（机械设计及理论专业论文）非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究.pdf

非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 摘要 丁基橡胶以其优良气体阻隔性而广泛应用于轮胎生产 成为生产轮胎内胎 及气密层不可替代的原材料 我国是轮胎生产和消费大国 面对国外丁基橡胶 生产技术的垄断 国内生产能力有限的现状 相关企业不得不大量依赖进口 导致国内市场需求与价格完全受制于人 为了解决以上问题 北京化工大学博 士生导师 青岛科技大学泰山学者杨卫民教授提出用一种新的叠层高分子复合 材料 即非丁基橡胶复合材料 来取代丁基橡胶和卤化丁基橡胶 将其作为各 种轮胎的内胎 无内胎轮胎和密封制品的气密层材料 该材料不仅具有优异的 气体阻隔性 而且价格便宜 成型工艺相对简单 本文旨在研究非丁基橡胶叠层复合材料的加工方法及其成型装备的模具设 计和制造 通过微纳叠层共挤技术 设计并制造出用于加工非丁基橡胶叠层复 合材料的新型微纳叠层共挤出成型装备 成型装备主要由两台或多台挤出机 汇流器 叠层器 口模等部分组成 其中 作为该成型装备的核心组成部分的 叠层器是由本实验室自主开发研制的 已申请多项国家专利 高分子材料熔体 在叠层器中经过分割一扭转9 0 0 同时展开一汇流过程 实现叠层复合 叠层器 设计 制造工艺简单 精度容易保证 并且能够极大地提高对物料的适应性 本文在对非丁基橡胶叠层复合材料加工方法及其成型装备的模具设计及制 造进行研究的过程中 对叠层复合材料成型装备的叠层器流道进行了流场分析 本文以既已开发研制出的叠层器为模型 运用专用于粘弹性材料模拟的c f d 软 件p o l y f l o w 对叠层流道的多种模型进行了流场分析 包括叠层流道的单一 物料挤出模拟以及两种不同物料的共挤出模拟 在共挤出模拟中 从控制入口 体积流率的角度来描述复合熔体流动稳定性的问题 包括挤出物的形态和活动 交界面位置的确定等 为后续的相关实验提供了有力的理论支持 关键词 非丁基橡胶复合材料微纳叠层共挤出成型装备设计流场分析 青岛科技大学研究生学位论文 t h es t u d yo nt h em o l d i n g e q u i p m e n t o f n o n b i7 t r y l r u b b e rl am n a t e dc o 田o s i t e s a b s t r a c t b u t y lr u b b e r i i r i sw i d e l yu s e di nt i r ep r o d u c t i o nb e c a u s eo fi t se x c e l l e n ta i r b a r r i e rp r o p e r t y a n di tg r a d u a l l yb e c o m e sa l li r r e p l a c e a b l er a wm a t e r i a lf o rt h e p r o d u c t i o no ft i r et u b e sa n di n n e rl i n e r c h i n ai sag r e a tp o w e ri nt i r e sp r o d u c t i o n a n dc o n s u m p t i o n f a c i n gt h em o n o p o l yo f 如崩印b u t y lr u b b e rp r o d u c t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f l i m i t e da b i l i t yo f d o m e s t i cp r o d u c t i o n r e l a t e d e n t e r p r i s e sh a v et od e p e n do ni m p o r t si nm a n yc a s e s w h i c hl e a dt ot h ec o m p l e t e l y e n s l a v e m e n to fd o m e s t i cm a r k e td e m a n da n dp r i c eb yo t h e rc o u n t r i e s i no r d e rt o s o l v et h ea b o v ep r o b l e m s y a n gw e i m i np r o f e s s o r d o c t o r i a lt u t o ro fa e i j i n g u n i v e r s i t yo fc h e m i c a lt e c h n o l o g ya n dt a r z a ns c h o l a ro fq i n g d a ou n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a d v a n c e san e wk i n do fl a m i n a t e dc o m p o s i t en a m e d n o n b u t y lr u b b e rc o m p o s i t et