轉(zhuǎn)矩流變儀中鎢/三元乙丙橡膠復(fù)合材料的混合過程研究

常 真，李運(yùn)波，曾 貴，萬向武，侯占杰，唐 星，朱玉斌

(上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

隨著X射線在醫(yī)療、工業(yè)探傷和安檢等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在給社會(huì)帶來巨大利益的同時(shí)也產(chǎn)生了相關(guān)輻射和防護(hù)問題。目前市場(chǎng)上的屏蔽材料主要是鉛材料[1]，但鉛在加工、運(yùn)輸?shù)冗^程中形成的微細(xì)鉛粉會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極大的危害[2]。金屬鎢(W)的密度高達(dá)19.35 g/cm3,原子序數(shù)為74，是優(yōu)良的X射線屏蔽材料，鎢及其合金材料已逐步取代傳統(tǒng)鉛屏蔽材料，但在防護(hù)服和防護(hù)簾方面主要還是由橡膠與氧化鉛等金屬氧化物混煉、硫化制成的鉛橡膠類制品[3]。三元乙丙橡膠(EPDM)結(jié)構(gòu)中含有較少的雙鍵和穩(wěn)定的聚合物主鏈結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的耐熱、耐臭氧、耐酸堿、抗疲勞、抗撕裂等性能[4],尤為突出的是其耐老化性能。采用機(jī)械共混法將二者制備成W/EPDM復(fù)合材料，則既保留鎢的屏蔽性能，又發(fā)揮了EPDM優(yōu)良的彈性和抗老化性能，在輻射防護(hù)領(lǐng)域具有很大的市場(chǎng)潛力，而且這種方法成型方便，加工簡(jiǎn)易，為屏蔽材料的加工提供了一種新的思路。

轉(zhuǎn)矩流變儀記錄的是扭矩、溫度及二者隨時(shí)間的變化關(guān)系，本質(zhì)上反映的是剪切速度保持不變時(shí)的剪切應(yīng)力的變化,扭矩值的大小反映了物料粘度的大小。由于其接近實(shí)際高分子加工條件，所以廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料的混煉等加工模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)材料在力和熱作用下的行為進(jìn)行研究[5]。本文采用轉(zhuǎn)矩流變儀模擬膠料的混煉過程，研究了混煉工藝的影響因素，確定了比較合適的加工條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

EPDM：太倉(cāng)市路邁特橡膠制品有限公司；W：粒徑20～26 μm，自貢市華剛耐磨材料有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

轉(zhuǎn)矩流變儀：XSS-300，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

用轉(zhuǎn)矩流變儀將W與EPDM按表1中的比例混合，制備出EPDM體積分?jǐn)?shù)分別為56.0%、55.2%、43.1%和39.8%的W/EPDM復(fù)合材料，其混和過程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

試樣編號(hào)1#2#3#4#5#φ(EPDM)/%100.056.055.243.139.8

將轉(zhuǎn)矩流變儀的溫度設(shè)定為120 ℃,調(diào)整轉(zhuǎn)速分別為10、20、30和40 r/min，研究轉(zhuǎn)速對(duì)W/EPDM復(fù)合材料混煉過程的影響；再將轉(zhuǎn)矩流變儀的轉(zhuǎn)速設(shè)定為20 r/min,調(diào)整溫度分別為90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃和140 ℃，研究溫度對(duì)W/EPDM復(fù)合材料混煉過程的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 W/EPDM復(fù)合材料的混煉過程

圖2為EPDM和W/EPDM的轉(zhuǎn)矩流變曲線，圖3為其對(duì)應(yīng)的流動(dòng)模式。從圖2中1#扭矩曲線可以看出，EPDM在加入轉(zhuǎn)矩流變儀后扭矩迅速增大，出現(xiàn)加料峰，接著是橡膠的塑煉過程(見圖3a)：大塊的橡膠在腔室內(nèi)受到劇烈的剪切作用發(fā)生破碎和粘度降低，膠料的溫度上升，扭矩在300 s左右達(dá)到平衡。從圖2中3#扭矩曲線可知，W/EPDM復(fù)合材料的混煉過程可以分為潤(rùn)濕—分散—捏煉3個(gè)階段。相比EPDM，W/EPDM復(fù)合材料的混合過程中，由于EPDM大分子鏈未經(jīng)機(jī)械塑煉,仍具有很高的相對(duì)分子質(zhì)量，因此,在轉(zhuǎn)矩流變儀中的塑煉和混煉實(shí)質(zhì)上是同時(shí)進(jìn)行的[6]。從圖2可以看出：W/EPDM復(fù)合材料的加料峰出現(xiàn)稍晚，在700 s左右才達(dá)到平衡，這說明W/EPDM復(fù)合材料的混煉要比EPDM的時(shí)間長(zhǎng)；3#復(fù)合材料的扭矩要比1#的大并且起伏劇烈，這是因?yàn)殒u粉的潤(rùn)濕和分散都需要很大的剪切力，扭矩起伏很大則是由于在流動(dòng)過程中鎢粉容易聚集在膠料某些空隙中，使得混煉空間分布不均造成扭矩急劇變化。從圖2溫度曲線可以看出1#的溫度變化沒有3#的劇烈并且高于3#，說明W/EPDM復(fù)合材料的粘滯耗散作用要明顯大于EPDM，這主要是由于鎢粉需要很大能量來潤(rùn)濕和分散。

