炭黑細(xì)粉含量對(duì)混煉過(guò)程影響的試驗(yàn)研究

李勇，劉偉冬

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東　青島　266061）

炭黑細(xì)粉含量對(duì)混煉過(guò)程影響的試驗(yàn)研究

李勇，劉偉冬

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061）

為了探究炭黑細(xì)粉含量對(duì)混煉過(guò)程的影響，對(duì)不同炭黑細(xì)粉含量進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，炭黑細(xì)粉含量增加，炭黑損耗明顯升高，混煉時(shí)間加長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。同時(shí)對(duì)一定范圍內(nèi)細(xì)粉含量對(duì)膠料性能的影響進(jìn)行了測(cè)試，細(xì)粉含量對(duì)炭黑的分散性、膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、加工性能等沒(méi)有明顯影響。

細(xì)粉含量；混煉；效率；膠料性能

現(xiàn)今橡膠工業(yè)受到提高經(jīng)濟(jì)效益和改善產(chǎn)品質(zhì)量的雙重壓力［1］。氣力輸送過(guò)程中炭黑破碎導(dǎo)致細(xì)粉含量的增加，從而對(duì)混煉工藝和膠料質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。比如破碎率的增加，使炭黑堆積密度下降，流動(dòng)性變差，炭黑投入密煉機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)。未采用輸送系統(tǒng)時(shí)，100 kg炭黑投料時(shí)間一般可以控制在20 s以內(nèi)，但采用氣力輸送系統(tǒng)輸送的炭黑，如果破碎率增加太大，投料時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)到30～40 s，而且投料穩(wěn)定性差。懸浮的炭黑粉塵進(jìn)入密煉機(jī)很難混入膠料中，影響煉膠效率。粉塵的增加會(huì)導(dǎo)致加料門(mén)除塵系統(tǒng)負(fù)荷，使真正進(jìn)入膠料中的炭黑減少，影響配方的準(zhǔn)確性。由于炭黑的種類不同，還有可能在管道中產(chǎn)生粘附現(xiàn)象［2］。

由于炭黑和聚合物在大多數(shù)配方中用量很大，是重要的配合劑，使得這些配合劑的原材料參數(shù)對(duì)混煉、深加工以及最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。炭黑細(xì)粉含量作為炭黑原材料技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵項(xiàng)目，其對(duì)混煉工藝和膠料性能影響的早期研究是在以EPDM和炭黑N650為基的兩種專用橡膠產(chǎn)品配方上進(jìn)行的，另一個(gè)也同時(shí)發(fā)生變化的原材料參數(shù)是所用聚合物長(zhǎng)鏈的支化程度。

目前國(guó)外的炭黑供應(yīng)商進(jìn)貨時(shí)要求其破碎率一般小于5%。而對(duì)于氣力輸送裝置，輸送終端速度不大于7.5～10 m/s時(shí)對(duì)破碎率影響最小。如韓國(guó)產(chǎn)炭黑N550，出廠破碎率為3%～6%，其破碎率能夠多數(shù)滿足小于5%的要求。某國(guó)產(chǎn)炭黑N550，出廠平均破碎率在6.2%，輸送后的破碎率增量達(dá)8%［3］。同時(shí)根據(jù)國(guó)外著名公司的研究，進(jìn)入密煉機(jī)炭黑細(xì)粉（小于125 μm）含量不能超過(guò)15%，最大不超過(guò)20%時(shí)煉膠質(zhì)量最好。圖1所示為炭黑細(xì)粉含量與300%定伸應(yīng)力的關(guān)系。可以看出當(dāng)N220炭黑總的細(xì)粉含量超過(guò)20%時(shí)，300%定伸應(yīng)力明顯下降［4］。

1　試驗(yàn)方案

為提高膠料混煉均勻性及生產(chǎn)效率，對(duì)密煉工藝各混煉步驟時(shí)間進(jìn)行細(xì)化分析，發(fā)現(xiàn)密煉中心混煉時(shí)間差異較大，以HT157/31配方為例最長(zhǎng)混煉時(shí)間172 s（加炭黑60 s），最短混煉時(shí)間為123 s（加炭黑9 s），兩者相差49 s，占最短混煉時(shí)間39.8%，根據(jù)上述分析其混煉時(shí)間波動(dòng)主要來(lái)源為加炭黑時(shí)間波動(dòng)太大引起。針對(duì)這一分析，展開(kāi)相關(guān)研究。

