CN107199684A - 一种橡胶动态挤出成型装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及橡胶加工技术领域，公开了一种橡胶动态挤出成型装置和方法。该装置包括橡胶冷喂料挤出机、滑环、振动套筒、振动连接板、口模及振动系统；该方法是振动系统在挤出机头位置提供轴向振动力，与挤出剪切力叠加，使胶料在主剪切方向上叠加振动场。该装置和方法能够实现橡胶的动态挤出，并且能够降低挤出压力和能耗，得到高质量的橡胶成型产品。
Description
技术领域
本发明涉及橡胶加工技术领域，特别涉及一种橡胶动态挤出成型装置和方法。
背景技术
现有技术中的橡胶挤出成型方法是在螺杆提供稳定挤出压力下进行静态挤出，由于橡胶分子链长，柔顺性好，应变应力松弛明显，弹性回复对流动性的影响，会造成粘度高，流动性差的明显缺点，为促进其流动需要提高挤出时的压力，或者适当提高喂料段、塑化段、挤出段及机头的温度。挤出压力的提高对设备提出了更高的强度和刚度、动力的要求，温度的提高对加热介质提出了更高的要求，并且过高的温度有可能造成胶料的早期硫化，使生产无法继续，传统的静态成型方法会造成能耗高、设备动力要求高、生产成本高的缺陷。
在塑料挤出成型生产过程中，现有技术中存在振动施加在成型过程中的技术方案，橡胶和塑料两种材料虽都属于高分子材料，但两者之间存在着典型的不同。(1)分子结构、分子量分布不同，橡胶多为非极性高聚物，分子链多含有双键，分子量比塑料大，且分子量分布比塑料宽。橡胶分子链链节短，链节多，柔顺性要优于塑料，变形量大弹性大，由弹性恢复引起的挤出胀大行为明显；(2)橡胶的流动粘度要高于塑料，流动性差，本质是达到105以上的分子量，分子间作用力增加，分子链运动克服阻力增加，流动困难，故用橡胶材料来成型比塑料成型要困难的多，橡胶的壁面黏附性强，橡胶的应变滞后明显；(3)橡胶流动时压力损失要大于塑料，橡胶挤出胀大行为、剪切生热、挤出物表面状态都与压力损失有直接的关系，所以橡胶振动挤出成型工艺与塑料振动挤出工艺完全不同。本发明起初也尝试过将塑料动态挤出工艺和装置应用到橡胶挤出成型中，但是最终因为上述的橡胶流动性差、壁面黏附性强等原因，橡胶成型极其困难，因此发明人甚至一度放弃了在橡胶挤出成型过程中叠加振动场的想法，但是在研究的过程中我们欣喜的发现，本发明采用特定的装置和工艺能够实现橡胶的动态挤出，并且能够降低挤出压力和能耗，得到高质量的橡胶成型产品。
发明内容
为了解决现有技术中的橡胶流动性差、成型困难的问题，本发明提供了一种橡胶动态挤出成型装置和方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种橡胶动态挤出成型装置，包括橡胶冷喂料挤出机、滑环、振动套筒、振动连接板、口模及振动系统，其中，振动系统与振动连接板相连，口模固定安装在振动连接板上，振动套筒中间具有空腔，滑环内开设中空通道，滑环的一端通过连接环与橡胶冷喂料螺杆挤出机固定连接，另一端端侧圆周上设有第一凸缘，外侧圆周上设有第二凸缘，振动套筒前端与第一凸缘间隙配合，第二凸缘上安装弹性环，该弹性环与振动套筒的前端端面相接触，第一凸缘沿圆周方向开设凹槽，在凹槽内嵌入衬套，并且在振动套前端端面安装压环加固衬套，振动套筒后端与振动连接板固定连接，滑环中空通道、振动套筒内腔、振动连接板开设的通孔以及口模模腔同轴线设置并依次对应形成橡胶流动通道。
本发明滑环与振动套筒的结构设置能够使胶料在滑环中空通道、振动套筒内腔、振动连接板开设的通孔以及口模模腔形成的通道内产生与液压振动系统同频率、振幅、同方向的周期性的振动挤压；在振动过程中胶料的流动状态发生改变，胶料与金属壁面的粘附作用发生改变，自由空间体积反复压缩舒张，改变了胶料松弛时间，弹性回复加快，排气性变好，流动性变好，流动阻力下降，挤出压力下降，降低能耗。
