橡膠混煉質(zhì)量的影響因素及改進(jìn)方法

唐 帆，聶衛(wèi)云，路麗珠

（1.安徽世界村新材料有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽世界村智能裝備有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

橡膠混煉指充分利用煉膠機(jī)的機(jī)械作用，實(shí)現(xiàn)各種配合劑（如促進(jìn)劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑、硫化劑等，下同）與橡膠之間均勻混合而形成混煉膠的過程。該過程為橡膠加工的重要程序，混煉膠質(zhì)量對(duì)于其進(jìn)一步深加工及橡膠制品的質(zhì)量具有十分重要的影響。橡膠混煉主要包括膠料混入、分散、混合、塑化4個(gè)階段，在了解各種配合劑的性質(zhì)及相互作用方式的條件下，采用合理的添加順序，使其在橡膠中分散均勻，可為混煉膠通過模壓或擠出等方式生產(chǎn)橡膠制品奠定基礎(chǔ)。

橡膠混煉過程中可能出現(xiàn)各種各樣的問題（如焦燒、噴霜等），使壓延、擠出、硫化等后續(xù)工序難以正常進(jìn)行，同時(shí)易導(dǎo)致橡膠制品性能下降并且不穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，混煉工藝和混煉設(shè)備直接影響橡膠混煉質(zhì)量，影響因素主要包括混煉速度、溫度、噴射壓力、混煉設(shè)備結(jié)構(gòu)和加工效率等[1-2]。

1 混煉工藝

一般情況下，如果混煉已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種配合劑與橡膠之間的均勻分散，同時(shí)混煉膠本身也具備較好的可塑性，可以滿足后續(xù)加工的需求，繼續(xù)混煉其性能變化并不明顯，甚至?xí)驗(yàn)檫^度混煉而導(dǎo)致混煉膠性能出現(xiàn)一定程度的降低。因此，要得到性能最佳的混煉膠，混煉速度和溫度等是需要考慮的重點(diǎn)因素，混煉的生產(chǎn)效率、能耗的損失等都受二者影響[3]。

1.1 高速混煉工藝

美國的F.H.Banbury于1916年研發(fā)出本伯里型密煉機(jī)，其具有混煉快速、高效、安全、環(huán)保、自動(dòng)化、連續(xù)化、產(chǎn)能高等特點(diǎn)，因其優(yōu)于傳統(tǒng)開煉機(jī)而得到推廣應(yīng)用與快速發(fā)展，至今仍為橡膠混煉的重要設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于橡膠制品的規(guī)?；a(chǎn)。

橡膠原材料價(jià)格持續(xù)上漲、人工成本越來越高，環(huán)保要求也越來越嚴(yán)格。橡膠行業(yè)需要尋求相應(yīng)的方法來實(shí)現(xiàn)混煉膠產(chǎn)能和效率的提高及成本的降低[4]。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，國內(nèi)外橡膠企業(yè)亟需加快研發(fā)更高效的混煉設(shè)備及與其相配合的混煉工藝。

近年來，國外很多橡膠企業(yè)逐步將其開發(fā)出的高速或超高速混煉技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，如美國固特異公司、日本普利司通公司等已經(jīng)將其開發(fā)的高速（60或80 r·min-1）混煉工藝應(yīng)用于輪胎等產(chǎn)品的混煉工序中[4]，該工藝需要與日本神戶制鋼公司開發(fā)的BB系列密煉機(jī)相配合。

目前我國混煉工藝以中速（40～50 r·min-1）為主，該工藝需要在低溫條件下進(jìn)行較長時(shí)間的混煉。根據(jù)橡膠混煉機(jī)理，混煉膠的性能直接受到密煉機(jī)實(shí)際消耗能量的影響。在保持密煉機(jī)實(shí)際消耗能量一定的情況下，可以采用在高溫條件下短時(shí)間內(nèi)或在低溫條件下長時(shí)間內(nèi)完成混煉。孫茂忠等[5]采用BB430型密煉機(jī)及其獨(dú)特的6WI轉(zhuǎn)子機(jī)械元件，在橡膠和配合劑等組分用量一定的情況下，以高速（50～60 r·min-1）混煉工藝進(jìn)行加工，混煉膠的分散性和加工性能更為優(yōu)異，與傳統(tǒng)混煉工藝混煉膠相比，高速混煉工藝混煉膠的流變性能穩(wěn)定性較好，加工效率提高20%～27%。

