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橡胶样品挤出质量检测系统
作者:HF Rubber Machinery Rober W.McNabb    来源:PT现代塑料
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橡胶注射成型机, 橡胶挤出机, 橡胶压延机, 发泡机, 脱硫罐, ...
在各种各样的橡胶加工工艺中不断产生了很多重要的进步。复合橡胶的混合效率得到了大幅提高,但是依然存在大约1%的废品率。虽然起初1%的废品率似乎还是一个很不起眼的数值,但是,橡胶复合物经过挤出成型后,人们会意识到废品率的数值会变得很可观。橡胶复合物的后处理会放大其中哪怕是一些很小的缺陷;测量复合物中粒子分散情况的好坏将是衡量复合物质量优劣的一个有效的工具。研究和实际应用表明,将挤出机、照相机和分析软件组合起来能够构成一个质量检验系统,通过这个系统可以在生产前直接观测复合物中的粒子分散情况。这套组合中的仪器和软件被称为ES30 挤出机质量检测系统。

由于使用在线挤出机和照相机来扫描挤出样品,相比于其它的粒子分散性测量系统,该系统可以分析的样品量更多。而其它的粒子分散性测量系统只能对硫化复合物进行小剂量的测量。ES30 可以用来检测含硫化剂或不含硫化剂的橡胶复合物的分散性好坏以及其表面结构。所以不管是母料还是最终的复合物产品,都可以用ES30 挤出机进行有效地分析。当复合物母料被测试之后,它们可以很容易被再次引入加工过程中,这样就大大减少了橡胶复合物的浪费。

此外,可将一个经过特殊设计的挤出机头装到挤出机上,以得到复合物的剪切粘度和剪切应力等流变数据

挤出胶坯的准备

这套系统中的挤出机是用来塑化被测的复合物,并挤出一细细的橡胶条。当我们得到混合参数之后,挤出机的参数(速度)将被设定为某一个值,使得系统在测定特定数量的样品时所需的时间为一固定值,对于密炼机来说一般为两到三分钟。

复合物在搅拌器中混合后经过双辊开炼机或双螺杆挤出机(两者都是可用的),最后挤出理想的橡胶细条。而在形成样品细条之前,我们有必要将复合物变成薄片,为了能更准确地评价混合过程,最好将作用在复合物上的其它处理过程降到最少。如果混合过程是在开炼机上完成的,那么橡胶细条应在常规滚筒混合周期结束后切下来。样品细条尺寸应该按照宽1~2英寸、长12~24 英寸的标准切割,或者根据设备的要求或操作的特定条件制定符合实际情况的样条尺寸标准。挤出机的喂料部件的装配是以简化向挤出机的手工喂料或自动喂料为目的的。橡胶细条是一根一根地送入喂料部分中的。通常,一批样品中,有两根或三根样条将被取出进行测试分析。稳定的挤出过程非常关键,因为这将直接影响到挤出胶坯的表面分析。当已经得到稳定的挤出胶坯并且已经测试了540mm 的样条后,就没有必要喂入更多的样条了。

挤出机螺杆是有温控的。在喂料和测量区域,挤出机的机架上使用反应非常快速的温度探头,为外加控器制提供准确的温度测量。挤出机螺杆的独特设计保证了最少的样品使用量,而18 :1 的长径比提高了及机器运转的稳定性,使得挤出胶坯达到最优。稳定的机器运转是使复合物温度达到均一、使挤出过程中挤出胶坯的震动降到最小的一个至关重要的因素,此外,它还将使许多其他复合物的加工变得更加容易。

挤出机头被设计为能够控温并且可以和可互换的内嵌部件兼容。在挤出机头上或许会作一些微小的技术调整,以使挤出的样条达到最优,满足表面结构分析的要求。该系统的技术数据见附表。

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粒子检测方法

当样条离开挤出机后,具有显微镜分辨率的照相机被用来对这一移动的样条进行扫描,样条宽度大约为2 英寸。

当材料在输送带上通过镜头时(如图),照相机系统将对挤出橡胶样条的表面粗糙度进行分析。照相机能够检测到大约30 微米的表面粗糙度。这大大超过了肉眼以及其它光学仪器能达到的测试范围。

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挤出机、照相机和分析软件组合起来构成的
ES30 挤出质量检测系统

