（化工过程机械专业论文）汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究.pdf

沈用化工学院硕士士) f 究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 摘要 y 6 0 2 7 4 s 本文对汽车用短纤维增强橡胶弯管的挤出成型理论进行了研究。在理论上探 讨了短纤维增强取向的机理：分析了内芯旋转机头、扩张机头、阻流型机头和混 合机头中短纤维的取向形式以及影响短纤维取向的因素。在弯管挤出成型理论方 面，本文着重研究了用于弯管挤出的偏心挤出机头的内部流场。对于牛顿型流体 在偏心机头内的流动，本文应用双圆柱坐标系，解得了化简后的运动方程的理论 解，并用数值方法解得了幂律型流体在偏心机头内的运动方程的数值解。本文应 用平板模型计算偏心机头最大间隙和最小间隙内的速比，对计算结果用有限元工 程分析软件a n s y s 进行了验证。结果表明。对于牛顿型流体平板模型的计算公 式是适用的，能够达到足够的精度；对于幂律型流体，平板模型的计算结果存在 较大的偏差。因而，本文从物料流动特性指数入手，对平板模型进行了修正。在 进行了大量的计算机模拟计算后，得到了较小偏心距下的修正系数万。经过计算 机验证，结果表明，修正后的平板模型的计算结果能够与运动方程的数值解较好 地吻合，误差也在可以接受的范围内。这说明平板模型的修正公式具有实用的价 值，从而为在弯管生产中进行自动化控制提供了必要的数学基础。 关键词：短纤维取向弯管偏心机头 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee x t r u s i o nt h e o r yo fs h o r tf i b e rr e i n f o r c e dc u r v e dr u b b e r h o s e t h ep r i n c i p l eo fs h o r tf i b e rr e i n f o r c e m e n tw a sd i s c u s s e df r o mt h ep o i n to f t h e o r y t h eo r i e n t a t i o nm a n n e ro fs h o r tf i b e ra n df a c t o r si n f l u e n c i n go r i e n t a t i o ni n e x p a n d i n gd i e ，o b s t r u c t e dd i ea n dc o m b i n a t i o nd i ew e r ea l s os t u d i e d t h ei n n e rf l o w f i e l do ft h ee c c e n t r i cd i ew a sa n a l y z e d t h eh y d r o m e c h a n i c s e q u a t i o n s o fm o t i o nw e r e s i m p l i f i e da c c o r d i n gt o t h eh y p o t h e s e s ，a n da l le x t r a c ts o l u t i o nt ot h ee q u a t i o n si n b i p o l a rc o o r d i n a t e ss y s t e mf o rn e w t o n i a nf l u i d w a sp r e s e n t e d t h e r ei sn oe x t r a c t s o l u t i o ni ft h ef l u i di so fp s e u d o p l a s t i c b u tan u m e r i c a ls o l u t i o nw a so b t a i n e db y t h ec o m p u t e r t 1 1 er a t i oo ft h ef l o wv e l o c i t yi nt h em a x i m u mc l e a r a n c ea n dt h e m i n i m u mc l e a r a n c ew a sc a l c u l a t e db yaf l a tm o d e lf o r m u l a n er e s u l t so ft h er a t i o w a sv e r i f i e db yaf i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n gs o f t w a r en a m e da n s y s t h ea n a l y s i s c l a r i f i e dt h ef l a tm o d e lf o r m u l ai s a p p l i c a b l e f o rn e w t o n i a nf l u i d ，b u tf o rt h e p s e u d o p l a s t i cf l u i dt h ef o r m u l am u s tb