層疊式擠出機(jī)頭對(duì)短纖維取向的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

李利，王振魯，邊慧光，謝超林，張萌

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

層疊式擠出機(jī)頭對(duì)短纖維取向的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

李利，王振魯*，邊慧光，謝超林，張萌

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

針對(duì)層疊式取向機(jī)頭和普通擠出機(jī)頭兩種不同構(gòu)型的機(jī)頭安裝在擠出機(jī)上，在相同的機(jī)頭壓力、機(jī)頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速等實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行擠出成型對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并采用有限元模擬的方法對(duì)層疊式取向機(jī)頭和普通擠出機(jī)頭流道內(nèi)的壓力場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，保證短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型及其質(zhì)量。結(jié)果表明，層疊式取向機(jī)頭使短纖維在橡膠基體中的徑向取向度比普通擠出機(jī)頭高，對(duì)短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型質(zhì)量及性能也比普通機(jī)頭要好。

機(jī)頭構(gòu)型；短纖維取向；擠出成型；材料性能

1 實(shí)驗(yàn)裝備及儀器

1.1 擠出機(jī)

短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型是在擠出機(jī)上完成的，本文使用Φ65銷釘機(jī)筒橡膠冷喂料擠出機(jī)，如圖1所示。該擠出機(jī)適用于多種膠料的擠出。另外，本文所做的實(shí)驗(yàn)研究主要圍繞自行設(shè)計(jì)的層疊式取向機(jī)頭展開(kāi)，如圖2所示。

圖1 Φ65橡膠冷喂料擠出機(jī)

圖2 層疊式取向機(jī)頭

1.2 其他輔助設(shè)備

X（S）M-1.7L密煉機(jī)，青島科技大學(xué)制造； QLB-D 平板硫化機(jī)，上海第一橡膠機(jī)械廠制造； X（S）K-160開(kāi)煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠生產(chǎn)； UM-2050門尼黏度儀，優(yōu)肯科技股份有限公司生產(chǎn)； UT-2060拉力試驗(yàn)機(jī)，優(yōu)肯科技股份有限公司生產(chǎn)； GT-7016-AB氣壓式自動(dòng)切片機(jī)，高鐵科技股份有限公司生產(chǎn)；MM4130C無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，北京環(huán)峰化工機(jī)械實(shí)驗(yàn)廠生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用光學(xué)顯微鏡； GT-2012-D磨耗試驗(yàn)機(jī)，高鐵科技股份有限公司生產(chǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)配方及條件

2.1 原材料及配方

本實(shí)驗(yàn)選用橡膠產(chǎn)品中最具有代表性的全鋼子午線輪胎胎面膠配方，原材料及主要性能如表1所示，配方如表2所示。

2.2 擠出機(jī)實(shí)驗(yàn)條件

短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型實(shí)驗(yàn)中，研究機(jī)頭構(gòu)型對(duì)短纖維取向以及復(fù)合材料性能的影響。所需研究的條件及其參數(shù)如表3所示。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 擠出機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）割膠：開(kāi)煉機(jī)下片后，對(duì)下片的膠料進(jìn)行割裁，寬度不超過(guò)50 mm。

（2）預(yù)熱：按工藝條件設(shè)定擠出機(jī)塑化段、均化段及機(jī)頭的溫度，實(shí)施預(yù)熱。

（3）擠出：根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，首先對(duì)兩種結(jié)構(gòu)型式的機(jī)頭進(jìn)行擠出成型實(shí)驗(yàn)研究，然后對(duì)層疊式取向機(jī)頭的擠出工藝條件參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 光學(xué)顯微測(cè)試過(guò)程

目前沒(méi)有儀器及方法能直接檢測(cè)短纖維取向方向及程度，因此本文采用光學(xué)顯微照相方法檢測(cè)短纖維在橡膠基體中的取向方向及程度。

（1）制備試樣

按標(biāo)記的方向?qū)D出試樣縱向切片，短纖維在橡膠基體中的理想取向方向如圖3（a）所示，但實(shí)際上，由于短纖維有一定長(zhǎng)度，因此，難免短纖維會(huì)與XOZ平面形成一定夾角，如圖3（b）所示。

由于橡膠基體中的短纖維不能絕對(duì)豎直于平面上，切片時(shí)會(huì)切斷部分短纖維，因此將試樣置于四氯化碳試劑中，50℃下浸泡15 min，每隔2 min攪拌，取出試樣揮發(fā)試劑后，完成試樣的制備。

