全自動開煉機(jī)與傳統(tǒng)開煉機(jī)的對比實(shí)驗(yàn)研究

曾憲奎，呂 沖，張宗廷，劉 威

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

開煉機(jī)是最早出現(xiàn)的煉膠設(shè)備，由于自動化程度低，工作環(huán)境差，工人勞動強(qiáng)度大等原因，導(dǎo)致了開煉機(jī)在橡膠工廠中的應(yīng)用越來越邊緣化，有逐步被自動化程度高、環(huán)保性好的密煉機(jī)所取代的趨勢。但開煉機(jī)具有煉膠溫度低的優(yōu)點(diǎn)，對橡膠分子鏈氧化破壞作用少，煉膠質(zhì)量比密煉機(jī)等高溫?zé)捘z的方式更好，因此如何使開煉機(jī)揚(yáng)長避短，提高其自動化程度，發(fā)揮其低溫?zé)捘z的特點(diǎn)，是目前很多橡膠工廠的共識，也是煉膠技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢[1]。尤其是近年來發(fā)展起來的低溫一次法煉膠工藝[2-3]，充分利用了開煉機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，將開煉機(jī)的應(yīng)用提高到了一個很高的程度，從而也對開煉機(jī)提出了更高的要求。

本文正是針對上述現(xiàn)狀，對開煉機(jī)自動煉膠的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)并研制出了全自動開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，并在該實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比研究，結(jié)果表明，全自動開煉機(jī)的優(yōu)越性非常明顯。

1 實(shí)驗(yàn)方案

為了對比全自動開煉機(jī)的煉膠效果，本實(shí)驗(yàn)方案采用低溫一步法混煉工藝流程[4]，密煉機(jī)初混后的膠料分成2份，分別在傳統(tǒng)開煉機(jī)和全自動開煉機(jī)上進(jìn)行低溫?zé)捘z[5]，比較2種機(jī)臺的煉膠效果。煉膠效果評定參數(shù)包括煉膠過程功率消耗、煉膠溫度、混煉膠粘度(門尼粘度)、硫化膠物理性能等質(zhì)量指標(biāo)。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度，每種方法進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，并對所有的膠料標(biāo)本進(jìn)行樣品編號。

由于需要進(jìn)行門尼粘度和硫化膠物理性能的測量，所以煉膠過程注意膠料的分流，選用開煉機(jī)混煉3 min后加硫操作，然后對加硫化劑膠料和不加硫化劑膠料分開混煉，并對終煉膠進(jìn)行自動下片，下片厚度選擇輥距為1.5 mm。

硫化劑的添加選擇在低溫開煉機(jī)中進(jìn)行，以避免硫化劑提前發(fā)生反應(yīng)，影響膠料性能。本對比實(shí)驗(yàn)中硫化劑添加時間要保持一致，都是在開煉機(jī)冷卻下片3 min后加硫。硫化過程都選用硫化溫度160 ℃,硫化時間30 min。

1.1 全自動開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺工藝條件

全自動開煉機(jī)的煉膠工藝參數(shù)選用的最佳工藝組合，即輥距為0.7，輥速為32 r/min，前后輥速比為1∶1.2，混煉溫度為50 ℃，混煉時間為14 min，并且發(fā)揮全自動開煉機(jī)煉膠過程工藝參數(shù)自動調(diào)整的優(yōu)勢進(jìn)行混煉過程。

1.2 傳統(tǒng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺工藝條件

傳統(tǒng)開煉機(jī)因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)自動化控制，為保證對比實(shí)驗(yàn)的可對比性，工藝參數(shù)的確定在時間上選用全自動開煉機(jī)工藝，其它工藝應(yīng)用傳統(tǒng)開煉機(jī)混煉工藝，本實(shí)驗(yàn)選用的開煉機(jī)為上海橡膠機(jī)械廠生產(chǎn)的X(S)K-160型開煉機(jī)，輥速為20 r/min，前后輥速比為1∶1.1。煉膠方法采用打三角包的薄通混煉法。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

