汪傳生,祝衛(wèi)國(青島科技大學(xué),山東青島 266042)
作者簡介:汪傳生(1960-),男,安徽安慶人,青島科技大學(xué)教授,博士,主要從事高分子材料加工技術(shù)、裝備及機(jī)電一體化的教學(xué)和科研工作。
要提高橡膠制品的加工質(zhì)量以及更好地利用原料和能源,必須重視膠料的混煉。在分析混煉工藝以及研究和評(píng)價(jià)混煉設(shè)備性能時(shí),混煉膠的質(zhì)量是重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。在通常的操作條件下,一般是通過測定混煉膠的密度和硫化曲線,或測定硬度和定伸應(yīng)力來評(píng)價(jià)混煉膠質(zhì)量。這些評(píng)價(jià)方法只是根據(jù)混煉膠性能間接衡量其質(zhì)量,會(huì)受到原料性質(zhì)的波動(dòng)、配合劑計(jì)量的誤差等與實(shí)際混煉工藝和設(shè)備無關(guān)的因素的影響。
混煉膠的質(zhì)量與炭黑粒子分布的均勻性有關(guān),已經(jīng)證實(shí)在膠料耐磨性與填充劑分散度之間存在著一定的相關(guān)性[1]。炭黑在混煉膠中的分散度是直接衡量膠料混煉質(zhì)量及評(píng)價(jià)混煉設(shè)備性能的標(biāo)準(zhǔn)[2],因此對(duì)炭黑分散度的測定應(yīng)給予特別重視。
1 膠料混煉
膠料混煉的主要目的是使膠料中各種填充劑實(shí)體尺寸盡量減小及填充劑實(shí)體間分布均勻,前者決定性能改善程度,而后者決定性能的均勻程度[3]。膠料中填充劑的分散性可以定義為填充劑實(shí)體的尺寸分布(強(qiáng)度因子)和實(shí)體間的距離分布(展度因子)。由于橡膠工業(yè)最廣泛使用的填料是炭黑,因此,主要考察炭黑粒子的大小在混煉過程中的變化。
按帕爾默格倫對(duì)混煉過程的分析,5個(gè)階段中的分散和分布混煉起著至關(guān)重要的作用[4,5]。分散混煉是將各混煉成分,特別是炭黑的粒徑減至最小的混煉作用過程;分布混煉則是在整個(gè)加工過程中將各混煉成分完全分開使其均勻化的混煉作用過程?；鞜捘z的性能不僅與炭黑的分散情況有關(guān),而且與其分布情況有關(guān)[6,7]。因此,評(píng)價(jià)混煉效果應(yīng)該從分散和分布兩個(gè)方面綜合進(jìn)行。分散和分布混煉的4種典型效果見圖1。
2 炭黑分散度的測定方法
2·1 間接測定法
無論是根據(jù)未硫化膠物理性能進(jìn)行判斷的估算法(如測量門尼粘度、擠出收縮率)還是電阻法(如采用數(shù)字靜電計(jì)、韋斯頓式785試驗(yàn)機(jī)),都是根據(jù)混煉膠的性能來估算炭黑分散度。然而,膠料的物理性能相同,其混煉情況卻不一定相同,因此這種方法測定的分散度不能用于準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)混煉效果。
2·2 直接測定法
直接測定法主要包括表面觀察法、粒徑測量法、表面粗造度分析法和改進(jìn)的顯微照相法。
2·2·1 表面觀察法
雖然目視觀察法、ASTM D 2663A法、R-S法以及GB 6030—1985(顯微照相法)存在很多缺點(diǎn),但有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是肯定的,即訓(xùn)練有素的操作人員能夠根據(jù)觀察到或拍攝到的圖像判斷膠料中炭黑的分散度。操作人員的判斷標(biāo)準(zhǔn)可以綜合分散、分布、配方以及混煉操作的具體情況等眾多因素。將這些因素分別用數(shù)學(xué)語言加以表述,并綜合成一個(gè)分散度判斷模型,并可以此改進(jìn)分散度自動(dòng)測量裝置,相當(dāng)于建立一個(gè)“分散度測量專家系統(tǒng)”。
2·2·2 粒徑直接測量法
ASTM D 2663B法(可稱為“透射顯微鏡法”)和掃描式電子顯微鏡法雖然測量的手段不同,但其所測量的都是膠料中未分散顆粒的大小和數(shù)量,即其測量值只是對(duì)分散混煉情況的表述,而未涉及分布情況。
2·2·3 表面粗糙度分析法
觸針法(ASTM D 2663C法)和光學(xué)法(暗視場反射光學(xué)顯微鏡法)測量得到的圖像能夠直觀地反映膠料表面的情況,既能反映分散(峰高、峰值數(shù))又能反映分布(波峰的分布)情況。但最后的測定值卻只考慮了峰高和峰值數(shù)的平均值,因此只反映了分散情況。
2·2·4 改進(jìn)的顯微照相法
瑞典Optigrader公司的Dispergrader法是一種能夠自動(dòng)判別膠料中炭黑分散度的方法,其原理也是顯微照相法。但使用中發(fā)現(xiàn),該儀器對(duì)同一膠料的多次重復(fù)測試會(huì)判定出不同的分散等級(jí)。該法判別標(biāo)準(zhǔn)采用菲力浦10級(jí)標(biāo)準(zhǔn),適用性較差。它單純以圖像上白色亮點(diǎn)的個(gè)數(shù)和面積來判定炭黑的分散度等級(jí),忽略了膠料中淺色配合劑顆粒及膠料表面反光極弱的凹點(diǎn)部分的影響,存在對(duì)三段混煉膠料炭黑分散度等級(jí)判斷不準(zhǔn)確的現(xiàn)象[9]。例如,試樣原始圖像中有氣孔,如圖2(a)所示,而用該儀器作二進(jìn)制圖像轉(zhuǎn)換后的圖片如圖2(b)所示,顯示為炭黑團(tuán)大粒子,最后Dispergrader法定為3.2級(jí),使級(jí)別偏低;又如試樣原始圖像中有較大凸起顆粒,如圖3(a)所示,而用該儀器作二進(jìn)制圖像轉(zhuǎn)換后的圖片如圖3(b)所示,大顆粒未顯示出來,最后Dispergrader法定為6.8級(jí),使級(jí)別偏高。在Dispergrader法的實(shí)際操作中,上述試樣只能靠人工剔除,因此對(duì)人的依賴性較大。