or e p l a c ei i ra n dh i i r p u t t i n gi t a si n n e rl i n e r m a t e r i a l sf o rv a r i o u st i r et u b e s t u b e l e s st i r e sa n ds e a lp r o d u c t s t h i sn e wm a t e r i a li s n o to n l yh a sa ne x c e l l e n tg a sb a r r i e rp r o p e r t yb u ta l s oc h e a pa n dh a sar e l a t i v e l y s i m p l em o l d i n gp r o c e s s t h i sp a p e ri sa i m e da ts t u d y i n gt h ep r o c e s s i n gm e t h o d sa n dt h em o l d sd e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo fi t sm o l d i n ge q u i p m e n tf o rt h en o n b u t y lr u b b e rc o m p o s i t e t h e r e f o r e c h i e f l yb a s e do nt h em i c r o n a n ol a m i n a t e dc o e x t r u s i o nt e c h n o l o g y t h i s p a p e rd e s i g n sa n dm a n u f a c t u r e san e wm i c r o n a n ol a m i n a t e dc o e x t r u s i o nm o l d i n g e q u i p m e n t w h i c hi sm a i n l yc o m p o s e db yt w oo rm o r es e t so fe x t r u d e r s c o n f l u e n c e d e v i c e l a m i n a t e dd e v i c e f o r m i n gd e v i c e e t c a sac o r cc o m p o n e n t t h el a m i n a t e d d e v i c ei si n d e p e n d e n t l yr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db yo u rl a ba n dh a sb e e na p p l i e d f o ran u m b e ro fn a t i o n a lp a t e n t s t h r o u g ht h ep r o c e s so fd i v i s i o n t o r s i o n9 0 a n d s p r e a d m e r g i n gi nt h el a m i n a t e dd e v i c e t h ep o l y m e rm e l tc a r la c h i e v el a m i n a t e d c o m p o s i t i o n t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h el a m i n a t e dd e v i c ei sn o to n l yh a sa 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 s i m p l ep r o c e d u r ea n d c a ne a s i l yf f l l s l l r o st h ea c c u r a c y b u ta l s oi s e x c e l l e n t l y a d a p t a b l et ot h em a t e r i a l s d u r i n gt h er e s e a r c hp r o c e s s t h el a m i n a t e dd e v i c er u i m e ro ft h en o n b u t y l r u b b e rl a m i n a t e dc o m p o s i t em o l d i n ge q u i p m e n ti ss t u d i e db yf l o wf i e l da n a l y s i s s p e c i f i c a l l y t h ef l o wf i e l da n a l y s i so fv a r i o u sl a m i n a t e dr l m n e rm o d e l sw a sm a d e f t o mt h es i n g l em a t e r i a la n dt h et w od i f f e r e n tm a t e r i a l se x t