串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉中轉子轉速和停留時間對炭黑配方混煉膠質量的影響

汪傳生，朱琳，張魯琦，沈波，李紹明

(1.青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061；2.山東省高分子材料先進造技術重點實驗室，山東 青島 266061)

隨著輪胎工業(yè)正快速發(fā)展，我國橡膠消耗量多年來位居世界第一，同時國家對于工業(yè)生產節(jié)能降耗的要求也日益嚴格，因此對橡膠加工企業(yè)混煉時使用的橡膠混煉裝備提出了更高的要求，然而目前國內的現狀是大部分工廠對于炭黑配方膠料的混煉依舊采用以密煉機為主的間歇式混煉設備。密煉機煉膠采用的“多段式”混煉工藝方法極大的降低了生產效率、增加了能量消耗，同時還存在著煉膠質量不穩(wěn)定、配合劑飛揚污染環(huán)境等問題[1～3]，因此混煉行業(yè)亟待研發(fā)新型連續(xù)混煉方法和裝備實現橡膠的高效、低耗、高質混煉。

近些年，隨著對密煉機混煉機理研究的深入，低溫混煉原理用于炭黑配方混煉膠的制備引起了行業(yè)內的高度關注。低溫混煉原理認為，傳統(tǒng)的高溫混煉會導致橡膠大分子鏈發(fā)生劇烈的氧化斷鏈，某些配合劑在高溫狀態(tài)下失去穩(wěn)定行和活性，進而對混煉膠質量產生不利影響[4～5]。

針對上述情況，本文利用自行設計研發(fā)的串聯(lián)式連續(xù)混煉設備對炭黑配方膠料進行低溫高分散混煉，該方法在保證基體膠和配合劑準確配比的前提下，實現了塊狀橡膠在135℃以下的低溫連續(xù)混煉，從而在一定程度上保證了橡膠大分子鏈的完整性。本文通過實驗探究了串聯(lián)式連續(xù)混煉設備中連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子轉速和連續(xù)混煉停留時間對于混煉膠質量的影響，同時將串聯(lián)式連續(xù)混煉最佳參數下生產的混煉膠與密煉機一段高溫混煉法制備的混煉膠進行了性能對比。

1 實驗

1.1 配方及原材料

本次實驗選用半鋼子午胎胎面膠配方進行實驗研究，如表1所示。

表1 實驗配方半鋼子午胎胎面膠配方

溶聚丁苯橡膠：ML(1+4)，100℃為35～60，中國石化；順丁橡膠:ML(1+4)，100℃為41～49，中國石化；炭黑N234、硬脂酸等均為工業(yè)品，外購。

1.2 實驗設備及儀器

1.2.1 串聯(lián)式連續(xù)混煉設備

1.2.2 其他實驗設備

其他實驗設備如表2所示。

圖1 串聯(lián)式連續(xù)混煉設備結構示意圖

表2 其他實驗設備

1.3 實驗方案

（1）針對串聯(lián)式連續(xù)混煉設備，將上游密煉系統(tǒng)最佳混煉工藝條件下制備的一段母煉膠，實時排入下游連續(xù)混煉系統(tǒng)進行二段補充恒溫混煉。改變串聯(lián)式連續(xù)混煉設備下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子的轉速，研究下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子的轉速和停留時間在炭黑配方膠料恒溫混煉時，對炭黑補強效果的影響。同時對比傳統(tǒng)密煉機高溫混煉工藝與串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉最佳工藝的混煉效果。

（2）實驗過程中，對每組實驗制得的混煉膠以及對應的硫化膠，進行門尼黏度、300%定伸應力/100%定伸應力、拉伸強度、撕裂強度、炭黑分散性、膠料擠出溫度等各項物理機械性能以及其他性能測試。

（3）通過對各項測試和記錄的實驗數據進行各方面的系統(tǒng)分析，同時繪制各性能指標的曲線圖，得出下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子轉速和停留時間與炭黑補強效果的作用關系；同時通過與傳統(tǒng)密煉機高溫混煉方法的對比實驗，研究串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法對于炭黑配方膠料混煉的適用性。