ea m e n d e d f r o mt h ep o i n to f f l o wi n d e x ，a a m e n d e df o r m u l aw a sp u tf o r w a r da n dac o r r e c t i o nf a c t o rw a sw o r k e do u t n i s a m e n d e df o r m u l aw a sv e r i f i e db ya n s y s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea m e n d f o r m u l ai s a p p l i c a b l e t o p s e u d o p l a s t i cf l u i d i nt h ep r o d u c t i o no ft h e s h o r tf i b e r r e i n f o r c e dc u r v e dr u b b e rh o s e ，t h ea n a e n d e df o r m u l ac o u l db ear e q u i s i t ef o u n d a t i o n o fm a t h e m a t i c sf o rt h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 k a y w o r d s ：s h o r tf i b e ro r i e n t a t i o nc u r v e dr u b b e rh o s e e c c e n t r i cd i e 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文 汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 1 绪论 众所周知，软管工业的发展与汽车工业、机械工业、建筑业、地下采矿、石 油开发以及海上石油钻探有着密切的联系，软管作为上述行业的必备配件显示出 了强大的生命力。在众多的软管应用行业里，汽车工业又是使用软管最多的行业 之一。汽车用胶管的总量大约占到了软管销售总额的一半以上，远远超过其它行 业对胶管的使用。随着我国改革开放的进一步深化，以及加入w t o 成为现实，我 国的汽车工业面临着难得的发展机遇。伴随着轿车国产化程度进一步提高，与之 配套的制动软管、空调软管、燃油软管行业的需求必然增大，特别是对具有较高 科技含量的软管的需求将有大幅度地提高。因此围绕汽车这个支柱产业，进行有 较高科技含量的软管成型理论的研究，以求在未来的竞争中立于不败之地已是一 个十分紧迫的问题。 近年来胶管生产的发展趋势是无接头、大长度、大口径、耐高压，长度最长 的可以达到6 0 0 m ，i ：l 径最大的达到了1 5 m ，最高爆破压力可达到2 0 3 0 m p a 】。 由于使用条件越来越苛刻，对胶管在耐高压，低压、脉冲载荷性能以及耐介质环 境等方面提出了更高的要求。因此，胶管的生产研究应该向着不断改进工艺，改 进材料性能，扩大使用新型高分子材料方向发展。 胶管的加工，成型方法的改进，直接关系到产品质量以及生产效率的提高。 随着胶管工业的不断发展和新型高分子材料的不断出现，各种新型的具有较高科 技含量的胶管产品也不断出现。 由于短纤维增强弯管在断面上没有可见的骨架层，而且生产工艺简单，生产 成本低，随着汽车工业的发展，汽车制造商纷纷转向应用这种胶管。对于我国国 内现有的汽车来说，特别是对多种牌号的进口汽车而言，由于其输入相应的参数 就可以迅速生产出合乎要求的弯管，因而在维修配件上具有广阔的市场。随着实 践的证明和国际市场潮流的发展，短纤维增强橡胶弯管必将占据车用橡胶弯管的 主导地位。 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 2 目前橡胶弯管的生产概况 2 1 车用胶管的分类和使用 橡胶弯管是汽车上一种非常重要的非金属配件。汽车用胶管在国外发展相当 快，产量、品种都随着汽车工业的发展而迅速增长，发生变化。 汽车用橡胶管根据其作用可分为五个体系“： ( 1 ) 燃油胶管；( 2 ) 空压胶管；( 3 ) 输水胶管；( 4 ) 油压胶管；( 5 ) 氟里昂胶管。 这五类胶管都是汽车中最重要的橡胶配件，也是最容易出现故障的易损件。 因而在这些胶管的生产中都有很多特殊的要求，不仅有对形状的要求，而且还有 配方上的要求。例如对于燃油胶管，一般要求对烃类燃料耐膨胀，对特殊燃料耐 抽提，无渗透性，并且耐火，耐臭氧，在4 0 下弯曲耐龟裂。如对于水箱胶管， 要求胶料易于加工，能达到爆破要求，经受得住脉冲试验，耐醇耐水浸泡，屈挠 性好，并且要求柔软性好。 无论是轿车还是载重卡车，高压液压刹车胶管、转向胶管都广泛应用在关键 部位。在使用中二者的负荷压力很大，使用频率很商，需要设计十分安全的抗压 保险系数。这些胶管在汽车运转体系中设计部位很多，走线复杂。厂家不断出现 特种线型的异型胶管的需求计划。胶管的形状各异，有的是平面弯曲，有的是空 间弯曲。 2 2 国内的生产概况 目前在我国，这种异型管的生产方式大体上可分为两类：一类是挤出成型硬 芯硫化法；另一类是模具直接成型硫化法。 