计算机模拟 AEM 系列聚合物的挤出过程王进 译，杨柳 校（株洲时代新材料科技股份有限公司，412007）AEM 系列聚合物（杜邦 Vamac 牌号系列乙烯- 丙烯酸酯弹性体）商品化已经 30 多年了硫化AEM 聚合物具有均衡的各项性能，包括（参考文献 1）：·耐热温度大于 175℃；·良好的耐低温性能（-45℃） ；·良好的耐传递液和燃油性能；·良好的阻尼性能；·低压缩永久变形性能；·优异的 CSR 检测特性；采用硫化 AEM 聚合物生产的部件在汽车领域得以应用，如：·涡轮增压器软管；·燃油管封盖；·传递液冷却器软管；·传递系统密封和垫圈；·引擎系统密封与垫圈；·摇摆式减振器多款 AEM 聚合物均为三元共聚物，由乙烯、甲基丙烯酸酯和可原位硫化的酸性单体聚合而成，硫化采用二元胺分两步完成，即先加压硫化，再进行一个相对更长时间的后硫化某些 AEM 聚合物为二元共聚物，由乙烯和甲基丙烯酸酯共聚而成，这些二元共聚物通常采用过氧化物硫化，并不需要后硫化软管挤出过程软管是 AEM 系列聚合物的重要产品，并通常采用挤出成型一种典型的软管结构为 AEM 聚合物制成的内置软管配以玻纤增强层再外加 AEM 聚合物覆盖层。
具有该结构的器件内管和外层均由挤出制得挤出机的设计和操作对于生产高质量软管是至关重要的热塑性材料的挤出过程模拟挤出机广泛应用于生产各类产品，包括膜、软管、线、电缆及其它制品，大多数挤出机均用于生产热塑性产品而不是类似橡胶的热固性产品当前挤出机技术的发展大多集中于热塑性产品领域热塑性材料挤出工艺过程的计算机模拟已经有了一段时间并在不断改进中模拟热塑性材料挤出工艺过程的优点在于其加工过程无须热塑性材料的硫化反应发生热固性材料硫化过程中，体系黏度迅速增加，在该情况下如若挤出过程意外焦烧，黏度的增加将导致局部温度过高温度越高硫化速率越快进而导致黏度进一步增加有硫化反应发生的挤出工艺过程模拟是相当困难的热塑性材料的计算机模拟工艺过程需要输入如下信息：·挤出机的整体长度和直径；·螺杆的设计，-- 螺纹深度-- 螺纹间距-- 螺纹宽度·材料的流变曲线（黏度与剪切速率） ； --工艺过程中几个典型的不同温度值--挤出过程的典型剪切速率·材料的物理和热性能-- 密度-- 热焓-- 导热率·螺杆转速（rpm）·料筒温度曲线由于 AEM 系列聚合物包含硫化剂，属于非热塑性材料而对于计算机模拟而言，所用材料均不含硫化剂，因此 AEM 系列聚合物被视为热塑性，这是热塑性材料模拟过程一个基本假设。
而实际 AEM 系列聚合物均含有硫化剂，其加工过程比不含硫化剂的体系更加困难本研究所采用的计算机模型是 Compuplast 公司的 Flow 2000，该模型输出众多，包括：·生产速率·熔融温度曲线-- 沿螺杆长度方向的平均温度，-- 螺纹内的平均温度，·沿螺杆方向的压力曲线·能量输入与输出·停留时间流变学数据研究了两种不同 AEM 聚合物，各自的成分如表 1 所示两种材料在 100℃是的门尼黏度 ML1+4都约为 40MU表 1 材料流变性能测试不含硫化剂 含硫化剂AEM G 100 100N550 碳黑 50 50硬脂酸（释放） 1.5 1.5磷酸烷基酯（释放） 1.0 1.0十八基胺（释放） 0.5 0.5受阻胺 AO 2.0 2.0HMDC 硫化剂 - 1.5DOTG 促进剂 4.0 4.0总份量 159 160.5采用毛细管流变仪研究材料分别在 80℃、100℃、120℃时黏度与剪切速率的关系（该流变仪长径比为 30 比 1，长度为 30mm，孔为 1mm,样品测试之前预热 6 分钟） AEM 聚合物典型的挤出温度范围为 60-90℃该模型利用这些数据去假设材料在低温、高温以及低剪切速率和高剪切速率下的黏度，不含硫化剂材料的流变学曲线如图 1 所示。
