CN110920027B - 聚合物动态流动性检测振动装置以及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物动态流动性检测振动装置及检测方法，所述检测振动装置包括料筒旋转机构和振动驱动机构，所述料筒旋转机构设有旋转料筒，旋转料筒安装在挤出机的挤出段和/或塑化段处，所述挤出机的出口端设置机头壳体，机头壳体内设置口模，通过振动驱动机构给旋转料筒施加周向力和位移，使旋转料筒可以沿螺杆轴线方向做相应频率和振幅的周向旋转运动。本发明用于解决目前的聚合物流动性检测方法与设备检测材料范围受限制的缺陷，采用局部周向振动的方式，可根据测试需要提供更为复杂的振动形态，具有振动能量损失小，材料叠加热量小，材料不易分解与硫化，流动性测试结果准确。

Description

聚合物动态流动性检测振动装置以及检测方法

技术领域

本发明属于聚合物流动性检测技术领域，具体涉及一种与生产实际接近、在线的聚合物动态流动性检测振动装置以及检测方法。

背景技术

高聚物的加工就是使聚合物材料在一定的温度下，从高弹态转变为粘流态，成为具有一定粘度的流动的熔体，使其产生变形并稳定形状的过程。粘流态是聚合物成型加工的重要阶段，粘流态时的流动特性就是流动性。胶料的流动性是一个非常复杂的问题，受多种因素影响，既有分子材料结构的内在因素影响，又有工艺参数的外在因素影响。聚合物的流动性是其加工过程中一切表现行为的内在本质原因。在加工过程中表现出的非牛顿流动、挤出胀大行为、弹性恢复、滞后、剪切生热都是流动性的具体表现。在橡胶的加工阶段，除了硫化是对硫化参数(反应时间、温度、压力)进行控制，其他的加工阶段都需要对胶料的流动性进行控制，流动性与橡胶的流变性能密切相关。胶料的流动性是聚合物尤其是橡胶加工的重要性质，流动性好，流动阻力小，表观粘度低。由于流动性的存在，使挤出、注射、压延等工艺得以实现。对于橡胶混炼胶来说，由于大的生胶分子量、弹性行为、填料与生胶配合体系构成多种交互界面，导致混炼胶的高粘度，使粘流加工时流动性变差，挤出产品出现胶条尺寸不稳定，表面不光滑，注射成型产品出现表面流痕、发麻、焦烧、欠胶等现象，严重影响产品合格率、质量和能耗。如何提高、控制胶料的流动性，降低流动阻力，是降低能耗、提高半成品尺寸稳定性，顺利完成后续加工、并提高产品质量的有效措施，所以对聚合物流动性的检测是非常必要的，对材料的选择、加工工艺的合理设置、振动参数的确定具有至关重要的作用。

聚合物熔体振动技术是将振动通过机械、声波、气体的形式引入成型加工的塑化、冷却或者保压等部分成型阶段或者整个成型过程中，通过在主要剪切流动的方向上叠加一个附加应力，使熔体流动状态、压力、温度处在组合应力作用下，对聚合物熔体的流变性能、聚集态结构、取向、结晶程度产生深刻的影响。大量的理论、实验研究证明该技术克服了传统成型技术出现的内应力不均匀、缩孔、翘曲、熔接痕、气孔等缺陷，熔体的表观粘度下降，流动性变好，混炼效果增强，可获得尺寸精度高、力学性能优异、质量好、能耗低的产品。该技术对于聚合物成型是有发展潜力的新技术。

专利号90101034.0的中国发明专利“电磁动态塑化挤出方法及设备”,专利号为92103639.6的中国发明专利“螺杆一线式电磁动态塑化挤出机”分别提出了用于挤出振动的成型设备，采用电磁能量转换的方法实现螺杆的轴向脉动。但是结构复杂，难以与传统电机驱动的螺杆式挤出装置有机的结合在一起，而且激振输出功率小。专利号200510033366.x的中国发明专利“单螺杆脉动诱导熔融塑化挤出装置”通过偏心盘、研磨环和定位环装置的螺杆，可以实现螺杆转动和轴向振动时产生多维脉动的挤压、摩擦、研磨作用，提高振动作用下物料的混合和混炼效果。但是由于偏心盘、研磨环和定位环的固定形式，无法实现流动状态按照一定频率和振幅的改变。

现有振动挤出技术一般都在螺杆上引入轴向振动，通过振动装置或者脉冲油压实现振动，但是存在以下缺点：(1)添加装置结构复杂，添加位置受限，对传统挤出机改造难度大(2)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。(3)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。(4)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。

