橡膠中炭黑的分散度評價機理和方法研究.pdf

1、混煉過程是橡膠加工中必不可少的重要環(huán)節(jié)。炭黑、白炭黑等填料作為橡膠制品重要的補強劑，其分散性的好壞直接影響到膠料的物理機械性能和后續(xù)加工性能，甚至橡膠產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。炭黑等補強劑分散不均，易形成大的凝膠塊，不僅不利于壓延、擠出等后續(xù)加工工藝的順利進行，對高速制品還容易引起動平衡問題。炭黑（包含白炭黑等補強劑）分散度主要反映的是炭黑等補強劑在膠料中的分散情況。它與混煉方法、混煉時間等多個因素有關，如上頂栓壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度、

2、轉(zhuǎn)子結構和類型等條件的變化都會產(chǎn)生不同的混煉效果。研究炭黑在混煉過程中的分散機理，量化評定其分散程度有利于改善混煉工藝和橡膠制品的質(zhì)量。
　　目前，可自動評價炭黑分散度的儀器雖然在橡膠工業(yè)中已經(jīng)得到較為廣泛的應用，但存在的問題也是非常明顯的，具體表現(xiàn)在炭黑與橡膠之間沒有明顯的界限，炭黑的識別存在較大誤差;分散度評價方法不夠科學和完整，僅能在局部范圍內(nèi)評價炭黑的破碎程度，未能實現(xiàn)其整體破碎和擴散程度的評價;炭黑分散過程穩(wěn)定性僅能通過

3、反映密煉機瞬時功率的過程曲線間接的表征等等。
　　針對這些問題，本文對炭黑的識別、炭黑形態(tài)特征的表征、分散度評價體系的建立、炭黑分散過程穩(wěn)定性的判斷進行了深入地研究，具體工作如下:
　　1.結合對膠料圖像特點的分析，通過對幾種圖像分割算法的比較，選擇K均值法作為識別炭黑的方法。針對K均值法存在的問題，提出了兩種優(yōu)化方法:基于對稱分布的優(yōu)化方法和基于拐點的優(yōu)化方法。通過對比實驗結果，認為基于拐點的優(yōu)化方法更加合理。運用K均值法

4、，并結合基于拐點的圖像優(yōu)化方法，解決了區(qū)分炭黑和橡膠的問題。
　　2.針對炭黑結構形態(tài)對膠料性能產(chǎn)生的影響，提出了通過長徑比、形態(tài)復雜度來表征炭黑形態(tài)特征的方法。橢圓擬合法和最小外接長方形法的運用，解決了長徑比的計算問題。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)對比，認為橢圓擬合法更加合理?；谕拱姆椒ê突谥荛L的方法解決了形態(tài)復雜度的表征問題。實驗結果表明，基于周長的方法更準確。
　　3.通過觀察對比，發(fā)現(xiàn)了炭黑與雜質(zhì)形態(tài)上的差異性，實現(xiàn)了膠料圖像中

5、絲狀雜質(zhì)、劃痕等的處理。針對絲狀雜質(zhì)成弧形、周長比較長等特點，通過計算區(qū)域中空面積和周長與實心率的比值來識別該類型雜質(zhì)。實驗數(shù)據(jù)表明，中空面積大于3個像素、或者周長與實心率的比值大于160的區(qū)域可以認為是該類型雜質(zhì)。對于劃痕等線型雜質(zhì)，實驗結果表明，長徑比不小于6.5的區(qū)域可以認定為該類型雜質(zhì)。
　　4.通過對標準圖片的研究和分析，發(fā)現(xiàn)了“炭黑的總面積和個數(shù)隨著分散度的提高不斷變小”這一變化規(guī)律。本文以炭黑的總面積或個數(shù)為基礎，并

6、結合炭黑面積特征區(qū)間的劃分，建立了四種評價炭黑微觀分散度的模型。實驗數(shù)據(jù)表明，基于面積的8特征區(qū)間的評價模型比較合理。
　　5.引入統(tǒng)計過程控制(SPC)方法，在對炭黑進行多點檢測的基礎上，通過分析炭黑濃度是否滿足穩(wěn)定狀態(tài)下數(shù)據(jù)分布的要求，實現(xiàn)了炭黑分散過程穩(wěn)定性的判斷。再利用多點檢測的炭黑數(shù)據(jù)，計算出可以反映炭黑宏觀破碎程度和擴散程度的特征值（主要包括均值、偏度、峰度）。
　　本文在研究如何更準確的識別炭黑的基礎上，實現(xiàn)了