含硫化剂材料的流变学曲线如图 2 所示测试过程中，开始材料发生硫化，因此流变曲线是非平滑的测试程序的起始和结束剪切速率都是 50 秒 -1，所以，两个值应该非常接近—--除非材料开始硫化，含有硫化剂的材料的主要不同点在于其在最高温度 120℃时检测出最高的黏度这与热塑性材料黏度随温度升高而降低形成鲜明对比图 1 不含硫化剂的 AEM G 材料的黏度与剪切速率关系曲线纵坐标：黏度 Pa·s 横坐标：剪切速率 s-1图 2 含硫化剂材料的黏度与剪切速率关系曲线纵坐标：黏度 Pa·s 横坐标：剪切速率 s-1注：与预测接近，黏度随温度的升高（由 80℃提高到 100℃）而下降但是，随温度继续提高（由 100℃提高到 120℃） ，黏度反而提高，这是没有预测到的，可能是由于焦烧的原因为便于对比，含有和不含有硫化剂材料在 80℃和 120℃时的黏度曲线如图 3 所示，在 80℃时二者的流变学曲线是相同的，然而二者在 120℃时的流变学曲线却有显著差异毛细管流变仪在三个不同温度点的测试结果表明加工过程中避免温度过高的重要性，对于 AEM聚合物而言，过高温度点为 100℃。
这些结果与该硫化体系配方材料在 121℃的门尼焦烧测试的结果是一致的螺杆设计对于单螺杆挤出机而言可选用的螺杆设计有几种，本研究对通用型（GP）橡胶螺杆和排气螺杆（图 4）的结果进行比对通用型螺杆具有相对较低的剪切速率和相对更高的产能，排气螺杆的齿前有一段为高剪切速率，高剪切段提供了额外的共混进而改善混合的均匀性，并在排气阶段产生一熔融密封区间而形成真空然而，操作者通常不使用排气功能图 3 在 80℃与 120℃下含与不含硫化剂材料的黏度与剪切速率关系曲线纵坐标：黏度 Pa·s 横坐标：剪切速率 s-1注：含有和不含有硫化剂材料在 80℃的基本流变性能相似然而二者在 120℃时的流变学曲线却有显著差异图 4 通用螺杆与排气螺杆对比图注：排气螺杆的中间部分有高剪切区域如果材料在挤出前充分混合，可以不使用排气螺杆排气螺杆为改善材料混合不均匀问题提供了一些安全保障AEM 材料推荐的螺杆是用来实验设计的，而不是推荐排气或其它混合用螺杆主要原因是 GP 螺杆没有高剪切段，不能形成高温和产生可能出现的焦烧问题计算机模型—通用型螺杆与排气螺杆对比计算机模型的建立是依据通用型螺杆与排气螺杆的尺寸以及不含硫化剂材料的流变学数据。
这几乎是限制温度的增强最有效方式挤出机的尺寸基于一台 38mm 实验挤出机，该挤出机长径比为16 比 1，安装有通用螺杆或排气螺杆沿螺杆方向的温度设置为 80℃，转速设置为 45rpm恒定生产效率—通用螺杆对比排气螺杆第一轮模拟研究采用通用螺杆并监视过程温度在如上所提及的情况下，螺槽内的最高平均温度为 104℃并出现在出口处，螺槽内位于出口位置的最高温度是 116℃这是考虑焦烧可能性时相对最高温度表 2 产能恒定为 15kg/h通用螺杆 排气螺杆转速 45 70平均温度，℃ 104 115峰值温度，℃ 116 132表 3 转速恒定为 70 rpm通用螺杆 排气螺杆生产效率，kg/h 20 15平均温度，℃ 110 115峰值温度，℃ 128 132平均停留时间，秒 48 7090%材料通过时间，秒 67 101表 4 生产效率从 9~20kg/h 变化（通用螺杆）转速 25 45 70产能，kg/h 9.1 15.1 20.0平均温度，℃ 91 104 110峰值温度，℃ 99 116 128第二轮模拟研究采用排气螺杆为了获得与 GP 螺杆相同的产能（kg/hr） ，速度提高到 70rpm。