现在申请的专利、开发的设备都是以实现动态挤出成型为目的，在中大型挤出机上，在螺杆的轴向方向上施加振动力，会使挤压系统惯性大，并且由于振动力的损耗，会减少对挤出段胶料流动状态改变程度，影响振动效果；另一方面安装螺杆轴向驱动装置，设备结构复杂，加工成本高。目前对动态流变特性进行检测的方法是通过在螺杆上附加的激振器实现螺杆轴向振动改变聚合物熔体流动状态来挤出来检测的。但是这种检测方法的设备在螺杆端部加振方式，使聚合物挤出过程中受到全程的振动影响，实现动态诱导挤出原理导致聚合物材料测试种类受限。原因如下：(1)对于以叠加在螺杆端部的振动方式实现动态挤出流动性的检测方法，由于螺杆三段分区设置，螺杆长度长，故振动会随远离螺杆端部的距离增加而不断衰减。而对一些硬度较大的聚合物材料，由于本身流动性差，衰减的振动对聚合物熔体流动性改变微弱，故无法在口模处测出此类聚合物材料的动态流动性。(2)对于配方中含有硫化剂的聚合物或含有生热较大组分的聚合物，由于螺杆端部叠加振动，部分振动能量被此类聚合物熔体吸收，转化为热能，在一定程度上会提高聚合物熔体的温度，过高的熔体温度会引起材料早期硫化或者分解，导致熔体流动性能部分丧失，无法准备测出此类聚合物材料的动态流动性。(3)对于弹性较大的聚合物材料，螺杆部分叠加振动，由于轴向振动的影响从喂料段就开始改变熔体与机筒金属壁间的黏附关系，表层熔体相对壁面滑移速度加快，降低了螺杆与机筒的相对运动对熔体的剪切作用，不利于聚合物材料从固体到熔体状态的转变，不利于熔体的流动，无法准确测出此类聚合物材料的动态流动性。所以说全程的轴向振动方式对于某些聚合物材料的动态流动性是难以检测的，检测范围受限。

发明内容

本发明提供一种聚合物动态流动性检测振动装置以及检测方法，用于解决目前聚合物流动性检测方法与设备检测材料范围受限制，改为局部周向振动的方式，振动能量损失小，材料叠加热量小，材料不易分解与硫化，流动性测试结果准确。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案：

聚合物动态流动性检测振动装置，所述检测振动装置包括料筒旋转机构和振动驱动机构，所述料筒旋转机构设有旋转料筒，旋转料筒安装在挤出机的挤出段和/或塑化段处，所述挤出机的出口端设置机头壳体，机头壳体内设置口模，通过振动驱动机构给旋转料筒施加周向力和位移，使旋转料筒可以沿螺杆轴线方向做相应频率和振幅的周向旋转运动。

为了进一步提高本发明的效果，还可以采用以下技术方案：

如上所述的聚合物动态流动性检测振动装置，所述料筒旋转机构包括推力轴承、滚珠、连接件Ⅰ、滚珠保持架、连接件Ⅱ；所述旋转料筒前端外侧安装滚珠保持架和连接件Ⅰ，滚珠保持架安装在连接件Ⅰ内侧，连接件Ⅰ与滚珠保持架之间设有滚珠，滚珠保持架前端设置推力轴承，连接件Ⅰ通过固定件与外部的机头壳体或法兰连接，所述连接件Ⅱ设置在旋转料筒后端，通过连接件Ⅱ使旋转料筒与挤出机的挤出段和/或塑化段连接固定。

如上所述的聚合物动态流动性检测振动装置，所述振动驱动机构包括滑台、伸缩柱塞、旋转料筒固定架、导向轴和导向轴底座，所述旋转料筒通过旋转料筒固定架夹持固定，旋转料筒固定架两侧设有横向的柱塞孔，柱塞孔内安装伸缩柱塞，伸缩柱塞的外端与滑台铰接，滑台上开有导向孔，导向孔内安装有导向轴，导向轴下端与导向轴底座固定，两套导向轴之间设置偏心旋转机构，偏心旋转机构分别通过连杆与两套滑台铰接。

如上所述的聚合物动态流动性检测振动装置，所述偏心旋转机构包括电机、减速器和两套偏心轮，电机通过减速器带动两套偏心轮旋转，两套偏心轮按相差180°的相位角设置；所述滑台上开设有多个导向孔，所述连杆为长度可以调节的伸缩结构。

本发明提供了一种聚合物动态流动性检测方法，包括如上任一所述的检测振动装置，所述挤出机的口模上设置有压力测试系统、温度测试系统和速度测试系统，口模前端外侧同轴间隔设有尺寸测试系统，通过所述检测振动装置提供的周向形变作用使聚合物熔体产生相应频率及振幅的周向振动，诱导聚合物塑化挤出，通过测量聚合物熔体通过口模的特征参数，用以评价周向振动诱导塑化挤出过程中聚合物的流动性变化规律以及工艺参数与特征参数之间的影响规律；所述检测方法包括静态挤出步骤、测定对流动性影响的动态参数有效范围步骤、确定振动参数与流动性的影响规律步骤、利用测试结果绘制反映动态流动性的关系曲线步骤。

