串聯密煉機恒溫混煉工藝性能的研究

劉華龍，叢明輝，王婷婷，孫慶江，董凌波，關金朝

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

在輪胎生產過程中，混煉膠質量至關重要，在整個輪胎生產工藝流程中膠料混煉耗電占比較大，因此如何提高膠料混煉質量、降低能耗是膠料混煉技術研究中的重要課題。相對于傳統單密煉機，膠料在串聯密煉機的上密煉機中完成混煉后不經過降溫過程直接排入下密煉機中繼續混煉，降低了膠料中轉及降溫冷卻過程中的人力成本和能源消耗。目前使用嚙合轉子的串聯密煉機的上下密煉機均能實現精準變轉速恒溫混煉，提高混煉膠混煉均勻性和混煉程度[1-6]，但是目前對串聯密煉機的變轉速恒溫混煉工藝性能研究較少。

本工作通過對IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機的恒溫混煉與恒轉速混煉工藝性能進行對比，研究串聯密煉機的混煉工藝性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），20＃標準膠，馬來西亞產品；炭黑，山東貝斯特有限公司產品；白炭黑，山東聯科科技股份有限公司產品。

1.2 配方

試驗采用公司全鋼載重子午線輪胎0°帶束層膠料（編號為JL），配方主要組分為NR、炭黑和白炭黑。

1.3 主要設備和儀器

IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機，德國克虜伯公司產品；BB270型密煉機，日本神戶制鋼公司產品；MV-3000型門尼粘度計和TS-2000M型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析（RPA）儀，美國阿爾法科技有限公司產品；動態熱機械分析（DMA）儀，德國GABO公司產品；401B型老化試驗箱，江都試驗機械廠產品。

1.4 混煉工藝

母煉膠采用IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機混煉（IM550E和IM1000ET密煉機的功率分別為2 550和1 500 kW，均采用嚙合PES5型轉子，轉子速比均為1∶1），具體混煉工藝方案如下。

（1）JL-1編號膠料混煉，恒轉速混煉過程轉子轉速為50 r·min-1，恒溫混煉過程轉子轉速為5～50 r·min-1。一段混煉工藝為：上密煉機加NR、小料、炭黑和白炭黑→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣升溫至160℃→排膠至下密煉機→下密煉機恒溫155 ℃，保持180 s→排膠；二段混煉工藝為：上密煉機加一段混煉膠→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃→排膠至下密煉機→下密煉機恒溫155 ℃，保持140 s→排膠。三段混煉工藝同二段混煉。

（2）JL-2編號膠料混煉，恒轉速混煉過程轉子轉速為50 r·min-1，恒溫混煉過程轉子轉速為5～50 r·min-1。一段混煉工藝為：上密煉機加NR、小料、炭黑和白炭黑→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣升溫至150℃后恒溫，保持150 s→排膠至下密煉機→下密煉機恒溫150 ℃，保持330 s→排膠；二段混煉工藝同一段混煉。

在介紹紅色文化的名人時，在英譯版本中省略了名人們的“字”。“字”，也稱“表字”，是一個人的名字的注解、補充和延伸。在省博物館里面有很多類似的表達，比如“胡漢民（1879-1936），字展堂”，“梁延相（1796-1861），字章冉”，“張蔭桓（1837-1900），字樵野”等。但是，考慮到中外文化差異，“字”是中國人特有的，而外國人沒有，所以不必譯出。

終煉采用BB270型密煉機混煉，轉子轉速為25 r·min-1，混煉工藝為：加母煉膠→升溫至125 ℃→排膠至開煉機→加硫化體系→搗膠→排膠。

1.5 性能測試

（1）RPA測試條件：終煉膠應變掃描，溫度100 ℃，應變范圍 0.7%～100%，頻率 1.67 Hz。

（2）DMA測試條件：硫化膠溫度掃描，溫度范圍 30～80 ℃，動態應變 5%，靜態應變 10%，頻率 10 Hz。

（3）膠料其他性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 生產效率和能耗

2.1.1 生產效率

JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉時間對比如表1所示。

表1 JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉時間對比 s

2.1.2 能耗

JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉能耗對比如表2所示。

表2 JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉能耗對比

從表2可以看出，JL-1母煉膠增加第三段148 s的恒轉速混煉產生的能耗為372.7 kJ·kg-1，JL-2母煉膠一段混煉過程中增加的150 ℃×150 s恒溫混煉帶來的能耗增加為162.3 kJ·kg-1，增加恒溫混煉比增加一段恒轉速混煉的能耗降低56%，但JL-2母煉膠混煉總能耗比JL-1母煉膠減小16%，這主要是因為JL-2母煉膠兩段式混煉比JL-1母煉膠三段式混煉減少1段破膠升溫帶來的能耗。