為保證2種設(shè)備的可對比性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量在保證準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，還要實(shí)現(xiàn)測量過程的一致性。

2.1 單位能耗測量

全自動開煉機(jī)設(shè)有智能三相電能表，可以測量并記錄煉膠過程的能耗，并且能夠顯示，方便讀數(shù)。

為檢測傳統(tǒng)開煉機(jī)的功率消耗，本實(shí)驗(yàn)通過選取開煉機(jī)煉膠過程電機(jī)的瞬時功率信號，利用可編程邏輯控制器PLC積分預(yù)算的處理方法，讀取煉膠過程的功率消耗。

2.2 煉膠溫度測量

全自動開煉機(jī)的溫度測量可以通過測溫裝置方便地顯示讀取。而傳統(tǒng)開煉機(jī)對膠料溫度的測量使用上海強(qiáng)佳電氣有限公司生產(chǎn)的紅外線測溫儀，進(jìn)行手動測量。測量記錄的膠料溫度以開煉機(jī)排膠時溫度為標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 膠料門尼粘度測量

為保證膠料門尼粘度測量結(jié)果的可比性，門尼粘度測試試樣的制作需要選擇相同的混煉時間和下片厚度，門尼粘度儀的時間和溫度保持一致。

2.4 硫化膠物理性能測量

硫化膠物理性能測試項(xiàng)目包括炭黑分散度、邵氏A硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力和斷裂伸長率。采用中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司生產(chǎn)的TS 2005 b萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測試?yán)鞆?qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力和斷裂伸長率；采用瑞典OPTIGRADE公司生產(chǎn)的DG1000NT+型炭黑分散儀測試分散度；邵氏硬度的測量采用江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的邵氏A型硬度計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 全自動開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

全自動開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 全自動開煉機(jī)煉膠效果

3.2 傳統(tǒng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 傳統(tǒng)開煉機(jī)煉膠效果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

4.1 平均能耗比較

2種開煉機(jī)的平均能耗對比如圖1所示。從圖1可以看出，全自動開煉機(jī)煉膠能耗在平均值附近，波動較小，說明設(shè)備運(yùn)行比較平穩(wěn)，而傳統(tǒng)開煉機(jī)煉膠的煉膠能耗波動較大，即煉膠過程不平穩(wěn)。并且通過計(jì)算可以得出全自動開煉機(jī)的平均能耗為1.962 kJ/g，而傳統(tǒng)開煉機(jī)達(dá)到2.176 kJ/g，即在煉膠量和煉膠條件一致的條件下，全自動開煉機(jī)比傳統(tǒng)開煉機(jī)節(jié)能9.83%。

分析上述結(jié)果的原因，一是在煉膠過程能耗波動方面，全自動開煉機(jī)由于采用了實(shí)驗(yàn)得到的適合膠料配方的最佳工藝參數(shù)組合，適應(yīng)了本配方煉膠的最佳要求，使煉膠過程處于最佳狀態(tài)，減少了煉膠能耗的波動；二是由于全自動開煉機(jī)增加了翻膠搗膠裝置，可以將膠料均勻地分配到開煉機(jī)輥筒上，避免因膠料在輥筒某部分分布較多引起的功率變化。在節(jié)能方面由于開煉機(jī)的兩輥筒采用獨(dú)立雙驅(qū)動，避免了傳統(tǒng)開煉機(jī)單電機(jī)驅(qū)動時二級傳動中的功率損耗，提高了電機(jī)的利用效率，同時煉膠過程的最佳工藝參數(shù)可以使混煉效果達(dá)到最佳狀態(tài)，提高了煉膠效率，降低了能耗。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