r u s i o ns i m u l a t i o n r e s p e c t i v e l yb a s e do nt h ea l r e a d ye x i s t i n gd e v e l o p e dl a m i n a t e dd e v i c et h r o u g hu s i n g t h ec f ds o f t w a r ep o l y f l o w w h i c hi sd e d i c a t e dt ov i s c o u s e l a s t i cm a t e r i a l s i m u l a t i o n i nt h ec a e x t r u s i o ns i m u l a t i o n t h ef l o ws t a b i l i t yo fc o m p o s i t em e l tw a s d e s c r i b e df r o mt h ec o n t r o lo ft h ee n t r a n c ev o l u m ef l o wr a t ep e r s p e c t i v e i n c l u d i n g t h em o r p h o l o g yo fe x t r u s i o na n dt h ed e t e r m i n a t i o no ft h ea c t i v i t i e si n t e r f a c el o c a t i o n t h e r e f o r e i tp r o v i d e sas t r o n gt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h es u b s e q u e n tr e l a t e d e x p e r i m e n t s k e y w o r d s n o n b u t y lr u b b e rc o m p o s i t e m i c r o n a n ol a m i n a t e do o e x t r u s i o n m o l d i n ge q u i p m e n td e s i g n f l o wf i e l da n a l y s i s 青岛科技大学研究生学位论文 y 速度 m s p 压力 p a f 时间 廖 p 密度 磁 所3 g 重力 尹 剪切速率 1 j 符号说明 f 剪切应力 p a 万 斗顿指数 无量纲 五 黏弹性的特征时间 即松弛时间 s 7 黏度 p a s 朝始黏度 即零剪切黏度 p a 盘 轧 无穷剪切黏度 p a j 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 概述 1 绪论 丁基橡胶以其优良气体阻隔性而广泛应用予轮胎生产 成为生产轮胎内胎 及气密层不可替代的原材料 由于生产工艺复杂 技术难度大 多年来 世界 上只有美国 德国 俄罗斯 意大利少数几个国家拥有丁基橡胶 i i r 及卤化 丁基橡胶 h i 瓜 的生产技术和生产装备 且对外不转让技术 其中美国埃克 森美孚化学公司和德国朗盛公司的生产技术和研发能力处于领先地位 i 随着 轮胎消费的强劲增长 医药需求的增加和环保市场快速增长 在过去几年中 世界丁基橡胶的总消费量呈稳定增长的趋势 年增长率一直保持在2 左右 最 近两年需求量有所增加 年均增长率达到约5 2 0 0 9 年全球丁基及卤化丁基 橡胶的总消费量达到1 0 0 万吨 其中卤化丁基橡胶的消费比例超过8 0 2 1 预 计今后几年 世界丁基及卤化丁基橡胶的消费量将以年均5 6 的速度增长 到2 0 1 4 年总消费量将达到1 3 5 万吨 其中卤化丁基橡胶所占的比例将超过 8 5 蚶3 1 目前 我国只有中国石化股份有限公司北京燕山分公司 简称北京燕山 分公司 合成橡胶厂一家企业生产普通丁基橡胶 产量远远不能满足国内实际需 求 每年都要大量进口 导致国内市场需求与价格完全受制于人 2 表1 12 0 0 9 年世界丁基及卤化丁基橡胶主要生产厂家产能统计万吨 年 t a b 1 1i i r h 1 1 rp r o d u c t i o ns t a t i s t i c so f t h em a i nm a n u f a c t u r e r si n2 0 0 9t h o u s a n dt o n s y e a r 注 完全由埃克森美孚公司所有 日本合成橡胶与埃克森美孚公司的对半合资企业 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 图1 11 9 9 7 2 0 0 8 年我圈丁基檬胶进口量统计 f i g 1 is t a t i s t i c so f l i ri m p o r t sf r o m1 9 9 7t o2 0 0 8i nc h i n a 为了解决以上问题 北京化工大学博士生导师 青岛科技大学泰山学者杨 卫民教授提出用一种新的叠层高分子复合材料 即非丁基橡胶叠层复合材料 来取代丁基橡胶和卤化丁基橡胶 将其作为各种轮胎的内胎 无内胎轮胎和密 封制品的气密层材料 即选用m m t 或石墨烯等无机小分子片层材料作为阻隔 性材料 天然橡胶作为承担强度层材料 