圖1　炭黑細(xì)粉含量與300%定伸應(yīng)力的關(guān)系

為對(duì)比炭黑破碎對(duì)生產(chǎn)效率的影響，選取HT130/31、HT157/31、HB350/31三種配方分別使用日罐直接投料（未經(jīng)輸送，炭黑破碎率4%），月罐輸送方式（炭黑破碎率14%～19%）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如表1。

表1　不同輸送方式炭黑細(xì)粉含量對(duì)比　%

2　結(jié)果與討論

2.1對(duì)炭黑損耗的影響

不同細(xì)粉含量對(duì)炭黑損耗的影響見(jiàn)表2。

表2　不同細(xì)粉含量對(duì)炭黑損耗的影響　%

損耗計(jì)算公式：（理論下車(chē)重量-實(shí)際下車(chē)重量）/炭黑用量。

根據(jù)表2可以看出，炭黑細(xì)粉含量增加，密煉生產(chǎn)過(guò)程中炭黑損耗明顯增高，三種配方損耗差值分別達(dá)到：0.43%、5.68%、4.73%，差距明顯。分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是炭黑細(xì)粉含量過(guò)多，炭黑加入密煉機(jī)時(shí)飛揚(yáng)較大，更多炭黑細(xì)粉被密煉機(jī)加料門(mén)上方除塵系統(tǒng)吸走。因此降低炭黑損耗可提高下車(chē)重量，提升生產(chǎn)效率及膠料混煉過(guò)程穩(wěn)定性。

表3　不同細(xì)粉含量對(duì)混煉效率的影響

2.2對(duì)混煉時(shí)間的影響

不同細(xì)粉含量對(duì)混煉效率的影響見(jiàn)表3。

根據(jù)表3可以看出，細(xì)粉含量降低后可大幅度提高膠料生產(chǎn)效率，效率提升在2%～6%左右，影響明顯。

此外，國(guó)外公司也對(duì)細(xì)粉含量對(duì)混煉過(guò)程的影響進(jìn)行了測(cè)試［5］。圖2為N234測(cè)試混煉過(guò)程動(dòng)力消耗與混煉時(shí)間和炭黑細(xì)粉含量的關(guān)系，從圖2中可以看出，此類膠料中細(xì)粉含量的影響不是很明顯，但我們依然可以看出混煉過(guò)程中動(dòng)力消耗較大的部分。

聚合物塑煉后，含有未破碎炭黑的膠料僅可看出稍高的最大動(dòng)力消耗，只能觀察到因?yàn)楦呒?xì)粉含量引起更強(qiáng)的壁面打滑階段的略明顯的最小動(dòng)力消耗值。在上頂栓清掃后的混煉段，動(dòng)力消耗達(dá)到第二個(gè)最高峰。

圖2　母煉膠和終煉膠混煉段的動(dòng)力消耗與混煉時(shí)間和炭黑細(xì)粉含量的關(guān)系

對(duì)于不同細(xì)粉含量對(duì)混煉時(shí)間的影響，本次試驗(yàn)與國(guó)外測(cè)試結(jié)果不同的原因主要是炭黑細(xì)粉含量導(dǎo)致混煉過(guò)程的不同與所用轉(zhuǎn)子幾何形狀有關(guān)?？紤]到國(guó)外測(cè)試采用的是雙刀型轉(zhuǎn)子，在用更強(qiáng)勁轉(zhuǎn)子或者互嚙合轉(zhuǎn)子時(shí)，細(xì)粉含量對(duì)工藝的影響可能更大一些，由于炭黑細(xì)粉含量不同導(dǎo)致炭黑混入時(shí)發(fā)生明顯變化在輪胎工業(yè)中是人所共知的；同時(shí)，膠料種類、工藝配方以及試驗(yàn)條件都是造成測(cè)試結(jié)果存在差異的原因。

2.3密煉車(chē)間炭黑破碎率

為分析炭黑破碎率情況，在密煉車(chē)間內(nèi)不同位置進(jìn)行了炭黑破碎率檢測(cè)，炭黑破碎率均值分別為19%和18.3%。最高炭黑破碎率為45.2%，最低為8%，波動(dòng)較大。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試觀察，炭黑破碎率波動(dòng)較大為測(cè)試炭黑最大問(wèn)題，導(dǎo)致混煉時(shí)間出現(xiàn)較大波動(dòng)。由于炭黑氣力輸送系統(tǒng)需要頻繁進(jìn)行管道大氣量清掃，在清掃過(guò)程中會(huì)造成大量細(xì)粉，同時(shí)輸送目標(biāo)罐頂部除塵器在清灰過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生粉塵，罐內(nèi)細(xì)粉在罐壁的粘附脫落也會(huì)造成細(xì)粉含量極高的粉餅，造成進(jìn)入密煉機(jī)的細(xì)粉含量產(chǎn)生波動(dòng)，這些因素也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