振动场的叠加位置的选择也非常重要，本发明通过创造性的实验发现振动场叠加在挤出机头位置最佳：如果在螺杆部分叠加振动，由于橡胶挤出机螺杆长径比比塑料挤出机大，胶料在机筒内移动行程长，会使叠加的振动衰减明显，到机头部分对胶料流动性影响效果减弱；螺杆部分叠加振动，振动能量被胶料吸收，转化为热能，在一定程度上会提高混炼胶的温度，过高的胶温会引起早期硫化，不利于橡胶的软化；螺杆部分叠加振动，改变胶料与机筒金属壁间的黏附关系，表层胶料与壁面速度加快，降低了胶料的剪切作用，不利于胶料的软化。
橡胶动态挤出成型装置还包括导向机构，导向机构的一端与振动连接板固定连接，另一端与连接环间隙配合；更能确保模腔、振动套筒和滑环在振动系统的作用下产生与液压振动系统同频率、振幅、同方向的振动。
橡胶动态挤出成型装置设置的压环与滑环螺纹连接，压环的内径的大小与滑环中空通道的大小相等。
作为优选，所述振动套筒前端与第一凸缘间隙配合的间隙大小为0.03mm。
弹性件的设置保证振动套可以在一定空间内振动，满足振动系统的需要，作为优选，所述弹性环的厚度为15-18mm；所述衬套为聚四氟乙烯材料，衬套的设置进一步降低了相对运动的摩擦力，既能保证滑环与振动套筒之间的滑动顺畅，又能够保证胶料不从滑环处溢出。
本发明提供还提供了一种橡胶动态挤出成型方法，具体包括以下步骤：
(1)将70重量份的生胶TSR20和30重量份的生胶BR9000，2重量份生胶小料SAD、4重量份的ZnO和1重量份的4010NA，40重量份的炭黑N375，25重量份的芳烃油，剩下20重量份的炭黑顺序在密炼机里加热混炼使均匀，加热温度为100-120℃，混炼时间≤9min，然后在开炼机中加入1.8重量份添加剂S和0.9重量份的CZ，继续混炼，总混炼时间≤20min，将混合均匀后的胶料停放至少24h；
(2)橡胶冷喂料螺杆挤出机喂料段、塑化段和挤出段温度依次控制为50℃、65℃和75℃，螺杆温度设置为80℃，机头段设置为85℃，启动橡胶冷喂料螺杆挤出机，将所述步骤(1)塑炼停放好的橡胶混炼胶以宽度为15-20mm的胶条状投入挤出机喂料段，设定螺杆的转速为20-40r/min；
(3)打开与挤出机头连接的振动系统，通过电路电压信号控制液压油产生一定振幅与频率的振动，振动频率为5-80Hz，振幅范围为0.1-0.7mm，振动系统在挤出机头位置提供轴向振动力，与挤出剪切力叠加，使胶料在主剪切方向上叠加振动场，胶料由高弹态变为粘流态，并通过挤出螺杆挤入口模模腔中，振动系统使胶料在橡胶流动通道内形成与振动系统同频率、振幅、同方向的周期性的振动挤压，直至胶料将口模模腔填满，充填结束。
本发明提供了一种橡胶动态挤出成型装置和方法，与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：(1)本发明提供的橡胶动态成型装置的连接环的结构设置，振动衰减几乎可以忽略不计，从而使振动套筒与滑环的相对运动中产生与振动系统同频率、同振幅的振动，振动改变了混炼胶与金属壁面的黏附关系，改变了分子链的移动特点，橡胶的流变性发生改变；(2)橡胶动态成型装置是在挤出机头位置叠加振动场，橡胶的成型过程中在胶料的主剪切方向上叠加振动场，在不改变模具结构、材料配方的基础上，改变胶料的流动性，降低能耗；(3)在剪切生热和加热机筒的共同作用下，橡胶温度升高由高弹态变为粘流态，通过挤出螺杆进入模腔，胶料与橡胶流动通道的壁面的粘附作用，使胶料在振动过程中流动状态发生改变；(4)鉴于橡胶的流动粘度要高于塑料，流动性差，成型工艺中的振动频率为5-80Hz，振幅范围为0.1-0.7mm，只有此范围的振动参数能够对橡胶的流动性作出贡献，这个范围能够保证产品的质量，又能降低能耗，频率太低，振幅太小，对流动性不明显，对挤出压力的降低不起作用。