如上所述的聚合物动态流动性检测方法，所述静态挤出步骤中，首先，不启动振动驱动机构，按以下条件给定工艺参数：丙烯酸类聚合物采用加料段温度45～50℃、压缩段温度100～170℃、均化段温度180～200℃、机头温度190～200℃、口模段温度200～210℃、螺杆转速50～90r/min；胎面胶类聚合物采用加料段温度45～50℃、压缩段温度40～55℃、均化段温度50～60℃、机头温度60～70℃、口模段温度80～90℃、螺杆转速50～90r/min；然后，测试聚合物在无振动情况下流经口模的压力降p_静、流率q_静、熔体温度T_熔静和挤出胀大比B_静参数值。

如上所述的聚合物动态流动性检测方法，所述测定对流动性影响的动态参数有效范围步骤中，首先，启动振动驱动机构，采用与静态挤出步骤相同的工艺参数下；然后，通过极限实验法确定振动对流动性改变的有效区间。

如上所述的聚合物动态流动性检测方法，所述确定振动参数与流动性的影响规律步骤中，通过实验获得测试结果参数：压力降p_动、流率q_动、熔体温度T_熔动和挤出胀大比B_动。

如上所述的聚合物动态流动性检测方法，所述利用测试结果绘制反映动态流动性的关系曲线步骤，包括振幅A分别对压力降p_动、流率q_动、熔体温度T_熔动和挤出胀大比B_动的关系曲线，频率f对压力降p_动、流率q_动、熔体温度T_熔动和挤出胀大比B_动的关系曲线。

如上所述的聚合物动态流动性检测方法，选取四个振幅A＝0.03mm、0.05mm、0.08mm、1.2mm，分别测试各振幅在频率f＝1.0Hz、10Hz、50Hz、100Hz的压力降p_动，若(1)则判定对聚合物熔体的流动性改善不明显；(2)聚合物挤出物表面出现竹节、不光滑等现象，则认为改振动参数挤出不能满足挤出物表面质量要求；通过多次试验，在且挤出物表面不出现竹节、不光滑来确定振幅的有效区间及频率的有效区间。

聚合物动态流动性检测时启动驱动电机，通过主机联轴器和减速机将动力传递到聚合物动态流动性检测装置的螺杆。聚合物从加料口喂入，在螺杆和料筒的剪切作用下由高弹态向粘流态转变并不断向机头输送。熔体到达振动段料筒后，通过振动装置的电机驱动减速机、偏心轮、连杆、滑台、伸缩柱塞等装置的运动将连杆的二维平面运动转变为沿导向轴方向上的一维直线运动，该运动将一定规律的周向力和位移传递给旋转料筒，旋转料筒在滚珠及滚珠限制架的限制下产生使旋转料筒做沿机筒轴线方向的旋转运动。通过改变偏心轮直径、连杆长度可以实现旋转料筒的旋转角度改变，即周向旋转振幅的调整；通过电机转速的改变可以实现旋转料筒的旋转速度的改变，即周向旋转频率的调整，从而实现料筒旋转机构在指定频率及振幅下的周向旋转振动。所述检测振动装置不限于1个，可以是2个，根据测试的需要在挤出段和/或塑化段添加该振动系统。当挤出段和塑化段分别设有两个振动系统，可以形成交错振动，提供更为复杂的振动形态。

聚合物熔体在轴向输送过程中，随旋转料筒周向运动，聚合物熔体在轴向力和交错变换周向力作用下，不断压缩、释放，强化剪切作用，熔体的流变形式改变，实现动态诱导挤出，最终在挤压系统的作用下从挤出机带有的口模挤出，从而得到圆形截面的挤出物。通过机头压力测试系统、温度测试系统、速度测试系统、尺寸测试系统得到熔体出口处的压力、温度、速度以及挤出物截面直径。通过测得熔体出口速度V，根据公式q＝V·A可以推算出挤出流量q，其中V为熔体速度，A为口模截面积。通过测得的挤出物截面直径d,根据公式B＝d/D，可以推算出挤出胀大比B，其中d为挤出物截面直径，D为口模直径。挤出物的直径采用红外线检测，通过测量三条直径的长度求平均的方式得到。

本发明的有益效果：

(1)本检测振动装置作为一个模块，可直接连接到传统挤出机上，不需要对传统挤出机进行复杂的改造，改造成本低，适用范围广。工作时不会对设备造成振动损害，不影响整机的使用寿命。可通过调整实现振动挤出振幅和频率的改变，调整范围广。

(2)通过该检测振动装置以及检测方法，可以在线检测聚合物动态/静态挤出流动性，可建立聚合物材料(不同胶料种类、不同胶料硬度)、动态工艺参数(振幅A、频率f)、静态工艺参数(挤出温度T，螺杆转速n)与挤出成品/半成品表征参数间(压力降p和流率q，挤出胀大比B，熔体温度T_熔)的关系，确定流动性与各参数间的变化规律，为生产提供指导。

