短纤维—橡胶复合材料混炼机理、过程模拟及实验研究

论文摘要

短纤维增强材料能够改善橡胶性能,与其它粉状补强填料一样,短纤维可以直接混入橡胶基体中,但由于其特殊的表面结构,它比一般的粉体材料更加难以分散。短纤维-橡胶复合材料可以用密炼机混炼,与普通橡胶混炼相比,既要达到普通橡胶混炼的目的,又要使短纤维在弹性基体中得到均匀分散,这就给密炼机和混炼工艺提出了更高的要求。新型剪切啮合型转子密炼机正是针对这一需要而研制的。本文在系统分析了剪切型转子密炼机和啮合型转子密炼机各自混炼效果的基础上,提出了新型剪切啮合型转子的设计思路,研制出了适合短纤维-橡胶复合材料混炼的专用转子,从而开辟了适合短纤维-橡胶复合材料新型密炼机的发展思路。本文采用了扫描成型法对转子的三维模型进行造型,建立了转子的有限元网格模型,对转子进行了结构有限元静力分析,形成了一条全新的密炼机转子造型、分析和优化设计的路线。本文重点分析了剪切啮合型转子的混炼机理和混炼过程,并对胶料的流场进行了模拟。在柱坐标系下,建立了短纤维-橡胶复合材料在剪切啮合型转子密炼机中运动的物理和数学模型。在不同的工艺条件下,对剪切型、啮合型和剪切啮合型转子进行了全钢子午胎胎面胶混炼的对比实验,对新设计的转子的性能进行了分析和实验验证。本实验研究所取得的成果主要有:1、剪切啮合型转子提高了啮合型转子的填充系数,降低了对上顶栓压力的要求。因此使用剪切啮合型转子能够降低密炼机对辅助设备的要求,降低混炼成本。2、剪切啮合型转子密炼机传热效果好、排胶温度和单位耗能比其它类型转子略低,更适合于短纤维-橡胶复合材料等一些难分散胶料的混炼。在转速稍低时的性能更加优良,混炼胶综合机械性能更高,短纤维和炭黑的分散效果更好。3、此次转子设计是成功的,这种转子构型可对短纤维增强材料实现较好的分散作用,为密炼机的发展以及短纤维-橡胶复合材料的应用提供了重要的理论与实践依据。理论和实验研究表明,该新型剪切啮合型转子发挥了剪切型和啮合型转子各自的优点,具有良好的分散混炼和分布混炼能力,能够使得含短纤维胶料在密炼室内的流动更加复杂,混合更加均匀,使短纤维和其它配合剂都能实现均匀分散,大大改善了混炼效果,提高了生产效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 SFRC 混炼机理与实验研究对橡胶工业发展的现实意义
• 1.1.1 行业的发展与需要
• 1.1.2 混炼设备的选择
• 1.1.3 研究的必要性
• 1.1.4 研究的意义
• 1.2 短纤维种类及 SFRC 应用研究概况
• 1.2.1 短纤维的种类及应用概况研究
• 1.2.2 短纤维-橡胶复合材料应用概况研究
• 1.3 短纤维-橡胶复合材料的混炼加工
• 1.3.1 密炼机的混炼特点
• 1.3.2 短纤维-橡胶复合材料的混炼加工
• 1.3.3 转子构型概述
• 1.3.4 剪切啮合复合型转子国内外研究动态和发展水平
• 1.4 本文研究的内容、研究目标及解决的问题
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究目标
• 1.4.3 本研究所解决的关键问题
• 2 适合短纤维-橡胶复合材料混炼专用转子的设计
• 2.1 密炼机转子设计理论
• 2.1.1 密炼机转子优化设计准则
• 2.1.2 新型剪切啮合型转子设计思路及着眼点
• 2.2 适合SFRC 混炼的新型剪切啮合型转子的设计
• 2.2.1 新型剪切啮合型转子设计的主要几何参数
• 2.2.2 新型剪切啮合型转子剪切棱突棱曲率设计
• 2.2.3 剪切棱棱顶与密炼室内壁间隙的设计
• 2.2.4 新型剪切啮合型转子轴向几何结构的设计
• 2.2.5 新型剪切啮合型转子总体结构
• 2.3 新型剪切啮合型转子的三维实体造型
• 2.3.1 剪切啮合型转子三维实体造型的必要性
• 2.3.2 运用扫描成型法进行新型剪切啮合型转子的三维实体造型
• 2.3.3 剪切啮合型转子三维实体模型的主要特点
• 2.4 本章小结
• 3 剪切啮合型转子的有限元结构分析
• 3.1 数值模拟与有限元技术
• 3.1.1 数值模拟与有限元技术概述
• 3.1.2 有限元技术在新型剪切啮合型转子设计过程中的应用
• 3.2 新型剪切啮合型转子的有限元结构分析
• 3.2.1 混炼初期剪切啮合型转子的有限元结构分析
• 3.2.2 混炼过程中剪切啮合型转子的有限元结构分析
• 3.2.3 结论
• 3.3 本章小结
• 4 新型剪切啮合型转子密炼机SFRC 的混炼理论研究
• 4.1 短纤维-橡胶复合材料在密炼机中的混炼理论分析
• 4.1.1 混炼定义及短纤维增强材料的特点
• 4.1.2 短纤维在橡胶中混合和分散的物理模型
• 4.1.3 短纤维在橡胶中混合和分散的“最佳粘度理论”
• 4.1.4 混炼系统的新发展
• 4.2 短纤维-橡胶复合材料混炼机理和混炼过程分析
• 4.2.1 新型剪切啮合型转子密炼机的技术参数
• 4.2.2 SFRC 在新型剪切啮合型转子密炼机中的流动及混炼机理分析
• 4.2.3 SFRC 在新型剪切啮合型密炼机中的混炼过程分析
• 4.2.4 胶料流场模拟及流动机理分析
• 4.3 SFRC 在新型剪切啮合型转子密炼机中运动的物理和数学模型
• 4.3.1 SFRC 在剪切啮合型转子密炼机中运动的物理模型
• 4.3.2 SFRC 在剪切啮合型转子密炼机中运动的数学模型
• 4.4 本章小结
• 5 实验研究
• 5.1 实验装置
• 5.1.1 转子实验平台
• 5.1.2 主要实验设备和仪器
• 5.1.3 设备和胶料的各种性能测试
• 5.2 实验方案
• 5.3 实验配方及其工艺条件
• 5.3.1 主要原材料及常态物理性能
• 5.3.2 实验配方
• 5.3.3 实验条件
• 5.3.4 工艺条件
• 5.4 本章小结
• 6 实验结果分析与性能比较
• 6.1 实验数据
• 6.2 实验结果分析比较
• 6.2.1 填充系数对混炼过程的影响
• 6.2.2 冷却水温度对混炼过程的影响
• 6.2.3 转子转速对混炼过程的影响
• 6.2.4 不同构型转子的性能比较分析
• 6.3 短纤维用量对胎面胶性能的影响
• 6.3.1 短纤维用量对混炼特性的影响
• 6.3.2 短纤维用量对物理机械性能的影响
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 所做工作
• 7.2 主要结论
• 7.3 本课题所做贡献
• 7.4 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文