串聯(lián)式混煉工藝對不同用量白炭黑配方膠料的適應性研究

邊慧光，汪傳生，李月春，徐小林

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

串聯(lián)式混煉工藝在傳統(tǒng)混煉工藝的基礎上發(fā)展而來，具有高效、節(jié)能、低溫的特點[1-2]。在串聯(lián)密煉過程中，混合物自上游密煉機被直接排到下游容積較大的密煉機中，混煉在上游設備和下游設備中同時進行。串聯(lián)式密煉機的性能主要依賴于整體的連續(xù)性、各自的分工、上游密煉機良好的分散性、下游密煉機良好的冷卻效能、膠料的分布性能和吃料能力[3]。上密煉機要求采用高分散轉子，下密煉機要求采用快速吃料型低溫轉子。

在配方的研制方面，白炭黑具有降低輪胎滾動阻力、增強干濕路面的抓著力等特性[4-5]，主要由含有二氧化硅的礦石、泥土等加工制成，較為經(jīng)濟環(huán)保，在輪胎胎面膠配方設計上的用量大大提高，但其用量對混煉膠物理性能的影響差異較大。

白炭黑膠料混煉工藝存在煉膠時分散困難、生熱量大、硅烷化反應迅速而溫度敏感和混煉膠溫度高易產(chǎn)生凝膠等技術難題，串聯(lián)式混煉工藝和串聯(lián)式密煉機已成為混煉白炭黑膠料的最佳選擇。

本工作通過試驗研究，分析不同串聯(lián)式混煉工藝下的能耗、功率及混煉膠的物理性能和下游轉子類型對不同白炭黑用量的適應性。

1 下游轉子的混煉特點

1.1 嚙合型轉子

嚙合型密煉機轉子的混煉作用與剪切型密煉機轉子不同，嚙合型轉子的煉膠作用主要發(fā)生在兩個相對嚙合的圓筒形轉子之間，此處膠料承受的剪切和捏煉作用最大，其混煉示意如圖1所示。

圖1 下游嚙合型轉子混煉示意

圖2所示為新型嚙合型轉子實物。嚙合型轉子以等大異向的速度運轉，轉子的凸棱表面與配合轉子的基圓表面進行嚙合，凸棱表面的線速度大于基圓表面的線速度，此速度梯度可以對膠料產(chǎn)生高剪切分散混煉效果[6-7]；此外，凸棱外表面對膠料的擠壓作用同樣可以對膠料產(chǎn)生捏煉作用，使膠料層更好地與轉子表面接觸，提升換熱效率，這種高剪切及膠料的薄化作用可有效增加膠料產(chǎn)生的熱量向冷卻水道流動。轉子上凸棱的螺旋結構可使膠料沿軸向反復流動，新的結構可以改善膠料在棱頂和混煉腔壁上的剪切流動，這種結構變化不僅可以增加密煉機的凈腔體積，而且可在凸棱與密煉機混煉腔側壁之間產(chǎn)生額外的分散混煉。對轉子的凸棱溫度控制進行優(yōu)化，在轉子體內(nèi)設置復雜的冷卻流道，可以提高這種獨特轉子結構的熱傳遞能力[8]。

圖2 新型嚙合型轉子實物

1.2 共流型轉子

新型共流型轉子綜合了剪切型轉子的強剪切效果和嚙合型轉子的分布混煉作用。其截面形狀為傳統(tǒng)剪切型轉子形狀，中心距比傳統(tǒng)剪切型轉子小，兩轉子凸棱可以互相嚙合，結構如圖3所示。

圖3 新型共流型轉子結構示意

新型共流型轉子實物如圖4所示。新型共流型轉子棱峰與密煉室壁之間存在強烈撕拉、剪切和擠壓作用，與傳統(tǒng)剪切型轉子相似，但其棱峰寬度相對較小，因此剪切和撕裂作用更強[9]。共流型轉子橫截面形狀采用“S”結構，煉膠時，受力面圓弧半徑小于背面圓弧半徑，比前后弧面半徑相同的轉子具有更強的擠壓和滾壓作用，更有利于膠料的剪切和分散，不僅能夠快速吃料，而且使轉子凸棱棱峰處產(chǎn)生更大的擠壓和剪切應力，從而提高轉子對膠料的剪切和分散能力。