對(duì)比1#EPDM和3#W/EPDM復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)，兩者的變化趨勢(shì)是一致的，1#都屬于彈性體的流動(dòng)，3#的流動(dòng)模式是橡膠裹挾鎢粉流動(dòng)(見圖3b)，本質(zhì)上也屬于彈性體的流動(dòng)。而5#復(fù)合材料扭矩曲線明顯與它們不同，幾乎沒有加料峰，扭矩一直比較平穩(wěn)而且很小，分析認(rèn)為5#的橡膠體積分?jǐn)?shù)低于40%，流動(dòng)時(shí)由橡膠裹挾鎢粉變?yōu)殒u粉裹挾橡膠(見圖3c)，即由彈性體的流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉垠w的流動(dòng)，不需要很大的剪切力。從圖2溫度曲線可以看出，5#復(fù)合材料的粘滯耗散作用比較小，所以消耗的能量較小。

時(shí)間/s(溫度120 ℃，轉(zhuǎn)速20 r/min)圖2 1#、3#和5#的轉(zhuǎn)矩流變曲線

(a) 1#

(b) 3#

(c) 5#圖3 3種流動(dòng)模式

2.2 EPDM體積分?jǐn)?shù)對(duì)混煉過程的影響

圖4為不同體積分?jǐn)?shù)的扭矩-時(shí)間曲線，由前面分析可知2#～4#為彈性體的流動(dòng)，而5#為粉體的流動(dòng)。同為彈性體的流動(dòng)，4#的扭矩明顯低于2#和3#的，這是因?yàn)?#和3#的橡膠體積分?jǐn)?shù)大于50%，橡膠仍是流動(dòng)主體，膠料在流動(dòng)過程中受到的剪切作用明顯，而4#的體積分?jǐn)?shù)為43%，雖然膠料的流動(dòng)仍屬于彈性體流動(dòng)，但橡膠很難在裹挾所有的鎢粉流動(dòng)，所以使得局部混煉空間變大，剪切作用變??；而2#和3#的扭矩比較接近，且2#的還要低于3#的，這是由于2#的裝載量比3#的要高，造成混煉空間不足，剪切作用變小。

時(shí)間/min(溫度120 ℃，轉(zhuǎn)速20 r/min)圖4 不同體積分?jǐn)?shù)的扭矩-時(shí)間曲線

2.3 加工轉(zhuǎn)速對(duì)平衡扭矩的影響

圖5為2#～4#不同轉(zhuǎn)速下的平衡扭矩。

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)(溫度120 ℃)圖5 2#～4#不同轉(zhuǎn)速下的平衡扭矩

從圖5可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，平衡扭矩增大，在低轉(zhuǎn)速下平衡扭矩增大明顯，在高轉(zhuǎn)速下趨于平衡。這是由于型腔內(nèi)膠料的主要剪切區(qū)域就是轉(zhuǎn)子凸棱峰與室壁的最小間隙處，轉(zhuǎn)速提高，剪切速率增大，單位時(shí)間的總剪切形變量增大，混煉速度加快；轉(zhuǎn)速過高又會(huì)加速生熱，導(dǎo)致膠料粘度減小，機(jī)械剪切效果降低，兩種作用達(dá)到平衡使得扭矩趨于平衡。所以在低轉(zhuǎn)速下提高轉(zhuǎn)速有助于增強(qiáng)膠料的混煉。而5#由于屬于粉體的流動(dòng)，不需要很大的剪切力，所以轉(zhuǎn)速對(duì)其幾乎沒有影響。

2.4 加工溫度對(duì)平衡扭矩的影響

圖6為2#～5#的平衡扭矩-溫度曲線，2#～4#隨著溫度的升高，扭矩在低溫度下增加明顯，溫度較高時(shí)趨于穩(wěn)定。因?yàn)榛鞜挏囟雀哂欣谀z料的塑性流動(dòng)與變形，單位時(shí)間的總剪切變形量增大；但溫度過高會(huì)使得膠料粘度變小，機(jī)械剪切效果降低，兩種作用達(dá)到平衡使得扭矩趨于平衡，而且溫度過高會(huì)加速橡膠的熱氧化老化出現(xiàn)過煉現(xiàn)象。所以在低溫度下提高溫度有助于混煉的進(jìn)行。而5#由于屬于粉體的流動(dòng)，不需要很大的能量，所以溫度對(duì)其幾乎沒有影響。

溫度/℃(轉(zhuǎn)速20 r/min)圖6 2#～5#不同溫度下的平衡扭矩

3 結(jié) 論

(1) W/EPDM復(fù)合材料在混煉過程中的流動(dòng)模式是由橡膠的體積分?jǐn)?shù)決定的，當(dāng)橡膠的體積分?jǐn)?shù)大于43%時(shí)，混煉時(shí)橡膠裹挾鎢粉進(jìn)行彈性體的流動(dòng)，反之鎢粉裹挾橡膠進(jìn)行粉體的流動(dòng)。

(2) 承擔(dān)屏蔽作用的W在W/EPDM復(fù)合材料中所占比例很大，使得W/EPDM復(fù)合材料的密度幾乎十幾倍于純橡膠，所以在彈性流動(dòng)模式下，W/EPDM混煉的剪切力很大，消耗的能量和時(shí)間也明顯高于純橡膠；而在粉體流動(dòng)模式下，W/EPDM則不需要很大的剪切力，消耗的時(shí)間和能量也比較少。

(3) 在彈性體流動(dòng)模式下，提高轉(zhuǎn)速和升高溫度對(duì)扭矩的作用是一樣的，都有助于混煉的進(jìn)行，但是在較低的轉(zhuǎn)速和溫度下扭矩增加較快，升高到一定程度扭矩則趨于平衡。

參 考 文 獻(xiàn)：

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