将以上两种不同的高分子材料或其他 材料按一定的层间距及层厚比交互重叠形成的多层复合材料 其中无机小分子 片层材料以连续片层或高长径比的不连续片层形式分布 取向于橡胶材料中 产生协同效应 从而把两种高分子材料的性能充分地体现出来 这种新型材料 不仅具有优异的气体阻隔性 而且价格便宜 成型工艺相对简单 叠层高分子 复合材料的研究和应用有望打破国际市场的技术垄断 具有非常大的经济价值 和社会价值 因而本文对其加工方法和成型装备的研究 具有重要的理论意义 和实践意义 本文旨在研究非丁基橡胶叠层复合材料的加工方法及其成型装备的模具设 计和制造 通过基于熔体微积分原理的微纳叠层共挤技术 突破传统的材料成 型设计思路 设计并制造出用于加工非丁基橡胶叠层复合材料的新型徼纳叠层 共挤出成型装备 成型装备主要由两台或多台挤出机 汇流器 叠层器 口模 等部分组成 其中 作为该成型装备的核心组成部分的叠层器是由本实验室自 目 1 i r 岛科技大学研究生学位论文 主开发研制的 已申请多项国家专利 高分子材料熔体在叠层器中经过分割一 扭转9 0 同时展开一汇流过程 实现叠层复合 叠层器设计 制造工艺简单 精度容易保证 并且能够极大地提高对物料的适应性 a b a 一橡胶材料b 一气体阻隔性材料 图l 2 叠屡复合材料截面形貌结构示意图 f i g 1 2s e c t i o nm o r p h o l o g ys t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go fl a m i n a t e dc o m p o s i t e 图1 3 气密层材料在子午线轮胎中的应用示意图 f i g 1 3a i rl a y e rm a t e r i a lu s e di nr a d i a lt i r e 1 2 国内外微纳叠层技术的研究现状 1 2 1 国外微纳叠层技术的研究现状 通过微纳叠层技术制备的微纳叠层复合材料可以充分地把叠层的多种高分 子材料的综合性能体现出来 5 并产生协同效应 使得到的叠层复合材料在力 学性能 阻隔性能 导电性能 光学性能等方面具有独特的优点 应用前景广 泛 从而成为材料领域的热点研究课题 6 目前 已取得了一些研究成果 提 出了一系列用于制备层状复合高分子材料的多层挤出模具 从目前公开的专利 来看 最早有美国的w j s 枞 7 等人申请的美国专利3 5 5 7 2 6 5 3 5 6 5 9 8 5 3 8 8 4 6 0 6 如图1 4 1 5 所示 目前已由e d i 公司产业化 引 非丁基橡胶叠层复合材料成堑装备的研究 图l 4 美国专利叠层器 f i g 1 4l a m i n a t e dd e v i c eo fu s p a t e n t 图1 5 美国e d i 公司生产的叠层模具 f i g 1 5l a m i n a t e dm o l dp r o d u c e db ye d ic o m p a n y 近期 美国e d i 公司推出了7 4 层阻隔材料制备技术 如图1 6 所示 图1 6e d i 公司推出7 4 屡阻隔材料制备技术 f i g 1 67 4l a y e nm a t e r k dp m c e 鹤i n gt e c h n o l o g yp u b l i s h e db ye d ic o m t m n y 2 0 1 0 年k 展上 美国e d i 挤出模头公司 e d i 推出了创新的 层倍增器一 成型装备 s 如图1 7 所示 通过该成型装备 把单层的e v o h 转换成为几个 微层 可以使得氧传输率 o t r 降低6 0 至8 0 虽然e v o h 是相对较脆的 晶体材料 同时由于使用许多个微层取代了一个厚层 可以增加热成形过程的 成型能力 从而提高真空包装材料的柔性 4 青岛科技大学研究生学位论文 图1 72 0 1 0 年k 展e d i 推出的 层倍增器 成型装备 f i g i 7l a y e rm u l t i p l i e rs y s t e ml a u n c h e db ye d ii n2 010k f a i r 近年来 美国3 m 公司通过多层的双向拉伸1 2 层膜 叠层而成号称 世界 上最强的膜 如图1 8 所示 产品硬度分成3 个级别 分别有1 2 2 4 3 6 层 微层薄膜 分别可抗冲击强度为1 5 0 4 0 0 6 0 0 英尺磅 6 1 图1 83 m 公司生严的高强厦腰 f i g 1 8h i g hs t r n 毋hf i l mp r o d u c e db y3 mc o m p a n y 同本东丽公司开发出了呈金属光泽的树脂薄膜 他们利用两种不同折光指 数的p e t 树脂薄膜在模内叠层器中交替叠层 形成约1 0 0 0 层的叠层结构 整 体厚度为2 0 0 肛m 每层厚度约为0 2 岬 层的厚度一端薄 端厚 叠层到一定 厚度时会由于光线的干涉现象而出现颜色 采用等间分布时 所有的可视光均 叮均匀反射 冈此呈现出金属光泽 也会l j j 于拉伸各层变薄 反射波长产生偏 差 出现淡绿色 7 1 如图1 9 所示 图1 9 日本东丽公司开发的树脂薄膜 f i g 1 9r e s i nf i l md e v e l o p e db yt o r a y 5 