挤出成型硬芯硫化法在挤出时又可分为以下几种方法： ( 1 ) 硬芯成型法； ( 2 ) 橡胶软芯成型法： ( 3 ) 无芯成型法。 这三种方法各有特点”1 ： ( 1 ) 硬芯成型法采用根钢制的芯棒进行胶管成型。用这种方法生产的胶管内 径控制精确，胶层与胶布层的密着性好，半成品容易脱芯，不受骨架层结构限制， 现在大部分厂家都采用这种方法生产。但是它的缺点是软管的半成品长度短、截 头多，而且在生产过程中需要大量的硅油作为脱芯润滑剂，因而使得成本无形中 提高了不少。另外硬芯本身的重量太大，很难使软管的外胶包均匀。 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 ( 2 ) 软芯成型法用工程塑料或增强橡胶制成软芯，代替上述的硬芯来进行胶管 生产。这种方法的突出特点是首先以软芯通过内胶挤出、编织、浸浆、外胶挤出 后不包水布进入半硫化，脱软芯后穿到异型硬芯模具上进行热补充硫化。这种生 产工艺能保持硬芯法的优点，胶管异型尺寸定型稳定，胶管表面没有水布印痕， 具有良好的光亮度，可生产大强度的胶管。但是橡胶软芯成型法生产的异型管半 成品脱芯困难，软芯本身的生产制造又存在很多问题，例如尺寸形状很难控制， 因此在生产异型管时已经很少使用。 ( 3 ) 无芯异型管的生产方法要求在异型管成型时要在胶管的内胶层中通入 0 1 0 5 公斤厘米! 的压缩空气来取代芯棒进行胶管成型。这种方法要求胶管的 内胶硬度不能太低( 7 0 度以上) ，要具有一定的刚性，内径不能太大，而且骨架层 的结构也受到了限制( 必须是编织的和针织的) 。虽然这种成型方法摆脱了芯棒的 限制，可以生产长度较大的异型管，但是胶管的口径尺寸准确性较差，不适宜生 产大口径的胶管。 江苏省苏州华东橡胶厂开发了一种生产橡胶弯管的工艺”1 ：充气橡胶软芯成型 方法。这种方法的主要优点是利用一条纯橡胶管充气后使其膨胀然后将其封闭， 用作橡胶弯管生产中使用的软芯，这样就克服了软芯生产法半成品脱芯困难的缺 点。但是这种方法对软芯的表面光洁度要求较高，软芯硫化前表面要先涂滑石粉， 硫化时需要直型硫化。无形中增加了工人的劳动强度。这些生产橡胶弯管的方法 多半是人工性的，生产工序复杂，工人的劳动强度大，生产效率低。 我国多数企业使用的模具成型法。这种方法生产工序非常复杂，依靠模具对异 型管进行定型硫化，不能实现连续硫化，从而使得生产效率低下，而且用这种方 法生产软管，工人的劳动强度并没有降低，不符合现代企业竞争的需要。 上述的几种方法在早期适合于我国这样劳动力密集的国家，但是随着世界科技 的进步，以及加入世界贸易组织以后，市场竞争越来越激烈，以这样的生产工艺 加入世贸的竞争，前景不容乐观。因此，加快进行软管工业的技术改造，特别是 加强弯管挤出理论的研究对于我国软管工业来说是一个非常紧迫的任务。 2 3 国外的生产概况 由于国外汽车工业发展较早，橡胶弯管的应用也比较广泛，因而对弯管生产 工艺的研究非常重视。 英国伊登兄弟( i d d o nb r o t h e r s ) 公司利用美国孟山都公司的挤出口型最先 研制出了名为c o m p u t ah o s e 的弯管挤出设备”1 ，它主要由三部分组成： ( 1 ) 挤出机； ( 2 ) c o m p u t ah o s e 可变几何形状的机头； 沈阳化j 丁学院硕士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 ( 3 ) 微机控制中心。 该套生产设备的特点是取消了单独的骨架补强层，而以短纤维混入混炼胶作 为补强材料。用计算机控制挤出机口型与型芯之间的相对位置，将短纤维补强的 混炼胶直接挤出成为弯型胶管。其原理是当被控制的挤出口型一侧稍大，一侧 稍小时，挤出胶管就向管壁稍薄的一侧弯曲。该系统不仅不需要编织机，而且 挤出机也只用一台即可，关键是有一个由计算机控制的挤出机头和口型。根据 预先输入的弯管的各项数据，计算机通过气动和液压控制口型和型芯之间的相 对位置，使胶管挤出时即弯曲成所需要的形状和长度，并自动裁断。管坯冷却 后经硫化即成为成品，不需要套芯，脱芯，大大减少了设备，简化了生产工序， 减轻了工人的劳动强度，降低了生产成本。它与传统方法的对比见表2 2 1 ”3 。 表2 2 1 因素传统方法c o m p u t ah o s e 法c o m p u t ah o s e 优点 加工工艺3 步( 非连续)l 步减少人力物力 设备2 台挤出机2 台编织机l 台挤出机减少设备，省维修 配方分内外层胶料只需1 种配方减少配方数和库存 补强材料要有连续的骨架层短纤维补强均匀 外胶层必须要非必需降低成本 硫化套芯硫化直接硫化加工便宜，减少投资 胶料再利用不可能可重复利用避免废胶，降低成本 尺寸管壁较厚管壁较薄产品轻，耐屈挠 最大直径受编织机限制无限制可做多种规格 该系统先后获得了“n e t i 。o n ”金奖和阿基米德工程设计优秀奖。该公司利用 这套设备生产汽车用水箱胶管。当短纤维增强的水箱胶管从机头挤出时，通过上 述控制可以自动挤出具有9 个弯向的不同弯度的管子，每个小时可以生产4 0 0 r a m 的水箱弯管6 0 0 0 条。 英国e u r o 1 s c k i 公司研制成类似i d d o n 公司的弯管挤出工艺”1 。这种工艺的 主要优点是沿着弯曲外半径的管壁较厚。