长期以来人们使用挤出方法来加工橡胶胶料。挤出机不仅被用于型材生产，还被用作混炼胶生产线的下辅设备，将从密炼机中排出的大块胶料挤成胶片。胶料的过滤和预热也是由挤出机完成的。初是用热喂料挤出机挤出型材，到20世纪60年代冷喂料挤出机也慢慢地发展起来了。现今，由于冷喂料挤出机具有良好的效益，它已被广泛用于各种胶料的挤出。特别是在发明了销钉式挤出机和传递混炼挤出机后，挤出机产量得到提高，胶料温度较低且能保证型材质量。
众所周知，由销钉式挤出机和传递混炼挤出机组成的复合挤出生产线被用于制备轮胎的胎面和胎侧，这种挤出生产线的挤出速率一般填料（如炭黑或白炭黑）可用于轮胎部件的生产。生产这些聚合物和填料的厂商很多，采购人员可以从不同供应商处购得，这样会使产品质量产生波动。就工业制品用配方的设计和产品设计而言，处理这些波动是较容易的，即使由于这些原材料质量波动造成硫化胶性能波动，也是很容易检测出来并予以校正的。但是在冷喂料挤出机上加工这些胶料时，挤出型材的质量就有可能发生波动，像尺寸不稳定、局部凹陷、边缘撕裂、起皱、不均匀收缩、表面出现条纹、在小唇口处出现滞流、口型膨胀、出现气孔或在挤出型材上出现缺口。表1综合列举了一些挤出时产生的问题。这些问题会影响加工和挤出型材的质量。例如，图1所示的轿车子午胎胎面上强烈的局部收缩就是不均匀挤出的结果。
材料不均匀型材上有气孔口型撕裂表面缺陷流速不足流动不稳定口型膨胀收缩和后收缩型材弯曲尺寸波动挺性不足配合剂不明影响如果在热喂料挤出机上进行加工，就很少甚至不会出现不均匀等问题。已知加工过程中输入胶料中的功或比能与挤出机缺陷的出现相关连。输入功越大，则型材越光滑，即型材越均匀。
型材不均匀还与胶料有关，特别是N R/ SBR并用胶和BR胶料常出现这种现象。由于人们要求混炼生产率要高，所以有时达不到混炼充分的程度，因为那样做很费时间。即使按同一指标，从不同的供应商处购得的原材料也会加工性能试验机造成胶料加工性能的波动。有时借助于加工助剂可以解决挤出不均匀的问题。在胶料设计阶段，试样是在实验室炼胶机上制备的，显然，同生产用炼胶机相比，这些设备的确有非常有效的输入功。这就是说，在生产设备上加工时表现出不均匀性的胶料，其在实验室炼胶机上的制备过程中可能很难被发现。另一方面，现有实验方法大多不是用于研究挤出缺陷的，关于这一点下文将述及。
现在介绍一种以冷喂料挤出机为基础的加工性能试验方法，用该方法预测加工性能及通过几个加工参数的分级来量化加工性能。
加工性能试验技术现状过去已提出过许多种测试方法，所有这些方法都可评价加工性能的某些方面。尽管这些测试方法被广泛接受和应用，但它们与型材挤出的缺陷大多没有令人满意的对应关系。
由这些试验方法获得的结果可归类为流变性能、硫化行为及试样的质量特征。表2概述了这些现状。所列的试验方法及说明几乎在所有关于橡胶加工技术的书籍中都可找到。有些方法还涉及到以挤出机为基础的设备。
方法描述评价硫化门尼焦烧稳定的旋转运动成型温度时间的视窗硫化仪振荡运动流变德弗粘度计压缩运动振荡运动门尼粘度仪柱塞式毛细管流变仪（ PC R）稳定的旋转运动柱塞，测量用毛细管，环形或宽缝模，口型膨胀挤出毛细管流变仪（ EC R）挤出机，测量毛细管，环形或宽缝口型/旁路，预剪切口型膨胀静态粘度和弹性特征与温度和剪切速率有关。均匀塑化胶料的静态流动性能不能预测生产时的加工性能行为。
