同步轉子密煉機變速混煉工藝試驗研究

邊慧光, 胡紀全, 汪傳生, 呂煒帥

（青島科技大學機電工程學院, 山東 青島 266061）

同步轉子密煉機變速混煉工藝試驗研究

邊慧光, 胡紀全, 汪傳生, 呂煒帥

（青島科技大學機電工程學院, 山東 青島 266061）

文中研究同步轉子密煉機混煉過程中幾種不同變速混煉工藝對混煉膠的物理性能的影響。結果表明，良好的變速混煉工藝不僅能滿足工藝性能和物理性能的要求，而且與勻速混煉相比，采用變速混煉工藝可以減少能耗、提高混煉膠質量。

變速混煉；同步轉子；密煉機

0 前 言

密煉機在混煉過程中，關于轉子的轉速的問題一直存在爭議。西方國家特別是美國主張轉子轉速應該向高速方向發展，美國產的密煉機的轉子轉速可達80 r/min；而日本則主張低速，最好不要超過40 r/min。但他們都有一個共識，都采用調速電機[1]。這樣可以根據不同的配方、工藝條件及混煉階段，隨時調整轉子轉速，從而達到優化混煉的效果。

在密煉機勻速混煉過程中，膠料進入密煉機后，常常會出現轉子打滑的現象。這是由于混煉初期膠料受到的剪切力較小，膠料進入密煉機后由最初的大塊狀破碎成小塊狀，而在混煉初期膠料的溫度較低，加入部分炭黑及小料后又會起到隔離作用，這就導致轉子與膠料在混煉過程中會出現打滑現象[2]。而解決轉子打滑的有效措施在于加大混煉過程中轉子對膠料的剪切作用。

膠料的混煉過程是橡膠彈性體與各種配合劑在轉子轉動作用下交替發生的破碎、混合、分散和簡單的混合變化，并最終達到所期望分散效果的一個物理化學過程[3]。膠料的混煉過程一般分為炭黑混入階段、分散階段和混合階段三個階段。而在混煉過程中，密煉機的轉子轉速是影響膠料分散效果、煉膠速度的重要因素。在密煉機生產混煉過程中，平均剪切速率（γ）與轉子轉速（n）成正比關系，即γ= 0.29n。由此可見，轉子轉速快，剪切速率大，混煉過程也就加快，所需混煉時間相應減短，因此，提高轉速能夠有效地強化膠料混煉效果、縮短混煉時間。在密煉室內，剪切作用主要發生在密煉室壁與轉子棱之間的最小間隙處，剪切速率大時混煉效率較高，但高轉速往往又會導致生熱，造成膠料黏度下降,于是剪切效果就會降低，這會影響膠料的分散作用。

文中選取了四種不同混煉工藝方案，從同步轉子密煉機混煉過程中轉子變化速度對混煉膠物理性能的影響這一角度進行探討。

1 試 驗

1.1 原材料及試驗配方[4]

根據同步轉子密煉機混煉試驗設備的性能特點，本次試驗選用全鋼子午線輪胎胎面膠配方，這種實際應用配方在橡膠產品中最具有代表性，如表1所示。

表1 試驗所用的配方表

1.2 試驗設備及儀器

Х（S）М-1.7 Y型同步轉子試驗平臺，青島科技大學；Х（S）K-160型開煉機，上海橡膠機械廠；QLB-D400×400×2型平板硫化機，上海第一橡膠機械廠有限公司；АI-8000 S 型電子拉力機，臺灣高鐵科技股份有限公司；QP-16型橡膠、塑料試驗切片機，上海化工機械四廠；UМ-2050門尼黏度儀，優肯科技股份有限公司；LХ-А 型橡膠硬度計，上海輕工局試驗廠；ММ4130С無轉子硫化儀，北京環峰化工機械試驗廠；DisрerGRАDER型炭黑分散度儀，美國阿爾法公司。

1.3 試驗方案

試驗中采用時間—功率曲線聯合控制法，即分段加料，最后排膠時采用功率曲線控制法，即在加壓后功率上升到最大值，然后下降平穩一定時間后（100 s）再進行排料。

為了更好地比較不同生產工藝下所得混煉膠物理性能情況，這里選取四種不同試驗方案，利用全鋼子午線輪胎胎面膠配方，每種方案混煉三車，比較各種生產工藝下，所得膠料的混煉情況。

1.3.1 生膠塑煉條件及工藝方法

（1）用Х（S）K-160型開煉機進行塑煉，其輥溫為40～50 ℃；

（2）工藝方法：烘膠→破膠（2 mm，3次）→薄通（0.2 mm，17次）→放厚（5 mm，3次）→下片；

（3）將下片得到膠料切成小片，并按填充系數為0.6配料、稱量。

1.3.2 混煉過程加料順序

（1）生膠（含合成膠）（混煉20 s）→1/2炭黑+白炭黑+小料（混煉30 s）→1/2炭黑（混煉30 s）→清掃→加油（混煉20 s）→排膠（測溫，不要高于140 ℃）→放在開煉機上混煉下片→停放一段時間；

（2）加硫磺壓片。壓片降溫（3 mm，3次）→加硫磺→打三角包（1 mm，5個）→下片（5 mm）。

1.3.3 各試驗方案速度變化情況

方案1：勻速混煉，50 r/min;上頂栓壓力：0.6 МPа；轉子冷卻水溫度40 ℃（密煉室50 ℃,下頂栓50 ℃）；填充系數：0.6；混煉時間：100 s。

方案2：變速混煉，60 r/min（混煉20 s）→50 r/min（混煉60 s）→40 r/min（混煉20 s）；上頂栓壓力：0.6 МPа；轉子冷卻水溫度40 ℃（密煉室50 ℃,下頂栓50 ℃）；填充系數：0.6；混煉時間：100 s。