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 美国耐克公司申请了用于运动鞋护垫囊的弹性体微层阻隔膜专利 2 0 0 0 年 美国专利6 0 8 2 0 2 5 微层气囊交替使用e v o h 层和开e 层的组合 气囊多达 1 0 0 0 层 增加了气囊的物理性能 柔韧度以及阻隔性能 超薄层也使膜的强度 高而且韧性好而且微层可以改进层闻的粘合 因此在一些结构中e v o h 和聚烯 烃之间已不再需要粘合层了 o 1 2 2 国内微纳叠层技术的研究现状 四川大学学者郭少云对微纳复合叠层材料制各方法进行了长期的研究 开 发了制备交替多层高分子复合材料的叠合装备 加工出具有交替多层结构的复 合材料吼在郭少云等人申请的中国专利c n l 5 1 1 6 9 4 a 2 0 0 6 1 0 0 2 2 3 4 8 6 中 设 计了一种用于制备交替多层结构高分子复合材料的叠合装备 包括两个连接器 一个汇流器和一个分叠器 分叠器分叠单元结构示意图如图1 1 0 所示 该分叠 器的主要特征在于可将入口端的层状矩形熔体分割成两股 然后上下错开 展 宽交汇实现一次折叠 通过多个分叠器串联使用可得到多层结构的高分子材料 6 出口 图1 1 0 分叠器结构示意图 f i g 1 1 0s e m c t i n es c h e m a t i cd i a g r a mo f l a m i n a t e dd e 妇 图1 1 1 叠层器叠层原理示意图 f i g 1 l1s c h e m a t i cp l o to f l a m i n a t e dp r i n c i p l e 此外 郭少云做了叠层数对p p 1 1 e v o h 体系阻隔性能的影响的研究 并 将结果与传统共混技术做了对比 9 结果表明 叠层数超过一定数量后 该材 料的阻隔性与纯e v o h 的氮气阻隔性能相当 材料断裂伸长率相应的增加了2 0 余倍 如图1 1 2 所示 窑 青岛科技大学研究生学位论文 层致q d一 图1 1 2 叠层数对p p 1 1 e v o h 体系阻隔性能的影响 f i g 1 1 2 t h e e f f e c t s o f b a r r i e r p r o p e r t i e s o n p p 1 1 e v o hs y s t e m b y c a s c a d e n u m b 廿 精诚模具的工程师结合自身多年的制造经验 研发出了具有国际先进水平 的微积层倍增共挤出技术 如图1 1 3 所示 微积层倍增共挤出技术设备主要由 微层分配器 复合倍增器 包覆分配器和歧管式或衣架式模头共同组成 由三 台或三台以上的挤出机提供原料 实现在o 0 1 0 1 m m 范围内的5 0 1 0 0 0 层以 上的微层共挤 l o 微积层是由很多微细 微薄的层通过反复叠加生产出来的薄 膜 从高分子材料经过微层分配器时料流的相对方位发生了改变 从而反复叠 加了层数交替 生产出具有良好粘性 柔韧性和抗撕裂性韧性的产品 同时具 备良好的阻隔性能 1 1 1 通过转换分配器的排序棒可以实现不同组合结构的物料 复合分配器是使用可以随意调节和变换表层复合比例和物料结构 1 2 图1 1 3 微积层倍增共挤出装备 f i g 1 1 3m i c r o l a m i n a t e dd o u b l et h ec o x t r m i o nd e v i c e 1 3 现有微纳叠层技术面临的问题 现有的微纳叠层技术的核心内容和技术特征在于分叠器可将入口端的层状 矩形熔体分割成两股或四股 然后上下错开分流 再展宽交汇实现一次折叠 通过多个分叠器串联使用可得到多层结构的高分子材料 但是 如果采用这一 技术方案要在l m m 的挤出口模内获得微纳级的复合材料 层间厚度吣 6 皇2 4 o 01 02 03 04 0 6 0 晨厚与麓子厚度比 片 一片 图2 1 1 体积电阻率与层厚粒子厚度比的关系 f i g 2 11t h er e l a t i o n s h i pb e h 明渤v o l u m er e s i s t i v i t ya n d t h i c k n e s sr a t i oo f t h i c kl a y e rp a r t i c l e s s n a z a r e n k o 2 7 1 等研究了以铜片或镍片颗粒填充p p 交替多层复合材料的导 电性能 发现这种导电材料的电导率与层的厚度和粒子取向有关 如图2 1 0 所 示 当层的厚度较厚时 容易形成导电通道 然而当层厚与导电粒子的尺寸相 当时 导电通道很难形成 见图2 1 l 另外 导电粒子在微纳多层共挤过程中 更容易取向 会使体系的电导率降低幽 1 6 青岛科技大学研究生学位论文 g p o l l o c k 2 9 等研究了p c 与聚酯 p e 等相容性聚合物之间的扩散问题 并 利用扩散制备了高导电性的聚合物导电材料 如图2 1 2 所示 当l l d p e h d p e 微层复合材料被加热到熔融状态 2 0 0 时 与较高支化度的h d p e 相比 l l d p e 的链段具有更强的活动性 使层边界向更慢扩散链的方向移动 导致 l l d p e 层减薄及h d p e 层增厚 这样 向l l d p e 中加入一种不阻碍熔融态高 分子扩散的粒子 使相应层减薄 导致粒子浓度富集 如图2 1 3 2 