橡膠中炭黑的分散度評(píng)價(jià)機(jī)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(bǔ)強(qiáng)劑，其分散性的好壞直接影響到膠料的物理機(jī)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(bǔ)強(qiáng)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(jìn)行，對(duì)高速制品還容易引起動(dòng)平衡問題。炭黑（包含白炭黑等補(bǔ)強(qiáng)劑）分散度主要反映的是炭黑等補(bǔ)強(qiáng)劑在膠料中的分散情況。它與混煉方法、混煉時(shí)間等多個(gè)因素有關(guān)，如上頂栓壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度、

2、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和類型等條件的變化都會(huì)產(chǎn)生不同的混煉效果。研究炭黑在混煉過程中的分散機(jī)理，量化評(píng)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(dòng)評(píng)價(jià)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(yīng)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(shí)別存在較大誤差;分散度評(píng)價(jià)方法不夠科學(xué)和完整，僅能在局部范圍內(nèi)評(píng)價(jià)炭黑的破碎程度，未能實(shí)現(xiàn)其整體破碎和擴(kuò)散程度的評(píng)價(jià);炭黑分散過程穩(wěn)定性僅能通過

3、反映密煉機(jī)瞬時(shí)功率的過程曲線間接的表征等等。
　　針對(duì)這些問題，本文對(duì)炭黑的識(shí)別、炭黑形態(tài)特征的表征、分散度評(píng)價(jià)體系的建立、炭黑分散過程穩(wěn)定性的判斷進(jìn)行了深入地研究，具體工作如下:
　　1.結(jié)合對(duì)膠料圖像特點(diǎn)的分析，通過對(duì)幾種圖像分割算法的比較，選擇K均值法作為識(shí)別炭黑的方法。針對(duì)K均值法存在的問題，提出了兩種優(yōu)化方法:基于對(duì)稱分布的優(yōu)化方法和基于拐點(diǎn)的優(yōu)化方法。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為基于拐點(diǎn)的優(yōu)化方法更加合理。運(yùn)用K均值法

4、，并結(jié)合基于拐點(diǎn)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(duì)炭黑結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)膠料性能產(chǎn)生的影響，提出了通過長徑比、形態(tài)復(fù)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(yùn)用，解決了長徑比的計(jì)算問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，認(rèn)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(fù)雜度的表征問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于周長的方法更準(zhǔn)確。
　　3.通過觀察對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了炭黑與雜質(zhì)形態(tài)上的差異性，實(shí)現(xiàn)了膠料圖像中

5、絲狀雜質(zhì)、劃痕等的處理。針對(duì)絲狀雜質(zhì)成弧形、周長比較長等特點(diǎn)，通過計(jì)算區(qū)域中空面積和周長與實(shí)心率的比值來識(shí)別該類型雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，中空面積大于3個(gè)像素、或者周長與實(shí)心率的比值大于160的區(qū)域可以認(rèn)為是該類型雜質(zhì)。對(duì)于劃痕等線型雜質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，長徑比不小于6.5的區(qū)域可以認(rèn)定為該類型雜質(zhì)。
　　4.通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖片的研究和分析，發(fā)現(xiàn)了“炭黑的總面積和個(gè)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(gè)數(shù)為基礎(chǔ)，并

6、結(jié)合炭黑面積特征區(qū)間的劃分，建立了四種評(píng)價(jià)炭黑微觀分散度的模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于面積的8特征區(qū)間的評(píng)價(jià)模型比較合理。
　　5.引入統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)方法，在對(duì)炭黑進(jìn)行多點(diǎn)檢測的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)了炭黑分散過程穩(wěn)定性的判斷。再利用多點(diǎn)檢測的炭黑數(shù)據(jù)，計(jì)算出可以反映炭黑宏觀破碎程度和擴(kuò)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(zhǔn)確的識(shí)別炭黑的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了