排气螺杆螺槽内的最高平均温度为 115℃，最高温度是 132℃并出现在高剪切段实际上，如此高的温度可能引发焦烧问题结果见表 2恒定转速--通用螺杆对比排气螺杆接下来的模拟研究监视并恒定螺杆转速为 70rpm结果如表 3 所示，加工过程中两宽螺杆的实际温度均明显增加，但材料通过排气螺杆的时间更长，升高的幅度更大两款螺杆在高转速情况下均将出现焦烧现象，但使用排气螺杆时焦烧现象更加突出材料在通用螺杆中的停留时间比排气螺杆要短，其原因致意在于前者具有更高的生产效率仅用通用螺杆----生产效率对温度的影响接下来的模拟研究以通用螺杆为对象，考察生产效率对过程温度的影响螺杆转速分别设定为25、45 和 75rpm，不同转速下的生产能力分别从 9 公斤/小时增加至 20 公斤/小，生产效率的增加导致温度曲线产生重大差异，如表 4 所示图 5 计算机模拟—通用螺杆温度与生产效率关系曲线纵坐标：温度℃ 横坐标：产能 kg/hr■平均温度 □峰温生产效率较低时，焦烧的风险相对较小，平均温度远低于 100℃，最高温度接近 100℃然而当生产效率增加一倍时，温度曲线明显发生变化并显著提高了焦烧问题的严重程度。
该材料不含有任何硫化剂，如果添加硫化剂，其黏度和温度与非硫化剂体系相比明显增加图 5 所示为通用螺杆温度与产能产系曲线计算机模拟与毛细管流变仪测试结论·毛细管流变仪测试表明温度，当 100℃以上采用 AEM 标准硫化体系时可能会导致材料出现焦烧·计算机模拟结果表明，在相同生产效率下通用螺杆的温度要明显低于排气螺杆，导致这一结果的部分原因在于通用螺杆具有耕地的转速·计算机模拟结果表明，在相同螺杆转速下通用螺杆的生产效率较排气螺杆高，但可预测的温度却要低·产能提高一倍将导致螺杆温度显著增加，即使对于通用螺杆也是如此，某材料在某特定生产效率点时可能不会发生焦烧现象，但当生产效率提高时可能出现严重焦烧现象通用螺杆与排气螺杆的挤出实验开展挤出实验以进一步验证计算机模拟得出的结论其中的部分条件在实验过程中得以改变：·螺杆类型—通用螺杆与排气螺杆·温度曲线—相对较低对比相对较高·材料类型—相对低黏度、低焦风险烧材料对比相对高黏度、高焦烧风险材料·螺杆转速—四种不同档次，从低到高图 6 温度设置流程图-挤出机温度曲线L/D 为 20/1（63mm，即 2.5inch） ，Davis 标准挤出机配置十字花模头和开模装置。
料斗↓挤出机---------------------------------------→十字花模头1 区 2 区 3 区 4 区 ∣喂料 ∣←测温∣调节开模速度↓管子1 区 2 区 3 区 4 区 模头低温： 45 50 55 60 65高温： 45 55 65 75 85挤出实验在 63mm Davis 标准挤出机上进行，其长径比为 20 比 1，但这并非计算机模型所基于挤出机在系列挤出实验中，均挤出一支 9.5mm 长，壁厚为 1.5mm 的试管，模头采用十字交叉模头，这点并不为计算机模型所规定通过十字模头时材料的温度显著增加工艺过程结构示意图如图 6 所示其中包括相对低温和相对高温背景下的温度曲线，同时也显示出当材料通过十字模头，挤出机各位置温度下降情况。
本实验中使用了两款不同的材料（表 5） 第一种源于 AEM GXF 和一旨在改善材料流动性的硫化体系，在该情况下材料的基本无焦烧现象第二种源于 AEM HVG（高黏度）和一标准硫化体系，AEM HVG 材料使用之前所述计算机模拟工作相同配方体系，除了其所用的材料为 AEM HVG 而非 AEM G（材料的黏度从 40 增加至 65MU） AEM HVG 材料相对于 AEM G 更倾向于出现焦烧现象，原因在于聚合物的结构不同，且其硫化体系更加激烈两款材料均含有增塑剂32 种不同挤出状态得以运行（两款螺杆。