終煉膠變轉速混煉工藝研究

范玉超，陳雪梅，孫學杰，張麗杰

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

膠料的混煉是橡膠體系與補強填料、防老劑和硫化劑等在密煉機中經破碎、混合、分散，最后達到均勻分散的物理化學過程，各種配合劑的分散度是膠料質量的重要指標[1-2]。轉子作為密煉機的重要組成部分，是輪胎生產工藝研究的重點[3-5]。

在密煉機低轉速下，膠料受到的剪切力小，炭黑粒子不易被打碎，炭黑分散時間較長，分散程度低。隨著轉子轉速的提高，膠料的混煉效率明顯提高，轉子與膠料、膠料與膠料、膠料與混煉室內壁之間的剪切摩擦力增大，炭黑在高剪切力下快速破碎，分散性提高。但隨之帶來的是生熱加快，膠料溫度過高，橡膠處于粘流態，轉子對膠料的剪切減弱，炭黑在弱剪切力下不易破碎分散。同時在持續的強剪切力下，破壞了結合膠的生成，影響了膠料的強度[6-8]。

變轉速工藝初始高轉速可保證較高的炭黑混入速度，隨后轉速降低，防止溫升過快，達到效率和質量雙提升的目的。目前，變轉速工藝在多段混煉法的母煉膠中應用較多，對終煉膠的研究應用較少。本工作針對終煉膠進行變轉速工藝研究。

1 變轉速混煉原理

在膠料混煉過程中，密煉機混煉室內的主要剪切區是轉子凸棱與混煉室內壁之間的最小間隙處，其剪切速率（γ）與轉速（n）近乎呈γ＝0.29n的關系。當n增大時，γ增大，此時混煉效率較高，但高轉速又會導致高生熱，造成膠料粘度下降，剪切效率降低，對填料分散不利。為了解決這一矛盾，可以在混煉初期溫度較低時采用高轉速，保持高剪切力，提高混入速度；到混煉后期則降低轉速，降低溫升速率，達到充分利用能量，提高效率的目的[9-10]。

2 實驗

2.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國進口產品；炭黑N326，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；不溶性硫黃HD OT 20和促進劑TBBS，山東尚舜化工有限公司產品；促進劑DCBS，青島華恒助劑有限公司產品。

2.2 配方

NR 100，炭黑N326 45，不溶性硫黃HD OT 20 5.5，促進劑DCBS 0.9，促進劑TBBS 1.5，其他 49。

2.3 主要設備和儀器

F270型密煉機（同步型轉子），大連橡膠塑料機械股份有限公司產品；P-200-2-PCD型平板硫化機，磐石油壓工業（安徽）有限公司產品；MV2000型門尼粘度儀和MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；D-RPA3000型橡膠加工分析（RPA）儀，德國Mon Tech公司產品；DKD-K-16801型自動硬度計，德國Bareiss公司產品；Z005型拉力試驗機，德國ZWICK公司產品；EPLEXOR500N型動態熱力學頻譜儀，德國GABO公司產品。

2.4 混煉工藝

試驗膠料采用4段混煉工藝，均采用F270型密煉機，一段至三段混煉轉子轉速均為40 r·min-1。一段混煉工藝為：生膠→混煉20 s→炭黑、部分小料（氧化鋅、硬脂酸和防老劑等）→混煉至165 ℃→排膠。二段混煉工藝為：一段混煉膠→剩余小料（間苯二酚、硼酰化鈷）→混煉至145 ℃→排膠。三段混煉工藝為：二段混煉膠→混煉至145 ℃→排膠。

終煉膠混煉工藝為加入三段混煉膠混煉，各方案混煉具體程序如下。

方案1：轉子轉速為23 r·min-1，混煉65 s排膠。

方案2：轉子轉速為35 r·min-1，混煉43 s排膠。

方案3：轉子轉速為40 r·min-1，混煉12 s，將轉子轉速調整為23 r·min-1，繼續混煉45 s排膠。

方案4：轉子轉速為40 r·min-1，混煉15 s，將轉子轉速調整為18 r·min-1，繼續混煉39 s排膠。

2.5 性能測試

門尼粘度按照GB/T 1232.1—2016進行測試；門尼焦燒時間按照GB/T 1233—2008進行測試；硫化特性按照GB/T 16584—1996進行測試；邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008進行測試；定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率按照GB/T 528—2009進行測試；撕裂強度按照GB/T 529—2008進行測試。