挤出口型也是有固定的中心部分和活动 外环构成。出胶口的形状由两台伺服电机控制，其中一台在垂直平面内工作，另 一台在水平面工作。根据胶管的具体形状专门设计程序进行数控操作。当出胶口 间隙扩大时，胶料流量增加，管壁局部加厚。计算机可以按一定的直管和弯管段 顺序设计程序。弯管用挤出机头表面的活动刀切断，再送到硫化装置，或者用专 门的装置将弯管精确裁断。该系统很容易同原有的挤出机配套使用。 这一类生产橡胶弯管的方法的主要特点是依靠挤出成型，省去了缠胶布、抽 沈阳化工学院硕： 研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 芯等工序，可一次成型，具有方便、清洁、高效等优点。该方法大大简化了加工 工序，避免了手工劳动，降低了工人的劳动强度。此外，使用弯管挤出机头后， 不必再准备芯模，更换产品规格十分容易。 日本特开平上曾经介绍过这样一种生产弯曲胶管的方法”3 。其特点是首先 利用挤出机挤出一条未硫化的胶管，然后在该胶管表面上包覆上一层树脂层，该 树脂包覆层可以用聚一4 一甲基戊烯一l ，熔点为2 3 0 2 4 0 ，包覆层厚度为l 1 5 m m 。将有包覆层的末硫化橡胶管加热，使树脂包覆层软化。再将该胶管按所要 求的形状弯曲装入定型模中，并使定型模整体冷却。然后再将该未硫化胶管用大 约1 5 0 的温度硫化大约0 5 1 0 个小时。由于硫化温度比树脂包覆层的软化温 度低。所以未硫化胶管在所定形状下硫化后即可得到定型的弯曲胶管。最后将树 脂包覆层剥去即可得到所要的弯曲胶管。这种方法应该属于模具法的范畴。 沈阳化工学院颁士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 3 短纤维材料的使用情况 3 1 短纤维材料的优点及其使用情况 在聚合物基体中加入具有较高强度的玻璃纤维、石棉纤维、金属纤维、炭纤 维等增强材料，能显著的提高聚合物体系的物理机械性能，现在已经成为生产高 强度聚合物制品的重要方法。根据短纤维增强的原理。即使用很少量的短纤维也 能使制品获得许多优良的性能。因此，该技术不仅可以应用于制造管材，也可用 于制造板材，片材等等：不仅可以用于挤出成型，而且可以用于压延成型、注射 成型等等。所以，这项技术可以广泛应用在橡胶、塑料工业中。 从七十年代起，短纤维增强高聚物已经为人们所重视。1 9 7 2 年，美国孟山都 公司发表了第一个专利，随着研究工作的进展，短纤维增强技术在橡胶塑料工业 中已得到不断的完善和广泛应用”o “”1 。 短纤维补强挤出弯管工艺是基于以下两方面的考虑”“：( 1 ) 短纤维混入聚合物 时产生补强作用：( 2 ) 当聚合物短纤维复合体通过特殊设计的口型挤出时，短纤 维能产生定向排列，从而提高胶管的强度。 将一定量的短纤维混入橡胶中能够有效地改善橡胶的力学性能”。实验证明， 含有短纤维的胶料，在低伸长率下的模数会成倍增加，硬度也会适度增加，而扯 断伸长率却降低。而且胶料中加入了短纤维以后，由于纤维取向会使得胶料在机 械性能上呈现明显的各向异性，远大于纯炭黑补强的胶料。在胶料机械加工方向 上( 即纤维的取向方向) 测得的机械性能为最大，而在与纤维取向方向的夹角 0 = 9 0 的方向上为最小，纤维取向方向与测量方向夹角9 从0 。到3 0 、6 0 。、9 0 所发生的弹性模量的变化如图3 1 所示。 鱼 趔 豫 量 蜊 3 0 2 0 1 0 0 2 04 0 测量角度。 6 0 8 0 占。 图3 1 拉伸强度随测量角的变化 橡胶中混入短纤维以后的另外个优点是未硫化强度高，短纤维胶料在未硫 6 沈阳化工学院顿士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 化时，较基质胶具有更高的强度，如表3 1 所示。 表3 1 尼龙短纤维含量对未硫化胶料强度及粘度的影响 短纤维含量扯断强度伸长率硬度门尼粘度 ( 份)公斤厘米2 ( 邵氏)( 1 0 0 下) 079 5 4 4 64 9 3 53 61 3 06 45 4 3 1 58 86 07 05 2 o 3 01 3 64 07 65 3 8 众所周知，编织胶管或缠绕胶管的传统的加工方法，都是先挤出内胶，再编 织或缠绕上强力层，然后再挤出外胶覆盖在其上。使用的设备有挤出机，编织机， 缠绕机等等，设备较多，工序复杂，生产成本较高。 短纤维增强胶管不需要骨架层，采用特殊的挤出机头一次挤出成型，简化了 胶管的生产工艺，省去了骨架层的纺织工序，可以降低生产成本，实现胶管生产 过程的连续化。生产出来的胶管具有一定的刚度，因此可以广泛地应用于汽车工 业中，还可以制成波纹管，可以代替大多数中低压胶管。 对于汽车用橡胶弯管，如汽车用水箱胶管，要求胶料要易于加工，制品能够 达到爆破要求，经受得住脉冲试验，而且要耐老化，耐水和醇的浸泡，屈挠性要 好。传统的生产方法是挤出成型硬芯硫化法和模具直接成型硫化法。生产工艺上 都有编制或者缠绕强力层的工序，对于模具法还有装入定型模具的工序，工序复 杂，难以实现连续化生产。采用短纤维增强工艺后，应用特殊设计的偏心挤出机 头，通过调整偏心距的大小，次挤出即可得到具有不同弯度的橡胶弯管。据有 关资料报道，当胶料中掺入美国孟山都公司出品的s a n t o w e bh 短纤维，掺入的浓 度为6 0 ，6 5 ，7 0 和7 5 重量份时，胶料门尼粘度m l ( 1 + 4 ) 1 2 5 c 分别为4 8 ，5 6 ， 5 8 和6 1 。