4.2 溫度比較

由表1和表2可以明顯看出，全自動開煉機(jī)排膠時溫度比較穩(wěn)定，并且僅在溫控裝置控制范圍波動，而傳統(tǒng)開煉機(jī)排膠溫度較高[6]，并且波動比較大。主要是由于傳統(tǒng)開煉機(jī)對輥筒溫度采用直接通冷卻水的形式，溫度控制精度差，不能起到輥溫的精確控制，而全自動開煉機(jī)通過輥溫的精確測量和溫控裝置提高了輥筒溫度控制的精度。

4.3 塑煉膠性能比較

塑煉膠性能比較主要是進(jìn)行門尼粘度的對比，門尼粘度是橡膠加工性能的好壞和相對分子質(zhì)量高低及分布范圍寬窄的反映，門尼粘度高，說明膠料的相對分子質(zhì)量高、分布范圍寬，不易混煉均勻及擠出加工，門尼粘度低則說明相對分子質(zhì)量低、分布范圍窄，膠料加工中易粘輥。2種開煉機(jī)的門尼粘度曲線如圖2 所示。

從圖2可以看出，全自動開煉機(jī)的混煉膠粘度相對傳統(tǒng)開煉機(jī)比較穩(wěn)定，并在最佳值附近分布，即說明全自動開煉機(jī)混煉膠的相對分子質(zhì)量分布較窄，混煉膠質(zhì)量比較穩(wěn)定、均勻。而傳統(tǒng)開煉機(jī)門尼粘度波動較大，數(shù)值在38.9～73.5之間，即相對分子質(zhì)量分布較寬。根據(jù)計(jì)算全自動開煉機(jī)的門尼粘度平均值62.88，也比傳統(tǒng)開煉機(jī)58.68要高，并且在正常范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

分析傳統(tǒng)開煉機(jī)門尼粘度數(shù)值分布原因，一是由于煉膠過程中膠料的性質(zhì)是變化的，隨著煉膠的進(jìn)行，膠料流動性增大，所需要破壞橡膠大分子鏈的機(jī)械力也增大，而傳統(tǒng)開煉機(jī)固定的工藝參數(shù)和單一控制方式，不能隨膠料的變化而變化，因此不能提供足夠的機(jī)械剪切作用，導(dǎo)致門尼粘度出現(xiàn)較大值；二是由于其煉膠過程膠料受力不均勻，煉膠過程中存在部分膠料反復(fù)捏煉，部分膠料卻不能受到捏煉的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)門尼粘度較低值。

全自動開煉機(jī)之所以具有較好的塑煉效果，主要有以下幾個原因：首先，全自動開煉機(jī)采用實(shí)驗(yàn)確定的最佳工藝參數(shù)，使整個煉膠過程有足夠機(jī)械剪切力的作用，保證了大分子鏈的斷裂效率和質(zhì)量；其次，通過輥筒溫控裝置保證開煉機(jī)低溫混煉的最佳溫度，減少橡膠分子鏈不可逆化學(xué)裂解的發(fā)生，避免了過低的橡膠相對分子質(zhì)量的產(chǎn)生；再次，翻膠搗膠裝置對膠料在輥筒上的徑向和橫向混合起到了很好的輔助作用，保證了混煉膠受力的均勻性，提高了膠料質(zhì)量的均一性。

4.4 硫化膠性能比較

4.4.1 炭黑分散度比較

炭黑分散度可以代表混煉膠中配合劑的分散情況，反應(yīng)膠料和配合劑的混煉均勻情況，良好的炭黑分散性是橡膠制品耐磨性的保證，同時炭黑在膠料中的均勻分布可以提高硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)作用。炭黑分散度對比如圖3所示。

從圖3可以看出，全自動開煉機(jī)的炭黑分散度分布比較均勻，傳統(tǒng)開煉機(jī)的分散度波動較大；通過計(jì)算2種開煉機(jī)分散度的平均值，可以得出全自動開煉機(jī)的炭黑分散度比傳統(tǒng)開煉機(jī)提高了24.32%。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