1.2 變速混煉工藝

在橡膠混煉中，密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速問題一直存在爭議。美國主張密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)該向高速方向發(fā)展，如美國生產(chǎn)的密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)80 r·min-1；日本則主張密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速宜較低，最好不要超過40 r·min-1。密煉機(jī)都采用調(diào)速電機(jī)[6]，這樣可以根據(jù)不同的配方、工藝條件及混煉階段隨時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到優(yōu)化混煉的效果。

為研究同步轉(zhuǎn)子密煉機(jī)混煉中不同變速混煉工藝對(duì)膠料性能的影響，邊慧光等[7]綜合比較了4種生產(chǎn)方案混煉膠的性能，得到一種混煉消耗功率較小且硫化膠物理性能較好的變速混煉工藝。該工藝初始混煉時(shí)采用高速混煉，有利于生膠的快速吃入，然后采用中等轉(zhuǎn)速混煉，可以使配合劑在膠料中分散均勻，最終采用較低速混煉，使前段因高速混煉累積的溫度降低，同時(shí)有利于提高膠料的混煉均勻性。對(duì)比勻速混煉，這種快速吃料、中速分散、低速均勻分布的變速混煉模式能夠解決高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致生熱量大從而使混煉膠性能下降的問題，混煉膠質(zhì)量穩(wěn)定，且混煉過程中消耗的能量比勻速混煉低。

1.3 低溫一次法混煉工藝

目前混煉工藝主要有傳統(tǒng)的兩段或多段式混煉工藝和低溫一次法混煉工藝[8-9]。

低溫一次法混煉工藝是基于輪胎的安全性和使用壽命需求而設(shè)計(jì)的，配合開發(fā)整套的工藝裝備，實(shí)現(xiàn)以密煉機(jī)進(jìn)行橡膠和配合劑混合與以開煉機(jī)加硫相結(jié)合的低溫一次法混煉。其工藝流程為：先將生膠、操作油及小料在密煉機(jī)中進(jìn)行高溫混煉，然后借助下輔機(jī)進(jìn)行迅速冷卻，最后通過開煉機(jī)加硫系統(tǒng)（串聯(lián)或并聯(lián)布置）進(jìn)行連續(xù)低溫混煉、壓片得到混煉膠。低溫一次法混煉工藝是煉膠工藝的一次重大突破，強(qiáng)化了混煉的機(jī)械剪切作用，且大大弱化了高溫氧化裂解對(duì)膠料質(zhì)量的影響，但下輔機(jī)后續(xù)的煉膠過程中的能耗和人工成本還有待改善。

與傳統(tǒng)混煉工藝混煉膠相比，低溫一次法混煉工藝混煉膠的質(zhì)量顯著提高，不會(huì)因?yàn)橹虚g環(huán)節(jié)對(duì)膠料造成污染，每噸膠料消耗能量降低15%～20%，簡化了生產(chǎn)工序，自動(dòng)化程度顯著提高，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)效率為傳統(tǒng)混煉工藝的150%～200%，促進(jìn)了我國橡膠工業(yè)的節(jié)能減排。

1.4 濕法混煉工藝

濕法混煉是將配合劑預(yù)先加工制成水分散體，然后將其與膠乳均勻混合，依次經(jīng)過凝聚、脫水、干燥等工序制備混煉膠[10]。其中關(guān)鍵技術(shù)包括膠乳預(yù)處理、配合劑水分散體的制備、二者的混合、分散、絮凝及干燥等。其中最關(guān)鍵的技術(shù)是將膠乳中的生膠與配合劑均勻混合。通過高壓噴射霧化可使配合劑更好地進(jìn)入橡膠分子鏈中，在高壓噴射霧化過程中，配合劑聚集體被打散，形成比表面積較大的小顆粒，同時(shí)依靠摩擦及氣體振動(dòng)波的共同作用，膠乳的最外層保護(hù)層被破壞，進(jìn)而使二者更好地結(jié)合。