表1 主要原材料的主要性能

表2 實(shí)驗(yàn)配方表

表3 擠出成型實(shí)驗(yàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件

（2）顯微照相測(cè)試

試樣預(yù)處理后，用實(shí)驗(yàn)用光學(xué)顯微鏡，從擠出膠料的上表面方向，即圖3（b）中的Z軸方向，對(duì)短纖維的取向方向及程度進(jìn)行觀察掃描。

3.3 性能測(cè)試過(guò)程

膠料硫化后進(jìn)行性能測(cè)試，包括拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度及DIN磨耗等，測(cè)試過(guò)程如下。

（1）試樣制備

為對(duì)比分析短纖維取向方向?qū)α蚧z性能的影響，沿不同取向方向在GT-7016-AB氣壓式自動(dòng)切片計(jì)上進(jìn)行性能測(cè)試試樣的制備，如圖4所示。

圖3 短纖維在橡膠基體中的狀態(tài)

（2）性能測(cè)試

在UT-2060拉力試驗(yàn)機(jī)及GT-2012-D磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行物理機(jī)械性能的測(cè)試，嚴(yán)格按照步驟和規(guī)范來(lái)操作，并記錄數(shù)據(jù)。

每個(gè)試樣和指標(biāo)均測(cè)試5次，除去極大值和極小值，對(duì)剩余3個(gè)值取算術(shù)平均值，即測(cè)試結(jié)果為3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 光學(xué)顯微測(cè)試結(jié)果及分析

機(jī)頭結(jié)構(gòu)型式是影響短纖維取向的最關(guān)鍵的因素。實(shí)驗(yàn)中用層疊式取向機(jī)頭擠出膠料，如圖5所示，然后利用光學(xué)顯微照相方法對(duì)得到的擠出膠料進(jìn)行掃描，將得到的掃描結(jié)果與普通擠出機(jī)頭的掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。光學(xué)顯微測(cè)試的具體方法如上一章所述，用實(shí)驗(yàn)光學(xué)顯微鏡從擠出膠料的上表面方向，也就是圖3（b）中的Z軸方向，進(jìn)行觀察掃描，其結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出：在短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型過(guò)程中，層疊式取向機(jī)頭使短纖維在橡膠基體中的徑向取向度較高，而普通擠出機(jī)頭基本不能使短纖維徑向取向。

主要原因是層疊式取向機(jī)頭在擠出成型過(guò)程中能對(duì)膠料和短纖維進(jìn)行分層，這樣可以減少胎面膠中軸向分布的短纖維，增加徑向分布的短纖維，從而增加了對(duì)短纖維的徑向取向能力；而普通擠出機(jī)頭沒(méi)有對(duì)膠料分層及短纖維分布起導(dǎo)向作用的結(jié)構(gòu)，短纖維在膠料中的分布雜亂無(wú)章。

圖4 性能測(cè)試試樣

圖5 層疊式取向機(jī)頭的擠出膠料

圖6 機(jī)頭構(gòu)型對(duì)短纖維取向程度的影響

4.2 性能測(cè)試結(jié)果及分析

4.2.1 性能測(cè)試結(jié)果

性能測(cè)試的內(nèi)容包括300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、扯斷永久變形、DIN磨耗體積量，通過(guò)各種性能測(cè)試來(lái)比較分析機(jī)頭結(jié)構(gòu)型式對(duì)短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料擠出成型及其質(zhì)量的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表4所示。

為更直觀地比較分析表4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用柱形圖對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖7所示。

表4 機(jī)頭構(gòu)型對(duì)短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

圖7 機(jī)頭構(gòu)型對(duì)短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料性能的影響

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）機(jī)頭構(gòu)型對(duì)300%定伸應(yīng)力的影響

從表4和圖7（a）的性能測(cè)試結(jié)果可以看出，層疊式取向機(jī)頭制備的短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的硫化膠（記為L(zhǎng)1膠），其300%定伸應(yīng)力高于普通擠出機(jī)頭制備的短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的硫化膠（記為L(zhǎng)2膠）。

（2）機(jī)頭構(gòu)型對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

從表4和圖7（b）的性能測(cè)試結(jié)果可以看出，層疊式取向機(jī)頭制備的硫化膠的拉伸強(qiáng)度明顯高于普通擠出機(jī)頭制備的硫化膠，這與機(jī)頭構(gòu)型對(duì)300%定伸應(yīng)力的影響是相同的。

