密煉機混煉過氧化物硫化氟橡膠的工藝探究

黃 軍 孟慶文 路 迪 程 宇 胡帥捷

（浙江巨化股份有限公司氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州 324000）

0 前言

氟橡膠具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、耐化學(xué)介質(zhì)等諸多綜合性能，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、航空航天、汽車行業(yè)等領(lǐng)域，是現(xiàn)代科技高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要的原料[1]。通常生膠需要經(jīng)過加入配合劑混煉后才可轉(zhuǎn)化成具備優(yōu)異性能的氟橡膠。混煉設(shè)備一般采用開煉機和密煉機兩種，由于開煉機是開放式的，粉塵容易飛揚，四季混煉環(huán)境溫度較難恒定，特別是門尼黏度低的橡膠，容易出現(xiàn)粘輥，操作人員勞動強度加大，降低了生產(chǎn)效率。

隨著密煉技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，密煉機逐步成為橡膠工業(yè)塑煉和混煉工藝的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于輪胎廠、膠鞋廠以及再生膠廠等各類橡膠廠，普及程度越來越高。它較傳統(tǒng)的開煉機有一系列優(yōu)越性，不僅煉膠效率高，省力省時，而且環(huán)保節(jié)能，操作簡單，最重要的是混煉過程空間密閉，可克服配合劑損失，助劑、填料在中、高速轉(zhuǎn)子穩(wěn)定嚙合和剪切作用下分散更充分，膠料內(nèi)部溫度分布更均勻，使膠料在短時間內(nèi)獲得較大的可塑性。常用的密閉式煉膠機有轉(zhuǎn)子相切型和轉(zhuǎn)子嚙合型兩種類型。本試驗采用轉(zhuǎn)子嚙合型密煉機，由密煉室、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子密封裝置、加料壓料裝置、排料裝置、傳動裝置、機座、加熱冷卻系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)組成[2]?；鞜捲頌椋?)密煉室上方的上頂栓，用于將膠料壓入密煉室中，通過上頂栓向膠料施加一定的壓力，以加速煉膠速率，提高混煉效果；2)密煉室中兩個相向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子實現(xiàn)剪切、嚙合膠料的功能；3)防塵密封罩用于密封旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的區(qū)域；4)驅(qū)動系統(tǒng)用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子完成混煉和排料過程[3-4]。

本研究采用ZG-0.2L快開式密煉機，通過試驗初步探究密煉機應(yīng)用于過氧化物硫化氟橡膠混煉加工的可行性，以減輕操作人員的勞動強度和改善產(chǎn)品質(zhì)量與工作環(huán)境。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

過氧化物硫化氟橡膠(牌號JH53 )，自產(chǎn)；炭黑N990，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氧化鋅，新賽可德國際貿(mào)易有限公司；DBPH（2,5-二甲基-2,5-雙(叔丁基過氧基)己烷，德國漢圣公司；TAIC（三烯丙基異氰脲酸酯），德國漢圣公司。以上助劑均為工業(yè)級。

1.2 試驗設(shè)備和儀器

ZG-0.2L型密煉機；XK-250雙輥開煉機；KRT-1008橡膠壓縮永久變形器；H10KS型萬能材料試驗機；YM-C50T平板硫化機；UGF型電熱鼓風(fēng)干燥箱；M-3000A無轉(zhuǎn)子密閉模硫化分析儀；LX-A型硬度計；GT-7061-NDA低溫脆化儀；S-4800掃描電子顯微鏡。

1.3 混煉工藝

過氧化物硫化氟橡膠煉膠加工主要分為混煉和硫化，均是采用二段工藝。

1.3.1 混煉

1）開煉機

（1）取生膠試樣放在煉膠機上進行塑煉，待包輥后調(diào)節(jié)輥距至兩輥間只存少量膠料，逐步加入已混合均勻的助劑，然后調(diào)節(jié)輥距為0.4~0.6 mm，薄通10次后，以薄通形狀的膠料停放。調(diào)節(jié)開煉機輥筒溫度為(50±5) ℃、輥距為0.7 mm，將橡膠在快速輥上包輥。

（2）沿輥筒用刮刀均勻地加入硫化助劑的混合物，當(dāng)混合物加入至約一半后，將輥距調(diào)節(jié)至1.3 mm，從每邊作3/4割刀1次，然后加入剩余的混合物，再將輥距調(diào)節(jié)至1.8 mm。當(dāng)混合物全部加完后，從每邊作3/4割刀2次，并將掉入接料盤中的所有物料加入混煉膠中。

（3）從每邊作3/4割刀3次，每次間隔15 s。

（4）下片，輥距調(diào)節(jié)為0.4~0.6 mm，以薄通10次后放置在密閉干燥器中或溫度為(23±2) ℃、相對濕度50%~70%的環(huán)境中12~24 h。

（5）將放置12 h以上的混煉膠進行返煉，調(diào)節(jié)輥溫為(55±5) ℃、輥距為0.4~0.6 mm，薄通10次后放寬輥距出片，出片厚度為2.1~2.5 mm。取其中部分膠料出直徑為(24±4) mm的圓柱條。

