Entex行星式輥筒擠出機(jī)混煉白炭黑胎面膠

劉懷現(xiàn)，劉元順 編繹

(1.青島愛(ài)博爾管理咨詢有限公司，山東 青島 266200；2.青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司，山東 青島 266200)

許多橡膠配方是采用多步驟工藝混煉的，用密煉機(jī)、有冷卻的開(kāi)煉機(jī)和混煉加入的其他材料，或使用高黏度密煉機(jī)添加液體的方法，然后儲(chǔ)存直至在涂覆線上使用。這種不連續(xù)的批量生產(chǎn)方式因?yàn)槿藛T、材料處理和存儲(chǔ)而造成很高的運(yùn)營(yíng)成本，批次間差異也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于這些過(guò)程，需要新的技術(shù)。一種方法是使用行星式輥筒擠出機(jī)（PRE）。

行星式輥筒擠出機(jī)（圖1）能夠?qū)Ω唣ば圆牧线M(jìn)行吃料、混煉、拌勻、分散和排氣。此外，它可以作為連續(xù)化學(xué)反應(yīng)器使用；例如，在高黏性彈性體配方上。因此，與傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)過(guò)程相比，PRE具有優(yōu)越性，并且具有多種優(yōu)勢(shì)。除了具有非常大的接觸面積外，PRE的主要特殊功能還包括：加工材料與加熱/冷卻介質(zhì)之間的最優(yōu)的傳導(dǎo)效率，模塊化結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的系統(tǒng)配置多樣化。根據(jù)PRE的尺寸和操作模式，備有一個(gè)大的喂料口，其每小時(shí)的產(chǎn)能從幾公斤到幾十噸以上不等。

關(guān)于可用的接觸表面積，與其他常見(jiàn)的混煉系統(tǒng)，例如：其他類型的擠出機(jī)相比，PRE的優(yōu)勢(shì)是前者的5～10倍。

1 PRE介紹

1.1 PRE的接觸表面積

現(xiàn)在，一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以清楚地看出哪些接觸面是可用的或者是可以在PRE中實(shí)現(xiàn)的(圖2)。

圖1 帶溫控中心軸、行星軸和兩區(qū)液體加熱或冷卻的圓筒的PRE剖視圖

圖2 PRE模塊的PSP接觸表面積估算

計(jì)算了長(zhǎng)度為1 000 mm，直徑為250 mm的PRE模塊。該模塊最多可安裝14個(gè)行星軸，齒輪齒模塊m=3.5。 每個(gè)行星軸的總表面積約為1/6 m2；這相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)一周的接觸表面為1/3 m2：

1/6m2（行星軸的齒）+1/6 m2（中心軸的齒）=1/3m2

由于直徑比的關(guān)系，中心軸的每旋轉(zhuǎn)一周，行星軸則旋轉(zhuǎn)大約三到四次； 因此，可用于中心軸旋轉(zhuǎn)一圈的接觸面超過(guò)1 m2:

在14個(gè)行星軸的情況下，每次中心軸旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生接觸面積總計(jì)14 m2。因此，中心軸每分鐘旋轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生以下接觸表面：

此值相當(dāng)于5個(gè)以上的網(wǎng)球場(chǎng)（23.77 m×10.97 m）或足球場(chǎng)的1/5（105 m×68 m）。

裝有標(biāo)準(zhǔn)行星軸的模塊的自由容積僅約為9.4 L。大的接觸面積可以確保在高輸送速度下完全混合和均勻化。小體積增加了操作和環(huán)境安全系數(shù)，與大多數(shù)反應(yīng)性加工過(guò)程一樣，在擠出機(jī)中只有相對(duì)少量的反應(yīng)組分。

基于對(duì)PRE中的螺桿幾何形狀的簡(jiǎn)單描述，軸以及軸之間的自由空間可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。