1 4 所示 在l l d p e 层中填充镍粒子的u d p e l d p e 交替多层复合材料 经在熔融状态 下高分子链的扩散富集 其体积电阻率减小 捌 5 0 趔nor a i n6 0 0m i n1 0 0 0 0 晌 图2 1 2 微层在2 0 0 下经不同时间后的衣羞观结构 f i g 2 12m i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fm i e r o s t r a t aa f t e rd i f f e r e n tt i m eu n d e rt h e2 0 0 c 图2 1 32 0 0 c 下经不同时间后l d p e 与l l d p e m 交替多层复合材料的微现结构 f i g 2 1 3m i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo f l d p ea n dl l d p e mm a t e r i a l si nd i f f e r e n tt i m eu n d e r2 0 0 c 1 2 g1 0 a 8 6 点4 算2 05l o1 5 2 02 3 粒子体积分数 图2 1 4 n i 粒子体积分数对l l d p e n i l d p e 体积电阻率的影响 f i g 2 1 4h l f l 嘲l o f n ip a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o no nl l d p e n i l d p ev o l u m er e s i s t i v i t y 5 新型的中间相材料 当两种聚合物进行复合时 不管体系是否相容都存在一定程度的扩散 导 致界面不清晰 这种局部的分子混合会产生具有一定厚度 一般厚约l on m 的中 间相 如图2 1 5 所示 近年来 r y f l i u 等制备了一类完全不同于两相组分的 中间相材料 其主要思路是在保持总厚度不变的前提下 通过增加层数使层的 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 厚度小于1 0n n l 以获得中间相材料 如图2 1 6 所示 随着层数的增加 层厚减 小至1 0n l n 以下 两种不相容聚合物 p c 和p m m a 的玻璃化转变峰由很明显 的两个转变为一个 并用原子力显微镜观察平均层厚分别为1 0 0 2 5 1 0n m 时 复合材料的形貌 发现平均层厚为i 0 姗时很难区分出界面 变为一种性质较 为均匀的材料 说明此时两相组分转变为另一相组分 如图2 1 7 所示 这种新 的中间相材料与两相材料相比具有不同的性质 可以用一般的聚合物分析方法 来表征 3 1 1 图2 1 5a b 链段在中间相区域的浓度 f i g 2 1 5a j 3c h a i ni nt h em i d d l ep a i o do f t h eo a 瞳蹦期豳啊妇o f t h ep i m ea r e a f 薰 t 0 01 2 01 4 01 6 0 魔 屯 图2 1 6p c p m m a 交替多层复合材料薄膜的玻璃化转变温度 f i g 2 16p c p m m am u l t i l a y e rc o m p o a i t ef i l ma l t e n m t eg l 嘲t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e a 一1 0 0 n m b 一2 5m m c 一1 0 地 图2 1 7 不同平均层厚的p c j p m m a 交替多屡复合材 井的靓形貌 f i g 2 1 7p c p m m ac o m p o s i t em a t e r i a ln i i a 闻喀h 咖鹏o f d i f f e r e n ta v e r a g et h i c k n e s sl a y e r 多层交替复合材料在力学性能 光学性能 阻隔性能 导电性能等方面具 有独特的优点 因此利用微纳多层共挤出技术在开发高性能 特殊功能的聚合 物基复合材料方面具有较大优势 此外 这种材料给人们提供了一个很好地研 究高分子材料结构与性能的模型 如研究两种高分子间的相容性 界面扩散受 1 8 青岛科技大学研究生学位论文 限结晶等 因此在高分子科学研究和生产实践应用中 微纳多层共挤出技术将 会得到更大的重视 3 2 3 3 1 2 3 本章小结 本章主要介绍了微纳叠层共挤出技术的工作原理和微纳叠层高分子复合材 料在力学性能 阻隔性能等方面的研究 微纳叠层共挤出技术是开发高分子功 能材料的物理途径 即使高分子材料具有一种或多种功能 微纳叠层高分子复 合材料是将两种不同的高分子材料或其他材料按一定的层间距及层厚比交互重 叠形成的多层复合材料 把两种高分子材料的性能充分地体现出来 同时产生 协同效应 得到性能更加优越的材料 结合本课题涉及内容 在材料方面 选 用m m t 或石墨烯等无机小分子片层材料作为阻隔性材料 天然橡胶作为承担 强度层 其中无机小分子片层材料以连续片层或大长径比的不连续片层形式分 布 取向于橡胶材料中 所得层状复合材料具有优良的气体阻隔性 同时具有 橡胶材料优良的力学性能等特点 1 9 