由以上技术方案可知，本发明提供的成型装置和方法工艺过程简便，同等条件下挤出压力下降，节省能耗；对设备的强度和刚度、动力、加热介质的要求较低，避免为降压而调节温度过高所可能造成胶料的早期硫化，使生产得以继续，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明提供的橡胶动态成型装置图；
图2为实施例5的橡胶动态(f＝30Hz，A＝0.3mm)和静态(f＝0Hz，A＝0mm)的压力曲线图；
图3为实施例5的在不同振幅和频率下橡胶动态挤出的压力曲线图；
图4为实施例5的振幅为0和0.8mm时的橡胶挤出物外观图。
具体实施方式
本发明公开了一种橡胶动态挤出成型装置和方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明当中。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种橡胶动态挤出成型装置，包括橡胶冷喂料挤出机6、滑环7、振动套筒3、振动连接板2、口模11、振动系统1以及导向机构4，其中，振动系统1与振动连接板2相连，口模11固定安装在振动连接板2上，振动套筒3中间具有空腔，滑环7内开设中空通道，滑环7的一端通过连接环5与橡胶冷喂料螺杆挤出机6固定连接，另一端端侧圆周上设有第一凸缘12，外侧圆周上设有第二凸缘13，振动套筒3前端与第一凸缘12间隙配合，间隙配合的间隙大小为0.03mm，第二凸缘13上安装弹性环8，弹性环的厚度为15-18mm，该弹性环8与振动套筒3的前端端面相接触，第一凸缘12沿圆周方向开设凹槽，在凹槽内嵌入四氟乙烯材料的衬套9，并且在振动套前端端面安装压环10加固衬套，振动套筒3后端与振动连接板2固定连接，滑环中空通道、振动套筒内腔、振动连接板开设的通孔以及口模模腔同轴线设置并依次对应形成橡胶流动通道，导向机构4的一端与振动连接板2固定连接，另一端与连接环5间隙配合；橡胶动态挤出成型装置设置的压环10与滑环7螺纹连接，压环10的内径的大小与滑环7中空通道的大小相等。
实施例2
(1)将70重量份的生胶TSR20和30重量份的生胶BR9000，2重量份生胶小料SAD、4重量份的ZnO和1重量份的4010NA，40重量份的炭黑N375，25重量份的芳烃油，剩下20重量份的炭黑顺序在密炼机里加热混炼使均匀，加热温度为100-120℃，混炼时间≤9min，然后在开炼机中加入1.8重量份添加剂S和0.9重量份的CZ，继续混炼，总混炼时间≤20min，将混合均匀后的胶料停放至少24h；
(2)橡胶冷喂料螺杆挤出机喂料段、塑化段和挤出段温度依次控制为50℃、65℃和75℃，螺杆温度设置为80℃，机头段设置为85℃，启动橡胶冷喂料螺杆挤出机，将所述步骤(1)塑炼停放好的橡胶混炼胶以宽度为15的胶条状投入挤出机喂料段，设定螺杆的转速为20r/min；
(3)打开与挤出机头连接的振动系统，通过电路电压信号控制液压油产生一定振幅与频率的振动，振动频率为5Hz，振幅范围为0.1mm，振动系统在挤出机头位置提供轴向振动力，与挤出剪切力叠加，使胶料在主剪切方向上叠加振动场，胶料由高弹态变为粘流态，并通过挤出螺杆挤入口模模腔中，振动系统使胶料在橡胶流动通道内形成与振动系统同频率、振幅、同方向的周期性的振动挤压，直至胶料从口模挤出。