挤出试样ECR旁路挤出冷喂料挤出机32 mm /12 D矩形断面、表面和边缘螺杆直径小、传送时间长利于塑化，口型断面小，自身加工能力好伽维口型或管形唇口口型挤出热喂料挤出机不能确切了解生产时的加工情况在ASTMD 2230所述的挤出试验方法中，用辊筒式开炼机，直径50 mm、长径比（ D）至少为5的热喂料挤出机及的伽维（ Gar vey）口型以恒定的挤出速度挤出型材试样。试样挤出后，用几种质量参数（如表面质量、孔洞率、楔形端部情况及口型膨胀）来评价型材的质量。伽维口型的断面是梯形，由一个矩形和一个楔形连接在一起构成。
应用伽维口型方法来表征加工性能有其局限性，因为螺杆速度不能改变，并且在机筒中缺少销钉或其他混炼组件。伽维试验的加工状态与当今现在使用的挤出机上的加工状态的相关性很差。采用热喂料工艺是它与现代加工技术的主要区别。预热一般在双辊开炼机上进行，这对胶料的加工性能有积极的作用。此外，由于该挤出机自身结构的特点及相对于螺槽而言较小的口型面积，使其能够确保胶料的均匀塑化，而生产设备则做不到这一点。这些问题使得伽维试验不再适合于预测大规模生产胶料的加工性能。对这种试验方法进行优化也不会起作用，因为开口面积较小，产生的挤出压力较大。
拜耳公司开发了一种管形唇口口型来代替世界橡胶工业伽维口型。用这种口型挤出时，可以很好地观察挤出试样的尺寸稳定性、表面质量及边缘填充情况。但是采用的还是原来的挤出机，所以预计塑化也能很充分，胶料很均匀。
挤出毛细管流变仪（ ECR）由挤出机和开有旁通口的口型组成，利用旁通口可以在不改变挤出状态的条件下调节口型的流速。口型上装有压力表和温度传感器，用于确定被挤出胶料的粘度。该挤出试验仪上的口型轮廓是矩形的，边缘上呈圆形结构，这样除了能获得流变数据外，还可对型材质量，如边缘形状和表面粗糙度进行评价。由于该试验装置主要是为测量粘度数据而设计的，所以这个直径为32 mm的冷喂料挤出机有一个长长的塑化区（ 12L /D）以确保挤出物的均匀性。采用这种长度和直径的螺杆可以确保较高的输入功，从而使挤出物的质量保持良好，所以不适用于研究加工性能。
综上所述，现有实验方法不能在实验室水准上以（半）定量的方式，达到预测工业用挤出胶料加工性能的目的。
加工性能的定义由挤出的型材可以判断胶料的加工性能，判别因素可归纳为如下几条：尺寸精度表面质量有无气孔塑化均匀性，即温度均匀性在加工温度下型材的挺性室温下表面的粘性对预硫化胶团的敏感性。
同时，挤出过程也会影响胶料的性能，如：聚合物链发生降解各向异性的程度型材硫化后的力学性能。
至于尺寸精度，则与下列几个参数有关：挤出膨胀挤出后型材收缩型材边角形状小唇口区的填充情况对上述各参数不能不考虑其他参数而单独进行研究。接着，在试验中对以下决定加工性能的参数进行了研究，因为它们在很大程度上覆盖了所定义的加工性能：均匀性（从极不规则到平滑）孔隙性（从许多大的气泡到无气泡）表面质量（从毫无光泽到桔皮状直至表面光亮）边缘形状（与口型边缘形状匹配的能力）唇边填充情况（从型材上大的连续不断的撕裂到唇边填充完好）为了描述胶料的实际加工性能，将所选的加工参数分为1到10级， 10代表好。
