層疊式擠出機頭對短纖維取向的對比實驗研究

李利，王振魯，邊慧光，謝超林，張萌

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

層疊式擠出機頭對短纖維取向的對比實驗研究

李利，王振魯*，邊慧光，謝超林，張萌

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

針對層疊式取向機頭和普通擠出機頭兩種不同構型的機頭安裝在擠出機上，在相同的機頭壓力、機頭溫度和螺桿轉速等實驗條件下進行擠出成型對比實驗，并采用有限元模擬的方法對層疊式取向機頭和普通擠出機頭流道內的壓力場進行了對比分析，保證短纖維增強橡膠復合材料的擠出成型及其質量。結果表明，層疊式取向機頭使短纖維在橡膠基體中的徑向取向度比普通擠出機頭高，對短纖維增強橡膠復合材料的擠出成型質量及性能也比普通機頭要好。

機頭構型；短纖維取向；擠出成型；材料性能

1 實驗裝備及儀器

1.1 擠出機

短纖維增強橡膠復合材料的擠出成型是在擠出機上完成的，本文使用Φ65銷釘機筒橡膠冷喂料擠出機，如圖1所示。該擠出機適用于多種膠料的擠出。另外，本文所做的實驗研究主要圍繞自行設計的層疊式取向機頭展開，如圖2所示。

圖1 Φ65橡膠冷喂料擠出機

圖2 層疊式取向機頭

1.2 其他輔助設備

X（S）M-1.7L密煉機，青島科技大學制造； QLB-D 平板硫化機，上海第一橡膠機械廠制造； X（S）K-160開煉機，上海橡膠機械廠生產； UM-2050門尼黏度儀，優肯科技股份有限公司生產； UT-2060拉力試驗機，優肯科技股份有限公司生產； GT-7016-AB氣壓式自動切片機，高鐵科技股份有限公司生產；MM4130C無轉子硫化儀，北京環峰化工機械實驗廠生產；實驗用光學顯微鏡； GT-2012-D磨耗試驗機，高鐵科技股份有限公司生產。

2 實驗配方及條件

2.1 原材料及配方

本實驗選用橡膠產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 擠出機實驗條件

短纖維增強橡膠復合材料的擠出成型實驗中，研究機頭構型對短纖維取向以及復合材料性能的影響。所需研究的條件及其參數如表3所示。

3 實驗過程

3.1 擠出機實驗過程

（1）割膠：開煉機下片后，對下片的膠料進行割裁，寬度不超過50 mm。

（2）預熱：按工藝條件設定擠出機塑化段、均化段及機頭的溫度，實施預熱。

（3）擠出：根據實驗方案，首先對兩種結構型式的機頭進行擠出成型實驗研究，然后對層疊式取向機頭的擠出工藝條件參數進行實驗研究。

3.2 光學顯微測試過程

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

（1）制備試樣

按標記的方向將擠出試樣縱向切片，短纖維在橡膠基體中的理想取向方向如圖3（a）所示，但實際上，由于短纖維有一定長度，因此，難免短纖維會與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豎直于平面上，切片時會切斷部分短纖維，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 實驗配方表

表3 擠出成型實驗的相關實驗參數及條件

（2）顯微照相測試

試樣預處理后，用實驗用光學顯微鏡，從擠出膠料的上表面方向，即圖3（b）中的Z軸方向，對短纖維的取向方向及程度進行觀察掃描。

3.3 性能測試過程

膠料硫化后進行性能測試，包括拉伸強度、撕裂強度及DIN磨耗等，測試過程如下。

（1）試樣制備

為對比分析短纖維取向方向對硫化膠性能的影響，沿不同取向方向在GT-7016-AB氣壓式自動切片計上進行性能測試試樣的制備，如圖4所示。

圖3 短纖維在橡膠基體中的狀態

（2）性能測試

在UT-2060拉力試驗機及GT-2012-D磨耗試驗機上進行物理機械性能的測試，嚴格按照步驟和規范來操作，并記錄數據。

每個試樣和指標均測試5次，除去極大值和極小值，對剩余3個值取算術平均值，即測試結果為3次實驗結果的平均值。

4 實驗結果與分析

4.1 光學顯微測試結果及分析

機頭結構型式是影響短纖維取向的最關鍵的因素。實驗中用層疊式取向機頭擠出膠料，如圖5所示，然后利用光學顯微照相方法對得到的擠出膠料進行掃描，將得到的掃描結果與普通擠出機頭的掃描結果進行對比分析。光學顯微測試的具體方法如上一章所述，用實驗光學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，進行觀察掃描，其結果如圖6所示。