实施例3
(1)将70重量份的生胶TSR20和30重量份的生胶BR9000，2重量份生胶小料SAD、4重量份的ZnO和1重量份的4010NA，40重量份的炭黑N375，25重量份的芳烃油，剩下20重量份的炭黑顺序在密炼机里加热混炼使均匀，加热温度为100-120℃，混炼时间≤9min，然后在开炼机中加入1.8重量份添加剂S和0.9重量份的CZ，继续混炼，总混炼时间≤20min，将混合均匀后的胶料停放至少24h；
(2)橡胶冷喂料螺杆挤出机喂料段、塑化段和挤出段温度依次控制为50℃、65℃和75℃，螺杆温度设置为80℃，机头段设置为85℃，启动橡胶冷喂料螺杆挤出机，将所述步骤(1)塑炼停放好的橡胶混炼胶以宽度为20mm的胶条状投入挤出机喂料段，设定螺杆的转速为40r/min；
(3)打开与挤出机头连接的振动系统，通过电路电压信号控制液压油产生一定振幅与频率的振动，振动频率为80Hz，振幅范围为0.7mm，振动系统在挤出机头位置提供轴向振动力，与挤出剪切力叠加，使胶料在主剪切方向上叠加振动场，胶料由高弹态变为粘流态，并通过挤出螺杆挤入口模模腔中，振动系统使胶料在橡胶流动通道内形成与振动系统同频率、振幅、同方向的周期性的振动挤压，直至胶料从口模挤出。
实施例4
(1)将70重量份的生胶TSR20和30重量份的生胶BR9000，2重量份生胶小料SAD、4重量份的ZnO和1重量份的4010NA，40重量份的炭黑N375，25重量份的芳烃油，剩下20重量份的炭黑顺序在密炼机里加热混炼使均匀，加热温度为100-120℃，混炼时间≤9min，然后在开炼机中加入1.8重量份添加剂S和0.9重量份的CZ，继续混炼，总混炼时间≤20min，将混合均匀后的胶料停放至少24h；
(2)橡胶冷喂料螺杆挤出机喂料段、塑化段和挤出段温度依次控制为50℃、65℃和75℃，螺杆温度设置为80℃，机头段设置为85℃，启动橡胶冷喂料螺杆挤出机，将所述步骤(1)塑炼停放好的橡胶混炼胶以宽度为17mm的胶条状投入挤出机喂料段，设定螺杆的转速为30r/min；
(3)打开与挤出机头连接的振动系统，通过电路电压信号控制液压油产生一定振幅与频率的振动，振动频率为43Hz，振幅范围为0.4mm，振动系统在挤出机头位置提供轴向振动力，与挤出剪切力叠加，使胶料在主剪切方向上叠加振动场，胶料由高弹态变为粘流态，并通过挤出螺杆挤入口模模腔中，振动系统使胶料在橡胶流动通道内形成与振动系统同频率、振幅、同方向的周期性的振动挤压，直至胶料从口模挤出。
实施例5
和实施例2的工艺相同，振动参数改成动f＝30HZ，A＝0.3mm时的动态挤出和f＝0HZ，A＝0mm时的静态挤出，挤出所形成的挤出压力变化同样进行检测，压力曲线对比实验结果见图2。
图2为在机头施加动态参数f＝30，A＝0.3振动下和停止振动静态挤出压力曲线，其中的1-20s为动态挤出过程，21-40s为停止振动静态挤出过程，从图中挤出压力曲线可以看出，动态挤出段挤出压力为10000N，停止振动的静态挤出段压力为13000N以上，动态相对于静态挤出压力下降了近30％，效果非常明显，证明动态振动有效。
实施例4
由图3可以看出，在频率段0-80Hz间挤出(此时固定振幅为0.5mm)，随着挤出频率的增加，挤出压力相比静态挤出压力14000N是不断下降的，但是在频率≤5Hz，压力曲线下降不明显，5-45Hz压力急剧下降，45-80Hz挤出压力也是下降，但是相对比较平缓，继续增加振动频率，则压力与45-80Hz频率段压力下降相当，考虑到提高频率振动源增加的能耗会抵消由于挤出压力下降带来的能耗节省，综合考虑挤出制品质量及能耗的降低有利作用频率范围为5-80Hz。
