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快速硫化系统的流变学设计
作者:Jan Gogolin    来源:Rubber World
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其它橡胶机械展厅
橡胶注射成型机, 橡胶挤出机, 橡胶压延机, 发泡机, 脱硫罐, ...
作者:Jan Gogolin, F. Svaricek, V. Hartel (Universitat der BW Munchen), Peter Lipp (Yellowbox Engineering/LWB)

注塑成型部件,EFE,即基于温度控制的两级注塑工艺的发展,在LWB Steinl GmbH和德国防大学(UBWM)动力系统学院合作项目的框架内进行着。相对于通常的一级工艺,该系统可以提供更加精确的热能向机械能的转换。大量的从机器喷嘴喷射出的橡胶散发的温度接近模具的温度。因此,最大程度降低硫化时间和硫化周期时间变得可行。

为了建立一个基于数学模型,并且独立地在一个可调的节流阀内的可控的EFE部件,需要知道整个橡胶流的流变性和热量情况。第一次尝试直接检测流道里的温度失败了,因为在橡胶流中的热电偶不断升温。因此,为了确定流动条件下的橡胶温度和压力分布,我们通过计算流体动力学(CFD)分析的方法模拟了注入过程。计算得出的温度分布,通过专门开发的间接温度测量方法得到了验证。这种传感器,同样适用于控制。

机械能转换成热能

对整个注塑和硫化过程进行分析表明,在注塑周期的初级阶段中,提高某一步注入物料的平均温度,约20℃到50℃是非常有利的。考虑到橡胶的热性能,在注入阶段这种温度的提升需要至少20千瓦的功率输入。从能量守恒定律考虑,它遵循的最高温度还可能上升:

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△T是容积平均温度差,△p是入口和出口之间的压力差。热传导的分配Q(冷却或分别加热)与流速V成反比,表现为更高的流速(图6),可以忽略不计。唯一的材料特性参数,导致了温度的上升的数值是比热容Cp和密度ρ。对于大多数橡胶化合物而言,它导致了每100bar 4到5℃的温度上升。

流道中的温度分布

在流道中流动橡胶的机械能的损耗发生于层与层之间,这是基于其不同的移动速度所引起的摩擦而出现。另外,由于粘流体无滑移现象,令最高切变速率(摩擦的根源)发生在管壁处。该流道的中间零剪切率是占主导地位的。因此,流道截面最终的温度分布是不均匀的。在隔热情况下,在管壁或者在壁边的冷却流道上,摩擦产生的温度达到最大值。流道横截面的主要部分填充了冷态胶芯(图1)。

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图1 粘性加热中冷流道的速度分布图(灰色)和相应的温度分布

橡胶化合物的热扩散系数太低,以至于难以平衡在相对较短的注塑相位中,侧面热传导导致温度差。这就带来了众所周知的工艺问题,即热隔离。当流动的橡胶材料的温度曲线不均匀,便面临着一系列的流道系统分支的问题,根据温度的不同产生分流。结果不同的流道甚至呈几何级数地拥有不同的热物料(图2)。由于橡胶粘度对温度的依赖性,导致了型腔填料不均匀以及硫化阶段具有不相同的初始温度。

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图2 典型冷流道系统的温度曲线,导致填料不均

为了克服这一粘性加热的缺点,LWB Steinl开发了一种喷射系统,在流道的中间产生最高的温度。

在第一个设计中, 注塑装置中(EF)有一个塞阀作为调节限流器使用,它是EF-E系统的特殊功能 - 这是完整的喷雾喷嘴。此功能允许温升接近化合物的烧焦极限,并且对下一次注塑而言,没有任何由前一次烧焦材料产生污染的风险。第二个设计中的节流阀部件是基于物料进料口和E单元的连杆外表面之间的楔形缝的一个可控的孔径 (图3)。它创建了一个具有高抗热层的橡胶层流,进入E单元的相当宽的流道中间。

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图3 含有可调节流阀,没有喷嘴的EF-E注塑系统

对该系统进行的分析采用的是流动数值模拟软件。

CFD-模拟

◆ 三维稳态流动模拟

该流动计算已经在ANSYS CFX软件平台下完成了。第一步获得的流量方程的数值解-Navier-Stokes方程-是将几何域离散化。在EF-E几何学里,数值网格要通过横向截面的较大的参数变化。尤其在节流阀缝处,速度和温度梯度变得很大,这需要较好的细网格穿越流向。EF和机器喷嘴之间的流量有限元模拟需要大约400万所谓的六面体单元。管壁的边界条件是零速度,温度为80℃和25000W/mK的传热系数。模拟的橡胶是硬度为65的EPDM化合物,其流动指数m= 3.7,密度为1019kg/m3,以及比热容为1900J/(kgK)。

模拟结果如图4 所示( 温度分布),计算的是节流阀位置为80%和稳流率为50毫升/秒。

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图4、对称面和壁上的温度分布

结果表明,在流道的中部,温度分布取得了最大值。但是并不在绝对的中心,而是偏向管壁一点。请记住,修改后的热边界条件,特别是对E-活塞顶部,只是真实情况的近似。在橡胶流和周围金属之间的热流动是一种短暂的现象,应通过共轭热传递(CHT)的形式来模拟。其中,流动模拟和金属本体的温度计算是同时进行的。