由于短纤维的取向增强作用，0 。拉伸强度分别为1 0 1 ，1 2 3 ，1 1 3 ，和 1 0 8 m p a ；9 0 。拉伸强度分别为6 9 ，7 3 ，6 5 ，和6 7 m p a ：胶管( 巾1 9 m m 4 1 m m ) 爆破压力分别为2 2 ，2 4 ，2 4 ，和2 4 m p a 。可见，爆破压力非常理想，而门尼 粘度5 6 5 8 也不会使操作产生困难。如果要求较高的爆破压力，可以适当增加短 纤维的含量。 3 2 短纤维取向设备 短纤维增强材料的显著特点，是在纤维取向方向上具有较高的强度和模量，但 是在垂直纤维取向方向上却很弱“。大量的研究和实验表明”“7 “1 ，短纤维 增强胶管在加工过程中，通过特殊设计的口型挤出，其胶管壁内的短纤维可定向 沈阳化工学院硕j ：研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 排列成各向异性材料。这是由于通过口型时，短纤维受到流体动力的影响。纤维 在流动过程中的取向形式和取向度是决定制品的力学性能的重要因素。在纤维取 向方向上材料的强度和模量都有显著的提高。 用传统的挤出设备( 设备示意图见图3 2 ) 挤出短纤维增强胶管时，由于其 环形平直段的剪切作用，纤维的取向趋于流动方向( 如图3 3 所示) ，制品壁厚越 薄，其平行于挤出物轴向取向的趋势越明显。 图3 2 传统的挤管机头 图3 3 传统管机头挤出的胶管纤维取向分布 可是人们常常希望制品中的短纤维具有其它方向的取向而不仅仅是在沿轴线 方向。譬如，若要求胶管有较高的径向承压能力，则胶管在环向方向必须有足够 的物理性能，为此人们希望在胶管的圆周方向有纤维取向；若想使胶管具有较好 的柔软性，则希望在径向方向有纤维排列；而轴向取向的纤维分布，会使胶管拉 伸强度较高。因此，在挤出短纤维增强胶管的过程中，控制短纤维的方向性，调 整短纤维在胶管中的周向、轴向、径向取向比例，获得最佳增强的成网制品，成 为增强胶管一步法加工过程研究的主要方向。 短纤维取向增强技术是使混合在高聚物中的短纤维( 化纤、提纤、玻璃纤维 等) 按某个方向取向，甚至可以是壁厚中各层的纤维按照不同方向取向，以增强 制品力学性能的一种技术。就管材而言，若用短纤维来增强橡胶或塑料，在挤出 成型过程中，控制短纤维的取向，使靠近管外表面的短纤维沿周向分布，靠近管 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文 汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 内表面的短纤维又沿轴向分布，这样，填充在胶料中的短纤维就像编织一样，一 次挤出成型就制成“编织”胶管( 如图3 4 所示) 。采用这种方法是一种极有效又 经济的、很有前途的加工方法” 图3 4 短纤维增强胶管 而采用短纤维取向增强的方法制取增强胶管，只需一台带取向机头的挤出机， 一次成型就可获得结构如图3 4 所示的增强胶管。工艺简单，设备很少，其优越 性是显而易见的”“。 短纤维取向增强技术适合于生产大多数中低压胶管。目前西方国家已经广泛 应用于建筑工业胶管，汽车工业、机械工业中的加热器胶管、冷却胶管、输油胶 管、农业用的胶管和园艺胶管等等。短纤维填充胶料在流动过程中的取向形式有 周向、轴向和径向几种，其中以前两种为主。因而对于复合材料的取向机头也因 取向形式和制品的形状不同而异。目前采用的挤出机，由于不能改变胶料的流向， 因此纤维在流体动力的作用下，沿流向排列，即得到轴向取向。 英国b e v i s 等人开发了剪切控制取向挤出成型装置( 如图3 5 所示) o “，挤 出成型含3 0 玻璃纤维的聚丙烯管材。熔料首先分成两股从挤出机进入上下两个 活塞腔，而机头安装了4 个液压驱动油缸，工作原理如图3 6 所示。通过4 个活 塞的顺序抽拉，推动熔体作周向环流，使得短纤维能够沿着周向均匀地取向，同 时在活塞推动下将固化的管材从口模内挤出。实验结果表明，剪切控制取向挤出 成型的玻璃纤维增强p p 管材，其周向拉伸强度由普通挤出的2 0 m p a 提高到3 3 m p a ， 杨氏模量由1 8 m p a 提高到2 7 m p a 。该技术可以生产高精度的厚壁制品，其精度与 注塑制品相当。 美国的d n o a l d 申请过一项专利o “，首次提出了利用型芯和口模反向旋转的机 头生产短纤维增强管材的新工艺。该技术能显著提高短纤维增强热塑性塑料管材 的爆破强度和压缩强度。短纤维胶料在两个圆筒之间流动，在剪切应力的作用下 沿周向取向。在此基础上c e s s n a 作了进一步的改进。”，使得剪切速率随旋转轴的 径向距离变化，因此在这种装置下得到不规则的取向，即除成型面外，大部分是 轴向取向。剪切取向机头的不足之处是：内芯或外芯的旋转将造成挤出制品的扭 动，使挤出过程不稳定；纤维是在周向剪切流场和轴向剪切流场的共同作用 9 沈阳化工学院硕上研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 图3 5 剪切控制取向挤出管材口模装置 回 c 图3 6 剪切控制取向挤出管材的4 阶段工作次序及原理 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 下，沿周向和轴向两个方向取向，特别是提高挤出速度后，轴向剪切流场增大， 纤维将主要沿轴向取向，利用剪切取向机头将得不到纤维周向取向程度较高的胶 管。 