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 3 微纳叠层共挤出成型装备的设计及制造 3 1 微纳叠层共挤出成型装备的设计 图3 1 所示为本实验室自主开发的微纳叠层共挤出成型装备示意图 主要有两台或多台挤出机 汇流器 叠层器和口模等部分组成 挤出机的 布置形式为对顶式 两台挤出机的螺杆轴线夹角3 0 9 此成型装备的主要 工作原理是 两种或多种不同成分的高分子熔体分别从两台挤出机挤出 进入汇流器后合并为一股两层的高分子熔体 然后进入叠层器 由叠层器 成倍的增加熔体的层数 最后经过口模获得所需的交替层状高分子复合材 料 用此类叠层共挤出成型装备可根据实际需要 较容易地得到具有几十 层甚至几千层的片材 且可通过控制串联的叠层器数来控制层的厚度和数 量 在保持挤出物横截面积恒定的情况下 随着所串联的叠层器数量的增 加 复合材料的层数也增加 层间厚度则相应的减小 不同组分层的厚度 比可通过控制喂料比 螺杆转速来实现 l 一挤出机 2 一汇流器 3 一叠层器 4 一口模 图3 1 微纳叠屡共挤出成型蓑备 圈3 2 汇漉蔷和叠层蔷的衰配体 f i g 3 2t h ea s s e m b l yb o d yo f j u n c 6 0 n 8 t a t i o l la n dl a m i n a t e dd e v i c e 2 0 青岛科技大学研究生学位论文 3 1 1 汇流器的结构设计 汇流器的主要作用是将来自两台挤出机的高分子熔体汇流 形成复合 流 即形成一股两层的高分子熔体 本文设计的挤出机机头的结构形式为 对顶式 两台挤出机的螺杆轴线夹角约为3 0 但两台挤出机不是共面布 置 其螺杆轴线沿横截面方向距离为6 0 r a m 如图3 3 所示为与挤出机连 接的汇流器 考虑到加工工艺性等要求 将汇流器分为上 中 下三板 如图3 4 3 5 所示 图3 3 1 2 流器装配体 f i g 3 3t h ea s s e m b l yb o d yo f j u n c t i o ns t a t i o n 图3 4 1 2 流器中板 f i g 3 4m i d d l ep l a t eo f j u n c t i o ns t a t i o n 图3 5 汇流器上板 下板 f i g 3 5u p p e ra n dd o w np l a t e so f j u n c t i o ns t a t i o n 3 1 2 叠层器的结构设计 2 l 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 叠层器是微纳叠层共挤出成型装备的核心部件 合理 科学的设计叠 层器的结构是此成型装备设计的关键 叠层器的结构设计实际就是叠层模 具的设计 叠层模具质量的优劣直接关系高分子材料制品的形状 尺寸精 度 内在质量 表观质量等 橡胶制品生产过程中 合理的加工工艺 高 效的设备 先进的模具是现代橡胶制品生产中必不可少的三项重要因素 而橡胶模具对实现橡胶加工工艺要求 橡胶制品使用要求和造型设计起着 重要作用 2 6 1 此外 产品的生产和更新都以模具制造和更新为前提 橡胶 制品品种的不断创新及产量的飞跃发展 对橡胶模具提出了越来越高的要 求 促使橡胶模具设计 制造不断向前发展 因此 橡胶成型模具在橡胶 成型加工中起着重要的作用 2 7 1 根据叠层器流道图 如图3 6 所示 考虑 到模具加工工艺性要求 生产工艺性要求 拆卸方便性等要求 本文将叠 层器模具分为五块模块 如图3 7 3 8 3 9 3 1 0 所示 其中一 五模块结构 相同 二 四模块结构相同 图3 6 叠层器流道图 f i g 3 6r u n n e rp i c t u r eo fl a m i n a t e dd e v i c e 鬻 图3 7 叠层嚣一 五模板 f i g 3 7t h ef i r s ta n d f i f l hp l a t eo fl a m i n a t e dd 池 青岛科技大学研究生学位论文 匡一 a 一 图3 8 叠层器二 四模板 f i g 3 8t h es e c o n da n df o u r t hp l a t eo fl a m i n a t e dd e v i c e 图3 9 叠层器三模板 f i g 3 9t h et h i r dp l a t eo fl a m i n a t e dd e v i c e 图3 1 0 叠层器装配体 f i g 3 1 0t h ea s s e m b l yb o d yo f l a m i n a t e dd e v i c e 禽 0 h 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 图3 1 1 叠层器模块二维图纸 f i g 3 11t h e t w o d i m e n s i o n a ld r a w i n g so f l a m i n a t e dd e v i c em o d u l e 3 1 3 微纳叠层共挤出成型装备的工作原理 将橡胶的原料与阻隔材料的原料通过分别加入到挤出机喂料装置 汇流器 将来自n 个挤出机的n 层熔体叠合成一片 汇流器与叠层器对接 复合熔体在 离开汇流器进入叠层器时将入口熔体沿宽度方向平均分割成m 等分 每一等分 在叠层器中继续向前流动时扭转9 