基于這些數(shù)據(jù)，數(shù)學(xué)上可以近似地確定和描述PRE的過(guò)程行為，例如流動(dòng)條件以及壓縮和輸送行為。根據(jù)確定的簡(jiǎn)化程度，以這種方法計(jì)算的工藝數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值相差不到10%，這被認(rèn)為是可接受的。

1.2 PRE中的熱力學(xué)

從加熱/冷卻介質(zhì)到通過(guò)機(jī)筒總成的壁和內(nèi)部加熱/冷卻中心軸獲得的熱流（Q)的三個(gè)主要控制參數(shù)分別為：

（1）機(jī)筒壁的熱導(dǎo)率（k）；

（2）機(jī)筒的厚度（h），計(jì)算該厚度時(shí)，將被考慮使用加權(quán)平均值以補(bǔ)償齒距和高度的影響；

（3）加熱/冷卻介質(zhì)溫度（T1）和輸送材料溫度（T2）之間的溫度梯度|T1-T2|的值。

用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這是用方程1中的關(guān)系來(lái)表示的:

可以分為兩種情況：

（1）最大加熱/冷卻：能量轉(zhuǎn)移發(fā)生在存在溫度差時(shí)，所輸送物料的最終溫度主要取決于停留時(shí)間，此外還有其他與物料相關(guān)的因素以及機(jī)械能輸入。

（2）精確的溫度控制：選擇加熱/冷卻介質(zhì)溫度要與輸送物料所需溫度不同或僅略有差異。熱導(dǎo)率（常數(shù)）和機(jī)筒壁厚基本決定了熱傳遞，該熱傳遞一直持續(xù)到熱平衡，從而達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（|T1-T2|=0）。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須有足夠的停留時(shí)間。

對(duì)于這兩種情況，較薄的壁厚直接改善了合適的熱傳遞以及最小的dT。在這兩種情況下，PRE特有的設(shè)計(jì)在操作過(guò)程中有著積極的影響，即：較大的接觸表面積使在輸送物料時(shí)有寬的均勻的溫度分布；優(yōu)化后相對(duì)較薄的壁厚（新的熱力學(xué)，圖3，右側(cè)），其將機(jī)筒總成和中心軸內(nèi)的加熱/冷卻介質(zhì)和所輸送物料分割開(kāi)，因此，它能夠以最低的dT實(shí)現(xiàn)最大的熱傳遞。

要避免溫度過(guò)高或者過(guò)低，比如，能分別造成降解和黏度的增加，或者甚至?xí)斐伤斔臀锪系哪獭?/p>

特殊的設(shè)計(jì)能確保機(jī)筒總成2～3 mm后的鋼壁能承受住擠出機(jī)內(nèi)部的壓力。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擠出機(jī)壁厚至少需要13 mm。更精準(zhǔn)的溫度控制是可能的，因?yàn)槊總€(gè)機(jī)筒總成的加熱/冷卻都按照在每半個(gè)軸長(zhǎng)度的兩個(gè)順序排列部分進(jìn)行布置。

由于在機(jī)筒總成和中心軸的加熱/冷卻的更有效的可能性，與其他類型的擠出機(jī)不同，PRE不完全依賴于使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)能量，這能減少并控制由此產(chǎn)生的摩擦和剪切力，在各種輸出條件下，仍能使被加工材料的熱輸入達(dá)到平衡和可控。

這種設(shè)備的操作有許多好處：

（1）對(duì)于相同的輸出，PRE所需的驅(qū)動(dòng)能通常低于其他類型的擠出機(jī)。

（2）溫度偏離設(shè)定值可以很容易的得到補(bǔ)償和避免，可以覆蓋生產(chǎn)線總長(zhǎng)度。

（3）溫度曲線的調(diào)整可以單獨(dú)控制所輸送物料的流變特性，從而引起摩擦和剪切。

（4）由于機(jī)筒總成的加熱/冷卻，輻射損失根本不會(huì)或者只會(huì)對(duì)擠出機(jī)內(nèi)部的物料溫度產(chǎn)生輕微的影響。

