白炭黑/炭黑混合填料补强仿生橡胶的性能

白炭黑/炭黑混合填料是近年来发展最快的一种新型橡胶材料补强剂,主要用来改善橡胶材料的动态性能.为了探究混合填料比例和密炼工艺对仿生橡胶动静态力学性能的影响机制,设计了两组实验:(1)固定密炼时间为6 min,采用不同混合比例的白炭黑/炭黑填料填充仿生橡胶,并对其分散、拉伸、疲劳及滚动阻力等性能进行系统研究.结果表明,当白炭黑在填料中的质量分数<50%时,随着白炭黑质量分数的增加,硫化胶拉伸强度显著下降,这是由于混合填料引起的分子链最大交联程度下降所致.进一步增加白炭黑含量,硫化胶的拉伸性能变化不明显,但分散等级由约1级提升至约9级,填料团聚体尺寸的减小使硫化胶的断裂伸长率和伸张疲劳寿命显著提高.(2)在固定混合比(填料中白炭黑的质量分数为75%)条件下,研究了密炼时间对硫化胶动静态力学性能的影响.结果表明,在2~10 min密炼时间范围内, 4 min密炼即显著提升拉伸强度、 300%定伸应力以及断裂伸长率,同时降低滚动阻力.主要原因是此时分子链的最大交联程度较大,分散等级和分散度较高.进一步延长密炼时间(6~10 min),填料在橡胶中易发生重新聚集,聚集体平均粒径增大且分散度下降,对橡胶的动静态性能会产生负面影响.

炭黑N134在不同橡胶基体中的分散及其混炼工艺调控

以炭黑N134作为填料,对比了异戊橡胶、丁苯橡胶及仿生橡胶3种体系下混炼工艺对硫化胶性能的影响,并针对仿生橡胶体系炭黑分散度低的问题,对混炼工艺进一步优化,从而提高分散度和动静态性能.结果表明,在所研究的密炼时间范围内,随着密炼时间的延长,异戊橡胶体系和丁苯橡胶体系的分散等级由原本的1级左右提升至6级以上.但延长密炼时间并未明显提升仿生橡胶体系的炭黑分散度.针对该问题引入塑炼和包辊工艺,仿生橡胶炭黑分散性明显提高.随炭黑分散等级的增加,3种橡胶体系的伸张疲劳性能均得到了较大改善.其中仿生橡胶生胶经塑炼后,门尼黏度和重均分子量均明显下降,表明塑炼对于增强胶料的加工性能有明显作用.相同炭黑混炼时间下,随着塑炼时间的延长,硫化胶佩恩效应也增强,这主要是由于炭黑分散程度的提高使得炭黑与橡胶基体的有效接触面积增加,进而在一定程度上增加了界面结合胶的含量.

凸包形仿生包胶驱动滚筒摩擦传动机理的分析

文章推导了摩擦传动过程中带式输送机包胶驱动滚筒所受压力的表达式,得出压力的大小与输送带张力有关的结论,通过分析输送带的弹性滑动现象,得出其是输送带运行必然存在的现象,其蠕动速度与围包角成指数关系。分析了凸包形仿生包胶驱动滚筒的增摩机理,并考虑到压力、速度、表面形貌对橡胶表面摩擦性能的影响,确定了凸包形仿生包胶驱动滚筒与输送带之间的摩擦系数的表达式,据此推导了新的摩擦传动公式。与传统欧拉公式相比,新的摩擦传动公式考虑了包胶驱动滚筒与输送带之间摩擦系数的变化。

气动灭火炮弹体橡胶圈仿生凹坑表面减阻特性

针对气动灭火炮炮弹发射过程中弹体橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力大的问题,将仿生凹坑表面减阻技术应用于弹体橡胶密封圈上。建立气动灭火炮橡胶密封圈仿生凹坑减阻运动模型,采用数值模拟方法,研究弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径及弹体速度对橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力的影响。结果表明:在相同的弹体速度下,当灭火炮弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径为2mm时,减阻效果最佳,凹坑特征直径为4mm时,减阻效果最差;最大减阻率为17.191%,最小减阻率为3.158%。仿生凹坑中存储的润滑油在弹体运动时,润滑油产生拖拽泼洒而溢流到炮管内壁,对炮管内壁和橡胶密封圈起到润滑作用,达到减小摩擦阻力以及提高炮弹发射速度的目的。

仿生凹坑非光滑密封圈有限元分析

针对超临界流体萃取过程中高压环境下的密封问题,设计了一种具有仿生凹坑特征的新型密封圈。将仿生学原理应用到橡胶圈密封技术中,通过软件对光滑与非光滑表面密封圈进行数值模拟,观察在不同压缩量、不同凹坑直径和间距时,密封圈的接触应力和Von-Mises等效应力变化情况。计算结果表明,当压缩率为12%时,光滑和非光滑密封圈产生的接触应力均达到了超临界萃取过程工作的介质压力8 MPa,其中凹坑直径为2.0 mm、凹坑间距为3.0 mm的模型具有最好的密封性能和耐磨性。

驱动滚筒包胶表面形貌仿生设计

阐述了带式输送机驱动滚筒的摩擦传动原理,基于挠性体摩擦传动的欧拉公式提出增大摩擦牵引力的3种途径。从生物攀爬附着现象中得到启示,从仿生学角度出发,提出了改善滚筒包胶表面形貌的新思路。以树蛙、螽斯的足垫为原型,分析其微观结构形貌,运用相似工程学原理设计出一种具有六边形凸包的滚筒包胶结构,以求能够增大接触面的摩擦力,并用Pro/E软件建立了该结构的实体模型。

硅橡胶软衬材料表面构建仿章鱼吸盘微结构的体外研究

目的在硅橡胶软衬材料表面构建仿章鱼吸盘微结构,评价其对吸附力的影响,为进一步制作仿章鱼吸盘微结构的全口义齿基托组织面提供技术支撑,探索提高全口义齿固位力的新思路。方法实验组分为A~E 5组(吸盘直径分别为100、200、300、400、500μm),通过3D打印仿章鱼吸盘微结构的阴模后,利用硅橡胶材料翻模制作带有不同尺寸仿章鱼吸盘微结构的样片,对照组为不带有微结构的平面硅橡胶样片。评价制作技术的精确性,以及在体外模拟口腔环境,通过万能材料试验机测试各组样片所能产生的吸附力,进行统计学分析。结果3D打印阴模与预定设计尺寸参数相差7%~9%,硅橡胶翻制的微结构与预定设计尺寸参数误差缩小为1%~5%,部分表面有气泡。实验组A~E、对照组的吸附力分别为(0.20±0.04)、(0.16±0.03)、(0.13±0.04)、(0.12±0.02)、(0.14±0.02)、(0.12±0.03)N,其中100、200μm的实验组吸附力明显增大,相比对照组具有统计学差异(P<0.05)。结论在硅橡胶软衬材料表面构建直径100、200μm的仿章鱼吸盘微结构可以提高吸附力。在全口义齿基托组织面制作仿章鱼吸盘微结构可能会提高全口义齿固位力。

一种消减仿生毛虫附着点侧滑力的方法

基于仿生学研究成果和仿生毛虫的体节结构特点,使用柔性结构——天然橡胶杆,取代原来的刚性杆,获得了一种柔性结构仿生毛虫构型。首先讨论了柔性结构的力学特性,然后建立了可控关节补偿角与侧滑力的力学模型,最后通过实验验证了利用柔性结构和关节补偿角消减侧滑力的效果。