加工性能试验机的工作原理早期的研究已明确了冷喂料挤出机机筒螺杆结构与型材质量的关系。机筒/螺杆结构中的混炼元件越多，则型材质量越好。混炼元件有可能是销钉挤出机中的销钉，也可能是挤出机中的传递混炼区或者诸如阻断螺杆之类的特殊螺杆结构。研究还表明，通过节流作用而使输入被挤出胶料中的功越多，则均匀性越好。通过增加一个或多个返炼步骤来增加胶料混炼过程中的输入功，可以大大提高挤出胶条的均匀性。而且，增加混炼过程中的输入功还可以大幅度提高炭黑的分散程度。
一般认为，冷喂料挤出机的塑化效率较差，这是因为：1.螺杆长度较短2.混炼元件少3.产生的压力小。
所以，用冷喂料挤出机挤出时产生挤出缺陷的机会很多，如不均匀、边缘撕裂或起皱。在设计加工性能试验机时应用了这一原理，即采用一种塑化性能较差的挤出机，再结合使用一个从结构上易于反映流动缺陷的口型，可以使任何加工性能问题都暴露出来。显然，用于测定加工性能的材料越少越好。
测试装置文中报道的加工性能试验机以螺杆直径为60 mm的销钉式挤出机为基础。螺杆转速可在加工性能试验机之间持续变化。与常用的销钉挤出机相比，其螺杆很短（长度为10 D）。
机筒上多可安装4排销钉。销钉浸入的深度及排数都可调节。操作区域被分成4个温度控制段。该装置上配备有扭矩、温度及压力传感器，所有这些传感器都与一台个人计算机相连，在测试过程中可连续记录数据。图2示出了该方法的原理。
这种加工性能试验机的指标是经过多次实验后确定的，其中包括确定适当的螺杆长度，恰当的销钉配置及与螺纹沟槽深度相匹配的销钉长度。在这里使用了两种胶料，一种是正常胶料，不会产生任何加工问题，而另一种胶料则极难加工均匀，就加工性能而言，它涵盖了所有胶料。试验了以下螺杆长度： 14D， 10D和8. 5D.
销钉配置在0～100销钉占位数之间变换，销钉长度在总螺纹沟槽深度的0～89之间变动。对螺杆速率及温度控制的设定也进行了调整。在我们的定性试验中所采用的挤出机指标超出了正常加工时所采用的变化范围。
螺杆长度和销钉配置结果图见图3.由图可见，由于销钉的几何配置可以调整，所以用一台挤出机可以测试的加工性能范围较宽。结果发现，螺杆速率是影响加工能力范围的敏感参数。然而，温度设定对加工能力的范围影响并不大。
这些初步的实验表明，该加工性能试验机能够覆盖轮胎生产用胶料的整个加工性能范围。螺杆速率和销钉配置对加工能力的确有重大的影响（如图4所示）。图4表明，在同一台设备上，一种加工性能很差的胶料可以被加工得很均匀，而一种很容易加工的胶料也可能产生不均匀问题。
所选的加工性能试验机口型示于图5，它为哑铃形，两个矩形断面通过中间的窄桥连接在一起，矩形的外侧连着细长的三角形或唇口，每个唇口的形状都不同。每个三角形的上齿面世界橡胶工业上可设标记物。每个三角形都取向于窄桥的方向。就挤出机的尺寸而言，口型断面的总面积是相当大的。这种尺寸设计使胶料流经口型后产生的压力损失较少。该口型的特点是有宽大的平面区，各个矩形角都呈辐射状。
试验方法加工性能试验机运行平稳后做3 min的记录。试验过程中在口型后面小心切取300 mm～500 mm的试样进行分析。挤出试验主要是在对产品质量起关键作用的区域进行。销钉配置和温度设定是基本试验条件，而螺杆转速则是一个可以快速无限调节的变量。在特定的基本条件下，若螺杆速率发生变化会使试样从合格的型材转化为有缺陷的型材。这些特殊的基本条件是经过特殊组合的。