為更深入分析ln（crmb）與ln（ix）、ln（ex）的關(guān)系，本文進(jìn)行脈沖響應(yīng)函數(shù)分析，結(jié)果如圖8所示。

在實(shí)際操作中，PRE的這些特性帶來(lái)了一系列優(yōu)點(diǎn)，例如：

（1）由于精確的可控生產(chǎn)條件，從而使產(chǎn)品具有可重復(fù)性的高質(zhì)量，例如，精準(zhǔn)的溫度和壓力曲線；

（2）減少排放應(yīng)歸功于控制排放揮發(fā)性副產(chǎn)物的冷凝物（氣體，較少的剩余物），如有必要。

（3）與攪拌容器或/和常規(guī)擠出機(jī)相比，用于加熱/冷卻和驅(qū)動(dòng)的功率要求低。

圖3 優(yōu)化前（左）和后（右）的PRE機(jī)筒總成的內(nèi)壁厚度（黃色）對(duì)比

1.3 PRE的模塊化設(shè)計(jì)

行星式滾筒擠出機(jī)的中心軸最多可以搭載八個(gè)獨(dú)立的組件。根據(jù)系統(tǒng)要求的容量，組件的直徑范圍在50～650 mm之間，長(zhǎng)度從400～1 400 mm不等。橡膠加工行業(yè)產(chǎn)能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從2 kg/h到10 t/h以上。

根據(jù)組件的直徑，機(jī)筒總成中最多可以放置24個(gè)行星軸。根據(jù)工藝的不同，軸的齒輪輪齒在m=1.5和m=10之間變化。此外，行星軸有不同的設(shè)計(jì)。因此，擠出機(jī)中的接觸表面和自由體積在很大程度上取決于所用軸的類型。除標(biāo)準(zhǔn)軸外，還有以下正在使用的設(shè)計(jì)（圖4），每種設(shè)計(jì)都有特定的操作特性和應(yīng)用領(lǐng)域。

圖4 行星軸的變化

橫向混合行星軸，提供連續(xù)的稀薄分散混煉，并沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行補(bǔ)充混煉。絨毛軸，增加了機(jī)械剪切力并減少了停留時(shí)間。 TT2絨毛軸，增加了剪切力并減少了停留時(shí)間。輸送和烘干軸，提供對(duì)應(yīng)于最小的剪切力的最大體積。TT3軸可增加體積，減少剪切力。區(qū)域軸可以根據(jù)需要組合物理特性。

大約12個(gè)不同的系統(tǒng)組件構(gòu)成一個(gè)工具箱，根據(jù)客戶的個(gè)性化需求，可以設(shè)計(jì)出定制的PRE系統(tǒng)。可用組合的幾種基本單元如下：

（1）入口單元（喂料，注射，橫向喂料，喂料閥）。

（2）加工單元（分別為排氣，模塊之間的排氣，分散擋環(huán)和中間擋環(huán)）。

（3）出口單元（圓口型，徑向造粒機(jī)，熱切，切割裝置）。

（4）特殊元素（內(nèi)聯(lián)和在線壓力，溫度和顏色測(cè)量系統(tǒng)）。

特別是與常規(guī)雙螺桿或雙螺旋擠出機(jī)相比，PRE的一個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)是在填充度為10%時(shí)可以毫無(wú)問(wèn)題的工作。在調(diào)整系統(tǒng)的整體容量時(shí)，這提供了最大程度的靈活性。