z a c h a r i a d e s 设计了一种旋转挤出机头“，用来成型含2 0 玻璃纤维的即管 材，大大提高了周向的强度和杨氏模量。b u s h ”“等人利用旋转挤出装置生产含2 0 玻璃纤维的p p 管材，也取得了同样的效果。 美国孟山都公司在1 0 年前推出了商品牌号为“s a n t o w e bd ”“s a n t o w e bd x ”， “s a n t o w e bi i ”，“s a n t o w e bw ”等短纤维补强剂，并且开发出了种可以使短纤 维填充胶料在挤出过程中实现多方向取向的机头。其结构主要有两种形式，图3 7 所示的是其中一种取向机头的结构示意图1 。 图3 7 美国孟山都口型结构示意图 对于非轴向取向机头，l ag o t t l e r 进行了最大的改进。在他的专利中第一次 提出了扩张机头( 示意图见图3 8 b 所示) ”“。这种机头的基本设计思想是利用特 殊的几何边界，建立某种使纤维在所希望的方向上取向的特定流场。在挤出过程 中，纤维的取向主要受挤出口型几何形状的影响。流道形状的变化使胶料流动过 程中产生的流体动力按所希望的规律发生变化，以便控制纤维的取向。一种行之 有效的方法就是通过口型内横截面积的变化，使纤维在法向应力的作用下旋转。 纤维的旋转速率与法向梯度成正比，旋转的方向与速度梯度的符号有关。 g o t t l e r 不仅在他的专利中提出了扩张机头，还提出了另外的非轴向取向机 头。图3 8 是扩张式口型和其它几种口型的结构示意图。 瞩(彩a圜 蕊蔑瓣 眩么么搦 ( a ) 传统口型( b ) 扩张式口型 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤i f l 成型理论的研究 溺潦 睾通蹰蕊惑黼 包渤乞燃 ( c ) 阻流堰式口型( d ) 混合式口型 图3 8 传统口型与几种非轴向取向口型示意图 扩张式口型( 如图3 8 b 所示) 采用缩减环形直径保持缝隙厚度等于胶管壁厚， 即胶管壁厚不变而缩小口型直径后再突然膨胀，可使纤维环向取向。它的原理是 改变了普通口模的剪切拉伸流动作用，使含短纤维的胶料不再沿挤出方向取向， 而是扩充到最终产品直径的径向膨胀和随之而来的快速约束相结合来使短纤维沿 环向取向。这种口型适合于制造各种中压胶管，但是由于扩张机头是通过流道的 扩张达到纤维沿周向取向的目的，因此在结构上限制了不能生产小直径的短纤维 增强胶管。 阻流堰式口型( 如图3 8 c 所示) 的特点是保持平均直径不变而收缩流道厚度， 即靠一个坝状的障碍来收缩壁厚。当胶料通过这种口型的环形坝后，必须径向膨 胀，直到充满流道横截面。纤维由于转向的结果，最后基本形成沿辐射方向排列 的形式。这种口型可使纤维沿径向取向。用这种机头挤出胶管时，胶管具有良好 的挺型，易实现光滑的无芯硫化。但是与传统口型一样，不能起到增强胶管的作 用。 混合式口型( 如图3 8 d 所示) 融合了扩张式口型和阻流堰式口型的特点，通 常是根据扩张式口型的原理设计的。它兼具了上述两种口型的优点。但是只是收 到了居中的效果。这是因为当流道半径和厚度都随口型的轴向位置而增加时，胶 料流动的类型已经不是纯粹的平面对称流，变形将在三维方向上发生。因而流体 的流动极其复杂，不象上述两种口型的双曲线流场，而是一个三维空间的流场。 故此，短纤维在这种复杂的流场内的行为就不象上述两种口型那样能够做出精确 的描述。用这种口型挤出的胶管，其纤维的排列方式是与管轴呈环状和辐射状的 综合方式，并且具有两者综合的增强作用。 短纤维增强复合材料的特性主要取决于短纤维在制品中的取向状态，而短纤 维的取向是由加工过程中流体的流动形式决定的。在剪切流场中，纤维的取向趋 向于剪切平面方向；在扩张型拉伸流动中，纤维的取向趋向于与流线垂直。同时 剪切取向不如拉伸取向有效。弄清楚短纤维的取向机理，便可以设计出合理的机 头流道，使纤维沿所需方向取向。比如在压力胶管的生产中，为提高压力胶管的 爆破压力，总希望短纤维尽可能地沿着周向取向，为此可采用特殊结构的剪切取 1 2 沈阳化工学院硕： ：研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 向机头或扩张机头。 利用取向机头以短纤维填充橡胶或塑料来代替传统的帘布( 帘线) 骨架层， 可省去胶管生产中包贴( 缠绕) 骨架层的工序，并可实现连续硫化，使产品成本 大大下降。由于短纤维填充后的胶料各向异性合理利用这一特性可使汽车工业 甩胶管提高寿命- 5 0 虬上。在成型加工时，短磐维可沿径向、轴相、环f 匀三维取 向。如利用日本最近研究成功的高模量炭素纤维，其拉伸强度可达到普通钢丝的7 倍，用其填充制造的胶管，能几十倍地提高胶管的爆破压力。制造短纤维填充胶 管的关键是设计特殊的机头口型。 我国的软管工业尽管经历了近五十年的发展，但是应该看到，我们跟世界先 进水平还存在着很大的差距。随着我国加入w t o 已经成为现实，我国的汽车工业 面临着难得的机遇，也面临着巨大的挑战。随着汽车工业的蓬勃发展，橡胶弯管 作为汽车上一种重要的非金属配件，市场需求必然越来越大，而且对其科技含量 也提出了更高的要求。