特種氟橡膠混煉工藝研究

史勇，閆楠

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安 710100）

氟橡膠是主鏈或側(cè)鏈的碳原子上連有氟原子的高分子彈性體。氟原子電負(fù)極性高，且其原子半徑小，能夠緊密排列在碳原子周圍，賦予了氟橡膠耐高溫、耐天氣老化、耐光老化、耐臭氧老化、耐輻射、耐磨性好、耐油和耐一些特殊介質(zhì)等性能，使其在航天、航空、石化、汽車等領(lǐng)域廣泛使用。但由于分子結(jié)構(gòu)氟原子的存在，使氟橡膠分子間內(nèi)聚能高、分子鏈剛性大，門尼粘度高。同時(shí)、氟橡膠的分子結(jié)構(gòu)也決定了導(dǎo)熱性差、混煉工藝性差，在混煉過程中容易生熱，稍有不慎就會(huì)造成膠料粘輥和焦燒。另外、氟橡膠價(jià)格昂貴，尤其是一些特殊的氟橡膠如羧基亞硝基氟橡膠、全氟醚氟橡膠。因此，解決好氟橡膠的混煉工藝問題，對有效使用氟橡膠及發(fā)揮氟橡膠的優(yōu)異性能意義重大。

氟橡膠通常采用開放式煉膠機(jī)進(jìn)行混煉，一般不采用密煉機(jī)進(jìn)行混煉。部分廠家也嘗試采用密煉操作混煉氟橡膠，但因?yàn)樯z在密煉機(jī)中進(jìn)行剪切變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可逆的脆性破壞，易生成碎膠塊，而且密煉操作生熱更大，所以只在部分牌號的氟橡膠上應(yīng)用了密煉操作，大部分牌號的氟橡膠，尤其是羧基亞硝基氟橡膠等價(jià)格特別昂貴的氟橡膠，還是采用開放式煉膠機(jī)混煉。因此，本文僅對氟橡膠開放式煉膠機(jī)混煉工藝進(jìn)行討論研究。

1 開放式煉膠機(jī)混煉工作原理簡介

1.1 開放式煉膠機(jī)結(jié)構(gòu)

開放式煉膠機(jī)結(jié)構(gòu)主要由輥筒、輥筒軸承、機(jī)架和橫梁、機(jī)座、調(diào)距裝置、冷卻裝置、潤滑裝置、傳動(dòng)裝置、緊急剎車裝置以及安全裝置等組成。

1.2 混煉工作原理

開放式煉膠機(jī)混煉過程通常分為3個(gè)階段，包輥、吃粉和翻煉。由于開放式煉膠機(jī)的前后輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)線速度有差異形成了剪切力，當(dāng)膠料加到輥筒上時(shí)，膠料受輥筒擠壓，在摩擦力和粘附力的作用下，被拉入輥筒縫隙，形成楔形斷面的膠條，在輥筒縫隙中受速度梯度的剪切力和輥筒溫度的作用下，膠料受到強(qiáng)烈的碾壓和撕裂，同時(shí)伴隨著橡膠大分子鏈的氧化斷裂作用。從輥筒縫隙排出的膠片，由于兩個(gè)輥筒表面速度和溫度的差異而包覆在一個(gè)輥筒上，又重新返回兩輥間，這樣多次往復(fù)完成煉膠作業(yè)。

2 氟橡膠混煉工藝參數(shù)分析

開放式煉膠及混煉的膠料質(zhì)量好壞，除了加料順序外，主要取決于混煉溫度、裝膠容量、混煉時(shí)間等參數(shù)。

2.1 裝膠容量

裝膠容量即混煉容量，與混煉質(zhì)量有密切關(guān)系，容量不足影響設(shè)備利用率，而其會(huì)在輥筒上產(chǎn)生不穩(wěn)定的操作，容易產(chǎn)生過煉。反之，容量過大，勢必增加堆積膠量，使堆積膠只能自身打轉(zhuǎn)而失去作用、影響分散效果。適宜的裝膠量是允許輥筒上方保持適當(dāng)量的堆積膠，使膠料通過時(shí)形成波紋和折皺，夾裹粉劑進(jìn)入兩輥間隙。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，合適的裝膠容量可按公式（1）計(jì)算。

式（1）中，Q為裝料容量，kg；K為裝料系數(shù)；D為輥筒直徑，cm；L為輥筒工作部分長度，cm；ρ為膠料的密度，kg/dm3。

由于氟橡膠混煉時(shí)生熱較大，因此混煉氟橡膠的裝膠容量為其他通用橡膠的1/2左右。目前，通常使用6吋煉膠機(jī)混煉氟橡膠，裝膠容量一般在500～1 000 g。

2.2 加料順序

羧基亞硝基氟橡膠混煉加料順序?yàn)樯z-填充劑-硫化劑-促進(jìn)劑，為避免粘輥、可與少量3#助劑混合后一起加入，當(dāng)生膠進(jìn)入輥筒后即粘住雙輥，隨后加入補(bǔ)強(qiáng)填充劑、1#助劑、2#助劑，最后加入3#助劑。

2.3 混煉時(shí)間及輥距

延長混煉時(shí)間能提高配合劑在膠料中的分散度，但也會(huì)降低生產(chǎn)效率。混煉時(shí)間過長又容易造成膠料過煉而使硫化膠的物理機(jī)械性能受到損害，還會(huì)造成膠料的“熱歷史”增長而容易出現(xiàn)焦燒現(xiàn)象。因此，一般不宜過長，羧基亞硝基氟橡膠會(huì)吸收空氣中的水分而使膠料性能降低，因此更需嚴(yán)格控制混煉時(shí)間、輥距。羧基亞硝基氟橡膠混煉的最大輥距為1.5～3.0 mm，為了防止焦燒和粘輥，混煉過程不能進(jìn)行薄通。