由于其模塊化的構(gòu)造概念，可以對(duì)PRE進(jìn)行定制，以連續(xù)運(yùn)行特殊的物理和化學(xué)工藝步驟?？蓡为?dú)配置的模塊，即所謂的機(jī)筒總成，可以串聯(lián)布置在一個(gè)公共的中心軸上。每個(gè)模塊都有兩個(gè)單獨(dú)的溫度控制區(qū)，物料可以在軸之間傳遞或排放。也可以實(shí)施溫度、壓力或比色傳感器測(cè)量。根據(jù)所使用的行星軸的類型和所使用齒的類型，生產(chǎn)量、熱交換能力和材料的混合可以在較大的工藝窗口來(lái)進(jìn)行。當(dāng)PRE用于反應(yīng)性工藝時(shí)，這種靈活性模塊化構(gòu)造是完美的。各個(gè)模塊設(shè)計(jì)工作溫度為-30～+400 ℃，因此可以在PRE中加工高熔融指數(shù)聚合物。

2 工藝過(guò)程

圖5顯示了連續(xù)工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括白炭黑胎面膠料混煉工藝的停留時(shí)間和溫度曲線。通過(guò)重量計(jì)量單元將粉末狀、片狀和顆粒狀物料送入PRE。這也可以在過(guò)程開(kāi)始時(shí)通過(guò)進(jìn)料斗或收集管將物料引入PRE的進(jìn)料段來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了減少生產(chǎn)單元的數(shù)量，還可以對(duì)小組分進(jìn)行預(yù)混（混合）。這也有助于消除必須使用對(duì)生產(chǎn)環(huán)境極為敏感的非常小的重量計(jì)量單元的麻煩。

圖5 連續(xù)過(guò)程

液體被重力或泵或流量計(jì)注入到需要的特定位置。在這里，還可以加熱或冷卻的儲(chǔ)存罐液體對(duì)過(guò)程有更好的影響。必須將大塊的材料（例如橡膠包）切碎或磨碎成小塊或碎屑，以便能夠連續(xù)喂料。在切碎/研磨過(guò)程中，通常會(huì)添加白炭黑、CaCO3或滑石粉，并將其作為隔離材料涂覆碎橡膠。這樣可以防止橡膠黏在一起，防止結(jié)塊。也可以將捆包切成條狀，以便送入與齒輪泵相連的圓錐形或單螺桿擠出機(jī)中，以按體積計(jì)量將橡膠輸送到PRE的加工區(qū)中。此過(guò)程是生產(chǎn)線的一部分，并且以連續(xù)方式進(jìn)行。此后，將橡膠碎塊運(yùn)輸?shù)?00～200 L的儲(chǔ)料桶中，用于補(bǔ)充到計(jì)重的供給裝置。

3 在PRE中混煉白炭黑胎面膠

使用行星式輥筒擠出機(jī)（PRE）制備白炭黑胎面混煉膠。該過(guò)程在一個(gè)擠出機(jī)生產(chǎn)線中是連續(xù)的，包括分散、硅烷化、冷卻和生產(chǎn)性混煉。為了對(duì)比，將膠料在密煉機(jī)中使用三步（階段）進(jìn)行混煉。行星式輥筒擠出機(jī)實(shí)驗(yàn)在德國(guó)Bochum的Entex進(jìn)行，密煉機(jī)試驗(yàn)在Akron橡膠開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室用Farrel Banbury 密煉機(jī)進(jìn)行。下面介紹這兩個(gè)過(guò)程。

3.1 兩個(gè)工藝描述

行星式輥筒擠出機(jī)擠出工藝如表1所示，在該工藝中，所有成分都在一條擠出線上計(jì)量并混煉。擠出產(chǎn)量為25 kg/h。表2總結(jié)了密煉機(jī)過(guò)程。

3.2 混煉膠說(shuō)明

使用表3中所示的白炭黑胎面配方檢驗(yàn)行星式輥筒連續(xù)計(jì)量和混煉橡膠混煉膠的可能性。表4中顯示了混煉膠名稱（混煉膠編號(hào)）。

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試膠料的物理機(jī)械性能來(lái)比較這兩種工藝（密煉機(jī)與行星式輥筒筒擠出機(jī)）。對(duì)三種混煉膠的物理機(jī)械性能進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的范圍包括門尼黏度、MDR硫變儀、拉伸性能、硬度、分散性、撕裂強(qiáng)度、具有胎面性能預(yù)測(cè)指標(biāo)的DMA（動(dòng)態(tài)機(jī)械性能）、摩擦系數(shù)（干、濕和冰）和抗龜裂增長(zhǎng)。

