性特征。

若扩张比过大,即膨胀空间很大,理论上有利于胶料的膨胀及短纤维的取向,但这将导致胶料挤出成型后致密性下降,因此膨胀空间不宜过大。综合考虑试验结果,确定扩张比为5。

2.2 扩张角

扩张角对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响见表2。

表2 扩张角对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响

扩张角反映胶料经过阻坝结构后在压力释放过程中胶料的速度矢量方向,或者表征为胶料压力释放的缓急程度。当扩张角较小时,S测试结果与V测试结果相近,可推测胶料的压力释放过程较缓慢,胶料在定型流道段内不能快速释放压力而膨胀,导致短纤维取向程度较差;若扩张角较大,S测试结果优于V测试结果,但当扩张角为180°时,胶料经过阻坝间隙后能够快速释放压力并迅速膨胀,有利于短纤维的取向,但产生了定型流道段后端的胶料滞留区。结合试验结果,综合考虑确定扩张角为150°。

2.3 阻坝间隙

阻坝间隙对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响见表3。

表3 阻坝间隙对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响

由表3可以看出,随着阻坝间隙的增大,短纤维补强橡胶复合材料性能的S测试结果先逐渐优于V测试结果,随后二者相互趋近。

阻坝间隙反映阻坝对胶料体积流量的抑制能力,或者表征单位时间内通过阻坝间隙的短纤维数量。在一定剪切流场和拉伸流场的作用下,如果阻坝间隙较大,即单位时间内通过阻坝的短纤维数量较多,则降低了短纤维的平均取向程度,使得S测试结果与V测试结果相近。如果阻坝间隙太小,不仅影响挤出机的生产能力,而且使短纤维承受较大的剪切流场作用而被剪断,降低了补强能力,也使S测试结果与V测试结果相近。综合考虑后,确定阻坝间隙为4 mm。

2.4 定型流道段长度

定型流道段长度对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响见表4。

从表4可以看出,定型流道段长度对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响与扩张比和扩张角试验相比,具有相似性。

表4 定型流道段长度对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响

剪切流场和拉伸流场的共同作用是影响短纤维径向取向的另一个重要因素,而定型流道段长度正是流场作用时间的反映。从测试结果可以看出,随着定型流道段长度的增大,S测试结果优于V测试结果,这表明短纤维的取向程度增大,但不能说明定型流道段越长越好。由于过长的流道延长了胶料在机头内的运动时间,容易导致胶料发生焦烧,因此定型流道段不宜过长。综合考虑后,确定定型流道段长度为50 mm。

2.5 收敛角

收敛角对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响见表5。

从表5可以看出,收敛角的增大未对短纤维补强橡胶复合材料的性能产生较大影响,这主要是由于收敛角的变化对短纤维取向程度的影响程度较小。

表5 收敛角对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响

收敛角大小反映胶料从过渡流道段进入阻坝的流动形式。若收敛角较小,胶料会比较平缓地从过渡流道段进入到阻坝中,胶料不能在有效时间内被压缩从而获得膨胀的内能,不利于短纤维的取向,表现为S测试与V测试结果相近;收敛角过大(180°)时,虽有利于胶料在有效的时间内获得膨胀的内能,但造成过渡流道段与阻坝连接处形成胶料的滞留区。综合考虑后,确定收敛角为120°。

2.6 过渡流道段长度

过渡流道段长度对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响见表6。

从表6可以看出,过渡流道段长度对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响与收敛角试验结果相似。

表6 过渡流道段长度对短纤维补强橡胶复合材料性能的影响

过渡流道段的作用是使胶料在流道内的流动趋于稳定。由于从机头入口端到阻坝间流道的尺寸变化较大,若没有过渡流道段,胶料易发生紊流而影响短纤维的预轴向取向程度,因此过渡流道段不宜太短。如果过渡流道段过长,同样容易引起胶料在流道内的焦烧。综合考虑后,确定过渡流道段长度为30 mm。

3 结语

(1)S测试和V测试的对比表明,短纤维在橡胶基体中的径向取向使短纤维补强橡胶复合材料具备了各向异性的特性,且S测试结果越优于V测试结果,短纤维补强橡胶复合材料在短纤维取向的方向上性能越好。

(2)综合分析阻坝扩张式复合机头的结构参数试验结果,其优化结构参数为:扩张比 5,扩张角 150°,阻坝间隙 4 mm,定型流道段长度 50 mm,收敛角 120°,过渡流道段长度 30 mm。

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