虽然,对于模型浇铸或挤出样品来说,要得到一个粒子大小小于100 微米的样品表面是很平常的事,但这在很大程度上取决于先前的限制因素。事实上,其中一个限制因素就是,大多数筛子和过滤器都设计成可以筛选超过100 微米大小的粒子。另一个限制因素是,肉眼其实可以观察到样品表面上大于100 微米的不规则度。在有了这些限制因素之后,在许多橡胶应用,特别是汽车工业中,一旦最终样品中的粒子大小超过了100 微米,即达到了肉眼能见到的范围,那么这个样品就会被认为是有问题的。显然,现在使用可以探测到30 微米不规则度的系统后,我们就可以大大减少或消除以前在后续加工中对复合物中高分子和填料的分散度的担忧。

系统中用到的数码相机采用LED照明系统,每分钟可以观察超过10 万个粒子。所有没有被分散开来的粒子都显示为突出或凹下的形状,并被统计性地估算出来且定量地展示给我们。扫描参数包括找到的粒子数目以及粒子的大小。系统使用高等演算法,确保收集到的信号能够被自动、连续地处理。

接受/ 拒绝标准的制定是基于观测到的粒子总数、观测到的粒子的平均物理尺寸、允许的最大或最小粒子尺寸,或者是综合考虑以上所有的参数。接受/ 拒绝标准可能是混合以及/ 或者后续加工的细节规定。当高精度的数据产生后,我们就可以得到一条反映观测粒子总数和观测例子尺寸的曲线。一旦确定了什么样的样品表面粗糙度是可以满足后续加工处理的要求之后,我们就可以得到一条确定上限和下限的边界曲线。处于边界线之间的复合物就被认为是可以接受的;而那些处于边界线之外的复合物样品将被认为是不可接受的或这应该进行重新加工。

这套系统对母料的测试同样可以起到与其对最终产品一样好的作用。如果母料在测试中被发现需要重新加工,那么它们就可以在进入后续加工过程之前被拿回来,在许多情况下这可以大大降低废品率。

在每一批样品的测试周期后,我们应该给它们定一个独立的样品批号。在每一个测量周期之后,挤出机中将会没有样品而仅仅是空转,这样仪器就会自动进入下一周期。当压力和温度达到下一轮样品的数值时,加工过程就被认为已经趋于稳定,此时下一轮的测量就重新开始了。

挤出流变仪

ES30 挤出机也可以用来对复合物的流变性能进行表征。为了达到这一测量目的,挤出机上的标准窄缝挤出头必须得更换为流变挤出头。

实验的原理是基于利用压力梯度和挤出头中体积流率来计算剪切速率。挤出头中的流出速率可以通过打通一个旁路来改变,而该旁路的打通并不会去影响复合物的加工历史。因此,在一轮测试中我们可以得到两组数据。已知橡胶复合物是被认为没有牛顿平台的,所以,用这两个数据已经足够可以在整个范围内精确描述复合物样品的剪切粘度了。在有了精确的、可预知的(可重复)的数据后,我们就可以得到一张同时能反映两个数据的图谱。当在两开口点之间的流量率、压力差以及几何尺寸确定了之后,流变性能就可以被估算出来而得到一条线形曲线。复合物中的一些变化可以影响到线形曲线中的数据点。

此外,通过对复合物表面粗糙度的光学测量,我们可以得到边界条件,规定所允许的最大和最小值。在边界值之内的复合物将被认为是可接受的;反之,在进入后加工之前,那些在边界值之外的复合物将被标记为需要重新加工或作为废品抛弃掉。

结论

这套系统可以被用来测量非硫化状态的橡胶复合物的表面粗糙度和流变性能;因而,这套系统可以在复合物进入后加工之前寻找到其中可能潜在的问题。这套系统通过预防“未完成的”橡胶复合物进入下一轮加工环节,或通过检测出一些因为种种原因而必须得抛弃掉的样品来达到大幅节约成本的目的。

这套系统在帮助加工工程师规范混料上有着强大的功效。虽然肉眼只能检测出大约100 微米大小的表面缺陷,这套系统却可以反复检测30 微米或更小的表面缺陷。随着客户对产品的表面光洁度要求日愈上升,特别是在挡风雨条、密封条以及其它具有薄横截面的挤出产品领域,这套系统将大大提高产品的质量,减少客户对产品的抱怨。

这套系统给出的数据的高可重复性以及数据的数字化,使得我们可以很容易地将过去的产品质量定为现在产品质量的基准。这对我们不断提高产品质量非常有帮助。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/20/2008)
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