為了研究濕法混煉的噴射壓力對(duì)混煉膠性能的影響，邊慧光等[11]將自主研發(fā)的高壓噴射霧化裝置應(yīng)用到橡膠濕法混煉中，大量試驗(yàn)對(duì)比表明，噴射壓力對(duì)于天然橡膠/白炭黑濕法混煉膠的性能存在一定的影響；噴射壓力為1.5 MPa左右時(shí)白炭黑在橡膠中的分散效果最好，硫化膠的耐磨性能等也更好；在溫度為40～60 ℃、噴射壓力為1.5 MPa左右時(shí)，膠料的滾動(dòng)阻力更低。

1.5 干冰輔助白炭黑膠料混煉

輪胎膠料中需添加一定比例的炭黑進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，炭黑補(bǔ)強(qiáng)輪胎的抗撕裂及抗?jié)窕阅茌^差，生熱較高。由于各國陸續(xù)出臺(tái)輪胎標(biāo)簽法等法規(guī)并開始關(guān)注綠色輪胎，白炭黑作為炭黑的替代品得到大量應(yīng)用。但是，由于白炭黑粒徑更小、比表面積更大而易團(tuán)聚，并且其親水性較強(qiáng)，難以與橡膠均勻混合，在使用之前需要進(jìn)行表面改性[12-13]。

目前主要通過白炭黑與硅烷進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng)來削弱團(tuán)聚效應(yīng)，促使其在橡膠中更好地分散[14]。白炭黑均勻分散于橡膠中可以大大改善輪胎的抗撕裂性能、抓著性能及抗?jié)窕阅?，降低輪胎滾動(dòng)阻力等[15]。由于偶聯(lián)反應(yīng)需在一定溫度下進(jìn)行，而傳統(tǒng)混煉設(shè)備難以很好地控制混煉溫度，白炭黑的最終分散效果會(huì)受到影響。

汪傳生等[16]為了控制混煉溫度的上升速率，改善白炭黑的分散效果，在混煉中創(chuàng)造性地引入干冰。干冰為固態(tài)的二氧化碳，其在常溫條件下可以吸收大量熱量而變成無色、無毒、無味的二氧化碳?xì)怏w，使環(huán)境溫度快速下降。充分利用干冰的這種物理變化，嘗試將干冰引入混煉過程，混煉產(chǎn)生的大量熱量被干冰吸收，從而可以控制混煉的升溫速率，延長偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而促進(jìn)白炭黑在橡膠中均勻分散，提高混煉膠的綜合性能和混煉效率，節(jié)能且環(huán)保。由于干冰吸熱后變成二氧化碳?xì)怏w，不會(huì)殘留在混煉膠中，對(duì)混煉膠性能不會(huì)造成影響。

此外，部分學(xué)者對(duì)橡膠混煉的投料順序等方面做了研究，認(rèn)為橡膠、小料、填料同時(shí)加入的混煉工藝具有較好的混煉效果[17]。

2 混煉設(shè)備

混煉設(shè)備歷經(jīng)開煉機(jī)、密煉機(jī)、連續(xù)混煉機(jī)等階段的不斷改進(jìn)，無論在容量、效率還是自動(dòng)化程度等方面都得到有效改善。目前，對(duì)混煉設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和加工效率等方面的研究仍在持續(xù)進(jìn)行。

2.1 混煉室涂層

混煉設(shè)備的混煉室主要包括壓砣的底部、卸料門的頂部和端面及機(jī)械元件（如轉(zhuǎn)子）等。混煉中加入炭黑、白炭黑等補(bǔ)強(qiáng)劑會(huì)造成混煉室的磨損，因?yàn)樘砑犹畛涮亢诨虬滋亢诘妊a(bǔ)強(qiáng)劑后，反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生酸（如鹽酸或硫酸等），酸通過金屬表面的細(xì)小裂紋進(jìn)入設(shè)備中，從而造成設(shè)備腐蝕損壞。同時(shí)酸會(huì)影響白炭黑與硅烷的偶聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而影響白炭黑在橡膠中的均勻分散。

為了減緩或消除混煉設(shè)備的磨損及腐蝕，通常在膠料可以接觸到的設(shè)備表面進(jìn)行涂層點(diǎn)焊，以延長混煉設(shè)備的使用壽命。然而在使用中發(fā)現(xiàn)，硫化劑及偶聯(lián)反應(yīng)所生成的乙醇及水等物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致涂層被腐蝕和磨損。因此亟需尋找一種抗腐蝕且耐磨性能更好的新型硬質(zhì)涂層材料，同時(shí)在涂層點(diǎn)焊加工中需特別注意焊接的密封性。