由图3可以看出，在振幅范围0-0.8mm间挤出(此时固定频率为30Hz)，随着振幅的增加挤出压力相比静态挤出压力14000N是不断下降的，但是在振幅≤0.1mm内，压力曲线下降不明显，0.3-0.8mm压力急剧下降。图4为振幅为0和0.8mm挤出物外观图，其中上图为振幅为0挤出物外观图，下图为振幅为0.8mm挤出物外观图，从图中可以看出，振幅超过0.7mm挤出物出现明显的竹节，影响了产品质量，并且提高振幅振动源增加的能耗会抵消由于挤出压力下降带来的能耗节省，综合考虑挤出制品质量及能耗的降低有利作用振幅范围为0.1-0.7mm。
上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种橡胶动态挤出成型装置，其特征在于：包括橡胶冷喂料挤出机、滑环、振动套筒、振动连接板、口模及振动系统，其中，振动系统与振动连接板相连，口模固定安装在振动连接板上，振动套筒中间具有空腔，滑环内开设中空通道，滑环的一端通过连接环与橡胶冷喂料螺杆挤出机固定连接，另一端端侧圆周上设有第一凸缘，外侧圆周上设有第二凸缘，振动套筒前端与第一凸缘间隙配合，第二凸缘上安装弹性环，该弹性环与振动套筒的前端端面相接触，第一凸缘沿圆周方向开设凹槽，在凹槽内嵌入衬套，并且在振动套前端端面安装压环加固衬套，振动套筒后端与振动连接板固定连接，滑环中空通道、振动套筒内腔、振动连接板开设的通孔以及口模模腔同轴线设置并依次对应形成橡胶流动通道。
2.如权利要求1所述的橡胶动态挤出成型装置，其特征在于：还包括导向机构，导向机构的一端与振动连接板固定连接，另一端与连接环间隙配合。
3.如权利要求1所述的橡胶动态挤出成型装置，其特征在于：所述压环与滑环螺纹连接，压环的内径的大小与滑环中空通道的大小相等。
4.如权利要求1所述的橡胶动态挤出成型装置，其特征在于：所述振动套筒前端与第一凸缘间隙配合的间隙大小为0.03mm。
5.如权利要求1所述的橡胶动态挤出成型装置，其特征在于：所述弹性环的厚度为15-18mm；所述衬套为聚四氟乙烯材料。
6.一种橡胶动态挤出成型方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将70重量份的生胶TSR20和30重量份的生胶BR9000，2重量份生胶小料SAD、4重量份的ZnO和1重量份的4010NA，40重量份的炭黑N375，25重量份的芳烃油，剩下20重量份的炭黑顺序在密炼机里加热混炼使均匀，加热温度为100-120℃，混炼时间≤9min，然后在开炼机中加入1.8重量份添加剂S和0.9重量份的CZ，继续混炼，总混炼时间≤20min，将混合均匀后的胶料停放至少24h；
(2)橡胶冷喂料螺杆挤出机喂料段、塑化段和挤出段温度依次控制为50℃、65℃和75℃，螺杆温度设置为80℃，机头段设置为85℃，启动橡胶冷喂料螺杆挤出机，将所述步骤(1)塑炼停放好的橡胶混炼胶以宽度为15-20mm的胶条状投入挤出机喂料段，设定螺杆的转速为20-40r/min；
(3)打开与挤出机头连接的振动系统，通过电路电压信号控制液压油产生一定振幅与频率的振动，振动频率为5-80Hz，振幅范围为0.1-0.7mm，振动系统在挤出机头位置提供轴向振动力，与挤出剪切力叠加，使胶料在主剪切方向上叠加振动场，胶料由高弹态变为粘流态，并通过挤出螺杆挤入口模模腔中，振动系统使胶料在橡胶流动通道内形成与振动系统同频率、振幅、同方向的周期性的振动挤压，直至胶料从口模中挤出。
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