（3）機(jī)頭構(gòu)型對(duì)抗撕裂強(qiáng)度的影響

從表4和圖7（c）的性能測(cè)試結(jié)果可以看出，層疊式取向機(jī)頭制備出的L1膠的抗撕裂強(qiáng)度高于普通擠出機(jī)頭制備的L2膠的抗撕裂強(qiáng)度。

（4）機(jī)頭構(gòu)型對(duì)扯斷伸長(zhǎng)率的影響

從表4和圖7（d）的性能測(cè)試結(jié)果可以看出，L1膠和L2膠的扯斷伸長(zhǎng)率相當(dāng)。

（5）機(jī)頭構(gòu)型對(duì)扯斷永久變形的影響

從表4和圖7（e）的性能測(cè)試結(jié)果可以看出，L1膠的扯斷永久變形與L2膠的扯斷永久變形也基本一致。

（6）機(jī)頭構(gòu)型對(duì)DIN磨耗的影響

從表4和圖7（f）的性能測(cè)試結(jié)果可以看出，L1膠的DIN磨耗小于L2膠的DIN磨耗，大約降低了12%，表明L1膠的耐磨性較好。

對(duì)表4和圖7的性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行總體分析可得：層疊式取向機(jī)頭所制備的短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的物理機(jī)械性能整體上優(yōu)于普通擠出機(jī)頭所制備的短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的物理機(jī)械性能，因?yàn)榍罢邔?duì)短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料進(jìn)行了分層擠出，在增加對(duì)膠料的剪切與拉伸作用的同時(shí)，使短纖維及膠料分層排列。這不但增加膠料的致密度，提高膠料的拉伸強(qiáng)度與抗撕裂強(qiáng)度等，而且提高短纖維在橡膠基體中的徑向取向程度，使擠出膠料具有較高的耐磨性，從而獲得物理機(jī)械性能較高的短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料。

5 總結(jié)

通過(guò)以上結(jié)果分析可以看出，在相同的機(jī)頭壓力、機(jī)頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速等實(shí)驗(yàn)條件下，研究不同構(gòu)型的機(jī)頭對(duì)短纖維取向程度和短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型質(zhì)量的影響，結(jié)果分析表明，層疊式取向機(jī)頭使短纖維在橡膠基體中的徑向取向度比普通擠出機(jī)頭高，層疊式取向機(jī)頭對(duì)短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的擠出成型質(zhì)量及性能的影響要優(yōu)于普通機(jī)頭，同時(shí)為以后實(shí)驗(yàn)選取層疊式取向機(jī)頭的最佳擠出工藝提供了有利的條件。

[1] 張萌. 層疊式取向機(jī)頭的擠出機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[D]，青島：青島科技大學(xué)，2013.

[2] 張德偉. 短纖維-橡膠復(fù)合材料混煉機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 青島：青島科技大學(xué)，2009.

[3] 崔時(shí)虎. 短纖維增強(qiáng)橡膠及其取向機(jī)頭的研究[J]. 橡膠技術(shù)與裝備，1990,(4),1～11.

[4] 劉洪濤，周彥豪，張興華. 有機(jī)短纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]，高分子材料科學(xué)與工程，2004，20(3)： 41～45.

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Study on short fber orientation for Cascading the extrusion head with contrast experiment

Study on short fber orientation for Cascading the extrusion head with contrast experiment

Li Li, Wang Zhenlu, Bian Huiguang. Xie Chaolin, Zhang Meng
(Qingdao university of science and technology ,Qingdao,266061,Shandong)

Under the same experimental conditions such as head pressure、 temperature and screw speed, A contrast experiment research was made between the cascading extrusion head and normal excavation head which installed in the extruder. And the contrast analyzed the pressure feld adopts themethod of fnite element simulation to ensure that the short fber reinforced rubber composite extrusion forming and its high quality. The results show that cascading orientation head can make radial orientation degree of short fiber in rubber matrix higher than normal extrusion, and reinforced rubber composite extrusion forming quality and the performance is better than normal head too.

head confguration; short fber orientation; extrusion forming; material performance

TQ330.44

：1009-797X(2015)03-0005-05

BDOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.03.002

（XS-03）

李利（1972-），女，青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授，主要從事高分子材料成型技術(shù)研究工作。

2013-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51345006）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題（20123719120004）；山東省博士基金（BS2011ZZ005）；青島市科技計(jì)劃基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（11-2-4-3-（11）-jch）。

*通訊聯(lián)系人。