(3)本检测振动装置可以扩大流动性检测范围，较好的克服了传统检测方法检测材料受限的缺陷。

附图说明

图1是本发明所述聚合物动态流动性检测振动装置系统图；

图2是图1中所述料筒旋转机构的结构示意图；

图3是图1中所述振动驱动机构的结构示意图；

图4是实施例一测试的挤出速度与挤出压力的曲线图；

图5是实施例一测试的振幅与挤出压力的曲线图；

图6是实施例一测试的频率与挤出压力的曲线图；

图7是实施例一测试的挤出速度与流量的曲线图；

图8是实施例一测试的振幅与流量的曲线图；

图9是实施例一测试的频率与流量的曲线图；

图10是实施例二测试的不同频率、振幅下对应压力的曲线图；

图11是实施例二测试的频率、振幅、速度分别与挤出压力的曲线图；

图12是实施例二测试的振动参数与挤出流量的曲线图；

图13是图1中所述法兰的结构示意图。

附图标记：1-驱动电机，2-加热冷却系统，3-传动系统，4-塑化系统，5-检测振动装置，6-机头，7-口模，8-机头壳体，9-推力轴承，10-滚珠，11-连接件Ⅰ，12-滚珠保持架，13-旋转料筒，14-连接件Ⅱ，15-法兰，16-滑台，17-导向轴固定装置，18-偏心轮，19-伸缩柱塞，20-旋转料筒固定架，21-电机，22-连杆，23-导向轴，24-导向轴底座，25-减速器，26-机头压力测试系统，27-温度测试系统，28-速度测试系统，29-尺寸测试系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1、图2、图3所示，本实施例公开的聚合物动态流动性检测装置由驱动电机1、加热冷却系统2、传动系统3、塑化系统4、检测振动装置5、机头6、机头压力测试系统26、温度测试系统27、速度测试系统28、尺寸测试系统29构成。

驱动电机1、传动系统3、塑化系统4、检测振动装置5、机头6、测试系统等依次轴线布置。驱动电机1通过联轴器连接传动系统3，传动系统3通过法兰螺栓连接塑化系统4，塑化系统4通过法兰15、螺栓等连接检测振动装置5，检测振动装置通过法兰螺栓连接机头6，布置在机头内的机头压力测试系统26、温度测试系统27、速度测试系统28，以及和机头水平布置、轴线等高并与机头同轴间隔100mm的尺寸测试系统29。螺杆通过花键与传动系统3连接，并位于塑化系统4以及检测振动装置5轴心处。加热冷却系统2以循环水路的形式布置于塑化系统、检测振动装置、机头以及螺杆内腔。检测振动装置5为聚合物动态流动性检测装置的胶料周向振动部件，由料筒旋转机构及振动驱动机构两部分构成。

如图1所示，本发明检测振动装置的料筒旋转机构、振动驱动机构设置在挤出机的挤出段，该检测振动装置不限于1个，也可以设置2个，根据测试的需要在挤出段、塑化段单独或共同添加，从而能提供更为复杂的振动形态。

(1)在挤出段或塑化段任一安装检测振动装置，通过左右连接件Ⅰ、连接件Ⅱ分别和挤出机上对应位置的机头壳体、法兰连接，使检测振动装置成为一个封闭体系。当安装在挤出段时，由于机头壳体和滚珠保持架通过推力轴承配合，需要在机头壳体的对应面开槽，当安装在塑化段时，机头壳体不连接检测振动系统，因此不需要再进行开槽安装推力轴承，而是通过改造后的法兰，即一侧带有开槽的法兰与连接件Ⅰ、滚珠保持架配合。

(2)若检测振动装置在挤出段和塑化段均安装，机头壳体开槽与该位置检测振动装置的连接件Ⅰ、滚珠保持架配合，塑化段设置的法兰开槽与该位置检测振动装置的连接件Ⅰ、滚珠保持架配合，使得两套检测振动装置形成独立的密封体系，同时，为了保证两套检测振动装置产生交错的振动，避免干扰，在第一套检测振动装置与第二套检测振动装置之间设置固定筒，通过固定筒使与两套检测振动装置之间适配的法兰进行固定。

料筒旋转机构由口模7、机头壳体8、推力轴承9、滚珠10、连接件Ⅰ11、滚珠保持架12、旋转料筒13、连接件Ⅱ14、法兰15等部分构成。口模与机头壳体过盈配合，机头壳体靠外圆部分开设通孔与连接件Ⅰ的通孔通过螺栓连接固定，滚珠保持架通过过盈配合与旋转料筒连接，连接件Ⅰ内表面依据滚珠外表面形状加工凹槽，与滚珠保持架的凹槽组合构成滚珠的运动轨道，滚珠与连接件Ⅰ及滚珠保持架间隙配合。

滚珠保持架内表面开设凹槽，为温控循环水通入提供通路。机头壳体右侧面与滚珠保持架左侧面对开凹槽，分别与推力轴承的左右轴承体过盈配合，实现承受旋转料筒轴向力。滚珠保持架与旋转料筒焊接固定。料筒旋转机构采用左右两侧对称结构，左侧通过连接件Ⅰ与机头法兰连接，右侧通过连接件Ⅱ与塑化料筒法兰连接，承受旋转料筒的周向力，保证料筒旋转机构平稳周向旋转振动。