◆ 二维暂态共轭热传递(CHT )模拟

为了判断周围金属在节流阀热分布中的热效应,我们进行了二维暂态共轭热传递(CHT )模拟。总的注塑时间为10秒;外壁金属部分的温度设置为80℃,与之前的三维模拟不同,这种计算是短暂的,同时涉及到流体(橡胶)和固体(金属)域。图5显示了在5秒的注塑时间过后,节流阀缝周围暂时的温度分布插入热电偶的两点标记为S1和S2(见图6)。橡胶化合物的初始温度是80℃,沿着节流阀壁一层非常薄的薄片加热到超过180℃。壁上传导到金属本体的热抑制了附近的壁温上升,并限制到一个可接受的值。金属的温度分布大概是在节流阀缝最窄的位置周围。

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图5、5秒注塑时间后节流阀温度分布

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图6、靠近节流阀的热电偶S1和S2的温度分布

模拟结果表明,对节流阀的功能来说,外面热流传到周围金属的效果如何是非常重要的,因此需要考虑建立一个基于模型的控制系统。

E-FE系统的实验性测试

◆ 无机械喷嘴的喷雾实验

系列实验其中之一,橡胶是通过节流阀孔来进行喷射的,节流阀孔被当做厚厚的橡胶绞股。为了避免在温度作用上叠加剪切效应,我们拆除了机械喷嘴。

这项测试运行了7种不同的电子活塞位置,介于0%(孔径全开)和100%(孔径完全关闭),6种注塑速率。每次注塑的喷量仍保持800毫升的值。记录下15个传感器的瞬态数据。由此生成的压力流量图如图7所示 。

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图7、注塑压力作为生产能力的函数

其中某个结果显示了插到橡胶一半长度处的温度计所测量的温度。图8显示了不同的节流阀依靠这些温度作为注塑压力值的函数图。不同的颜色标记了实际的流速。

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图8、橡胶绞股中间长度中心的温度,作为不同的节流阀孔径注塑压力的函数

各组测量点本身呈不完全的直线,其起点是一样的(压力为零),但是斜率不一样。底部的点标记着注塑速度较低,大约持续120秒时间,对管壁起着冷却的作用。在中线上面的点集中,可以看到喷射,因为公式(1)是近似隔热的。测量到的温度只取决于有效的压力损失。高于800bar的所测点的偏差导致了绞股温度的显著上升,并且在1分钟之后没有消退。简化的点,温度压力图中的虚线,显示着对压力损失成比例的依赖性,斜率是每100bar 5℃。

对流动的橡胶进行直接的温度测量依然是一个尚未解决的问题。其一,热电偶顶端的摩擦使得到的温度不真实,第二,传感器必须保持稳定,其本身的比热容和管壁的温度状况会影响瞬态温度测量。

为了验证流动模拟结果的正确与否,特别是对橡胶链反常热点的预测,我们用快速硫化橡胶进行了一个特殊的实验。为此,橡胶开始喷射,正如所描述的,节流阀关闭了90%,但只针对EF单元。E单元里面的材料与80℃的冷管壁接触,保持不动达10分钟,然后进行喷射。对橡胶绞股进行切割取得的横截面中,我们发现了一个反常的硫化胶芯,形状和位置都类似。但是却难以拿出照片等文件,因为(黑色的)硫化和未硫化的橡胶区别很小。

针对封闭模具的喷射实验

理论和实验都证明了橡胶绞股热点的离心率会影响多型腔模具的填料。我们特别设计了一个具有对称星形的八型腔的模具(如图9所示)用来检测验证。

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图9、具备星形流道系统的注塑模具–短喷射的结果

该模具配有一系列的热电偶,排除试验中模具中有不均匀温度场的可能性。模具用40毫升/S的定量流速,对不同部位的节流阀进行填充,注塑体积大概在25%和100%之间。每个型腔的填充重量是确定的,并在一个雷达图中(图10)显示。

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图10、填料重量的雷达图(型腔5–节流阀边)

有趣的是,橡胶绞股中热点的轻微偏心表明其本身并没有比相应的型腔提前,正如预期的那样,但填料却相当于节流阀处的80%。首先,对于非常小的节流阀孔径(90%或更小),离心变得显而易见。此时,跟预想的不一样,型腔1中有延迟,这是由于早期不成熟的硫化,相应的型腔填料变慢并且不完全。

总结

EFE系统的流变和热性能,通过流体数学模拟的方法得以验证。同时,还进行了实际的测试,以证明新设计的可调式限流阀的性能以及验证了得到的模拟结果。

三维稳态和二维瞬态CHT计算对传导性实验非常适合。它们确立了新节流阀的概念,该新节流阀注塑了一些热态的材料到E导管的中心。这些理论和实验的结果建立了更进一步优化节流阀几何形状和工艺控制模型的基本理论。
文章内容仅供参考 (投稿) (2010-7-24)
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