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短纤维——橡胶复合材料混炼机理及实验研究

作　者: 张德伟
导　师: 汪传生
学　校: 青岛科技大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 短线维 复合材料 同步转子 混炼机理 流场模拟
分类号: TQ330.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


短纤维—橡胶复合材料是近年来随着高分子材料科学的发展以及人类社会对高分子材料需求的日益增加及精益求精而应运产生的新型高分子材料,它是轮胎胎面胶的理想材料之一。胶料中加入短纤维并使之适当取向,可明显提高轮胎的性能,如:低滚动阻力、高抗撕裂及崩花掉块性能、高耐磨性等。在短纤维—橡胶复合材料的制备过程中,混炼是一必不可少的工序,由于短纤维易于结团,难以分散,因此,对混炼工序提出了更高的要求,即不仅要达到普通混炼的目的,而且要使短纤维均匀分散于橡胶基体中,更重要的是要保证短纤维不被剪断破坏,否则便失去了短纤维的补强性能。这些特殊要求对目前通用的混炼设备——密炼机提出了更高的要求,而转子是密炼机工作性能的决定性因素,因此,对密炼机的各项研究,实际上主要是对转子的研究。本文就是针对短纤维—橡胶复合材料特殊的混炼要求而展开工作的。首先,查阅了大量的国内外关于短纤维补强橡胶材料的相关文献与专利,综合分析了短纤维—橡胶复合材料的混炼机理及特点,试制出了新型六棱同步变间隙转子,该转子具有不同的棱顶间隙,消除了棱数增加带来短纤维被剪断破坏的负面影响,使密炼机不仅具有足够的剪切力和混合力来分散短纤维聚集体,而且具有足够的“柔性”保护短纤维不被剪断破坏的双重性能。其次,为了对转子的结构及流场进行准确的分析,选择了ADINA有限元分析软件对转子的结构和流场进行了模拟分析。利用Pro-Engineer,选用扫描成型法对转子进行了实体造型。通过对转子的结构有限元分析,准确地得出了转子的位移、应力变化情况,改变了传统的力学分析方法对转子受力分析欠缺不足的状况。通过对转子的流场模拟,分析出胶料的流动情况,进而判断胶料的混炼效果。通过ADINA分析,可以迅速分析转子的强度及结构的合理性,从而可及时地对转子进行修改设计,提高了设计的质量和效率。最后,在所试制出的新型六棱同步变间隙转子实验密炼机上进行了系统的实验研究,通过相同实验条件下所设计的转子与其它两对转子的对比实验发现,新型六棱同步变间隙转子的混炼质量更高,短线维及炭黑等添加剂能较均匀分散于橡胶基体中,混炼胶的物理机械性有较大的提高,同时通过实验发现,短线维的添加份数有一个最佳值,过多的添加短纤维反而降低了混炼胶的质量,而且填充系数、转子转速等实验条件对短纤维—橡胶复合材料的混炼都有一定的影响,并且也存在一个最佳值,即填充系数为0.6,上顶栓压力为0.6MPa,冷却水温度为40℃,转子转速为70rpm,短纤维添加份数为3份。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
前言  15-16
1 文献综述  16-42
  1.1 短纤维—橡胶复合材料（SFRC）研究进展概况  16-23
    1.1.1 SFRC 研究背景  16-17
    1.1.2 SFRC 研究进展  17-23
  1.2 短纤维—橡胶复合材料（SFRC）的制备  23-29
    1.2.1 短纤维  23-26
    1.2.2 混炼设备  26-29
  1.3 密炼机对短纤维—橡胶复合材料的混炼加工  29-37
    1.3.1 密炼机的发展历程  29-30
    1.3.2 密炼机的混炼特点  30-33
    1.3.3 密炼机的转子构型  33-37
  1.4 本文研究的必要性及意义  37-39
    1.4.1 研究的必要性  37-38
    1.4.2 研究的意义  38-39
  1.5 本文研究的内容、目标及拟解决的问题  39-42
    1.5.1 研究内容  39-40
    1.5.2 研究目标  40
    1.5.3 拟解决的关键问题  40-42
2 新型六棱同步变间隙转子研究设计  42-59
  2.1 密炼机转子的设计理论  42-45
    2.1.1 密炼机转子的设计准则  42-43
    2.1.2 新型六棱同步变间隙转子设计的理论依据  43-44
    2.1.3 新型六棱同步变间隙转子设计的思路  44-45
  2.2 新型六棱同步变间隙转子的设计  45-51
    2.2.1 转子设计的主要几何参数  45-46
    2.2.2 转子棱的曲率设计  46-49
    2.2.3 转子棱顶与密炼室壁的间隙设计  49-50
    2.2.4 转子轴向的几何结构设计  50
    2.2.5 新型六棱同步变间隙转子的技术特征  50-51
  2.3 新型六棱同步变间隙转子三维实体造型  51-58