试验方法应分为以下几类：1.对于一种特定的胶料，应确定适当的温度设置和销钉配置，从而在螺杆速率范围内找出其均匀性或其他挤出性能的转换区域。
2.了解了基本试验条件后，加工试验中可进行一种转速或二种转速的测定。在已知的螺杆转速下，即在发生转变的转速下或在研究中所采用的两个临界螺杆转速10 r /min和下测试胶料的加工性能。
只有试验新胶料时才需要进行上述步的试验。在下列情况下可以忽略步试验：比较已知胶料的批次间变化特定批次的胶料与其已知的对照胶料相比较比较一种胶料的变化，在该组胶料中有一个对照胶料是已知的不同胶料间进行比较，在该组胶料中有一个参照胶料是已知的。
由于加工性能系由许多参数来表征，所以用雷达辐射图形适合展示胶料的加工性能。
产品的质量特征置于图的右侧，加工条件则安排在图的左侧。所有参数都在0～10之间进行了规范，质量参数的值越高，则产品质量越好。
加工参数及其标准偏差经规范化处理后，用10代表大值。雷达图中的曲线围成的表面表明了胶料加工性能的特征，一眼就可看出胶料加工性能的好坏。因此，图上右侧的面积越大，则胶料的加工性能越好。
线，黑色和灰色的表面分别表示两种胶料的差别。
适用性试验通过对前言部分中所阐述的加工性能问题（轮胎胶料）进行试验，来验证加工性能试验机的适用性。此外，还试验并研究了混炼段数、混炼方法、硅烷化程度、助剂（一种塑解剂） ，聚合物质量波动及批次变化对加工性能的影响。文中列示了挤出物的照片及加工性能试验机的试验结果。
2段混炼胶料和3段混炼胶料的比较比较了两种配方相同（ N R/SBR/BR 50 / 30 /20）的并用胶料，其中含有大量的炭黑N330和芳香油，一种胶料经2段混炼，另一种胶料经3段混炼（加上返炼步骤）。两种胶料的门尼粘度只有微小差别，分别为50和48 [M L（ 1 4）100°C].图7为挤出型材的俯视图。在加工性能试验机两种操作条件下比较了2段混炼胶料（左栏）和3段混炼胶料（右栏）。操作条件的差别主要是销钉排数不同。图中上排是销钉少时挤出的型材，而下排则是销钉多时制得的型材。
从中可看出型材上有皱纹及波形纹， 2段混炼的胶料上更明显。这些现象是胶料不均匀的特征。在所有试验中，型材表面都具有相同的结构，即一种波面洗衣板结构。3段混炼胶料的这种洗衣板结构的强度明显下降。另外，多加一段混炼后，唇口填充情况也略有改观。两种胶料的加工性能在图6的雷达辐射图中示出。显然， 3段混炼胶料挤出的型材中不均匀分散固体粒子加工性能试验机的数量明显减少，口型膨胀降低，表面质量改善，均匀度提高，且边缘成型及唇部填充状况也较好，但气孔要比2段混炼胶料的多。此外，在相同的加工条件下， 3段混炼胶料的流动速率要高于2段混炼胶料。
混炼方法对加工性能的影响比较了配方相同、用途相同，但混炼方法不同（在段混炼中一种是正常混炼，一种是逆向混炼）的两种胶料。胶料中生胶为并用比达80 /20的NR /BR并用胶，填充大量的N330炭黑，含油量较低，但含有补强性树脂。两种胶料右。与正常混炼的胶料相比，逆向混炼胶料的粘度高约10个门尼值。图8所示的型材照片表明，正常混炼胶料的型材表面呈桔皮状，而逆向混炼胶料的表面则很粗糙。逆向混炼胶料的挤出物口型膨胀较大，表面质量和唇边填充较差，但均匀性较好。这两种胶料的加工性能有几个方面是不同的，不能说哪种胶料的加工性能更好一些，图9的雷达辐射图是两种胶料加工性能的量化表示。