3　對(duì)膠料性能的影響

為了探究不同細(xì)粉含量（范圍主要在0～20%）對(duì)膠料性能的影響，我們根據(jù)不同炭黑牌號(hào)及不同細(xì)粉含量展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)差異如表4所示。

表4　各組實(shí)驗(yàn)差異對(duì)比

炭黑細(xì)粉的制備:采用115目（網(wǎng)孔直徑125 μm）的篩網(wǎng)篩選各種牌號(hào)的炭黑，制成實(shí)驗(yàn)所需的炭黑細(xì)粉?；鞜捁に嚨绕渌囼?yàn)條件保持一致。

3.1對(duì)炭黑分散情況的影響

工藝上，一般以100%定伸應(yīng)力與10%定伸應(yīng)力的比值表征炭黑分散情況，相同配方下，100%定伸應(yīng)力與10%定伸應(yīng)力的比值可以表征炭黑分散情況，其比值越大，分散性越好。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，N660相對(duì)其它兩種炭黑分散性較好，N234、N375則差距不大。同種牌號(hào)不同細(xì)粉含量對(duì)炭黑的分散性幾乎沒(méi)有產(chǎn)生太大影響，N234最大差值為0.31，N375最大差值為0.21，N660最大差值為0.64，影響不明顯。這是由于炭黑的分散主要是與炭黑粒徑及混煉工藝有關(guān)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中混煉工藝保持一致，其膠料所受到的機(jī)械力及熱歷程幾乎相同，而炭黑的破碎并不能改變炭黑的粒徑等微觀結(jié)構(gòu)，因此，在上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi)，炭黑破碎對(duì)其分散情況影響不大。

圖3　100%定伸應(yīng)力/10%定伸應(yīng)力

3.2對(duì)膠料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

混煉工藝保持一致，膠料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能采用德國(guó)GABO公司的DMA測(cè)試，測(cè)試條件為：頻率 10 Hz，靜態(tài)應(yīng)變5%，靜態(tài)應(yīng)力70 N，動(dòng)態(tài)應(yīng)變0.25%，動(dòng)態(tài)應(yīng)力60 N，溫度范圍 -65～65℃，溫升2℃/min，拉伸模式。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

輪胎的滾動(dòng)阻力、抗?jié)窕⒛湍バ阅苋叽嬖谥摹澳Ч砣恰标P(guān)系，即提高三者中任意一項(xiàng)性能，必然會(huì)影響其余兩者有變差的趨勢(shì)。當(dāng)磨耗程度低時(shí)，輪胎的使用壽命就長(zhǎng)，滾動(dòng)阻力越小能耗越小，這些性能相互依賴也是合乎邏輯的，如非常高的滾動(dòng)阻力會(huì)改善剎車(chē)反映能力，此時(shí)傳輸力較大，反之亦然，但是傳輸力增大，會(huì)加大油耗和磨耗，如何同時(shí)提高三項(xiàng)性能一直是配方人員的奮斗目標(biāo)。而對(duì)于固定配方，好的混煉工藝則能夠在提升某一種或者兩種性能的同時(shí)，使得另外一種性能的下降趨勢(shì)盡量小。

胎面膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與成品輪胎的使用性能有著明顯的相關(guān)性，輪胎的抗?jié)窕阅懿捎?℃的Tanδ表征，Tanδ越大，抗?jié)窕阅茉胶?。滾動(dòng)阻力性能采用60℃的Tanδ表征，Tanδ越小，滾動(dòng)阻力越低。從圖3中可以看出，在測(cè)試范圍內(nèi)，含不同細(xì)粉含量的膠料在0℃的Tanδ及 60℃的Tanδ幾乎不變，即炭黑破碎情況對(duì)膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能沒(méi)有影響。