4 結(jié)果

4.1 門尼黏度

門尼黏度結(jié)果總結(jié)在圖6中。標(biāo)準(zhǔn)混煉膠（混煉膠1，密煉機(jī)工藝）的門尼黏度略低（64對(duì)72門尼值）。

表1 行星式輥筒擠出機(jī)工藝

表2 密煉機(jī)工藝描述

表3 標(biāo)準(zhǔn)白炭黑橡膠胎面膠的配方

表4 混煉膠總結(jié)

圖6 混煉膠門尼黏度

4.2 MDR硫變儀

MDR硫變儀的結(jié)果總結(jié)在圖7中。PRE混煉膠（20#混煉膠，PRE工藝）具有更高的增量扭矩。

圖7 MDR硫變儀結(jié)果

4.3 拉伸性能

拉伸性能（應(yīng)力/應(yīng)變曲線）如圖8所示。比密煉機(jī)版本相比，PRE版本具有較高的模量和拉伸強(qiáng)度。

圖8 混煉膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.4 硬度(硬度A)

混煉膠的硬度值如圖9所示。比密煉機(jī)版本相比，PRE版本有更高的硬度值。

圖9 混煉膠的硬度A

4.5 撕裂強(qiáng)度（模壓槽撕裂）

混煉膠的撕裂強(qiáng)度結(jié)果如圖10所示。與密煉機(jī)版本相比，PRE版本沒(méi)有明顯差異。

圖10 混煉膠的撕裂強(qiáng)度

4.6 分散 (Phillips分散)

混煉膠的分散結(jié)果如圖11所示。與密煉機(jī)版本相比，PRE版本具有更高或相等的分散等級(jí)（越高越好）。

圖11 分散等級(jí)

4.7 剪切儲(chǔ)能模量（干操縱性預(yù)測(cè)）

混煉膠在30 ℃時(shí)的剪切儲(chǔ)能模量隨應(yīng)變變化如圖12所示。剪切儲(chǔ)能模量是干操縱性預(yù)測(cè)指標(biāo)，越高越好。比密煉機(jī)版本相比，PRE版本具有更高的儲(chǔ)能模量。

圖12 剪切儲(chǔ)能模量 (Pa) (干操縱性預(yù)測(cè))

4.8 Tanδ (滾動(dòng)阻力預(yù)測(cè))

混煉膠5%應(yīng)變時(shí)的Tanδ隨溫度變化（在45 ℃至65 ℃之間）如圖13所示。60 ℃時(shí)的Tanδ是滾動(dòng)阻力的預(yù)測(cè)指標(biāo)，越低越好。比密煉機(jī)版本相比，PRE版本的Tanδ高或相等。

圖13 Tanδ (滾動(dòng)阻力預(yù)測(cè))

4.9 Tanδ(濕路面上牽引性能和冰路面上牽引性能預(yù)測(cè))

混煉膠5%應(yīng)變時(shí)的Tanδ隨溫度變化（在-15～5℃之間）的結(jié)果如圖14所示。0℃時(shí)的Tanδ是濕地面牽引性能的預(yù)測(cè)，而-10 ℃時(shí)的Tanδ是冰地面牽引性能的預(yù)測(cè)，越高越好。與密煉機(jī)版本相比，PRE版本的Tanδ高或相等。

4.10 復(fù)數(shù)模量（冬季牽引力預(yù)測(cè)指標(biāo)）

混煉膠在5%應(yīng)變下的復(fù)數(shù)模量隨溫度變化（在-30～-10 ℃之間）的結(jié)果如圖15所示。-20 ℃時(shí)的復(fù)數(shù)模量是冬季牽引力的預(yù)測(cè)數(shù)值，較低越好。與密煉機(jī)版本相比，PRE版本的復(fù)數(shù)模量值略高。