0 并且展宽m 倍 厚度减薄到1 m 倍 成为 分支熔体 分支熔体在出口端相互汇流成为n m 层的出口熔体 层间的厚度 可以相同也可以不相同 依靠层间的流道间隙来保证 汇合时流道间隙相同 所得最终制品的各层厚度相同 如果汇合时流道间隙不相同 所得最终制品的 各层厚度不相同 叠层器入口熔体通道尺寸与扭转9 0 的出口熔体通道尺寸相 同 串联k 个同样的叠层器 则可得到n x m k 层的多层结构复合材料 最后一 个叠层器的熔体在出e l 不再分割 与成型装备连接后经过成型装备得到层状复 合材料 3 4 1 高分子熔体在叠层的过程中 沿流动方向受到强的拉伸和剪切作用 如果 添加1 1 个叠层单元 熔体会经受1 1 次双向拉伸和剪切作用 不同高分子材料层 不断被拉薄扩展 通过控制叠层次数 通过增加或者减少叠层器的个数 叠层 厚度可达微纳米级 用此类共挤出成型装备可以很容易地得到具有几十层到几 千层的薄片 并且可以通过控制分层单元数来控制层的数量和厚度 在经历多 青岛科技大学研究生学位论文 次展宽减薄的流变过程之后 高分子材料的分散形态和结晶性能可以发生可控 取向 从而实现高分子材料的优异性斛3 5 1 本课题采用四等分叠层器 选用两台挤出机 在挤出机喂料筒中分别加入 作为承担强度层材料的橡胶 如天然橡胶 和由m m t 组成的作为气体阻隔材 料的气密性复合材料 来自挤出机的两种熔体进入汇流器时合并为一股两层的 熔体 两种高分子熔体进入叠层器后沿宽度方向被均等的分为四份 被等分是 熔体在流道中向前流动的过程中扭转9 0 度同时展宽4 倍 在出口段相互汇流形 成2 4 层的叠层熔体 在展宽和变薄再叠层的过程中 橡胶和阻隔材料得到取 向 获到的层状复合材料具有优异的气密性 如果串联1 1 个相同的叠层器 可 得到2 4 0 层的高分子层状复合材料 熔体在叠层流道的流动过程中 入口段 和出口段横截面积保持恒定 因而 在口模尺寸一定的条件下 串联的叠层器 的个数越多 得到的层状材料层数就越多 层间厚度就越小 层间厚度可根据 需要通过改变挤出机的螺杆速度等其他参数来实现1 3 6 1 3 2 微纳叠层共挤出成型装备的制造 如图3 1 2 所示为本实验室自主开发研制的微纳叠层共挤出成型装备 共挤出成型装备主要由两台挤出机 汇流器和若干个串联的叠层器组成 本成型装备已经在常州塑料改性塑料厂成功的进行安装 图3 1 2 微纳叠层共挤出成型装备 f i g 3 12m i c r o l l a n ol a m i n a t e dc o e x t r u s i o ne q u i p m e n t 如图3 1 3 3 1 4 3 1 5 所示为加工好的汇流器和叠层器 汇流器和叠层器由本 实验室设计 北京英特模具厂加工生产 叠层器由五块模块组装而成 五块模 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 块之间的间隙形成四等分流道 高分子材料熔体在进入叠层器入口之后 被模 块上的凸起沿高分子材料熔体长度方向切割成四分 模块与模块的间隙形成被 切割后的高分子材料熔体扭转流动的流道 在流道中 高分子材料熔体沿长度 方向被拉伸四倍 沿宽度方向宽度压缩四倍 在出口方向经过拉伸的四个高分 子材料熔体在出口端汇流成为一层 图3 1 3 汇流器 f i g 3 12j u n c t i o ns t a t i o n 图3 1 4 叠层嚣主要组成单元 f i g 3 1 4m a i nu n i t go fl a m i n a t e dd 丽 幽3 1 5 叠层器装配单元 f i g 3 1 5a 船e m b l yu a i mo f l a m i n a t e d d o v i c 宅 3 3 挤出机的选择和主要零部件的设计 根据本课题的要求 确定挤出物截面尺寸为4 0 m m x 4 m m 根据缩小比 挤 出物截面面积 螺杆大径截面面积 o 1 2 5 0 2 5 之间 选用了螺杆直径为3 0 m m 的 挤出机 挤出机主要参数如下 螺杆直径3 0 m m 长径比1 4 1 其中加料段 塑化段 挤出段分别为4 d 6 d 4 d 螺纹升角1 7 度4 2 分 导程3 0 m m 螺杆几 何压缩比1 7 螺槽深度3 7 5 m m 螺纹断面形状采用梯形螺纹 螺杆与机筒间 隙为0 2 m m 螺杆头形状采用锥形头 螺杆转速1 0 1 0 0 f r a i n 生产量为0 7 7 k g h 驱动电机额定功率3 k w 青岛科技大学研究生学位论文 图3 1 6 挤出机螺杆二维图 f i g 3 1 62 dp i c u n eo f e x t r u d e rs a r 哪 呼 蝴 l 国 f 彭形 睡 溪 钐羽嘲 皇鲁卜 阜 心 萋 l s舟 遗 迤 塞 哺 呲 心 甲 忡 i z 渤 遥 心 弋 喜 士埭卅 i 擀 圳 i 遗 遗 卅 i 迤 啸 埘 h 呲 k l 匀 l 船 j 山l im 一 一 季 一 云 i 妻 譬 暑 宝 暮 0 一 一 图3 1 7 挤出机螺杆及机筒二维图 f i g 3 1 72 dp i c t u r vo f e x t r u d e rs c 删a n d m a c h i n eb a r r e l 非丁基橡胶叠层复合材料成型装备的研究 3 4 本章小结 本章主要介绍了本课题所涉及的微纳叠层共挤出成型装备的设计及制造 详细阐述了