圖4 新型共流型轉子實物

2 實驗

2.1 配方

試驗采用的全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方為：天然橡膠（NR） 100，炭黑N234 38.5，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，增塑劑A 2，偶聯(lián)劑Si69 3，防老劑RD 1.5，防老劑4020 2，微晶蠟 1，防焦劑CTP 0.3，硫黃 1，促進劑NS 1.25，白炭黑175 變量。

2.2 主要設備和儀器

X（S）MT0.5-1型串聯(lián)式密煉機和XK-160型開煉機，青島科技大學產(chǎn)品；QLB-400×400×2平板硫化機，青島亞東橡膠機械廠產(chǎn)品；RPA2000型橡膠加工分析儀和Disper Grader型炭黑分散儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；UM-2050型門尼粘度儀和TS2005b型萬能試驗機，中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；LX-A型橡膠硬度計，上海輕工實驗廠產(chǎn)品。

2.3 工藝參數(shù)

密煉機填充因數(shù)為0.7，上冷卻水溫度為60℃，上轉子轉速90 r·min-1，壓砣壓力為0.9 MPa，下冷卻水溫度為50 ℃，下轉子轉速為90 r·min-1；上密煉時間為200 s，下密煉時間為220 s。硫化條件：150 ℃/150 MPa×t90。膠料停放12 h后進行性能測試。

3 結果與討論

進行下游嚙合型轉子和共流型轉子的混煉試驗，每個試驗膠料中分別添加36，55，73，91份的白炭黑。測定門尼粘度[ML（1+4）100 ℃]、分散度、邵爾A型硬度、拉伸強度、撕裂強度、DIN磨耗量、低應變剪切模量、下密煉機單位能耗和總單位能耗，并對比分析試驗數(shù)據(jù)，得出不同轉子類型對白炭黑混煉的適應性。

3.1 下游嚙合型轉子作用與白炭黑用量的相關性

采用下游嚙合型轉子時白炭黑用量對混煉效果影響的試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 采用下游嚙合型轉子時白炭黑用量對混煉效果的影響

從表1可以看出，隨著白炭黑用量的增大，膠料的門尼粘度呈先減小后增大的趨勢。在炭黑用量較大的情況下，膠料的混煉強度使得其門尼粘度值停留在一定的程度上，這個情況和白炭黑用量較大的情況一致，但是對于采用下游嚙合型轉子的串聯(lián)式混煉裝備，在白炭黑和炭黑比例適當時混煉強度最高，門尼粘度最小。

隨著白炭黑用量的增大，膠料的拉伸強度呈先減小后增大的趨勢。開始炭黑補強效果明顯，后期隨著白炭黑用量的增大，白炭黑的補強效果也開始逐步增強，而且呈現(xiàn)更好的趨勢。

白炭黑的分散度隨著其填充量的增大逐漸變差，白炭黑用量越大，其分散的難度也越大；DIN磨耗量隨著白炭黑填充量的增大經(jīng)歷了一個最差值，后期其耐磨性能凸顯；撕裂強度經(jīng)歷了最差值后迅速上升，抗撕裂能力迅速提升；低應變下的剪切模量在炭黑或者白炭黑過多的情況下都不具有最佳值，隨著白炭黑用量的增大，設備對填料間的相互作用恢復到較好的水平；高應變下的剪切模量具有最佳值，其值隨著白炭黑用量超過50份以后才開始下降；整體單位能耗隨著白炭黑用量的增大先減小后增大，其最佳值出現(xiàn)在白炭黑用量70份左右，其中下游嚙合型轉子煉膠的單位能耗隨著白炭黑用量的增大持續(xù)下降。

白炭黑用量與下游嚙合串聯(lián)式混煉效果的相關性分析見表2。其中白炭黑用量的變化與白炭黑分散度的相關性達到0.9以上，說明設備對于不同白炭黑用量的試驗配方在白炭黑分散度指標上可能會有較大差異，分散度指標的敏感度很高。

表2 白炭黑用量與下游嚙合串聯(lián)式混煉效果相關性分析

3.2 下游共流型轉子作用與白炭黑用量的相關性

采用下游共流型轉子時白炭黑用量對混煉效果影響的試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 采用下游共流型轉子時白炭黑用量對混煉效果的影響