通过滚珠10、滚珠保持架12、推力轴承9、连接件Ⅰ11、连接件Ⅱ14的连接将旋转料筒装置采用振动封闭系统，独立与于前端机头与后端料筒独立周向旋转振动，不将振动传递到设备其他部分，造成设备其他部分在长期振动影响下产生破坏，降低寿命。连接件Ⅰ、连接件Ⅱ采用上下两片对开式结构，通过螺栓连接固定，满足旋转部件的独立安装，不需要整机的拆卸配合。旋转料筒采用耐压、耐温、耐磨的高强度合金钢或内衬合金钢管制成，为实现旋转料筒的加热冷却功能，旋转料筒结构形式为焊接件。旋转料筒沿挤出方向的冷却水孔时通时断，沿径向的孔有选择性地开。通过迷宫式的冷却水循环，相对于直通进水系统保证了料筒温度均匀性，满足胶料温度均匀性要求。

连接件Ⅰ和机头壳体8分别承受旋转料筒的周向力和轴向力，滚珠和推力轴承9分别为零件间周向和轴向相对运动的过度接触元件。旋转料筒13可产生沿螺杆轴线沿圆周方向旋转，周向旋转振动的振幅、频率与振动驱动机构提供参数一致。

该振动驱动机构由滑台16、导向轴固定装置17、偏心轮18、伸缩柱塞19、旋转料筒固定架20、电机21、连杆22、导向轴23、导向轴底座24、减速器25构成。外加振动装置的目的是为旋转料筒提供一定频率和振幅的周向振动。

滑台16上开设导向孔，滑台上开设导向孔优选2个，保证滑台16工作过程中的运动轨迹的唯一性及运动平稳性，滑台的导向孔与导向轴23间隙配合，使滑台可沿导向轴上下运动，将连杆的二维平面运动变为沿导向轴方向上的一维直线运动，将动力传递给伸缩柱塞。

导向轴焊接固定在导向轴底座上，导向轴与导向轴固定装置通过螺纹连接，调整导向轴固定装置位置可以调节滑台最大上升距离。滑台上半部分与伸缩柱塞铰接，下半部分与连杆上端铰接，连杆下端通过螺纹连接偏心轮，电机经过减速器固定连接偏心轮。旋转料筒固定架内表面形状与旋转料筒形状一致，且直径相同，与旋转料筒小间隙配合，通过螺纹连接将两半旋转料筒固定架固定，达到与旋转料筒刚性链接。

旋转料筒固定架伸出端开设滑槽，滑槽直径与伸缩柱塞外径一致，且两者间隙配合，通过两者的相互运动，可使旋转料筒固定架沿伸缩柱塞轴线方向运动。启动电机带动偏心轮的圆周运动转化为滑台的直线运动，滑台的直线运动通过伸缩柱塞传递给旋转料筒固定架带动旋转料筒可产生沿螺杆轴线圆周方向旋转，周向旋转振动的振幅、频率与振动驱动机构提供参数一致。

旋转料筒固定架采用两半结构，为保证振动装置结构的稳定性及协调性，装置分布在旋转料筒的两侧，两侧同时为旋转料筒提供相同旋转方向的力，降低了对伸缩柱塞的强度及刚度的要求。为保持两侧装置的协调、防止装置运动过程中出现卡死现象，减速机两侧的偏心轮相差180°相位角。

振动驱动机构中的电机通过减速器、偏心轮、连杆、滑台、伸缩柱塞等装置将一定规律的周向力和位移施加旋转料筒，使旋转料筒做一定频率和振幅的周向振动。根据测试需要准备多个不同直径的偏心轮和多个不同长度的连杆。通过改变偏心轮直径、连杆长度可以实现振幅的调整，通过电机转速的改变可以实现振动频率的调整，从而实现料筒旋转机构在指定频率及振幅下的周向旋转振动。

本振动装置在检测使用时，首先根据动态流动性测试要求选择偏心轮直径和连杆长度设定振动挤出工艺参数，启动振动驱动系统电机，通过驱动减速机、偏心轮、连杆、滑台、伸缩柱塞等装置的运动将连杆的二维平面运动转变为沿导向轴方向上的一维直线运动，该运动将一定规律的周向力和位移传递旋转料筒，旋转料筒在滚珠及滚珠限制架的限制下，产生使旋转料筒做沿机筒轴线方向的旋转运动。