2.2 膠料性能

2.2.1 門尼粘度

JL-1與JL-2兩種膠料門尼粘度對比如表3所示。

表3 JL-1與JL-2兩種膠料門尼粘度對比

從表3可以看出，在相同混煉工藝下，JL-1和JL-2的二段混煉分別降低門尼粘度21和18，JL-1的三段混煉降低門尼粘度12。從表2可以看出，JL-1和JL-2二段混煉及JL-1三段混煉的能耗分別為379.0，387.1和372.7 kJ·kg-1，由此可見，其降低單位門尼粘度消耗的能量分別為18，22和31 kJ·kg-1。這可能是因為在相同的混煉工藝下，隨著混煉段數的增加，母煉膠門尼粘度下降，NR分子鏈變短，密煉機轉子對NR分子鏈的剪切作用變弱，門尼粘度下降速度慢，同時降低單位門尼粘度的能耗急劇上升。JL-2與JL-1一段母煉膠門尼粘度差為8，能耗差為162.3 kJ·kg-1，則降低單位門尼粘度消耗的能量為20 kJ·kg-1，降低單位門尼粘度的能耗比JL-1混煉低33%；JL-1和JL-2終煉膠的

門尼粘度分別為55和61，JL-2終煉膠的門尼粘度增大11%，而總能耗減小16%。

2.2.2 物理性能

JL-1與JL-2兩種膠料物理性能對比如表4所示。

表4 JL-1與JL-2兩種膠料物理性能對比

從表4可以看出，老化前JL-1膠料的物理性能略好于JL-2膠料，而老化后JL-2膠料的物理性能略好。這表明相比增加1段母煉膠混煉，增加150℃×150 s變轉速恒溫混煉工藝對膠料物理性能影響不大，甚至可以改善膠料的耐老化性能。

2.2.3 鋼絲粘合性能

使用JL-1和JL-2兩種膠料進行鋼絲簾線（規格為3×0.20＋6×0.35HT）覆膠制樣，H抽出力測試結果分別為1 010和1 126 N。

由此可見，JL-2膠料的鋼絲抽出力大于JL-1膠料，表明增加恒溫混煉工藝有利于膠料中配合劑的分散和反應，增強了膠料的鋼絲粘合性能。

2.2.4 動態力學性能

取JL-1與JL-2兩種終煉膠進行RPA測試，得到在0.7%～100%應變范圍內儲能模量的下降幅度（ΔG′）；取兩種硫化膠進行DMA測試，得到60 ℃下損耗因子（tanδ），結果如表5所示。

從表5可以看出，在0.7%～100%應變范圍內，JL-1和JL-2兩種膠料的ΔG′分別為235和277 kPa，根據Payne效應[7]，JL-1膠料的炭黑分散性好于JL-2膠料。這表明增加恒溫混煉工藝對炭黑的分散作用不如增加1段恒轉速混煉工藝，但可以提高配合劑的混煉均勻性和反應程度。

表5 JL-1與JL-2兩種膠料動態力學性能對比

從表5還可以看出，JL-1與JL-2兩種膠料60 ℃下tanδ相同，表明增加相同時間的恒溫混煉工藝與增加1段母煉膠混煉生產膠料滯后損失和生熱基本一致[8]。

3 結論

與恒轉速混煉工藝相比，IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機在相同混煉時間內恒溫混煉工藝具有以下特點。

（1）減少混煉段數，減輕勞動強度，提高生產效率5%，能耗下降56%，降低單位門尼粘度能耗下降33%，母煉膠混煉總能耗下降16%。

（2）終煉膠門尼粘度降低11%，炭黑分散性下降，膠料的定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率等物理性能略有下降，但老化后物理性能提高，膠料與鋼絲簾線的粘合性能提高，滯后損失和生熱相當。