汪傳生,祝衛國(青島科技大學,山東青島 266042)
作者簡介:汪傳生(1960-),男,安徽安慶人,青島科技大學教授,博士,主要從事高分子材料加工技術、裝備及機電一體化的教學和科研工作。
要提高橡膠制品的加工質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價混煉設備性能時,混煉膠的質量是重要的衡量標準之一。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力來評價混煉膠質量。這些評價方法只是根據混煉膠性能間接衡量其質量,會受到原料性質的波動、配合劑計量的誤差等與實際混煉工藝和設備無關的因素的影響。
混煉膠的質量與炭黑粒子分布的均勻性有關,已經證實在膠料耐磨性與填充劑分散度之間存在著一定的相關性[1]。炭黑在混煉膠中的分散度是直接衡量膠料混煉質量及評價混煉設備性能的標準[2],因此對炭黑分散度的測定應給予特別重視。
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體尺寸盡量減小及填充劑實體間分布均勻,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體的尺寸分布(強度因子)和實體間的距離分布(展度因子)。由于橡膠工業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。
按帕爾默格倫對混煉過程的分析,5個階段中的分散和分布混煉起著至關重要的作用[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。混煉膠的性能不僅與炭黑的分散情況有關,而且與其分布情況有關[6,7]。因此,評價混煉效果應該從分散和分布兩個方面綜合進行。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
無論是根據未硫化膠物理性能進行判斷的估算法(如測量門尼粘度、擠出收縮率)還是電阻法(如采用數字靜電計、韋斯頓式785試驗機),都是根據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確地評價混煉效果。
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,但有一個優點是肯定的,即訓練有素的操作人員能夠根據觀察到或拍攝到的圖像判斷膠料中炭黑的分散度。操作人員的判斷標準可以綜合分散、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學語言加以表述,并綜合成一個分散度判斷模型,并可以此改進分散度自動測量裝置,相當于建立一個“分散度測量專家系統”。
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量,即其測量值只是對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)和光學法(暗視場反射光學顯微鏡法)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)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的平均值,因此只反映了分散情況。
2·2·4 改進的顯微照相法
瑞典Optigrader公司的Dispergrader法是一種能夠自動判別膠料中炭黑分散度的方法,其原理也是顯微照相法。但使用中發現,該儀器對同一膠料的多次重復測試會判定出不同的分散等級。該法判別標準采用菲力浦10級標準,適用性較差。它單純以圖像上白色亮點的個數和面積來判定炭黑的分散度等級,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部分的影響,存在對三段混煉膠料炭黑分散度等級判斷不準確的現象[9]。例如,試樣原始圖像中有氣孔,如圖2(a)所示,而用該儀器作二進制圖像轉換后的圖片如圖2(b)所示,顯示為炭黑團大粒子,最后Dispergrader法定為3.2級,使級別偏低;又如試樣原始圖像中有較大凸起顆粒,如圖3(a)所示,而用該儀器作二進制圖像轉換后的圖片如圖3(b)所示,大顆粒未顯示出來,最后Dispergrader法定為6.8級,使級別偏高。在Dispergrader法的實際操作中,上述試樣只能靠人工剔除,因此對人的依賴性較大。
國內研究者在炭黑分散度測定方面也做了大量工作[8,1014],創立的分散度鑒定方法雖然也是以顯微照相法為基礎,但引入了圖像處理技術,能合理確定原始圖像轉換為二進制圖像時的閾值,對某些圖片進行切割,以除去圖片中氣孔、氣泡及雜質等。度量標準計算考慮了顆粒的直徑和面積,但在計算模型中主要以顆粒的數量和面積來計算。有的計算模型在初期引入了較少的分布信息,但是隨著計算的深入,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果均不能綜合反映分散及分布水平,這也是造成測定結果不穩定的原因之一。
(2)顯微照相改進法中引入的圖像處理不充分,使后續計算結果出現較大偏差。
(3)測定標準固定,不能根據膠料配方及混煉工藝的改變做出相應調整。在混煉設備研制與評價中引入錯誤信息。
(4)評價模型的信息量小,不能充分反映獲取圖片所攜帶的信息。
4 改進方案
針對以上分析,提出如下改進途徑。
(1)顯微照相法(包括改進顯微照相法)是一種綜合測量分散及分布效果的有效方法,對顯微照相法進行改進是改善分散度測定方法的方向。可以通過建立數學模型計算的方法對其進行改進。要提高設備的自動化程度,就必須降低設備對人的依賴程度。因此新型的分散度測定方法應該進一步降低對操作員和試樣制作的要求。
(2)運用顯微照相法時,應采用彩色攝影來獲取彩色圖像,這樣可以對采用染色處理的試樣(如研究橡塑共混的試樣)進行測定,擴大儀器的適用范圍。
(3)顯微照相法獲取的圖像在分析和測定取值前必須進行圖像處理。因為在試樣的制作過程中會不可避免地引入一些瑕疵,如刀痕、空穴等。對圖像進一步處理可以降低分散度測定對操作者的依賴性。
(4)在對圖像進行二進制圖像轉換前也必須進行處理,例如,進行去背景、去噪聲、調節對比度等操作。混煉膠試樣的表面放大圖像如圖4所示。處理時應特別注意閾值的確定,不適當的閾值將會直接影響測定結果(如圖5所示)。
(5)計算模型中應包含“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)。因此判定分散度時應將混煉膠的分布情況計算在
內,引入“分布因子”或在測定分散指數外再給出分布指數。
(6)借鑒LM分散度計算法的原理,分散度等級的標準應在國家標準的基礎上設置新的計算標準。計算標準應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準的基本信息,又能根據生產實際情況靈活多變。
5 結語
混煉膠中炭黑分散度的測定過程是一個信息的獲取過程,也就是從圖像(信宿)繁雜零亂的原始信息中提取我們所關心的信息,以揭示炭黑分散的本質和規律。對原始信息應該進行分門別類、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,從而找出其必然聯系,使炭黑分散度真正成為衡量混煉效果的標準。
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