黃元昌[18]通過試驗(yàn)對(duì)比了多種材料的耐磨性、耐腐蝕性、點(diǎn)焊及加工裂紋、鉻鍍層強(qiáng)度等，發(fā)現(xiàn)一種具有鉻鍍層的新型硬質(zhì)材料綜合性能最佳，可用于白炭黑及炭黑膠料的混煉設(shè)備涂層，具有優(yōu)異的耐磨和耐腐蝕性能，同時(shí)其點(diǎn)焊加工過程不會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的裂紋。該涂層材料不僅可以減少混煉膠在混煉室內(nèi)表面的附著，而且具有極佳的吸收震動(dòng)性能，有效杜絕了設(shè)備中細(xì)小裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，延長了設(shè)備的使用壽命，使設(shè)備的外觀更加美觀。

混煉設(shè)備涂層的良好焊接雖然可以延長設(shè)備的使用壽命，但不能完全杜絕設(shè)備被腐蝕和磨損。尤其在白炭黑用量很高的情況下，白炭黑對(duì)混煉室及轉(zhuǎn)子等元件的磨損性更加嚴(yán)重，大大縮短了設(shè)備的使用壽命，因此需要針對(duì)混煉室涂層的新材料及工藝進(jìn)行長期研究，以針對(duì)使用需求選擇相應(yīng)的涂層材料與工藝，盡可能地延長設(shè)備的使用壽命。

2.2 外加超聲波輔助混煉

橡膠制品的種類越來越多，性能要求也越來越高。依靠傳統(tǒng)單一混煉設(shè)備制得的混煉膠因存在配合劑分散不均等問題，在一定程度上限制了其在高性能橡膠制品中的應(yīng)用。通過優(yōu)化混煉工藝參數(shù)（如延長混煉時(shí)間、加快轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等）可以提高配合劑的分散均勻性，但同時(shí)在很大程度上降低了生產(chǎn)效率，增加了能量損耗，進(jìn)而大大增加了生產(chǎn)成本[19-22]。

汪傳生等[23]研究了外加超聲波輔助橡膠混煉，將超聲波引入橡膠混煉過程，借助超聲波獨(dú)特的高頻振動(dòng)，使配合劑大顆粒破碎，同時(shí)也阻止破碎的配合劑顆粒之間發(fā)生團(tuán)聚，使配合劑均勻分散，縮短混煉時(shí)間，提高混煉質(zhì)量。若超聲波功率過高，其作用在混煉膠上的能量會(huì)達(dá)到極值，導(dǎo)致橡膠發(fā)生一定程度的降解，從而降低混煉膠的性能。試驗(yàn)得出：超聲波的最佳功率為500 W；若超聲波對(duì)于混煉膠的作用時(shí)間太短，其對(duì)于混煉膠性能的增強(qiáng)效果不明顯；當(dāng)超聲波功率一定時(shí)，混煉膠性能隨超聲波作用時(shí)間的延長而顯著改善；當(dāng)超聲波作用時(shí)間超過150 s時(shí)，混煉膠性能開始下降，超聲波的最佳作用時(shí)間為150 s。

外加超聲波輔助橡膠混煉對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而改進(jìn)橡膠混煉技術(shù)具有深遠(yuǎn)的意義。

3 結(jié)語

本工作通過分析橡膠混煉質(zhì)量的影響因素，總結(jié)了幾種提高橡膠混煉質(zhì)量的方法。

（1）改善混煉工藝如采用高速或變速混煉工藝、低溫一次法混煉工藝等可以提高混煉膠性能的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

（2）調(diào)整濕法混煉噴射壓力，在白炭黑膠料混煉過程中加入干冰，外加適當(dāng)功率及時(shí)間的超聲波作用輔助混煉可以提高配合劑的分散性和混煉膠的綜合性能。

（3）對(duì)混煉設(shè)備內(nèi)表面進(jìn)行良好的涂層點(diǎn)焊，可以延長混煉設(shè)備的使用壽命，提高生產(chǎn)效率。