橡膠振動注射試驗研究

焦冬梅，邊慧光，王瑞松，田曉龍，楊衛民

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029）

粘流態橡膠在外力作用下流動可以實現壓延、擠出、注射成型等工藝。橡膠流動性差會使制品表面出現流痕、缺膠以及綜合物理性能下降等質量問題，同時帶來生產能耗高、設備要求高等問題[1-2]。提高橡膠流動性和膠料充填能力、降低生產能耗一直是橡膠行業亟需解決的問題。

國內外學者已經對振動技術應用于塑料成型加工進行了系統研究[3]。受振動技術應用于塑料成型的研究[4-5]啟發，本研究提出了橡膠振動注射成型技術。橡膠和塑料雖同屬于高分子材料，但是橡膠作為一種高彈性材料，彈性效應更加明顯，具有粘度高、流動性差、易焦燒[6-8]等特點，與塑料成型有本質的區別，因此振動技術應用于橡膠成型加工有必要進行深入研究。本工作在自行開發的動態試驗平臺上，利用試驗方法研究橡膠振動注射工藝對膠料流動性的影響。

1 實驗

1.1 試驗平臺和輔助設備

橡膠動態試驗平臺結構如圖1所示，以UD-3600型動態疲勞測試機為基礎自行改造而成，可實現振動、靜態（傳統工藝）橡膠注射成型試驗，頻率范圍為0～100 Hz，振幅范圍為0～5.0 mm，可以提供多種不同波形的振動。模具與振動臺連接，并與振動臺以同頻率、同振幅、同波形振動。混煉膠在絲桿柱塞作用下充填模腔，在膠料主運動方向上疊加振動場，檢測系統對膠料填充過程壓力變化進行監測并輸出，從而可以直觀判斷出橡膠流動狀態的改變。

圖1 動態試驗平臺結構示意

其他輔助設備為：X（S）K-160型開煉機，上海橡膠機械廠產品；UM-2050型門尼粘度儀，優肯科技股份有限公司產品；VMA1000型膠料流動性分析儀，特拓（青島）輪胎技術有限公司產品；GT-7016-AB型氣壓式自動切片機，高鐵科技股份有限公司產品。

1.2 模具

自行設計的測試用注射模具的上下模板結構如圖2所示，其中上模板中心部位開有注膠孔，下模板模腔采用阿基米德螺旋線形式，螺旋槽深為2 mm，半圓形截面半徑為2.5 mm，中間凹槽型腔直徑為26 mm，深度為5 mm，型腔沿流動方向標有刻度，可以觀察膠料的流動長度。

圖2 模具結構

1.3 主要原材料

丁苯橡膠（SBR），門尼粘度[ML（1+4）100℃]為44～45，海南天然橡膠產業集團股份有限公司產品；順丁橡膠（BR），中國石化燕山石化公司產品；炭黑N375，武漢探新炭黑科技開發有限公司產品；氧化鋅，青島新源化工助劑有限公司產品。

1.4 配方

SBR 70，BR 30，炭黑N375 60，氧化鋅4，硬脂酸 2，防老劑4010NA 1，硫黃 1.8，促進劑CZ 0.9。

2 結果與討論

2.1 注射壓力曲線

圖3示出了注射速度為100 mm·min-1時定量混煉膠在靜態和振動下（頻率為30 Hz，振幅為0.9 mm）注射過程中注射壓力實測曲線。

圖3 注射過程中注射壓力曲線

由圖3可以看出，靜態注射的注射壓力最高為45.5 kN，振動注射的注射壓力最高為32.0 kN，注射壓力下降明顯，說明振動可以有效改變膠料的流動性。

2.2 注射壓力與振幅的關系

圖4示出了注射速度為100 mm·min-1時定量混煉膠以不同振幅（頻率為30 Hz）注射過程中注射壓力與振幅的關系曲線。

圖4 注射壓力與振幅的關系曲線

從圖4可以看出：與靜態注射（振幅為0）相比，振動注射壓力明顯下降；隨著振幅的增大，注射壓力不斷下降，降幅先小后大再平緩，不同振幅下注射壓力降幅不同，振幅為0.5 mm時，注射壓力降幅達21%，振幅為0～0.3 mm范圍內，注射壓力降幅在10%以內，振幅超過0.5 mm時，注射壓力降幅相對平穩。

為了進一步驗證試驗結果的可參考性，進行了固定頻率為10和50 Hz的振動注射試驗，得到類似的試驗結果。分析認為，振動場作用于橡膠流場，改變了橡膠與流道的壁面關系，加快了彈性松弛，流變性發生改變，膠料流動性變好，流動阻力減小，使注射壓力下降，從而降低了設備能耗。

2.3 注射壓力與頻率的關系

圖5示出了注射速度為100 mm·min-1時定量混煉膠在不同頻率（振幅為0.5 mm）下注射過程中注射壓力與頻率的關系曲線。

圖5 注射壓力與頻率的關系曲線

從圖5可以看出，隨著頻率的增大，注射壓力下降，在頻率達到一定值后，注射壓力降幅變小。

表1示出了不同振幅下注射壓力下降率。由表1可以看出，在不同振幅下注射，隨著頻率的增大，注射壓力降幅有類似的變化規律。振幅為0.3 mm、頻率為50和70 Hz時注射壓力下降率分別為10.8%和14.1%；振幅為0.5 mm、頻率為50和70 Hz時，注射壓力下降率分別為23.1%和24.8%，這為生產中振動工藝參數的確定提供了試驗依據。

表1 不同振幅下注射壓力下降率 %

2.4 振幅與充填長度的關系

圖6示出了混煉膠在最大注射壓力為40 MPa、固定頻率為10 Hz、不同振幅下對螺旋線模具進行注射時充填長度與振幅的關系曲線。圖7示出了不同振幅下達到最高注射壓力時模具充填長度照片。

圖6 充填長度與振幅的關系曲線

圖7 不同振幅下螺旋線模具充填照片

從圖6和7可以看出，隨著振幅的增大，螺旋線模具注射充填長度增大，在注射停止時，充填長度增至15.2 cm，相對于靜態注射的6.5 cm，充填長度增大效果明顯。此外，注射時間相對延長對充填長度沒有明顯的影響，表明振動注射增加了混煉膠的體積流率，提高了注射效率。

3 結論

采用自行開發的動態試驗平臺進行混煉膠模具充填試驗，得出以下結論。

（1）橡膠振動注射工藝是可行的。

（2）振動注射可以提高橡膠的流動性，減小流動阻力，增大填充長度。

（3）橡膠振動注射改變了橡膠的粘度，降低了注射壓力，可節省能耗。