胎面胶中短纤维径向取向机理及方法的研究

论文摘要

在胎面胶混炼过程中加入短纤维,并在挤出过程中使短纤维有效的径向取向,可使轮胎胎面具有很多优异的性能。因此,研究短纤维在胎面中的径向取向机理,设计出在胎面连续挤出过程中使短纤维径向取向的挤出机头和有关部件,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文结合Jeffery方程和欧拉刚体定点运动力学模型,对短纤维在胎面挤出过程中的取向机理、方法和运动特点进行了系统的研究,分析了流道中拉伸流场和剪切流场对短纤维取向的影响,得出截面积扩张比和扩张角是决定短纤维径向取向的关键因素,首次建立了短纤维径向取向的数学模型,并设计出适合短纤维径向取向胎面的阻坝式挤出机头。通过对该机头流道进行的流场分析和模拟,得出了压力场、速度场的变化对短纤维取向的影响结果。因为混炼是橡胶制品加工的第一步,并且短纤维-橡胶复合材料的混炼有着独特的要求,所以本文还研究了短纤维-橡胶复合材料的混炼机理,通过短纤维-橡胶复合材料混合和分散的物理模型,设计出适合短纤维混炼的新型转子,并对转子的混炼过程进行了模拟分析。最后通过混炼实验,验证了新型转子的实用性,并确定了最佳的混炼工艺;通过不同参数的挤出实验,验证了短纤维径向取向机理的可行性和数学模型的正确性,找出了影响短纤维径向取向的关键因素,并且对其它能够影响短纤维取向的因素进行了探讨,补充了取向模型在实际应用中的不足。其中,混炼实验采用常规实验方案,挤出实验采用正交实验方案。本文对短纤维混炼机理的分析和建立的短纤维径向取向模型,经实验验证,可以对短纤维在胎面中的工业化应用起到一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 绪论
• 1.1 短纤维及其在胎面胶中径向取向对轮胎行业的发展意义
• 1.2 短纤维种类及预处理方法的研究
• 1.2.1 短纤维种类
• 1.2.2 短纤维预处理方法
• 1.3 短纤维-橡胶复合材料的应用研究
• 1.3.1 短纤维在各种轮胎中的应用
• 1.3.2 短纤维在轮胎各部件中的应用
• 1.4 短纤维-橡胶复合材料混炼加工的研究
• 1.4.1 用开炼机混炼短纤维-橡胶复合材料
• 1.4.2 用密炼机混炼短纤维-橡胶复合材料
• 1.5 挤出机及挤出机头的研究
• 1.5.1 挤出机的发展概况
• 1.5.2 挤出机头种类及概述
• 1.6 影响机头挤出胀大比因素的研究
• 1.6.1 挤出胀大机理及表征
• 1.6.2 影响机头挤出胀大比的因素
• 1.7 短纤维径向取向方法和装备的研究
• 1.7.1 短纤维取向一般概念
• 1.7.2 短纤维取向度的表征方法
• 1.7.3 短纤维取向方法
• 1.8 本文研究目的和内容
• 1.8.1 研究目的
• 1.8.2 研究内容
• 本章小结
• 第二章 短纤维-橡胶复合材料的混炼机理及模拟
• 2.1 短纤维-橡胶复合材料混炼机理
• 2.1.1 橡胶与短纤维混合物理模型
• 2.1.2 短纤维附聚体在橡胶中分散物理模型
• 2.1.3 短纤维-橡胶复合材料混炼"最佳粘度"概念
• 2.2 新型转子设计
• 2.2.1 转子棱峰与密炼室之间的间隙对短纤维混炼的影响
• 2.2.2 新型六棱同步转子技术特征
• 2.2.3 新型六棱同步转子混炼过程分析
• 2.3 新型六棱同步转子混炼流场模拟
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 有限元模型和边界条件
• 2.3.3 模拟结果及讨论
• 2.3.4 流场在一个周期内的轴向流动分析
• 本章小结
• 第三章 短纤维径向取向机理及取向模型
• 3.1 短纤维取向状态表征
• 3.1.1 短纤维取向角
• 3.1.2 短纤维取向度
• 3.1.3 短纤维取向分布函数
• 3.2 流场的基本方程
• 3.2.1 纤维悬浮体浓度方程
• 3.2.2 短纤维在剪切和拉伸流场中取向
• 3.3 短纤维径向取向模型
• 3.3.1 流场模拟
• 3.3.2 短纤维径向取向模型
• 3.4 短纤维的径向取向预测及数学模型分析
• 3.4.1 数学模型积分处理
• 3.4.2 短纤维取向度预测
• 3.4.3 取向度预测结果分析
• 本章小结
• 第四章 短纤维径向取向机头的研究
• 4.1 影响材料经过阻坝后的胀大比因素的研究
• 4.1.1 挤出工艺影响
• 4.1.2 短纤维-橡胶复合材料的物性因素的影响
• 4.1.3 阻坝参数影响
• 4.2 机头设计
• 4.2.1 机头设计原则
• 4.2.2 阻坝式机头特点
• 本章小结
• 第五章 短纤维径向取向机头的有限元模拟
• 5.1 流场模型建立
• 5.1.1 流场模拟几何模型
• 5.1.2 流场模拟数学模型
• 5.1.3 流场模拟边界条件
• 5.1.4 有限元实体模型的建立
• 5.2 流场模拟的结果与讨论
• 5.2.1 平直段流道长度影响
• 5.2.2 平直段流道间隙影响
• 5.2.3 定型段流道长度影响
• 5.2.4 定型段流道间隙影响
• 5.2.5 阻坝间隙影响
• 5.2.6 阻坝扩张角影响
• 5.2.7 阻坝收敛角影响
• 5.2.8 阻坝长度影响
• 本章小结
• 第六章 短纤维-橡胶复合材料的混炼及挤出实验研究
• 6.1 同步转子密炼机实验平台介绍
• 6.1.1 同步转子密炼机实验平台特点
• 6.1.2 同步转子密炼机实验平台主要技术参数
• 6.1.3 实验用转子介绍
• 6.2 销钉式冷喂料挤出机介绍
• 6.2.1 机台组成
• 6.2.2 机台主要特点
• 6.3 短纤维径-橡胶复合材料硫化
• 6.3.1 性能测试试样硫化
• 6.3.2 实际生产中硫化
• 6.4 其它主要实验设备仪器及性能测试方法
• 6.4.1 其它主要实验设备仪器
• 6.4.2 常用的性能测试方法
• 6.5 实验准备及方案
• 6.6 主要原材料及实验条件
• 6.6.1 实验配方
• 6.6.2 实验条件
• 6.6.3 实验工艺条件
• 本章小结
• 第七章 实验结果数据及分析
• 7.1 实验结果
• 7.1.1 利用常规实验方法所作混炼实验结果
• 7.1.2 利用正交实验方法所作挤出实验结果
• 7.2 混炼实验数据分析
• 7.2.1 填充系数对混炼过程影响
• 7.2.2 上顶栓压力对混炼过程影响
• 7.2.3 转子转速对混炼过程影响
• 7.2.4 新型六棱同步转子性能分析
• 7.3 挤出试样的SEM观察与对比
• 7.4 挤出实验数据分析
• 7.4.1 正交挤出实验直观分析
• 7.4.2 正交挤出实验统计分析
• 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 所做工作
• 8.2 主要结论
• 8.3 本文创新点及贡献
• 8.4 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书