1.4 實驗過程

1.4.1 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法上游密煉系統(tǒng)混煉工藝

對應密煉系統(tǒng)設備，設置各工位最佳參數：溫控溫度50℃；轉子轉速45 r/min；上頂栓壓力0.6 MPa。

加料順序：加基體膠—25 s—加炭黑總量的一半、小料（除了硫磺）—30 s—炭黑總量的另一半—105℃—升降一次上頂栓，加環(huán)保油V700-125℃—升降一次上頂栓—130℃開卸料門排膠-喂給下游連續(xù)混煉系統(tǒng)進行補充混煉。

1.4.2 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法下游連續(xù)混煉系統(tǒng)混煉工藝

下游連續(xù)混煉系統(tǒng)工藝參數為：

（1）喂料段機筒溫控溫度：125℃；（2）混煉段機筒溫控溫度：130℃；（3）擠出段機筒溫控溫度：125℃；（4）轉子轉速為：20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min。

1.4.3 傳統(tǒng)密煉機高溫混煉工藝

對應傳統(tǒng)密煉機設備，設置各工位最佳參數：溫控溫度50℃；轉子轉速45 r/min；上頂栓壓力0.6 MPa

加料順序：加基體膠—25 s—加炭黑總量的一半、小料（除了硫磺）—30 s—炭黑總量的另一半—105℃—升降一次上頂栓，加環(huán)保油V700—125℃—升降一次上頂栓—150℃開卸料門排膠。

1.4.4 綜合實驗方案

依據實驗目的，制定如下的實驗方案，如表3所示。

1.4.5 開煉機添加硫化體系工藝

混煉膠片經8 h停放后準確稱量出一定量的樣品，按照實驗配方精確計算并稱取硫化體系，然后在開煉機進行硫化體系的添加，具體的工藝如表4所示。

表3 實驗方案

表4 開煉機添加硫化體系工藝

1.4.6 硫化條件

將終煉膠片停放8 h后，以硫化模具每個模腔放膠30 g為標準進行剪裁，然后按照開煉機添加硫化體系工藝過程中的壓延方向均勻放置于模具的模腔中，使用平板硫化機進行硫化，具體的硫化條件為150℃ /10 MPa×t90。

1.5 性能測試及計算

針對每組實驗所制備的混煉膠以及對應的硫化膠，在后續(xù)測試過程中，全部遵循國家標準進行多組測試后取平均值，然后再進行各方面對比分析。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

本實驗的實驗數據，如表5所示，主要包括：100%定伸應力、200%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度、撕裂強度、門尼黏度以及炭黑分散性。其中測試項目5為密煉機一段高溫混煉法工藝制得膠料的測試數據。

表5 實驗數據

2.2 實驗結果分析

2.2.1 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉轉子轉速對混煉膠性能的影響實驗分析

（1）加工性能分析

首先分析前四組數據，探究串聯(lián)式連續(xù)混煉設備中連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子轉速和停留時間對于混煉膠質量的影響，對膠料加工性能的分析如圖2所示。

圖2 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉子轉速下制備的混煉膠的門尼黏度

由圖2我們可以看出：隨著下游連續(xù)混煉機轉子轉速的升高，膠料的門尼黏度呈現先下降、后上升的趨勢，并且在轉子轉速為30 r/min時，膠料的門尼黏度最低，可加工性最佳。

這是因為在較低轉速時連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子剪切拉伸作用較弱，對橡膠大分子鏈的作用不充分，膠料變形小，斷鏈不充分；然后隨著轉速的增加，下游連續(xù)混煉系統(tǒng)混煉能力增強，橡膠門尼黏度逐漸降低，可加工性增強；當轉子轉速超過30 r/min時，擠出速度過快，膠料在下游連續(xù)混煉系統(tǒng)內的停留時間過短，導致混煉不充分，加工性能下降。所以轉子轉速為30 r/min，停留時間為186 s左右時最佳。