而我国具有高科技含量的弯管生产还处于起步阶段，因此 加强这方面的科技攻关是非常必要的，也是非常紧迫的。只有尽快缩短跟发达资 本主义国家的差距，才能使我国的民族工业在世界上站住脚跟。 本课题对短纤维增强的弯管挤出成型理论进行了研究。短纤维的取向作用满 足了胶管的强度要求，而弯管挤出技术则满足了胶管对形状的使用要求。在国内， 由于这方面的发展滞后，以及数学分析方面的原因，预测挤出胶管的弯曲曲率问 题一直没有得到较好的解决，因此使得生产中难以实现自动控制，限制了胶管的 生产效率，也使得胶管的精度难以得到保证。 3 3 短纤维取向理论乜刚阻钔们臼”b 2 ” 关于短纤维取向设备的研究最早是美国的d o n a l d 于七十年代提出的。此后， 美国的c e s s n a 和l a g o t t l e r 进行不断研究和改进，使取向机头的设计渐趋成 熟。而g b j e f f e r y ，t t l g o l d s m i t h 和s g m a s o n 等人在短纤维取向理论研究 方面又取得进展。可见，短纤维增强取向技术在国外非常受重视，积极开展研究。 并取得了成果；而在国内则是刚刚开始，因此，抓紧这方面的开发是十分必要和 迫切的。本文从理论上探讨了短纤维在几种主要的取向机头中的取向机理。 当聚合物短纤维复合体沿给定方向流动时，其纤维排列方向与流动方向平 行，产生了有向性，表现为应力一应变性能上的不同。这取决于纤维定向排列与 外加应力方向之间的角度。短纤维补强的聚合物所达到的强度，还取决于纤维与 基材之间形成的粘合力。在纤维排列方向与应力方向平行的情况下纤维与橡胶之 间有无粘合力，其强度差别很大，见图3 9 。 从流变学分析，具有一定形状系数( 长度和断面尺寸之比) 的短纤维与高聚 沈阳化工学院硕上研究生毕业论文 汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 物混合后，在加工状态下是假塑性流体。这种胶料流动时，其中的短纤维会沿着 作用力的方向取向。在制品中，纤维的取向产生力学性能的各向异性。这种各向 异性尤其体现在纤维取向方向与垂直于取向方向上的杨氏模量和抗张强度的较大 差异。如掺用高形状系数纤维素纤维的胶料，经过辊压后，在辊压方向与垂直于 辊压方向上，其杨氏模量之比可达1 0 ：1 ，而抗张强度之比可达3 ：1 。可是， 在制品中并非所有纤维取向都是有用的，只有适当的取向，才能体现它的有利作 用。因此，控制纤维取向是很有实用意义的，它可以控制制品的各向力学性能， 达到优化制品性能的目的。故控制短纤维取向是挖掘短纤维增强潜力的有效途径 之一。 台力 l 口2 03 3 拉伸应变， 图3 9 复合体拉伸应力一应变曲线 纤维取向的实质是分散在高聚物中的短纤维受到流场作用的结果。在加工过 程中，短纤维时刻都受到流场作用。如短纤维胶料在挤出成型经过挤管口型时， 是受剪切流场与拉伸流场的共同作用。根据短纤维悬浮体流变学的理论，剪切流 场作用是短纤维沿轴向取向的关键因素，速度梯度为负的拉伸流场作用则是使纤 维沿周向取向的主要原因。当短纤维胶料流经断面积均匀不变的口型( 如普通的 挤出机挤管口型) 时，其速度分布比较平缓，主要形成剪切流场，故短纤维主要 为轴向取向。而当短纤维悬浮体被压缩时，短纤维的排列就会转为与胶料流动垂 直的方向。因此，当纤维胶料流经断面积变化的口型时，由于流动加快或减慢的 结果，纤维会受到法向力的作用，发生回转而成为垂直于流动方向的横向取向。 纤维回转的速率与法向的速度梯度成正比，其回转方向取决于速度梯度的符号。 3 3 1 内芯旋转设备的取向机理 短纤维在流场中的旋转取向是伴随着流体基质的变形而发生的。如图3 1 0 所 示，在同心圆筒之间的空隙中填充含短纤维的流体，当外简固定而内简旋转时， 流体受到纯剪切作用，短纤维在流体剪切力的作用下将逐渐趋向周向取向。 4 姗 咖 m o 日量醚煨霉掣 沈阳化工学院硕士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 内芯 图3 1 0 内芯旋转口型流道结构示意图 设在众多随机取向的短纤维中取出一根纤维，它与流线( 周向) 之间的夹角 为庐，则角妒称为该纤维的取向角。角妒描述了单根短纤维的取向特性。对于众多 短纤维的取向特性，可用取向分布函数( 妒) 来描述。y ( ) 表示各种取向角庐的纤 维在总体中所占的相对分量，在流体未受到剪切作用之前，短纤维是随机取向的， 因此其取向分配曲线比较平缓。当流体经过比较充分的剪切作用后，周向取向将 占主导地位，取向分布曲线变为具有明显单峰值的曲线。 短纤维的取向过程，可以看作是短纤维在粘性流体中旋转的过程。假设短纤 维是刚性的，流体为牛顿型流体，并且将芯轴和机简统简化为平行平板，求得取 向角为的纤维在流场中的旋转角速率为 l ；：一s i nz 西立一c 尘土塑( 3 1 ) 咖砂p 却 其中，一某取向角的纤维在流场中的旋转速率： 庐一纤维的取向角； ， 1 ；一周向速度沿半径方向的变化率，即剪切速率； 砂 y ( 庐) 取向分布函数； c 一纤维之间的相互作用系数。 口型流道的截面积是短纤维取向发生变化的主要因素。若口型不改变从进口 到出口之间一段距离上的横截面积，就不会引起纤维取向的变化，只有口型截面 积变化时，在口型中的纤维取向才会发生变化。