表示，由两者得到的结论是一致的，但由加工性能试验机获得的雷达辐射图能给出更的结论。
硅烷化的影响研究了一种填充白炭黑的胶料在不同混炼阶段，其硅烷化程度对其加工性能的影响。随着混炼的进行，胶料的门尼粘度从99 [M L（ 1 4） 100°C]下降到50，这是发生硅烷化反应的结果。随母炼胶硅烷化程度的提高，终胶料的均匀性和挤出物表面质量明显改善，但口型膨胀和唇部填充性能达到了大值（参见该图也得出了相同的结果。
世界橡胶工业性能雷达辐射图加工助剂的影响加入加工助剂可改善胶料的加工性能。加工助剂（内部润滑剂类）的用量为这种胶料的一般用量。加入加工助剂后粘度降到53.将含有加工助剂的胶料与对照胶料进行了对比。挤出物照片示于图12，雷达辐射图示于图13.该图清楚地表明，加工助剂明显改善了口型膨胀、表面质量和均匀度，但边缘形状和孔隙度只有轻微改善，挤出物唇部填充情况没有发生变化。此外，加入加工助剂后，机头压力和挤出物温度下降，这一点不难理解，因为加工助剂可大大降低胶料的粘度。相比之下，加入加工助剂后生产效率大大提高，这表明加工助剂可能起着内部润滑剂的作用。
雷达辐射图这些结果表明，文中所报道的加工性能试验机是鉴别加工助剂类型的灵敏仪器。
塑解剂的影响为了了解塑解剂对N R /SBR /BR并用胶料塑炼效果的作用，对添加塑解剂和不加塑解剂的胶料进行了对比。塑解剂能够促进分子链的断裂，降低N R的相对平均分子量。塑炼后，相对分子量分布变宽，而且分布峰向低相对分子量的方向偏移。研究中所用的胶料加入塑炼助剂后，门尼粘度下降了17.由加工性能试验机进行的试验证明，加入塑解剂后胶料的均匀度得到改善，口型膨胀增大。比较图14的照片可能得到初步的结果，图15则反映了胶料的加工性能特征。尽管表面光泽度大大降低，但表面桔皮特征也大为减少，表面质量改善，而且质量流速也更易提高。边缘形状，唇部填充情况及孔隙度没什么差别。
聚合物质量波动的影响众所周知，不同厂商生产的聚合物用于生产胶料时，会使胶料的加工性能产生轻微的变化。即使聚合物的质量指标相同，胶料的加工性能也会产生波动。而且，聚合物批次不同也可能会使胶料的加工性能产生波动。研究中比较了加工性能试验机两个不同厂商生产的相同的对胶料加工性能的影响。所用的胶料是典型的轿车子午线轮胎胎侧胶料，生胶为N R /SBR和BR并用胶。
两种BR（ BR1和BR2）分别由两家厂商提供，据说两家采用的催化剂相同，所以应当是可以互换的。门尼粘度仪的测试结果表明，采用BR 2的胶料，门尼粘度要低5.图16示出了挤出型材的俯视图。左侧是含BR1的胶料挤出物，右侧是含的胶料。含BR2的胶料的挤出物上皱纹较少，唇部填充情况也较好，但两种胶料的表面质量相当。图17的雷达辐射图也反映出了胶料加工性能的差别，含BR1的胶料更易产生不均匀现象，边缘和唇部成型状况不好。
生胶变化对孔隙度、表面质量及口型膨胀未产生影响。另外，使用BR2时，测得的生产效率较高。这一实例表明，加工性能试验机可以展示，并放大实际生产中由原材料变化引起的微小的加工性能的变化。
讨论预计均匀性与机头压力波动有关，至少在某些方面是如此。图18示出两种胶料挤出时，挤出机机头压力随时间的变化，该图所示的是比较2段和3段混炼的同一配方胶料的情况。
挤出物的照片示于图7，雷达辐射图示于图6.