2）密煉機

（1）取生膠試樣投入預(yù)先加熱至（50±5）℃的密煉室內(nèi)塑煉60 s后，一次性加入已混合均勻的助劑，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)至90 r/min，設(shè)定程序自動控制密煉室溫度在60~70 ℃，混煉期間壓頂栓2 min/次，混煉5 min后提頂栓和防塵罩，調(diào)低轉(zhuǎn)速至20 r/min反轉(zhuǎn)出料，收集膠料放置在密閉干燥器中或溫度為(23±2) ℃、相對濕度50%~70%的環(huán)境中12~24 h。

（2）返煉：將放置12 h以上的一段密煉混煉膠投入預(yù)先加熱至(55±5) ℃的密煉室內(nèi)，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)至90 r/min，設(shè)定程序自動控制密煉室溫度在60~70 ℃，返煉期間壓頂栓3 min/次，混煉8 min后提頂栓和防塵罩，調(diào)低轉(zhuǎn)速至20 r/min反轉(zhuǎn)出料，收集膠料。

（3）將收集好的二段混煉膠料放入開煉機上進行出片，厚度為2.1~2.5 mm。取其中部分膠料出直徑為(24±4) mm的圓柱條。

1.3.2 硫化

一段硫化條件如表1所示。

表1 一段硫化條件

將模具放置在平板硫化儀中，170~180 ℃×T90min（硫化儀測出Tc90）進行硫化，閉合熱板之間至少20 min，按照表1條件，將2.1~2.5 mm膠片用平板硫化儀和模具壓制成厚度為2 mm試片，將直徑(24±4) mm的圓柱條剪下一段質(zhì)量為(15.5±0.5) g的毛胚圓片用平板硫化機和模具壓制成Ф29 mm×12.5 mm試樣。硫化結(jié)束后取出膠片，修去毛邊后標(biāo)出膠料名稱、編號，同時厚度2 mm試片標(biāo)明膠料壓延方向。

一段硫化好的試片在電熱鼓風(fēng)干燥箱中進行二段硫化，硫化條件為230 ℃×24 h。

1.4 試驗配方

不同門尼黏度的3組過氧化物硫化氟橡膠料配方見表2。

表2 試驗基礎(chǔ)配方

1.5 性能測試

硫化性能依據(jù)GB/T 16584—1996進行測試，拉伸強度按GB/T2941—2006的規(guī)定進行測試，斷裂伸長率按GB/T528—2009的規(guī)定測試，壓縮永久變形按GB/T7759—1996的規(guī)定進行測試，硬度按GB/T531.1—2008的規(guī)定進行測試，脆性溫度按GB/T 15256—2014的規(guī)定進行測試[5-10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

硫化特性直接關(guān)系到過氧化物硫化氟橡膠（JH53）的后續(xù)加工條件，編號1~3采用開煉機混煉，編號4~6采用密煉機混煉，具體測試結(jié)果見表3。

表3 硫化性能測試結(jié)果

由表3可見，在配方固定，從編號1~3、4~6樣品的性能可知，隨著樣品門尼黏度提高，采用開煉與密煉機混煉的最低轉(zhuǎn)矩ML和最高轉(zhuǎn)矩MH均逐漸增大，焦燒時間TS1、TS2、TC10均逐漸縮短，正硫化TC90先減小后增大，兩種工藝均有規(guī)律的增大或減小，無明顯差異。

2.2 物理力學(xué)性能

對3組膠料2種混煉工藝制備的混煉膠硫化后測試的物理力學(xué)性能，結(jié)果如表4所示。

由表4可見，6#膠料拉伸強度最高，且密煉機混煉的樣品拉伸強度、硬度均比開煉機的略高，扯斷伸長率、壓縮形變和脆性溫度性能與開煉機混煉的膠料接近。兩種混煉工藝條件制備的混煉膠測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差及變異系數(shù)皆處于允差范圍內(nèi)（<15%），在工藝控制水平下均表現(xiàn)為工藝平穩(wěn)[11]。

表4 物料力學(xué)性能測試結(jié)果

2.3 表面形貌

為了進一步探究兩種混煉工藝的變化情況，選取了2#與5#樣品進行SEM測試，對比觀察表面形貌。對樣片測試之前，需使樣片低溫液氮脆斷，并噴金處理。具體測試結(jié)果見圖1。

圖1 兩種混煉工藝制備的膠料表面形貌

由圖1可見，密煉與開煉兩種工藝制備的膠料表面均不光滑，并且返煉后粗糙度會增加。通常氟橡膠的表面形貌粗糙的原因被認(rèn)為是混煉過程膠料與助劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使氟橡膠的交聯(lián)密度增加。開煉機由于溫度難以恒定，發(fā)熱量大，助劑分散、填充不均勻，導(dǎo)致氟橡膠的表面形貌更粗糙。

3 結(jié)論

1) 密煉機混煉工藝制備的膠料硫化性能、耐低溫性與開煉機混煉制備的結(jié)果無明顯差異，但密煉機制備的膠料物理力學(xué)性能相對更佳。

2) 兩種混煉工藝條件制備的混煉膠力學(xué)性能測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差及變異系數(shù)皆處于允差范圍內(nèi)（<15%），在工藝控制水平下均表現(xiàn)為工藝平穩(wěn)。

3) 開煉機混煉過程發(fā)熱，溫度分布不均，導(dǎo)致助劑填充難以分散，使膠料表面形貌更粗糙。

綜上所述，密煉機替代開煉機可應(yīng)用于過氧化物硫化氟橡膠混煉的加工，以減輕操作人員的勞動強度和改善產(chǎn)品質(zhì)量與工作環(huán)境。