4.11 摩擦系數(shù)（干）

圖16顯示了干靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)隨表面壓力變化的結(jié)果。與密煉機(jī)版本相比，在低表面壓力下，PRE版本的干靜摩擦系數(shù)高，干動(dòng)摩擦系數(shù)結(jié)果無(wú)明顯差異。

圖15 復(fù)數(shù)模量（冬季牽引力預(yù)測(cè)指標(biāo)）

圖16 干靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)與表面壓力的關(guān)系

4.12 摩擦系數(shù)（濕）

圖17顯示了濕靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)與表面壓力變化的結(jié)果。與密煉機(jī)版本相比，PRE版本的濕靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)結(jié)果沒(méi)有顯著差異。

4.13 摩擦系數(shù)（冰）

圖18顯示了冰靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)與表面壓力變化的結(jié)果。與密煉機(jī)版本相比，PRE版本的冰靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)結(jié)果沒(méi)有顯著差異。

4.14 抗龜裂增長(zhǎng)（小DeMattia）

抗龜裂增長(zhǎng)的結(jié)果如圖19所示。PRE版本（混煉膠20）等效于密煉機(jī)版本（混煉膠1）?；鞜捘z19的抗龜裂增長(zhǎng)比其他混煉膠差。

5 總結(jié)和結(jié)論

在行星式輥筒擠出機(jī)（PRE）上混煉了用白炭黑的乘用車輪胎胎面配方，并與密煉機(jī)混煉進(jìn)行了比較。評(píng)估了兩個(gè)工藝（PRE混煉工藝和密煉機(jī)工藝）的潛在性能改進(jìn)。

圖17 濕靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)與表面壓力的關(guān)系

圖18 冰靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)與表面壓力的關(guān)系

圖19 抗龜裂增長(zhǎng)（小DeMattia）

（1）與通過(guò)密煉機(jī)方法制備的混煉膠相比，使用PRE方法制備的混煉膠具有更高的硬度和拉伸強(qiáng)度。

（2）與通過(guò)密煉機(jī)方法制備的混煉膠相比，使用PRE方法制備的混煉膠預(yù)計(jì)具有更好的濕路面上牽引性能和冰路面上牽引性能。

（3）與使用密煉機(jī)方法制備的混煉膠相比，使用PRE方法制備的混煉膠具有更好的抗撕裂強(qiáng)度、滾動(dòng)阻力和冬季牽引力，在干、濕和冰條件下的摩擦系數(shù)以及抗龜裂增長(zhǎng)。

（4）行星式輥筒擠出機(jī)的混煉過(guò)程似乎可以改善填料的分散性（ Phillips 分散性更高）和硫化劑的分散性（由更高的增量扭矩證明）。PRE是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，代替了密煉機(jī)的分批操作。

（5）行星式輥筒擠出機(jī)的特點(diǎn)是具有極大的靈活性和工藝適應(yīng)性，有許多模塊化選擇。對(duì)溫度、壓力、混煉能力、停留時(shí)間、填充系數(shù)、排氣效率、熱能和機(jī)械能的獨(dú)立控制，都使PRE成為連續(xù)擠出工藝的首選。

（6）由于PRE的巨大接觸面積，使這些特性在很大程度上得以實(shí)現(xiàn)。這樣可以在單獨(dú)控制剪切力（低剪切或高剪切）的情況下快速、劇烈且非常均勻的混煉待處理的物料。同時(shí)，與單螺桿和雙螺桿擠出機(jī)相比，大的接觸表面以及最小的壁厚為理想的加熱/冷卻能量傳遞提供了理想條件，實(shí)現(xiàn)了最佳的材料加工溫度控制。憑借這種特性和機(jī)器適應(yīng)性，PRE最適合執(zhí)行胎面膠配方的所有要求。這已經(jīng)在當(dāng)今具有成本效益和高質(zhì)量的過(guò)程中得到了證明。