挤出2段混炼的胶料时，机头压力波动明显较大。这可解释为3段混炼胶料的输入功较多的缘故。混炼过程中输入功多，则混炼充分，从而使胶料的均匀性提高。均匀性或加工性能与扭矩波动之间的相关性尚未能得到证实。
这样的话，预计胶料加工过程中输入功较多也会使均匀性提高。图19为加工试验机试验过程中均匀性与比输入功的关系图。比功是可以改变的，比如通过改变口型形状或螺杆结构就能实现。从图19可以得出比输入功增大，则均匀性稍有提高的结论。
边缘形状和唇部填充情况也许与胶料温度波动和/或温度梯度有关。低温及大的温度波动可能会对唇部填充情况和边缘形状产生不利影响。但是在几个加工性能试验中未发现证明存在这种关系的证据。
变化（见图6和图7）匀性与比功的关系结论和展望研究表明，用一台可调节的仪器可以覆盖所研究胶料的整个加工性能范围。比实际使用的挤出机的螺杆短、机头压力小的挤出机的塑化能力很差是文中报道的加工性能试验机的主要工作原理。
另外研究还表明，加工性能试验机对于实际生产有很强的实用性。采用这种试验方法，配（下转48页）世界橡胶工业这可由常规试验和计算机模拟方程式的数据证实之。若硫化胶结构化较降解占优势，会导致剪切模量略微提高。
2′）和150°C（ 3， 3′）于松弛仪恒温室中老化时的损耗角正切值（ 1～3）与动态剪切模量（ 1′～3′）的动力学关系曲线当温度为120°C时，经一定时间老化G′下降，力学损耗增大（见图4，曲线4及4′）。这是由于与结构化相比，硫化胶降解占优势所致。当老化时间再延长时， G′还会增大。
后，在150°C时的老化早期阶段，与在下长期老化的结果相仿，开始时剪切模量略微下降（曲线3） ，然后升高。在整个研究时间范围内可观察到G′及tgδ之间变化的相关性，即在老化初期曲线G′的小值相应于tgδ的大值而在老化后期G′及tgδ均增高。
结论1）采用扭摆仪的松弛谱方法可以在气体介质中定量地评估胶料的硫化动力学。此种方法可得到与公司的新硫化仪RPA 2000相同的信息，而在试样上不施外力及压力。特别是证明了，当环氧化天然橡胶胶料硫化时，其温度范围比天然橡胶的温度范围狭窄。同时还证明了，在天然橡胶中加入炭黑会缩短硫化诱导期、提高硫化胶的热稳定性在主要周期的上半段完成硫化时，交联度低的硫化胶的力学损耗大。
2）可用松弛谱方法研究橡胶热氧老化动力学。对于天然橡胶来说，在120°C和150°C下老化时，剪切模量及力学损耗的变化较为复杂（在起始阶段剪切模量降低、损耗增加，随后剪切模量增大，损耗略微下降，后又上升）。
[参考文献]（上接34页）合剂或混炼方法（顺序）对型材质量的影响可以清楚地测量出来。由配方相同，但混炼方法不同或采用由聚合物生产商提供不同的胶料进行的研究清楚地表明了该加工性能试验机的优点。
用文中介绍的方法进行的比较试验清楚地展示了塑解剂和加工助剂的影响。因此，加工性能试验机是一种极有前途的仪器，适用于筛选配合剂和开发胶料的试验，以及可以迅速消除或避免轮胎生产中存在的加工性能问题。该加工性能试验机可能也适用于工业橡胶制品，如电缆和型材等的加工。
[参考文献]世界橡胶工业