方案3：變速混煉，40 r/min（混煉20 s）→60 r/min（混煉60 s）→30 r/min（混煉20 s）；上頂栓壓力：0.6 МPа；轉子冷卻水溫度40 ℃（密煉室50 ℃，下頂栓50 ℃）；填充系數：0.6；混煉時間：100 s。

方案4：變速混煉，20 r/min（混煉20 s）→60 r/min（混煉60 s）→40 r/min（混煉20 s）；上頂栓壓力：0.6 МPа；轉子冷卻水溫度40 ℃（密煉室50 ℃,下頂栓50 ℃）；填充系數：0.6；混煉時間：100 s。

1.3.4 加硫磺壓片

壓片降溫（3 mm，3次）→加硫磺→打三角包（1 mm，5個）→下片（5 mm）。1.3.5 硫化條件

采用QLB-D400×400×2平板硫化機進行試樣硫化，硫化條件為：150 ℃、20 min、150 МPа。

最后，將硫化好的膠料停放12 h后測試膠料物理性能。

2 試驗工藝結果及分析

2.1 試驗工藝結果

四種不同試驗方案所對應混煉膠的物理性能如表2所示。

表2 不同試驗方案對應混煉膠物理性能表

2.2 試驗工藝結果分析

由圖1可知，變速混煉工藝在混煉過程中最大功率大于勻速混煉，這主要是由于混煉過程不斷調整轉速的原因，而最大功率點出現在轉速變化的轉折處，而且由4種不同混煉工藝功率曲線圖可見，當密煉機混煉過程低速運轉時，能耗較高，高速運轉時，能耗較低。由功率曲線圖可見，4種不同生產工藝中，在整個混煉進程中，方案2混煉過程中總消耗的能耗比另3種方案的要小。由表4可知，方案3中的100%定伸應力值稍小些，其他3種方案數值差異不大；對于300%定伸應力，方案3的值較小，其他3種方案數值差異不大；對于拉伸強度，方案2與方案3的數值比方案1、4的稍高些，但并不顯著；對于撕裂強度，方案1、2數值較大，優勢明顯；比較4種方案的硬度值可以發現，方案3的硬度值較小，其他3種方案數值差異不大。由表2可知，4種方案中，變速混煉的分散度要高于勻速混煉，方案3數值最高。由表2可知，變速混煉的門尼黏度值明顯低于勻速混煉，而且第1到第4方案，門尼黏度呈下降趨勢。

圖1 不同生產工藝方案及其功率曲線

綜合比較4種生產方案所得混煉膠物理性能，方案2變速混煉工藝最好，密煉消耗功率少，物理性能最好。因此，在今后混煉過程中可采用以下工藝：混煉初始時采用高速混煉，這有利于生膠快速吃入，然后采用常用中等轉速，這有利于讓炭黑及小料能夠均勻地分散，最后的混煉階段采用較低的轉速，一方面有利于降低膠料的排膠溫度，另一方面有利于膠料實現更好的分布混煉。

3 結 語

（1）變速混煉在混煉過程中最大功率比勻速混煉大；變速混煉工藝混煉膠的門尼黏度比勻速混煉低。

（2）方案2變速混煉工藝在4種試驗方案中混煉效果最好，即采用快速吃料、中速分散、低速分布混煉模式，而且混煉過程中消耗的能耗比勻速混煉低。

（3）密煉機采用變速混煉，能夠解決高轉速導致產熱量大從而致使黏度下降的矛盾，煉膠質量穩定，能夠減少能耗，必將給橡膠企業帶來更好的經濟效益。

[1]汪傳生. 同步轉子密煉機混煉橡膠的理論和試驗研究[D]. 北京:北京化工大學. 2000, 03.

[2]張作利, 吳會忠, 呂志文. 混煉技術對密煉機生產效率和混煉膠質量的影響[J]. 輪胎工業, 2010, 30(5): 296.

[3]俞愛生, 謝雄春, 陳家輝, 施衛. 密煉機變速混煉工藝研究[J]. 輪胎工業, 2002, 22(1): 46.

[4]呂煒帥. 串聯式密煉機的混合機理與試驗研究[D]. 青島科技大學, 2012.

Study on Variable-Speed Мixing Тechnique for Internal Мixer with Synchronous Rotor

Biаn Нuiguаng, Нu Jiquаn, Wаng Сhuаnsheng, Lu Weishuаi
(Сollege of Мeсhаniсаl аnd Eleсtriсаl Engineering, Qingdаo University of Sсienсe аnd Тeсhnology,Shаndong Qingdаo 266061)

Аbstrасt: Тhe effeсt of some different tyрes of vаriаble-sрeed miхing teсhnique on рhysiсаl рroрerties of rubber сomрound during the miхing рroсess in internаl miхer. Тhe result showed thаt well vаriаble-sрeed miхing teсhnique сould meet the requirement of teсhnologiсаl аnd рhysiсаl рroрerties.In аddition, сomраred with uniform miхing teсhnology, vаriаble-sрeed miхing teсhnique сould reduсe energy сonsumрtion аnd imрrove the quаlity of rubber сomрound.

Vаriаble-sрeed miхing; Synсhronous rotor; Internаl miхer

TQ 330.4+3

B

1671-8232(2017)10-0017-04

邊慧光 (1982-)，男，山東菏澤人，副教授，博士，主要從事高分子材料加工技術與裝備研究。

胡紀全（1990-），男，山東菏澤人，碩士，主要從事高分子材料加工技術與裝備研究。

[責任編輯：鄒瑾芬]

2016-08-05