然后，启动电机，调整合理电机转速，通过主机联轴器和减速机组成的动力系统将动力传递到聚合物动态流动性检测装置的螺杆，螺杆获得转速n。打开加热冷却系统，设定挤出温度T，从加料口喂入的聚合物，在螺杆和料筒的剪切作用及温控系统的加热下由高弹态向粘流态转变并不断向机头输送。到达检测振动装置时，由于周向旋转振动作用，熔体的流动状态发生改变，在剪切及振动的共同作用下流动，实现动态诱导挤出，最终在挤压系统的作用下从口模挤出，从而得到圆形截面的挤出物。通过机头压力测试系统、温度测试系统、速度测试系统、尺寸测试系统得到熔体出口处的压力、温度、速度以及挤出物截面直径。通过测得熔体出口速度V，根据公式q＝V·A可以推算出挤出流量q，其中V为熔体速度，A为口模截面积。通过测得的挤出物截面直径，根据公式B＝d/D，可以推算出挤出胀大比B，其中d为挤出物截面直径，D为口模直径。挤出物的直径采用红外线检测，通过测量三条直径的长度求平均的方式得到。

通过该设备及方法在线检测聚合物动态/静态挤出流动性，可建立聚合物材料(不同胶料种类、不同胶料硬度)、动态工艺参数(振幅A、频率f)、静态工艺参数(挤出温度T，螺杆转速n)与挤出成品/半成品表征参数间(压力降p和流率q，挤出胀大比B，熔体温度T_熔)的关系，确定流动性与各参数间的变化规律，为生产提供指导。具体包括：

(1)通过上述聚合物动态流动性检测装置测量与表征在聚合物种类、硬度确定，一定工艺参数(挤出温度T，螺杆转速n)、不同周向振动参数振幅A或频率f下，对流经机头口模压力降p、流率q、熔体温度T_熔，挤出胀大比B的影响。

(2)测量与表征在一定工艺参数(挤出温度T，螺杆转速n)、相同振动参数(振幅A、频率f)下，不同的胶料种类、硬度，对流经机头口模压力降p、流率q、熔体温度T熔，挤出胀大比B的影响。

(3)测量与表征在一定工艺参数(挤出温度T，螺杆转速n)、相同的胶料种类、硬度，对流经机头口模压力降p、流率q、熔体温度T_熔，挤出胀大比B对熔体周向振幅A或频率f的关系，频率f变化，则振幅A固定，反之亦然。

(4)测量与表征相同的胶料种类、硬度下，相同振动参数(振幅A、频率f)，不同工艺参数(挤出温度T，螺杆转速n)与流经机头口模压力降p、流率q、熔体温度T熔，挤出胀大比B的影响。

(5)旋转料筒的周向振幅可以为零，即旋转料筒不产生周向振动，此时测量与表征聚合物常规的挤出流动性变化规律。

实施例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得到挤出用胎面胶，测得门尼粘度为48。

(1)静态挤出

材料为雪地胎胎面胶，测得门尼粘度为48。设定加料段、压缩段、均化段、机头、口模段温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃、80℃，螺杆转速60r/min，测试胎面胶在无振动情况下流经机头口模压力p_静＝24MPa、流率q_静＝156.8×10^-3kg/s、熔体温度T_熔静＝81℃和挤出胀大比B_静＝27％。

在与上述同样的工艺参数下，测试螺杆转速在65、70、75、80r/min时的机头口模压力p_静、流率q_静、熔体温度T_熔静和挤出胀大比B_静。

(2)测定对流动性影响的动态参数有效范围

设定静态挤出相同的工艺参数下，加料段、压缩段、均化段、机头、口模段温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃、80℃，螺杆转速50r/min和80r/min，启动检测振动装置，通过极限实验法，确定振动对流动性改变的有效区间。

首先振动参数分别设定为(f＝1Hz，A＝0.05mm)、(f＝10Hz，A＝1.2mm)、(f＝50Hz，A＝0.08mm)(f＝100Hz，A＝0.08mm)，依次测定胶料在不同振动参数下的压力降p_动、流率q_动、熔体温度T_熔动和挤出胀大比B_动。

根据振动参数流动性改善有效性评价标准：①则认为对聚合物熔体的流动性改善不明显；②挤出物表面出现竹节、不光滑等现象，则认为该振动参数挤出不能满足挤出物表面质量要求。若上次振动参数无法确定改变流动性的有效范围，通过在给定振幅和频率有效范围内在反复的实验，当/>且挤出物表面不出现竹节、不光滑等现象来确定振幅的有效区间及频率的有效区间。对于该胎面胶确定的振动改善流动性有效范围为当转速为50r/min为(0.5mm≤A<1.0mm,20Hz≤f<70Hz)，当转速为80r/min有效区间相当。

(3)正交实验法确定振动参数与流动性的影响规律

加料段、压缩段、均化段、机头、口模段温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃、80℃，选择三因素五水平的正交实验方法。选择三因素分别为：螺杆转速n、振幅A，频率f；五水平为：螺杆转速、动态参数(振幅A，频率f)在有效范围内各取五个数值。

表1:

记录测试结果为压力降p_动、流率q_动和挤出胀大比B_动，选取的五个数值如上表1所示。

(4)通过测试结果确定各参数与动态流动性的关系曲线

如图4-图9所示，包括振幅A分别对压力p_动、流率q_动的关系曲线，频率f对压力降p_静、流率q_动的关系曲线，挤出速度与挤出压力的关系曲线等。

通过实验结果曲线得到挤出压力随着振幅和频率的增加而降低，流量随着振幅和频率的增加而增加，挤出胀大行为也随着动态参数的引入而降低，橡胶在动态诱导下，流动性得以改善。但在不同的振幅、频率及速度下，对各测试结果改变程度不同。

判断流动性改变程度的标准：在相同工艺条件下，根据数值大小来判断动态参数对流动性改变的程度，若/>说明流动性变好，流动性改善明显，此段振动参数可作为生产优选参数；/> 说明流动性变好，流动性改善效果好。

统计的压力降及流量变化量如下表2所示，通过数据分析可以得到不同的速度、振幅、频率挤出状态下对材料流动性的改变程度。

通过对下表2数据分析，综合考虑到引入振动带来的能耗以及产品质量问题，选定速度为75r/min，A＝30Hz，f＝0.4mm是优选的工艺参数。

表2:

实施例2

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得到挤出用胎面胶，测得门尼粘度为48。

(1)静态挤出

料为雪地胎胎面胶，测得门尼粘度为48。设定加料段、压缩段、均化段、机头、口模段温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃、80℃，螺杆转速60r/min，测试胎面在无振动情况下流经机头口模压力p_静＝24MPa、流率q_静＝156.8×10^-3kg/s、熔体温度T_熔静＝81℃和挤出胀大比B_静＝27％。

在与上述同样的工艺参数下，测试螺杆转速在65、70、75、80r/min时的机头口模压力p_静、流率q_静、熔体温度T_熔静和挤出胀大比B_静。

(2)测定对流动性影响的动态参数有效范围

设定静态挤出相同的工艺参数下，加料段、压缩段、均化段、机头、口模段温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃、80℃，螺杆转速50r/min，启动检测振动装置，通过极限实验法，确定振动对流动性改变的有效区间。

首先振动参数分别设定为(f＝1Hz，A＝1mm)、(f＝10Hz，A＝1.2mm)、(f＝50Hz，A＝0.08mm)(f＝100Hz，A＝0.08mm)，挤出速度为50r/min,依次测定胶料在不同振动参数下的压力p_动参数，如图10所示。根据振动参数流动性改善有效性评价标准：①则认为对聚合物熔体的流动性改善不明显；②挤出物表面出现竹节、不光滑等现象，则认为该振动参数挤出不能满足挤出物表面质量要求。若上次振动参数无法确定改变流动性的有效范围，通过在给定振幅和频率有效范围内在反复的实验，当/>且挤出物表面不出现竹节、不光滑等现象来确定振幅的有效区间及频率的有效区间。对于该胎面胶确定的振动改善流动性有效范围为当转速为50r/min为(0.5mm≤A<1.0mm,20Hz≤f<70Hz)，当转速为80r/min有效区间相当。

(3)传统实验法通过在不同速度下采用不同的振动参数(有效范围内选取多个数值)对胶料进行挤出操作，确定振动参数与流动性的影响规律。

加料段、压缩段、均化段、机头、口模段温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃、80℃。挤出速度分别为50r/min和80r/min。

(4)通过测试结果确定各参数与动态流动性的关系曲线

如图11、图12所示，包括振幅A分别对压力p_动、流率q_动的关系曲线，频率f对压力降p_静、流率q_动的关系曲线，挤出速度与挤出压力的关系曲线等。

通过实验结果曲线得到挤出压力随着振幅和频率的增加而降低，流量随着振幅和频率的增加而增加，挤出胀大行为也随着动态参数的引入而降低，橡胶在动态诱导下，流动性得以改善。但在不同的振幅、频率及速度下，对各测试结果改变程度不同。

(5)判断流动性改变程度的标准：在相同工艺条件下，根据数值大小来判断动态参数对流动性改变的程度，若/>说明流动性变好，流动性改善明显，此段振动参数可作为生产优选参数；/> 说明流动性变好，流动性改善效果好。/>

经过计算，在80r/min挤出速度下，A＝0.1mm时，在50r/min挤出速度下，A＝0.2mm时，/>在80r/min挤出速度下，f＝20Hz时，/>在50r/min挤出速度下，f＝20Hz时，/>在80r/min挤出速度下在A＝25Hz时，/>在f＝0.3mm时，/>在80r/min挤出速度下，流量变化具有相同的规律。

通过数据分析可以得到不同的速度、振幅、频率挤出状态下对材料流动性的改变程度。通过对本数据分析，综合考虑到引入振动带来的能耗以及产品质量问题，选定速度为80r/min，A＝25Hz，f＝0.3mm是优选的工艺参数。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (8)

