炭黑細粉含量對混煉過程影響的試驗研究

李勇，劉偉冬

（青島科技大學機電工程學院，山東　青島　266061）

炭黑細粉含量對混煉過程影響的試驗研究

李勇，劉偉冬

（青島科技大學機電工程學院，山東青島266061）

為了探究炭黑細粉含量對混煉過程的影響，對不同炭黑細粉含量進行了測試。結果表明，炭黑細粉含量增加，炭黑損耗明顯升高，混煉時間加長，影響生產效率。同時對一定范圍內細粉含量對膠料性能的影響進行了測試，細粉含量對炭黑的分散性、膠料的動態力學性能、加工性能等沒有明顯影響。

細粉含量；混煉；效率；膠料性能

現今橡膠工業受到提高經濟效益和改善產品質量的雙重壓力［1］。氣力輸送過程中炭黑破碎導致細粉含量的增加，從而對混煉工藝和膠料質量的穩定性產生直接影響。比如破碎率的增加，使炭黑堆積密度下降，流動性變差，炭黑投入密煉機時間延長。未采用輸送系統時，100 kg炭黑投料時間一般可以控制在20 s以內，但采用氣力輸送系統輸送的炭黑，如果破碎率增加太大，投料時間會延長到30～40 s，而且投料穩定性差。懸浮的炭黑粉塵進入密煉機很難混入膠料中，影響煉膠效率。粉塵的增加會導致加料門除塵系統負荷，使真正進入膠料中的炭黑減少，影響配方的準確性。由于炭黑的種類不同，還有可能在管道中產生粘附現象［2］。

由于炭黑和聚合物在大多數配方中用量很大，是重要的配合劑，使得這些配合劑的原材料參數對混煉、深加工以及最終產品的性能產生影響。炭黑細粉含量作為炭黑原材料技術指標的關鍵項目，其對混煉工藝和膠料性能影響的早期研究是在以EPDM和炭黑N650為基的兩種專用橡膠產品配方上進行的，另一個也同時發生變化的原材料參數是所用聚合物長鏈的支化程度。

目前國外的炭黑供應商進貨時要求其破碎率一般小于5%。而對于氣力輸送裝置，輸送終端速度不大于7.5～10 m/s時對破碎率影響最小。如韓國產炭黑N550，出廠破碎率為3%～6%，其破碎率能夠多數滿足小于5%的要求。某國產炭黑N550，出廠平均破碎率在6.2%，輸送后的破碎率增量達8%［3］。同時根據國外著名公司的研究，進入密煉機炭黑細粉（小于125 μm）含量不能超過15%，最大不超過20%時煉膠質量最好。圖1所示為炭黑細粉含量與300%定伸應力的關系。可以看出當N220炭黑總的細粉含量超過20%時，300%定伸應力明顯下降［4］。

1　試驗方案

為提高膠料混煉均勻性及生產效率，對密煉工藝各混煉步驟時間進行細化分析，發現密煉中心混煉時間差異較大，以HT157/31配方為例最長混煉時間172 s（加炭黑60 s），最短混煉時間為123 s（加炭黑9 s），兩者相差49 s，占最短混煉時間39.8%，根據上述分析其混煉時間波動主要來源為加炭黑時間波動太大引起。針對這一分析，展開相關研究。

圖1　炭黑細粉含量與300%定伸應力的關系

為對比炭黑破碎對生產效率的影響，選取HT130/31、HT157/31、HB350/31三種配方分別使用日罐直接投料（未經輸送，炭黑破碎率4%），月罐輸送方式（炭黑破碎率14%～19%）進行對比試驗，如表1。

表1　不同輸送方式炭黑細粉含量對比　%

2　結果與討論

2.1對炭黑損耗的影響

不同細粉含量對炭黑損耗的影響見表2。

表2　不同細粉含量對炭黑損耗的影響　%

損耗計算公式：（理論下車重量-實際下車重量）/炭黑用量。

根據表2可以看出，炭黑細粉含量增加，密煉生產過程中炭黑損耗明顯增高，三種配方損耗差值分別達到：0.43%、5.68%、4.73%，差距明顯。分析產生這一現象的原因是炭黑細粉含量過多，炭黑加入密煉機時飛揚較大，更多炭黑細粉被密煉機加料門上方除塵系統吸走。因此降低炭黑損耗可提高下車重量，提升生產效率及膠料混煉過程穩定性。