3.3對(duì)加工性能的影響

通過(guò)對(duì)各方案門(mén)尼黏度ML1+4（100℃）的測(cè)試，我們得到N234、N375、N660三種炭黑不同細(xì)粉含量條件下其門(mén)尼黏度分布區(qū)間分別為67～70，56～58，41～44。同種牌號(hào)不同細(xì)粉含量的胎面膠料門(mén)尼變化差距不大，最大僅為3。分析主要是由于各實(shí)驗(yàn)的混煉工藝保持一致，其膠料在混煉過(guò)程中所受到的剪切力及膠料流動(dòng)形式幾乎一樣，即在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，炭黑細(xì)粉含量對(duì)膠料的加工性能沒(méi)有影響。

圖4　三種炭黑不同細(xì)粉含量的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能曲線

此外，我們對(duì)Payne效應(yīng)、拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，細(xì)粉含量在20%以內(nèi)均表現(xiàn)出對(duì)膠料無(wú)明顯影響作用。

但國(guó)外著名輪胎公司測(cè)試細(xì)粉含量對(duì)膠料的磨耗性能、疲勞性能、300%定伸應(yīng)力均有影響，特別是細(xì)粉含量在20%以上時(shí)影響明顯。下圖所示為對(duì)N234炭黑不同細(xì)粉含量進(jìn)行的輪胎胎面的道路磨耗實(shí)驗(yàn)，分別是含2%細(xì)粉含量的未破壞炭黑和含49%細(xì)粉含量的炭黑［5］。

圖5　磨耗與行駛路程和炭黑細(xì)粉含量的關(guān)系

由圖5可知，含2%細(xì)粉含量未破壞炭黑的輪胎磨損較快，含49%細(xì)粉含量破壞炭黑制成的輪胎似乎更有耐磨優(yōu)勢(shì)。但與混入聚合物基體的完整炭黑球粒相比，破壞炭黑的分散程度差一些。

4　結(jié)論

（1）炭黑破碎率對(duì)炭黑損耗影響較大，炭黑破碎率降低可提高下車(chē)重量，從而提升混煉效率；

（2）炭黑破碎率對(duì)混煉時(shí)間存在直接影響，降低炭黑破碎率可提升1%～6%的生產(chǎn)效率；

（3）測(cè)試炭黑破碎率由于管道原因波動(dòng)較大，從而解釋了最大混煉時(shí)間相差49 s的原因；

（4）細(xì)粉含量技術(shù)指標(biāo)的設(shè)定，僅出于工藝實(shí)施上的考量，其細(xì)粉含量多少對(duì)試驗(yàn)測(cè)試的膠料性能影響不大。

在實(shí)驗(yàn)中我們也注意到，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制各種小料的配方精度，特別是硫磺的稱量精度，避免不同批次小料重量變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；準(zhǔn)確控制炭黑配方中稱量誤差，消除炭黑重量不同造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同。比如密煉機(jī)采用上輔機(jī)自動(dòng)配料投料系統(tǒng)，炭黑稱量最大誤差可以達(dá)到±200 g，即不同配方存在最大400 g的允許誤差，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

同時(shí)，根據(jù)我們得到的國(guó)外某輪胎巨頭內(nèi)部的試驗(yàn)結(jié)果是細(xì)粉含量超過(guò)20%，膠料的300%定伸應(yīng)力明顯下降。當(dāng)細(xì)粉含量從20%上升到40%時(shí)，定伸應(yīng)力大約下降8.33%；從40%上升到60%時(shí)，大約下降18.18%［6］。而且國(guó)外所有從事橡膠產(chǎn)品加工企業(yè)對(duì)炭黑氣力輸送破碎率都有嚴(yán)格的要求，輸送后的破碎率增加不能超過(guò)5%。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)炭黑細(xì)粉含量的研究還不夠深入和系統(tǒng)，如細(xì)粉含量變化對(duì)膠料的300%定伸應(yīng)力、疲勞性能、磨耗性能等的影響，國(guó)內(nèi)公司應(yīng)加大對(duì)炭黑破碎率、細(xì)粉含量等的研究，提升膠料制品的穩(wěn)定性。炭黑細(xì)粉含量對(duì)混煉膠質(zhì)量的影響非常復(fù)雜，需要國(guó)內(nèi)橡膠企業(yè)和科研單位進(jìn)行深入研究，科學(xué)的安排試驗(yàn)方法。

［1］ 朱林.混煉室中原材料參數(shù)變化的影響［J］.橡膠參考資料，2004，（2）:47～53.

［2］ 李勇，王海萍.炭黑氣力輸送中粒子破碎問(wèn)題及對(duì)膠料的影響［J］.橡膠工業(yè)，2010，57（12）：746～749.