2.4 輥溫

混煉溫度高有利于生膠和膠料的塑性流動(dòng)和變形，有利于橡膠對固體配合劑粒子表面的濕潤和混合吃粉，但又使膠料的粘度下降，不利于配合劑粒子的破碎與分散混合。混煉溫度過高還會(huì)加速橡膠的熱氧老化，使硫化膠的物理機(jī)械性能下降，即出現(xiàn)過煉現(xiàn)象；還會(huì)使膠料發(fā)生焦燒現(xiàn)象。氟橡膠混煉過程中的生熱較大，因此必須嚴(yán)格控制混煉輥溫，一般輥溫控制在50 ℃以下。

2.5 停放

混煉膠料宜存放于低溫干燥處，氟橡膠混煉后的膠料，因溫度較高，應(yīng)特別注意膠料不能堆放，防止膠料中間的溫度聚集，導(dǎo)致焦燒等現(xiàn)象。另外，水會(huì)與氟橡膠中的配合劑發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致膠料焦燒，因此氟橡膠冷卻和停放要避免接觸水，羧基亞硝基氟橡膠對濕度非常敏感，需用鋁塑袋抽真空保存，杜絕接觸空氣和濕氣。

3 羧基亞硝基特種氟橡膠混煉質(zhì)量控制要點(diǎn)

羧基亞硝基氟橡膠是指主鏈上含有N-O結(jié)構(gòu)的一種氟橡膠，低溫性良好，二元亞硝基氟橡膠是由三氟亞硝基甲烷（CF3NO）與四氟乙烯（CF2=CF2）的懸浮共聚物，羧基亞硝基氟橡膠是在二元亞硝基氟橡膠的基礎(chǔ)上引入第三單體，即亞硝基全氟丁酸（或亞硝基全氟丙酸）的三元共聚物，由于羧基基團(tuán)的引入，可采用氟化物作硫化劑，得到的硫化橡膠耐強(qiáng)氧化劑能力大大提高。羧基亞硝基氟橡膠性能優(yōu)異，但價(jià)格非常昂貴，膠料受濕度影響大，煉膠工藝性差。

煉膠的質(zhì)量控制要點(diǎn)如下。（1）羧基亞硝基氟橡膠價(jià)格昂貴，為避免受污染，煉膠必須使用專用的煉膠機(jī)煉膠間。（2）羧基亞硝基氟橡膠屬于一種離子交聯(lián)的高分子材料，吸水性和自硫化性均較強(qiáng)，煉膠過程中要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度和濕度，溫度控制在5～25 ℃，濕度不大于50%，如果達(dá)不到溫濕度要求，禁止混煉。（3）注意煉膠機(jī)和周圍環(huán)境是否整潔，在混煉前必須對煉膠機(jī)進(jìn)行徹底清潔，包括擋板要徹底進(jìn)行清潔。（4）白炭黑要提前在100 ℃左右進(jìn)行烘干，防止水分混入；檢查2#助劑，如有團(tuán)聚、發(fā)黑現(xiàn)象禁止使用。（5）羧基亞硝基氟橡膠門尼黏度較低，適宜在開煉機(jī)上直接混煉。當(dāng)生膠進(jìn)入輥筒后，即粘住雙輥，隨后加入補(bǔ)強(qiáng)填充劑、1#助劑、2#助劑，最后加入3#助劑。待混煉均勻后方可放寬輥距，使膠料包于快速輥筒上，停車下片。由于選用2#助劑，膠料有焦燒傾向，因此煉膠過程中應(yīng)盡量冷卻輥筒，保證低溫混煉，為了防止焦燒和粘輥，混煉過程不能進(jìn)行薄通；煉制過程膠料易粘輥，一方面可通過不斷調(diào)整輥距，克服粘輥，另一方面可將配合劑中的3#助劑提前涂抹在輥筒表面，在混煉結(jié)束下輥時(shí)減少橡膠與輥筒附著力。（6）煉膠過程中注意輥溫不超過50 ℃；如果煉完一輥后輥溫過高，等輥筒稍作冷卻后再進(jìn)行下一輥操作。（7）混煉后的膠料立即進(jìn)行真空封裝后放入干燥器內(nèi)，停放2 h后使用。

4 實(shí)施效果

經(jīng)過研究和采取各項(xiàng)質(zhì)量控制措施，進(jìn)行羧基亞硝基氟橡膠的煉膠，混煉的膠料各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，質(zhì)量良好使用開煉機(jī)混煉羧基亞硝基氟橡膠，試驗(yàn)的工藝參數(shù)如表1所示，混煉膠數(shù)據(jù)見表2。

表1 羧基亞硝基氟橡膠開煉機(jī)煉膠工藝參數(shù)

表2 羧基亞硝基氟橡膠混煉膠數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過對特種氟橡膠開放式煉膠機(jī)混煉的特點(diǎn)及工藝過程的分析，找出了質(zhì)量控制的要點(diǎn)，制定出有針對性的生產(chǎn)質(zhì)量控制措施，通過實(shí)際驗(yàn)證，混煉的氟橡膠各項(xiàng)性能符合要求，保證了氟橡膠煉膠的質(zhì)量，可推廣至各類氟橡膠開放式煉膠機(jī)混煉的工作中。