表3　不同細粉含量對混煉效率的影響

2.2對混煉時間的影響

不同細粉含量對混煉效率的影響見表3。

根據表3可以看出，細粉含量降低后可大幅度提高膠料生產效率，效率提升在2%～6%左右，影響明顯。

此外，國外公司也對細粉含量對混煉過程的影響進行了測試［5］。圖2為N234測試混煉過程動力消耗與混煉時間和炭黑細粉含量的關系，從圖2中可以看出，此類膠料中細粉含量的影響不是很明顯，但我們依然可以看出混煉過程中動力消耗較大的部分。

聚合物塑煉后，含有未破碎炭黑的膠料僅可看出稍高的最大動力消耗，只能觀察到因為高細粉含量引起更強的壁面打滑階段的略明顯的最小動力消耗值。在上頂栓清掃后的混煉段，動力消耗達到第二個最高峰。

圖2　母煉膠和終煉膠混煉段的動力消耗與混煉時間和炭黑細粉含量的關系

對于不同細粉含量對混煉時間的影響，本次試驗與國外測試結果不同的原因主要是炭黑細粉含量導致混煉過程的不同與所用轉子幾何形狀有關。考慮到國外測試采用的是雙刀型轉子，在用更強勁轉子或者互嚙合轉子時，細粉含量對工藝的影響可能更大一些，由于炭黑細粉含量不同導致炭黑混入時發生明顯變化在輪胎工業中是人所共知的；同時，膠料種類、工藝配方以及試驗條件都是造成測試結果存在差異的原因。

2.3密煉車間炭黑破碎率

為分析炭黑破碎率情況，在密煉車間內不同位置進行了炭黑破碎率檢測，炭黑破碎率均值分別為19%和18.3%。最高炭黑破碎率為45.2%，最低為8%，波動較大。根據試驗測試觀察，炭黑破碎率波動較大為測試炭黑最大問題，導致混煉時間出現較大波動。由于炭黑氣力輸送系統需要頻繁進行管道大氣量清掃，在清掃過程中會造成大量細粉，同時輸送目標罐頂部除塵器在清灰過程中也會產生粉塵，罐內細粉在罐壁的粘附脫落也會造成細粉含量極高的粉餅，造成進入密煉機的細粉含量產生波動，這些因素也會對試驗結果造成影響。

3　對膠料性能的影響

為了探究不同細粉含量（范圍主要在0～20%）對膠料性能的影響，我們根據不同炭黑牌號及不同細粉含量展開實驗，其實驗差異如表4所示。

表4　各組實驗差異對比

炭黑細粉的制備:采用115目（網孔直徑125 μm）的篩網篩選各種牌號的炭黑，制成實驗所需的炭黑細粉。混煉工藝等其它試驗條件保持一致。

3.1對炭黑分散情況的影響

工藝上，一般以100%定伸應力與10%定伸應力的比值表征炭黑分散情況，相同配方下，100%定伸應力與10%定伸應力的比值可以表征炭黑分散情況，其比值越大，分散性越好。試驗結果如圖3所示。

由上述實驗數據可以看出，N660相對其它兩種炭黑分散性較好，N234、N375則差距不大。同種牌號不同細粉含量對炭黑的分散性幾乎沒有產生太大影響，N234最大差值為0.31，N375最大差值為0.21，N660最大差值為0.64，影響不明顯。這是由于炭黑的分散主要是與炭黑粒徑及混煉工藝有關，在整個實驗過程中混煉工藝保持一致，其膠料所受到的機械力及熱歷程幾乎相同，而炭黑的破碎并不能改變炭黑的粒徑等微觀結構，因此，在上述實驗測試范圍內，炭黑破碎對其分散情況影響不大。

圖3　100%定伸應力/10%定伸應力

3.2對膠料動態力學性能的影響

混煉工藝保持一致，膠料動態力學性能采用德國GABO公司的DMA測試，測試條件為：頻率 10 Hz，靜態應變5%，靜態應力70 N，動態應變0.25%，動態應力60 N，溫度范圍 -65～65℃，溫升2℃/min，拉伸模式。具體實驗結果如圖4所示。