因此，口型截面积变化是短纤维 发生取向变化的主要因素。根据这个取向机理，就可以设计些特殊形状的取向 机头，使短纤维胶料在挤出成型中控制纤维的取向，以最大限度地满足制品性能 的要求。 按照纤维取向机理，口型截面积的变化是短纤维发生取向变化的主要因素。 因而一般传统的挤管口型的流道虽然是轴向收敛，但是在定型部分平直。截面积 没有发生变化，所以短纤维主要是沿轴向取向。而耐压胶管的使用要求是耐压， 沈阳化工学院硕上研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 即要求提高其周向强度。因而这种口型不能使短纤维达到真正补强的目的。传统 的挤管机头结构示意图见图3 2 所示。 归纳起来，胶管取向机头的口模有三种形式：扩张型、阻流型和混合型。扩 张型口型可使短纤维在管壁内主要沿周向排列，从而提高胶管的爆破压力。 3 3 2 几种非轴向取向机头的取向机理 对于截面积变化的圆环形口型，短纤维在粘流体中运动的情况，经过数学推 导，可得到纤维取向基本理论模型的数学表达式：( 坐标如图3 1 1 所示) 、磊1 图3 1 l 轴对称口型圆环槽沟坐标系 在图3 1 1 中，x ，为流动方向，x ：为径向，扎为周向( 指向平面外方) 。 于是： 生d 4 2 a s n 2 谚 ( 3 2 ) ij 等一( 击 c o s z 删喊 慨。， 洲 4 彳j “ 对上两式子进行积分，得到： t g 谚= c l 一8 ( 3 4 ) t g 鼠= c 2 爿一 。2 ( 3 5 ) b c o s m 其中痧一纤维在x 平面上投影和x ，轴的夹角； 目一纤维与x 轴的夹角； a 一口型的截面积； b 一和纤维形状系数门宁关的取向性参数，b - ! ；= 其中，r = 这里，三一纤维的长度o d 一纤维的平均直径； c 一大于零的积分常数。 6 沈m 让丁学院硕上研究生毕业论文 汽车用短纤维增强橡胶弯管挤j | l 成型理论的研究 x 。，x 。为流场坐标系。x ，表示中性轴方向，它可以根据流动的几何图形 与口型坐标相对应；x ，为法向速度梯度为负值的方向，噩为法向速度梯度为正 值的方向。在这里，两坐标系相应为：x = x ，x ：= x ，x ，= 以 扩张式口型( 图3 1 2 ) 主要特点是缩d , t 圆环口的直径，但是槽沟的间隙仍 然保持管壁所规定的厚度。1 3 型壁仍然保持平行，槽沟间隙不变， r 图3 1 2 扩张式口型 所以： 有 豢= o ( 3 6 ) 两套坐标系对应为：，= x 2 ，x ，= x ，x ；= x ， 式( 3 4 ) 和( 3 5 ) 整理为： t g 妒2 = c 3 a 8 = c 3 r 8 ( 3 7 ) t 9 0 2 = c a 一7 2 ( 3 8 ) 在入1 3 处1 和2 之间将有： 鲁= = 慨。， 其中，r 一口型环形间隙中心至中心轴线的距离： 4 一口型环形间隙的截面积： 欢。一在入1 ：3 处的短纤维的角度： 妒：在出1 3 处的短纤维的角度。 从式( 3 7 ) 和( 3 8 ) 中可以看出，随着截面积的扩张，矿：和庐：，都趋向于丌2 ， 也就是说，短纤维在垂直于流动方向上的平面内沿着周向取向，从式( 3 9 ) 中还可 以看到，周向取向程度取决于横截面积的扩张比。当出1 ：3 圆环截面积与入1 3 节流 区的圆环截面积之比增加时，短纤维周向排列的规整度就会提高。 阻流堰式1 3 型的特点是减小了槽沟的间隙，而圆环口的直径保持不变，大致等 于胶管的直径。由于此口型的胶料流动方向与轴对称方向平行，所以 7 沈阳化工学院颁士研究生毕业论文汽车用短纤维增强橡胶弯管挤出成型理论的研究 = 0 ，且x ，= x 3 ，x ，= x 1 ，x = x 2 于是方程( 3 4 ) 和( 3 5 ) 可化为： t g 以= c 5 爿。= c 5 w 8 t 9 9 2 = c 6 爿 7 2 在入口位置l 和出口位置2 之间有： 甏= = ( 甜 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 其中，一流道间隙宽度。 从式( 3 1 0 ) 和( 3 1 1 ) 中可以看到：当截面积高度扩张时，九，和九都趋向于 石2 ，即表明纤维在垂直于流动方向平面上沿着径向排列，另外从式( 3 1 2 ) 可知， 随着槽沟间隙截面积扩张程度的增加，纤维径向排列越强烈。可见对于阻流堰式 口型，当短纤维胶料流经阻流坝时，由于截面积扩大，短纤维受到流体的作用后， 必然会沿着径向伸展以充斥槽沟截面，结果纤维就会竖起来。形成基本上与管壁 横交的排列。由此可知，阻流堰式口型中的纤维取向，径向排列占主导地位。 对于混合式口型，短纤维胶料的流动非常复杂，不象前两种口型的平面双曲 线流场，是一个三维的流场。如果对间隙和半径大小的变化采取适当的补偿，随 着槽沟半径的增大，其槽沟间隙相应减小，使进1 ：3 和出口截面积不变，这时轴向 速度将保持不变，所以 盟：0 ( 3 1 3 ) a 在此处，x ，= x 1 ，x ，= x 2 ，x = x 3 。 利用式，并考虑入口和出口位置的情况，则有： t g 矿, 2 ：生：l( 3 1 4 ) t g 1 1 a i 由此可知，虽然有半径的扩张，但是由于槽沟间隙减小，使面积得到补偿， 进出口位置截面积保持不变。这样