    2.3.1 转子三维实体造型必要性  51-52
    2.3.2 转子三维实体造型方法  52-53
    2.3.3 转子的三维实体造型  53-58
  2.4 本章小结  58-59
3 新型六棱同步变间隙转子对短纤维—橡胶复合材料混炼的理论研究  59-79
  3.1 短纤维—橡胶复合材料的混炼机理分析  59-62
    3.1.1 短纤维—橡胶复合材料的混炼特点  59-60
    3.1.2 短纤维附聚体在橡胶基体中的分布与分散  60-61
    3.1.3 短纤维在橡胶基体中混合与分散的“最佳粘度理论”  61-62
  3.2 新型六棱同步变间隙转子的混炼机理分析  62-68
    3.2.1 新型六棱同步变间隙转子的混炼机理  62-64
    3.2.2 新型六棱同步变间隙转子的混炼过程  64-66
    3.2.3 胶料在新型六棱同步变间隙转子密炼机内的流动  66-68
  3.3 短纤维—橡胶复合材料在新型六棱同步变间隙转子密炼机中运动的物理模型和数学模型  68-77
    3.3.1 胶料在转子棱顶与密炼室壁之间间隙运动的物理模型和数学模型  68-72
    3.3.2 胶料在两转子之间运动的物理模型和数学模型  72-77
  3.4 本章小结  77-79
4 新型六棱同步变间隙转子的有限元结构分析及流场模拟  79-106
  4.1 数值计算方法的发展概述  79-81
    4.1.1 数值计算方法的发展  79-80
    4.1.2 数值计算方法的选择  80-81
  4.2 有限元技术简介  81-85
    4.2.1 有限元技术的发展  81
    4.2.2 有限元技术的应用  81-83
    4.2.3 ADINA 有限元分析软件简介  83-85
  4.3 新型六棱同步变间隙转子的有限元结构分析  85-91
    4.3.1 有限元分析的必要性  85-86
    4.3.2 转子的有限元结构分析  86-90
    4.3.3 转子有限元结构分析的结论  90-91
  4.4 新型六棱同步变间隙转子的有限元流场模拟  91-105
    4.4.1 模型的建立  92-95
    4.4.2 边界条件的确定  95-96
    4.4.3 模拟结果及讨论  96-105
  4.5 本章小结  105-106
5 实验研究  106-123
  5.1 实验装置与仪器  106-115
    5.1.1 转子实验平台  106-111
    5.1.2 主要实验设备和仪器  111-113
    5.1.3 设备和混炼胶的各种性能测试及标定  113-115
  5.2 实验方案  115-117
    5.2.1 实验的方案  116
    5.2.2 实验的目的  116-117
  5.3 实验配方及其工艺条件  117-119
    5.3.1 主要原材料及其常态的物理性能  117-118
    5.3.2 实验配方  118
    5.3.3 实验条件  118-119
    5.3.4 工艺条件  119
  5.4 硫化工艺  119-122
    5.4.1 硫化特点  120
    5.4.2 实际生产中的硫化  120-122
    5.4.3 实验中的试样硫化  122
  5.5 本章小结  122-123
6 实验结果分析与性能比较  123-160
  6.1 实验数据  123-131
  6.2 三对转子实验数据的对比分析  131-147
    6.2.1 填充系数对混炼过程及混炼胶质量的影响  131-135
    6.2.2 上顶栓压力对混炼过程及混炼胶质量的影响  135-139
    6.2.3 冷却水温度对混炼过程及混炼胶质量的影响  139-143
    6.2.4 转子转速对混炼过程及混炼胶质量的影响  143-146
    6.2.5 三对转子混炼性能对比分析的结论  146-147
  6.3 新型六棱同步变间隙转子的实验数据分析  147-158
    6.3.1 实验数据的处理  147-154
    6.3.2 实验数据的分析  154-157
    6.3.3 新型六棱同步变间隙转子对短纤维分散度的分析  157
    6.3.4 新型六棱同步变间隙转子混炼性能分析的结论  157-158
  6.4 新型六棱同步变间隙转子实验研究的结论  158
  6.5 本章小结  158-160
全文总结与展望  160-164
参考文献  164-170
致谢  170-171
攻读硕士学位期间发表的论文  171-172

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 橡胶工业 > 一般性问题 > 基础理论 > 混炼、塑炼理论
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