1.聚合物动态流动性检测振动装置，其特征在于，所述检测振动装置包括料筒旋转机构和振动驱动机构，所述料筒旋转机构设有旋转料筒，旋转料筒安装在挤出机的挤出段和/或塑化段处，所述挤出机的出口端设置机头壳体，机头壳体内设置口模，通过振动驱动机构给旋转料筒施加周向力和位移，使旋转料筒可以沿螺杆轴线方向做相应频率和振幅的周向旋转运动；所述料筒旋转机构包括推力轴承、滚珠、连接件Ⅰ、滚珠保持架、连接件Ⅱ；所述旋转料筒前端外侧安装滚珠保持架和连接件Ⅰ，滚珠保持架安装在连接件Ⅰ内侧，连接件Ⅰ与滚珠保持架之间设有滚珠，滚珠保持架前端设置推力轴承，连接件Ⅰ通过固定件与外部的机头壳体或法兰连接，所述连接件Ⅱ设置在旋转料筒后端，通过连接件Ⅱ使旋转料筒与挤出机的挤出段和/或塑化段连接固定；所述振动驱动机构包括滑台、伸缩柱塞、旋转料筒固定架、导向轴和导向轴底座，所述旋转料筒通过旋转料筒固定架夹持固定，旋转料筒固定架两侧设有横向的柱塞孔，柱塞孔内安装伸缩柱塞，伸缩柱塞的外端与滑台铰接，滑台上开有导向孔，导向孔内安装有导向轴，导向轴下端与导向轴底座固定，两套导向轴之间设置偏心旋转机构，偏心旋转机构分别通过连杆与两套滑台铰接。

2.根据权利要求1所述的聚合物动态流动性检测振动装置，其特征在于，所述偏心旋转机构包括电机、减速器和两套偏心轮，电机通过减速器带动两套偏心轮旋转，两套偏心轮按相差180°的相位角设置；所述滑台上开设有多个导向孔，所述连杆为长度可以调节的伸缩结构。

3.聚合物动态流动性检测方法，包括如权利要求1-2任一所述的聚合物动态流动性检测振动装置，其特征在于，所述挤出机的口模上设置有压力测试系统、温度测试系统和速度测试系统，口模前端外侧同轴间隔设有尺寸测试系统，通过所述检测振动装置提供的周向形变作用使聚合物熔体产生相应频率及振幅的周向振动，诱导聚合物塑化挤出，通过测量聚合物熔体通过口模的特征参数，用以评价周向振动诱导塑化挤出过程中聚合物的流动性变化规律以及工艺参数与特征参数之间的影响规律；所述检测方法包括静态挤出步骤、测定对流动性影响的动态参数有效范围步骤、确定振动参数与流动性的影响规律步骤、利用测试结果绘制反映动态流动性的关系曲线步骤。

4.根据权利要求3所述的聚合物动态流动性检测方法，其特征在于，所述静态挤出步骤中，首先，不启动振动驱动机构，按以下条件给定工艺参数：丙烯酸类聚合物采用加料段温度45~50℃、压缩段温度100~170℃、均化段温度180~200℃、机头温度190~200℃、口模段温度200~210℃、螺杆转速50~90r/min；胎面胶类聚合物采用加料段温度45~50℃、压缩段温度40~55℃、均化段温度50~60℃、机头温度60~70℃、口模段温度80~90℃、螺杆转速50~90r/min；然后，测试聚合物在无振动情况下流经口模的压力降p_静、流率q_静、熔体温度T_熔静和挤出胀大比B_静参数值。

5.根据权利要求3所述的聚合物动态流动性检测方法，其特征在于，所述测定对流动性影响的动态参数有效范围步骤中，首先，启动振动驱动机构，采用与静态挤出步骤相同的工艺参数下；然后，通过极限实验法确定振动对流动性改变的有效区间。

6.根据权利要求3所述的聚合物动态流动性检测方法，其特征在于，所述确定振动参数与流动性的影响规律步骤中，通过实验获得测试结果参数：压力降p_动、流率q_动、熔体温度T_熔动和挤出胀大比B_动。

7.根据权利要求3所述的聚合物动态流动性检测方法，其特征在于，所述利用测试结果绘制反映动态流动性的关系曲线步骤，包括振幅A分别对压力降p_动、流率q_动、熔体温度T_熔动和挤出胀大比B_动的关系曲线，频率f对压力降p_动、流率q_动、熔体温度T_熔动和挤出胀大比B_动的关系曲线。

8.根据权利要求7所述的聚合物动态流动性检测方法，其特征在于，选取四个振幅A=0.03mm、0.05mm、0.08mm、1.2mm，分别测试各振幅在频率f=1.0Hz、10Hz、50Hz、100Hz的压力降p_动，若（1）则判定对聚合物熔体的流动性改善不明显；（2）聚合物挤出物表面出现竹节、不光滑现象，则认为该振动参数挤出不能满足挤出物表面质量要求；通过多次试验，在/>且挤出物表面不出现竹节、不光滑来确定振幅的有效区间及频率的有效区间。