橡膠振動(dòng)注射試驗(yàn)研究

焦冬梅，邊慧光，王瑞松，田曉龍，楊衛(wèi)民

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

粘流態(tài)橡膠在外力作用下流動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)壓延、擠出、注射成型等工藝。橡膠流動(dòng)性差會(huì)使制品表面出現(xiàn)流痕、缺膠以及綜合物理性能下降等質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)帶來(lái)生產(chǎn)能耗高、設(shè)備要求高等問(wèn)題[1-2]。提高橡膠流動(dòng)性和膠料充填能力、降低生產(chǎn)能耗一直是橡膠行業(yè)亟需解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于塑料成型加工進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3]。受振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于塑料成型的研究[4-5]啟發(fā)，本研究提出了橡膠振動(dòng)注射成型技術(shù)。橡膠和塑料雖同屬于高分子材料，但是橡膠作為一種高彈性材料，彈性效應(yīng)更加明顯，具有粘度高、流動(dòng)性差、易焦燒[6-8]等特點(diǎn)，與塑料成型有本質(zhì)的區(qū)別，因此振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于橡膠成型加工有必要進(jìn)行深入研究。本工作在自行開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)上，利用試驗(yàn)方法研究橡膠振動(dòng)注射工藝對(duì)膠料流動(dòng)性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)和輔助設(shè)備

橡膠動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以UD-3600型動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試機(jī)為基礎(chǔ)自行改造而成，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、靜態(tài)（傳統(tǒng)工藝）橡膠注射成型試驗(yàn)，頻率范圍為0～100 Hz，振幅范圍為0～5.0 mm，可以提供多種不同波形的振動(dòng)。模具與振動(dòng)臺(tái)連接，并與振動(dòng)臺(tái)以同頻率、同振幅、同波形振動(dòng)?；鞜捘z在絲桿柱塞作用下充填模腔，在膠料主運(yùn)動(dòng)方向上疊加振動(dòng)場(chǎng)，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)膠料填充過(guò)程壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)并輸出，從而可以直觀判斷出橡膠流動(dòng)狀態(tài)的改變。

圖1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

其他輔助設(shè)備為：X（S）K-160型開(kāi)煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠(chǎng)產(chǎn)品；UM-2050型門(mén)尼粘度儀，優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；VMA1000型膠料流動(dòng)性分析儀，特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司產(chǎn)品；GT-7016-AB型氣壓式自動(dòng)切片機(jī)，高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 模具

自行設(shè)計(jì)的測(cè)試用注射模具的上下模板結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中上模板中心部位開(kāi)有注膠孔，下模板模腔采用阿基米德螺旋線(xiàn)形式，螺旋槽深為2 mm，半圓形截面半徑為2.5 mm，中間凹槽型腔直徑為26 mm，深度為5 mm，型腔沿流動(dòng)方向標(biāo)有刻度，可以觀察膠料的流動(dòng)長(zhǎng)度。

圖2 模具結(jié)構(gòu)

1.3 主要原材料

丁苯橡膠（SBR），門(mén)尼粘度[ML（1+4）100℃]為44～45，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），中國(guó)石化燕山石化公司產(chǎn)品；炭黑N375，武漢探新炭黑科技開(kāi)發(fā)有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，青島新源化工助劑有限公司產(chǎn)品。

1.4 配方

SBR 70，BR 30，炭黑N375 60，氧化鋅4，硬脂酸 2，防老劑4010NA 1，硫黃 1.8，促進(jìn)劑CZ 0.9。

2 結(jié)果與討論

2.1 注射壓力曲線(xiàn)

圖3示出了注射速度為100 mm·min-1時(shí)定量混煉膠在靜態(tài)和振動(dòng)下（頻率為30 Hz，振幅為0.9 mm）注射過(guò)程中注射壓力實(shí)測(cè)曲線(xiàn)。

圖3 注射過(guò)程中注射壓力曲線(xiàn)