國內(nèi)研究者在炭黑分散度測定方面也做了大量工作[8,1014],創(chuàng)立的分散度鑒定方法雖然也是以顯微照相法為基礎(chǔ),但引入了圖像處理技術(shù),能合理確定原始圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像時(shí)的閾值,對(duì)某些圖片進(jìn)行切割,以除去圖片中氣孔、氣泡及雜質(zhì)等。度量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算考慮了顆粒的直徑和面積,但在計(jì)算模型中主要以顆粒的數(shù)量和面積來計(jì)算。有的計(jì)算模型在初期引入了較少的分布信息,但是隨著計(jì)算的深入,這些信息逐漸退化[8]。
3 存在的問題
綜合以上分析,目前膠料中炭黑分散度測定方法主要存在以下問題。
(1)各種測定方法得出的結(jié)果均不能綜合反映分散及分布水平,這也是造成測定結(jié)果不穩(wěn)定的原因之一。
(2)顯微照相改進(jìn)法中引入的圖像處理不充分,使后續(xù)計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。
(3)測定標(biāo)準(zhǔn)固定,不能根據(jù)膠料配方及混煉工藝的改變做出相應(yīng)調(diào)整。在混煉設(shè)備研制與評(píng)價(jià)中引入錯(cuò)誤信息。
(4)評(píng)價(jià)模型的信息量小,不能充分反映獲取圖片所攜帶的信息。
4 改進(jìn)方案
針對(duì)以上分析,提出如下改進(jìn)途徑。
(1)顯微照相法(包括改進(jìn)顯微照相法)是一種綜合測量分散及分布效果的有效方法,對(duì)顯微照相法進(jìn)行改進(jìn)是改善分散度測定方法的方向?？梢酝ㄟ^建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算的方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。要提高設(shè)備的自動(dòng)化程度,就必須降低設(shè)備對(duì)人的依賴程度。因此新型的分散度測定方法應(yīng)該進(jìn)一步降低對(duì)操作員和試樣制作的要求。
(2)運(yùn)用顯微照相法時(shí),應(yīng)采用彩色攝影來獲取彩色圖像,這樣可以對(duì)采用染色處理的試樣(如研究橡塑共混的試樣)進(jìn)行測定,擴(kuò)大儀器的適用范圍。
(3)顯微照相法獲取的圖像在分析和測定取值前必須進(jìn)行圖像處理。因?yàn)樵谠嚇拥闹谱鬟^程中會(huì)不可避免地引入一些瑕疵,如刀痕、空穴等。對(duì)圖像進(jìn)一步處理可以降低分散度測定對(duì)操作者的依賴性。
(4)在對(duì)圖像進(jìn)行二進(jìn)制圖像轉(zhuǎn)換前也必須進(jìn)行處理,例如,進(jìn)行去背景、去噪聲、調(diào)節(jié)對(duì)比度等操作。混煉膠試樣的表面放大圖像如圖4所示。處理時(shí)應(yīng)特別注意閾值的確定,不適當(dāng)?shù)拈撝祵?huì)直接影響測定結(jié)果(如圖5所示)。
(5)計(jì)算模型中應(yīng)包含“分布因子”。在相同分散情況下,分布情況可能大不相同(見圖1)。因此判定分散度時(shí)應(yīng)將混煉膠的分布情況計(jì)算在
內(nèi),引入“分布因子”或在測定分散指數(shù)外再給出分布指數(shù)。
(6)借鑒LM分散度計(jì)算法的原理,分散度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)置新的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含混煉膠配方信息、混煉工藝信息等。這樣既能夠保證遵循國家標(biāo)準(zhǔn)的基本信息,又能根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況靈活多變。
5 結(jié)語
混煉膠中炭黑分散度的測定過程是一個(gè)信息的獲取過程,也就是從圖像(信宿)繁雜零亂的原始信息中提取我們所關(guān)心的信息,以揭示炭黑分散的本質(zhì)和規(guī)律。對(duì)原始信息應(yīng)該進(jìn)行分門別類、歸納演繹、分析綜合等一系列的加工處理,才能使其中包含的有效信息顯露出來,從而找出其必然聯(lián)系,使炭黑分散度真正成為衡量混煉效果的標(biāo)準(zhǔn)。
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