輪胎的滾動阻力、抗濕滑、耐磨性能三者存在著名的“魔鬼三角”關系，即提高三者中任意一項性能，必然會影響其余兩者有變差的趨勢。當磨耗程度低時，輪胎的使用壽命就長，滾動阻力越小能耗越小，這些性能相互依賴也是合乎邏輯的，如非常高的滾動阻力會改善剎車反映能力，此時傳輸力較大，反之亦然，但是傳輸力增大，會加大油耗和磨耗，如何同時提高三項性能一直是配方人員的奮斗目標。而對于固定配方，好的混煉工藝則能夠在提升某一種或者兩種性能的同時，使得另外一種性能的下降趨勢盡量小。

胎面膠料的動態力學性能與成品輪胎的使用性能有著明顯的相關性，輪胎的抗濕滑性能采用0℃的Tanδ表征，Tanδ越大，抗濕滑性能越好。滾動阻力性能采用60℃的Tanδ表征，Tanδ越小，滾動阻力越低。從圖3中可以看出，在測試范圍內，含不同細粉含量的膠料在0℃的Tanδ及 60℃的Tanδ幾乎不變，即炭黑破碎情況對膠料的動態力學性能沒有影響。

3.3對加工性能的影響

通過對各方案門尼黏度ML1+4（100℃）的測試，我們得到N234、N375、N660三種炭黑不同細粉含量條件下其門尼黏度分布區間分別為67～70，56～58，41～44。同種牌號不同細粉含量的胎面膠料門尼變化差距不大，最大僅為3。分析主要是由于各實驗的混煉工藝保持一致，其膠料在混煉過程中所受到的剪切力及膠料流動形式幾乎一樣，即在實驗誤差范圍內，炭黑細粉含量對膠料的加工性能沒有影響。

圖4　三種炭黑不同細粉含量的動態力學性能曲線

此外，我們對Payne效應、拉伸強度、定伸應力進行了測試，細粉含量在20%以內均表現出對膠料無明顯影響作用。

但國外著名輪胎公司測試細粉含量對膠料的磨耗性能、疲勞性能、300%定伸應力均有影響，特別是細粉含量在20%以上時影響明顯。下圖所示為對N234炭黑不同細粉含量進行的輪胎胎面的道路磨耗實驗，分別是含2%細粉含量的未破壞炭黑和含49%細粉含量的炭黑［5］。

圖5　磨耗與行駛路程和炭黑細粉含量的關系

由圖5可知，含2%細粉含量未破壞炭黑的輪胎磨損較快，含49%細粉含量破壞炭黑制成的輪胎似乎更有耐磨優勢。但與混入聚合物基體的完整炭黑球粒相比，破壞炭黑的分散程度差一些。

4　結論

（1）炭黑破碎率對炭黑損耗影響較大，炭黑破碎率降低可提高下車重量，從而提升混煉效率；

（2）炭黑破碎率對混煉時間存在直接影響，降低炭黑破碎率可提升1%～6%的生產效率；

（3）測試炭黑破碎率由于管道原因波動較大，從而解釋了最大混煉時間相差49 s的原因；

（4）細粉含量技術指標的設定，僅出于工藝實施上的考量，其細粉含量多少對試驗測試的膠料性能影響不大。

在實驗中我們也注意到，測試過程中應嚴格控制各種小料的配方精度，特別是硫磺的稱量精度，避免不同批次小料重量變化對試驗結果的影響；準確控制炭黑配方中稱量誤差，消除炭黑重量不同造成實驗結果的不同。比如密煉機采用上輔機自動配料投料系統，炭黑稱量最大誤差可以達到±200 g，即不同配方存在最大400 g的允許誤差，會對試驗結果產生影響。

同時，根據我們得到的國外某輪胎巨頭內部的試驗結果是細粉含量超過20%，膠料的300%定伸應力明顯下降。當細粉含量從20%上升到40%時，定伸應力大約下降8.33%；從40%上升到60%時，大約下降18.18%［6］。而且國外所有從事橡膠產品加工企業對炭黑氣力輸送破碎率都有嚴格的要求，輸送后的破碎率增加不能超過5%。目前國內針對炭黑細粉含量的研究還不夠深入和系統，如細粉含量變化對膠料的300%定伸應力、疲勞性能、磨耗性能等的影響，國內公司應加大對炭黑破碎率、細粉含量等的研究，提升膠料制品的穩定性。炭黑細粉含量對混煉膠質量的影響非常復雜，需要國內橡膠企業和科研單位進行深入研究，科學的安排試驗方法。

［1］ 朱林.混煉室中原材料參數變化的影響［J］.橡膠參考資料，2004，（2）:47～53.