由圖3可以看出，靜態(tài)注射的注射壓力最高為45.5 kN，振動(dòng)注射的注射壓力最高為32.0 kN，注射壓力下降明顯，說(shuō)明振動(dòng)可以有效改變膠料的流動(dòng)性。

2.2 注射壓力與振幅的關(guān)系

圖4示出了注射速度為100 mm·min-1時(shí)定量混煉膠以不同振幅（頻率為30 Hz）注射過(guò)程中注射壓力與振幅的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖4 注射壓力與振幅的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖4可以看出：與靜態(tài)注射（振幅為0）相比，振動(dòng)注射壓力明顯下降；隨著振幅的增大，注射壓力不斷下降，降幅先小后大再平緩，不同振幅下注射壓力降幅不同，振幅為0.5 mm時(shí)，注射壓力降幅達(dá)21%，振幅為0～0.3 mm范圍內(nèi)，注射壓力降幅在10%以?xún)?nèi)，振幅超過(guò)0.5 mm時(shí)，注射壓力降幅相對(duì)平穩(wěn)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可參考性，進(jìn)行了固定頻率為10和50 Hz的振動(dòng)注射試驗(yàn)，得到類(lèi)似的試驗(yàn)結(jié)果。分析認(rèn)為，振動(dòng)場(chǎng)作用于橡膠流場(chǎng)，改變了橡膠與流道的壁面關(guān)系，加快了彈性松弛，流變性發(fā)生改變，膠料流動(dòng)性變好，流動(dòng)阻力減小，使注射壓力下降，從而降低了設(shè)備能耗。

2.3 注射壓力與頻率的關(guān)系

圖5示出了注射速度為100 mm·min-1時(shí)定量混煉膠在不同頻率（振幅為0.5 mm）下注射過(guò)程中注射壓力與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖5 注射壓力與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖5可以看出，隨著頻率的增大，注射壓力下降，在頻率達(dá)到一定值后，注射壓力降幅變小。

表1示出了不同振幅下注射壓力下降率。由表1可以看出，在不同振幅下注射，隨著頻率的增大，注射壓力降幅有類(lèi)似的變化規(guī)律。振幅為0.3 mm、頻率為50和70 Hz時(shí)注射壓力下降率分別為10.8%和14.1%；振幅為0.5 mm、頻率為50和70 Hz時(shí)，注射壓力下降率分別為23.1%和24.8%，這為生產(chǎn)中振動(dòng)工藝參數(shù)的確定提供了試驗(yàn)依據(jù)。

表1 不同振幅下注射壓力下降率 %

2.4 振幅與充填長(zhǎng)度的關(guān)系

圖6示出了混煉膠在最大注射壓力為40 MPa、固定頻率為10 Hz、不同振幅下對(duì)螺旋線(xiàn)模具進(jìn)行注射時(shí)充填長(zhǎng)度與振幅的關(guān)系曲線(xiàn)。圖7示出了不同振幅下達(dá)到最高注射壓力時(shí)模具充填長(zhǎng)度照片。

圖6 充填長(zhǎng)度與振幅的關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 不同振幅下螺旋線(xiàn)模具充填照片

從圖6和7可以看出，隨著振幅的增大，螺旋線(xiàn)模具注射充填長(zhǎng)度增大，在注射停止時(shí)，充填長(zhǎng)度增至15.2 cm，相對(duì)于靜態(tài)注射的6.5 cm，充填長(zhǎng)度增大效果明顯。此外，注射時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)對(duì)充填長(zhǎng)度沒(méi)有明顯的影響，表明振動(dòng)注射增加了混煉膠的體積流率，提高了注射效率。

3 結(jié)論

采用自行開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行混煉膠模具充填試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

（1）橡膠振動(dòng)注射工藝是可行的。

（2）振動(dòng)注射可以提高橡膠的流動(dòng)性，減小流動(dòng)阻力，增大填充長(zhǎng)度。

（3）橡膠振動(dòng)注射改變了橡膠的粘度，降低了注射壓力，可節(jié)省能耗。