3 結果與討論

3.1 排膠溫度

不同的混煉工藝使膠料在密煉機中受到的剪切力不同，導致膠料的排膠溫度不同。終煉工藝方案1—4的膠料排膠溫度分別為103，113，115和100 ℃。

方案2是轉子轉速為35 r·min-1的高轉速工藝，膠料在整個混煉周期均受到轉子及內壁的高剪切和摩擦力，也導致了較高的溫升和排膠溫度。方案3是變轉速工藝，但排膠溫度仍較高，這是由于膠料在轉子轉速為40 r·min-1時升溫快，當轉子轉速降為23 r·min-1繼續混煉時，膠料溫度不能有效地降低。方案1的轉子轉速相對較低，排膠溫度為103 ℃，但混煉時間相對較長。方案4與方案3不同的是經過40 r·min-1的高速混煉后，膠料被打碎，同時這一階段溫升快，因此將上壓砣提起保持5 s，使高速剪切產生的熱量及時交換出去，然后以18 r·min-1的轉子轉速低速混煉，可在溫度平穩的情況下將膠料混煉均勻。

此配方采用不溶性硫黃，而高溫易使不溶性硫黃向可溶性硫黃轉化，同時為了減少噴霜導致的質量問題，故應將排膠溫度控制在105 ℃之內，方案1和方案4可以滿足工藝要求。

3.2 硫化特性

終煉膠變轉速混煉工藝對膠料硫化特性的影響如表1所示。

表1 終煉膠變轉速混煉工藝對膠料硫化特性的影響

從表1可以看出，2種終煉膠混煉工藝制備的膠料門尼粘度、門尼焦燒時間和硫化儀數據波動較小，各指標的變化率均小于5%。相較于低速恒轉速混煉工藝，高速變轉速混煉工藝對膠料的加工性能無明顯影響。

3.3 物理性能

終煉膠變轉速混煉工藝對硫化膠物理性能的影響如表2所示。

從表2可以看出，2種終煉膠混煉工藝制備硫化膠的硬度、定伸應力和拉伸強度等物理性能變化較小，變化率在5%以內。

表2 終煉膠變轉速混煉工藝對硫化膠物理性能的影響

為分析填料在膠料中的分散是否改善，對2種膠料進行RPA測試，以ΔG′（G′為儲能模量）來表征填料在膠料中的分散程度。結果表明，終煉工藝方案4制備的膠料ΔG′較方案1膠料低7%，表明填料在膠料中的分散性提高。

3.4 膠料穩定性

不同終煉工藝的膠料中硫黃分散變異系數如表3所示。

表3 不同終煉工藝的膠料中硫黃分散變異系數 %

從表3可以看出，終煉膠變轉速工藝（方案4）制備膠料的單車硫黃分散變異系數和批次硫黃變異分散系數均低于終煉膠恒轉速工藝（方案1）制備的膠料，表明在單一車次或同一批次不同車次間，硫黃的分散更加均勻，膠料穩定性更優。分析原因，以40 r·min-1高速混煉時，膠料被快速破碎，同時硫黃隨之分散；轉速降至18 r·min-1繼續混煉時，可以將破碎的膠料捏合在一起，使分散更加均勻。

3.5 混煉效率

變轉速工藝（方案4）的終煉時間較恒轉速工藝（方案1）縮短11 s，終煉效率提升16.9%。結合加工性能和物理性能數據，變轉速工藝在不影響膠料加工性能和物理性能的前提下，能顯著提升混煉效率。

4 結論

相對于低速恒轉速終煉工藝，采用高速變轉速終煉工藝制備的膠料能夠滿足工藝要求，對混煉膠的加工性能和硫化膠的物理性能無明顯影響。膠料中的硫黃分散更加均勻，終煉效率提升16.9%。