［3］ 孫月飛.氣力輸送過(guò)程中物料破碎率的研究［J］.特種橡膠制品，2008，29（4）:34～37.

［4］ 李勇.炭黑氣力輸送中的粒子破碎問(wèn)題和測(cè)試方法［J］.橡塑技術(shù)與裝備， 2003，29（7）:1～6.

［5］ 王象民.原材料參數(shù)對(duì)混煉的影響——炭黑細(xì)粉含量［J］.橡膠參考資料， 2007，（2）:38～42.

［6］ 李勇，李光.氣力輸送系統(tǒng)中炭黑破碎率的試驗(yàn)研究［J］.橡膠工業(yè)， 2014，61（8）:493～495.

（R-01）

森麒麟在石墨烯輪胎上有大動(dòng)作

2016年8月3日，森麒麟輪胎與青島華高墨烯科技股份有限公司正式簽約，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)石墨烯導(dǎo)靜電輪胎。

據(jù)森麒麟技術(shù)中心總工李忠東介紹，該產(chǎn)品2016年將進(jìn)行批量試制，一期5年計(jì)劃生產(chǎn)500萬(wàn)條，二期5年計(jì)劃生產(chǎn)1 000萬(wàn)條，主要生產(chǎn)17"以上的輪胎。

按照協(xié)議，今后，森麒麟將采用華高墨烯提供的石墨烯專利技術(shù)，進(jìn)行石墨烯導(dǎo)靜電輪胎的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。

據(jù)了解，石墨烯導(dǎo)靜電輪胎采用石墨烯與膠質(zhì)復(fù)合改性制備技術(shù)，通過(guò)具有導(dǎo)靜電功能的輪胎胎面接地，可全時(shí)段、連續(xù)、可靠地導(dǎo)出車(chē)體靜電。

此外，這種輪胎的散熱功能和機(jī)械強(qiáng)度也有突出表現(xiàn)，將比普通輪胎提高50%以上，拉斷性將提升100%。

另?yè)?jù)悉，雙方此次簽約將積極推動(dòng)資源互補(bǔ)，真正實(shí)現(xiàn)石墨烯在橡膠領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化，打通石墨烯上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

不久后，世界第一條石墨烯導(dǎo)靜電輪胎或在山東青島下線，并推向市場(chǎng)。

華高墨烯成立于2012年，是一家專業(yè)從事高品質(zhì)石墨烯研發(fā)與應(yīng)用的高新技術(shù)企業(yè)。

這家公司先后成立青島市石墨烯國(guó)際科技合作基地和青島市先進(jìn)碳納米材料工程技術(shù)研究中心，與清華大學(xué)建立“清華大學(xué)—青島華高石墨烯工程技術(shù)中心”。

森麒麟輪胎2009年7月正式投產(chǎn)運(yùn)行，致力于綠色、高品質(zhì)、高性能的高端半鋼子午線輪胎及航空輪胎的研發(fā)與生產(chǎn)。

該公司旗下?lián)碛猩梓?、路航和德林特三大輪胎品牌，目前已建成中?guó)青島、泰國(guó)兩大輪胎生產(chǎn)基地，具備年產(chǎn)2 700萬(wàn)條半鋼子午線輪胎的能力。

摘編自“輪胎世界網(wǎng)”

Experimental study on the infl uence of carbon black fi nes content in mixing process

Experimental study on the infl uence of carbon black fi nes content in mixing process

Li Yong，Liu Weidong
（Qingdao University of Science & Technology， QingDao， 266061）

In order to explore the influence of carbon black fines content in the mixing process， we have done the tests under different conditions. The results show that with the increase of carbon black fi nes content， carbon black consumption increased signifi cantly， mixing time lengthened and affect production effi ciency. Moreover， it was found that within a certain range ， no signifi cant effect on the fi nes content of the carbon black dispersion， dynamic mechanical properties of rubber and processability.

fi nes content；mixing；effi ciency；compound properties

TQ330.38

1009-797X（2016）17-0001-05

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.17.001

李勇（1962-），男，碩士，青島科技大學(xué)教授，主要從事氣力輸送與橡膠機(jī)械技術(shù)工作，發(fā)表論文近50篇，完成省、部級(jí)科研項(xiàng)目3項(xiàng)，獲獎(jiǎng)2項(xiàng)。

通訊郵箱：992215436@qq.com

2016-06-28