（2）物理機械性能分析

串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉子轉速下所煉膠料物理機械性能的對比如下圖3所示。

從圖3中可以看出，串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉的轉子轉速對各項物理機械性能測試結果的影響是相同的，呈現先上升后下降的趨勢；并在轉子轉速為30 r/min，停留時間為186 s左右時，混煉效果達到最好。

這是因為在轉速較低時，連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子剪切拉伸作用較弱，對橡膠大分子鏈的作用不充分，膠料變形小，炭黑等配合劑未充分分散、均勻分布到橡膠基體中，補強作用未充分發(fā)揮；當轉子轉速過高時，擠出速度過快，膠料在下游連續(xù)混煉系統(tǒng)內的停留時間過短，導致混煉不充分，混煉膠機械性能不佳。實驗發(fā)現，轉子轉速為30 r/min，停留時間為186 s左右時各項機械性能達到最佳值，這時既發(fā)揮了轉子的強剪切拉伸作用，同時又保證了膠料在設備內的混煉時間。

圖3 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉子轉速下制備的硫化膠物理機械性能對比

（3）分散度情況分析

串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉子轉速下所煉膠料分散度等級對比如下圖4所示。

圖4 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉子轉速下制備的硫化膠分散度等級

從圖4中可以看出，串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉的轉子轉速對炭黑分散度測試結果有較大影響，呈現先上升后下降的趨勢；并在轉子轉速為30 r/min，停留時間為186 s左右時，炭黑分散情況達到最佳。

這是因為在轉速較低時，連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子剪切拉伸作用較弱，對橡膠大分子鏈的作用不充分，膠料變形小，炭黑等配合劑未充分分散、均勻分布到橡膠基體中；然后隨著轉速的增加，下游連續(xù)混煉系統(tǒng)混煉能力增強，分散效果逐漸改善；然而當轉子轉速過高、擠出速度過快時，膠料在下游連續(xù)混煉系統(tǒng)內的停留時間過短，導致混煉不充分，混煉膠分散情況變差。

2.2.2 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉與傳統(tǒng)密煉機高溫混煉對比實驗分析

將串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉與傳統(tǒng)密煉機高溫混煉進行對比分析，和將第3組與第5組實驗結果相比，如圖5所示。

從圖中可以看出，使用串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉制備的膠料在門尼黏度、定伸應力、拉伸強度、撕裂強度和分散度等級方面均優(yōu)于傳統(tǒng)密煉機高溫混煉工藝混煉的膠料，這是由于傳統(tǒng)密煉機在混煉過程中會使膠溫迅速上升，高溫造成了橡膠大分子鏈的劇烈氧化斷鏈，某些配合劑在高溫狀態(tài)下失去穩(wěn)定行和活性，局部膠料甚至發(fā)生焦燒等問題，因此影響了最終性能。而串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉以低溫混煉原理為基礎，在保證基體膠和配合劑準確配比的前提下，實現了炭黑配方膠料在135℃以下的低溫連續(xù)混煉，從而在一定程度上保證了橡膠大分子鏈的完整性；同時自主設計的連續(xù)混煉設備對橡膠拉伸作用強、分散能力好，能使炭黑等填料充分發(fā)揮補強作用，適用于炭黑配方膠料的混煉。

圖5 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉與傳統(tǒng)密煉機高溫混煉測試結果對比

3 結論

（1）通過實驗探究了串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉的下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子轉速對于混煉膠質量的影響，結果表明：當連續(xù)混煉系統(tǒng)轉子轉速為30 r/min，停留時間為186 s左右時，所制備的膠料綜合性能最好。

（2）與傳統(tǒng)密煉機高溫混煉相比，串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法制備的炭黑配方膠料綜合性能好，證明了其對于炭黑配方膠料混煉的適用性。

參考文獻：

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