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

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。