［2］ 李勇，王海萍.炭黑氣力輸送中粒子破碎問題及對膠料的影響［J］.橡膠工業，2010，57（12）：746～749.

［3］ 孫月飛.氣力輸送過程中物料破碎率的研究［J］.特種橡膠制品，2008，29（4）:34～37.

［4］ 李勇.炭黑氣力輸送中的粒子破碎問題和測試方法［J］.橡塑技術與裝備， 2003，29（7）:1～6.

［5］ 王象民.原材料參數對混煉的影響——炭黑細粉含量［J］.橡膠參考資料， 2007，（2）:38～42.

［6］ 李勇，李光.氣力輸送系統中炭黑破碎率的試驗研究［J］.橡膠工業， 2014，61（8）:493～495.

（R-01）

森麒麟在石墨烯輪胎上有大動作

2016年8月3日，森麒麟輪胎與青島華高墨烯科技股份有限公司正式簽約，開發生產石墨烯導靜電輪胎。

據森麒麟技術中心總工李忠東介紹，該產品2016年將進行批量試制，一期5年計劃生產500萬條，二期5年計劃生產1 000萬條，主要生產17"以上的輪胎。

按照協議，今后，森麒麟將采用華高墨烯提供的石墨烯專利技術，進行石墨烯導靜電輪胎的開發生產。

據了解，石墨烯導靜電輪胎采用石墨烯與膠質復合改性制備技術，通過具有導靜電功能的輪胎胎面接地，可全時段、連續、可靠地導出車體靜電。

此外，這種輪胎的散熱功能和機械強度也有突出表現，將比普通輪胎提高50%以上，拉斷性將提升100%。

另據悉，雙方此次簽約將積極推動資源互補，真正實現石墨烯在橡膠領域的產業化，打通石墨烯上下游產業鏈。

不久后，世界第一條石墨烯導靜電輪胎或在山東青島下線，并推向市場。

華高墨烯成立于2012年，是一家專業從事高品質石墨烯研發與應用的高新技術企業。

這家公司先后成立青島市石墨烯國際科技合作基地和青島市先進碳納米材料工程技術研究中心，與清華大學建立“清華大學—青島華高石墨烯工程技術中心”。

森麒麟輪胎2009年7月正式投產運行，致力于綠色、高品質、高性能的高端半鋼子午線輪胎及航空輪胎的研發與生產。

該公司旗下擁有森麒麟、路航和德林特三大輪胎品牌，目前已建成中國青島、泰國兩大輪胎生產基地，具備年產2 700萬條半鋼子午線輪胎的能力。

摘編自“輪胎世界網”

Experimental study on the infl uence of carbon black fi nes content in mixing process

Experimental study on the infl uence of carbon black fi nes content in mixing process

Li Yong，Liu Weidong
（Qingdao University of Science & Technology， QingDao， 266061）

In order to explore the influence of carbon black fines content in the mixing process， we have done the tests under different conditions. The results show that with the increase of carbon black fi nes content， carbon black consumption increased signifi cantly， mixing time lengthened and affect production effi ciency. Moreover， it was found that within a certain range ， no signifi cant effect on the fi nes content of the carbon black dispersion， dynamic mechanical properties of rubber and processability.

fi nes content；mixing；effi ciency；compound properties

TQ330.38

1009-797X（2016）17-0001-05

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.17.001

李勇（1962-），男，碩士，青島科技大學教授，主要從事氣力輸送與橡膠機械技術工作，發表論文近50篇，完成省、部級科研項目3項，獲獎2項。

通訊郵箱：992215436@qq.com

2016-06-28