從表3可以看出，隨著白炭黑用量的增大，膠料的門尼粘度呈線性增大。采用共流型轉子的下游串聯(lián)式混煉裝備對于白炭黑用量較高時的混煉強度不佳，門尼粘度較大。

膠料的拉伸強度呈線性減小的趨勢，開始炭黑補強效果明顯，后期隨著白炭黑用量的增大，白炭黑的補強效果沒有發(fā)揮出來。

白炭黑分散度隨著其填充量的增大逐漸變差，白炭黑用量越大其分散的難度也越大；DIN磨耗量隨著白炭黑填充量的增大經(jīng)歷了一個最差值，后期其耐磨能力凸顯；撕裂強度經(jīng)歷了最差值后迅速上升，抗撕裂能力提高迅速；低應變下的剪切模量在炭黑或者白炭黑過多的情況下都不具有最佳值，隨著白炭黑用量的增大，設備對填料間的相互作用恢復到相對較差的水平；高應變下的剪切模量具有最佳值，其值隨著白炭黑用量超過50份以后才開始下降；整體單位能耗隨著白炭黑填充量的增大先減小后增大，下游共流型轉子煉膠的單位能耗隨著白炭黑用量的增大持續(xù)下降。

白炭黑用量與下游共流串聯(lián)式混煉效果的相關性分析見表4。其中白炭黑用量的變化與門尼粘度、200%定伸應力和拉伸強度有顯著相關性，說明設備對于不同白炭黑用量的試驗配方在門尼粘度和拉伸強度指標上可能會有較大差異，適應性較下游嚙合型轉子差。

表4 白炭黑用量與下游共流串聯(lián)式混煉效果相關性分析

3.3 兩種下游轉子對白炭黑用量的適應性對比

不同白炭黑用量下兩種混煉設備混煉膠料的門尼粘度、白炭黑分散度、拉伸強度、剪切模量和單位能耗對比如圖5—9所示。

圖5 白炭黑用量對膠料門尼粘度的影響

圖6 白炭黑用量對白炭黑分散度的影響

圖7 白炭黑用量對膠料拉伸強度的影響

由圖5—9可以看出：不同混煉設備對不同白炭黑用量的適應性不同。共流型轉子構型的白炭黑分散度較高，但其波動性較大，整體情況優(yōu)于嚙合型轉子；嚙合型轉子構型可實現(xiàn)高填充白炭黑配方的顯著補強效果，明顯優(yōu)于共流型轉子構型；共流型轉子對于膠料門尼粘度的降低效果優(yōu)于嚙合型轉子，強剪切作用十分強烈；混煉時間相同的情況下，無論白炭黑用量高或低，共流型轉子的單位能耗均高于嚙合型轉子；嚙合型轉子在炭黑用量較大的情況下對填料的作用水平比共流型轉子差，隨著白炭黑用量的增大，轉子對填料的作用效果優(yōu)于共流型轉子，拉伸作用起到很高的微觀結合效果。

圖8 白炭黑用量對低應變剪切模量的影響

圖9 白炭黑用量對能耗的影響

4 結語

通過試驗對比分析了采用下游嚙合型轉子和共流型轉子時白炭黑用量對混煉過程及混煉膠物理性能的影響，并獲得了以下結論。

（1）隨著白炭黑用量的增大，下游嚙合型轉子對填料的剪切作用效果、補強效果、設備單位能耗的作用優(yōu)于共流型轉子；而在白炭黑分散度、對膠料混煉的強度方面，共流型轉子優(yōu)于嚙合型轉子。

（2）下游嚙合型轉子串聯(lián)式混煉對白炭黑分散度指標靈敏度較高，白炭黑用量的變化與白炭黑分散度的相關性達到了0.9以上；下游共流型轉子串聯(lián)式混煉在門尼和拉伸強度指標上適應性較差，白炭黑用量的變化與門尼粘度、200%定伸應力和拉伸強度有顯著相關性。

（3）采用下游嚙合型轉子串聯(lián)式混煉時，隨著白炭黑用量的增大，門尼粘度、白炭黑分散度、邵爾A型硬度、拉伸強度、撕裂強度、低應變剪切模量、上密煉機單位能耗、總單位能耗均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，DIN磨耗量先上升后下降，而下密煉機的單位能耗持續(xù)下降。

（4）采用下游共流型轉子串聯(lián)式混煉時，隨著白炭黑用量的增大，門尼粘度呈線性增大，白炭黑分散度、100%定伸應力和200%定伸應力呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，撕裂強度呈先上升后下降再上升的趨勢，炭黑分散度、拉伸強度、下密煉機單位能耗持續(xù)下降，邵爾A型硬度趨于不變，DIN磨耗量先上升后下降，低應變下的剪切模量、上密煉機單位能耗、總單位能耗呈先降后升的趨勢。