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

主要原因是層疊式取向機頭在擠出成型過程中能對膠料和短纖維進行分層，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，從而增加了對短纖維的徑向取向能力；而普通擠出機頭沒有對膠料分層及短纖維分布起導向作用的結構，短纖維在膠料中的分布雜亂無章。

圖4 性能測試試樣

圖5 層疊式取向機頭的擠出膠料

圖6 機頭構型對短纖維取向程度的影響

4.2 性能測試結果及分析

4.2.1 性能測試結果

性能測試的內容包括300%定伸應力、拉伸強度、抗撕裂強度、扯斷伸長率、扯斷永久變形、DIN磨耗體積量，通過各種性能測試來比較分析機頭結構型式對短纖維增強橡膠復合材料擠出成型及其質量的影響，實驗測試結果如表4所示。

為更直觀地比較分析表4中的實驗結果，采用柱形圖對實驗數據進行處理，如圖7所示。

表4 機頭構型對短纖維增強橡膠復合材料性能的影響

圖7 機頭構型對短纖維增強橡膠復合材料性能的影響

4.2.2 實驗結果分析

（1）機頭構型對300%定伸應力的影響

從表4和圖7（a）的性能測試結果可以看出，層疊式取向機頭制備的短纖維增強橡膠復合材料的硫化膠（記為L1膠），其300%定伸應力高于普通擠出機頭制備的短纖維增強橡膠復合材料的硫化膠（記為L2膠）。

（2）機頭構型對拉伸強度的影響

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

（3）機頭構型對抗撕裂強度的影響

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

（4）機頭構型對扯斷伸長率的影響

從表4和圖7（d）的性能測試結果可以看出，L1膠和L2膠的扯斷伸長率相當。

（5）機頭構型對扯斷永久變形的影響

從表4和圖7（e）的性能測試結果可以看出，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）機頭構型對DIN磨耗的影響

從表4和圖7（f）的性能測試結果可以看出，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。

對表4和圖7的性能測試結果進行總體分析可得：層疊式取向機頭所制備的短纖維增強橡膠復合材料的物理機械性能整體上優于普通擠出機頭所制備的短纖維增強橡膠復合材料的物理機械性能，因為前者對短纖維增強橡膠復合材料進行了分層擠出，在增加對膠料的剪切與拉伸作用的同時，使短纖維及膠料分層排列。這不但增加膠料的致密度，提高膠料的拉伸強度與抗撕裂強度等，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，從而獲得物理機械性能較高的短纖維增強橡膠復合材料。

5 總結

通過以上結果分析可以看出，在相同的機頭壓力、機頭溫度和螺桿轉速等實驗條件下，研究不同構型的機頭對短纖維取向程度和短纖維增強橡膠復合材料的擠出成型質量的影響，結果分析表明，層疊式取向機頭使短纖維在橡膠基體中的徑向取向度比普通擠出機頭高，層疊式取向機頭對短纖維增強橡膠復合材料的擠出成型質量及性能的影響要優于普通機頭，同時為以后實驗選取層疊式取向機頭的最佳擠出工藝提供了有利的條件。

[1] 張萌. 層疊式取向機頭的擠出機理及實驗研究[D]，青島：青島科技大學，2013.

[2] 張德偉. 短纖維-橡膠復合材料混煉機理及實驗研究[D]. 青島：青島科技大學，2009.

[3] 崔時虎. 短纖維增強橡膠及其取向機頭的研究[J]. 橡膠技術與裝備，1990,(4),1～11.

[4] 劉洪濤，周彥豪，張興華. 有機短纖維增強橡膠復合材料研究進展[J]，高分子材料科學與工程，2004，20(3)： 41～45.

[5] 張立群，周彥豪，張宇東，等. 短纖維橡膠復合材料動態力學性能研究[J]. 橡膠工業，1994，41：538～542.

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，青島科技大學機電學院副教授，主要從事高分子材料成型技術研究工作。

2013-11-11

國家自然科學基金資助項目（51345006）；高等學校博士學科點專項科研基金資助課題（20123719120004）；山東省博士基金（BS2011ZZ005）；青島市科技計劃基礎研究項目（11-2-4-3-（11）-jch）。

*通訊聯系人。