圖4為由DG1000NT+型炭黑分散儀測得的2種煉膠設(shè)備的炭黑分散度。從圖4可以看出，與傳統(tǒng)開煉機(jī)的炭黑分散情況相比全自動開煉機(jī)有較多的炭黑聚集體區(qū)域和較多的無炭黑區(qū)域，說明其炭黑分散性較差。而全自動開煉機(jī)的炭黑分布較均勻，分散性較好。炭黑分散度可以反映其它配合劑的分散情況。

(a) 傳統(tǒng)開煉機(jī)膠料分散性

(b) 全自動開煉機(jī)膠料分散性

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，造成傳統(tǒng)開煉機(jī)分散情況差的主要原因還是煉膠過程中膠料不能得到充分混合，而全自動開煉機(jī)選用的是較高的速比和輥速以及合適的混煉溫度，改善了煉膠過程的機(jī)械剪切力和煉膠過程的吃粉性能，提高了炭黑分散性，同時通過自動翻膠搗膠裝置，改善膠料混煉過程的運(yùn)動狀態(tài)，提高了混煉膠配合劑分散的均勻性。

4.4.2 邵氏A硬度比較

從圖5可以看出，采用全自動開煉機(jī)煉膠，得到的膠料邵氏A硬度比較均勻，并且數(shù)值較高，而傳統(tǒng)開煉機(jī)的膠料硬度有的大于全自動開煉機(jī)的硬度，而有的卻遠(yuǎn)小于全自動開煉機(jī)膠料硬度，膠料的硬度波動較大。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

分析上述結(jié)果的原因，全自動開煉機(jī)煉膠的邵氏A硬度性能較好，主要是因?yàn)槠涮亢诜稚⑿暂^好。而傳統(tǒng)開煉機(jī)硬度波動較大主要是炭黑及其它小料的分散度不均造成的，硬度數(shù)值較大的點(diǎn)是試樣中炭黑集度較大的位置，而數(shù)值較小的點(diǎn)是試樣中炭黑集度較小的位置，從而也間接地說明了全自動開煉機(jī)在煉膠效果方面優(yōu)于傳統(tǒng)開煉機(jī)。

4.4.3 物理機(jī)械性能比較

圖6分別從100%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和撕裂強(qiáng)度等物理機(jī)械性能上對2種煉膠設(shè)備的煉膠效果進(jìn)行了對比。從圖6可以看出，在前4種膠料在拉伸性能上，2種煉膠設(shè)備的變化趨勢基本一致，但全自動開煉機(jī)的數(shù)值明顯高于傳統(tǒng)開煉機(jī)，并且全自動開煉機(jī)的硫化膠在物理機(jī)械性能穩(wěn)定性方面波動較小，尤其在100%定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度上，全自動開煉機(jī)在穩(wěn)定性方面明顯高于傳統(tǒng)開煉機(jī)。通過計(jì)算2種煉膠設(shè)備物理機(jī)械性能平均值，可以得出全自動開煉機(jī)的煉膠效果在5項(xiàng)性能指標(biāo)上都高于傳統(tǒng)開煉機(jī)，表3是全自動開煉機(jī)相比傳統(tǒng)開煉機(jī)在物理機(jī)械性能上的提高率。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(a) 100%定伸應(yīng)力

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(b) 拉伸強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(c) 拉斷伸長率

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(d) 撕裂強(qiáng)度

表3 物理機(jī)械性能提高率

分析上述煉膠效果，全自動開煉機(jī)硫化膠質(zhì)量較好的原因：一是全自動開煉機(jī)煉膠過程，由于采用全自動的溫控裝置，保證了煉膠過程的溫度始終處于最佳溫度，既有利于橡膠大分子鏈的剪切斷裂，又防止了過高溫度造成相對分子質(zhì)量的氧化破壞，提高了橡膠大分子的保持性，保證膠料的較穩(wěn)定的機(jī)械性能；二是全自動開煉機(jī)通過合適的輥速、速比和輥距，增強(qiáng)了膠料的剪切作用，提高了炭黑和各種配合劑的分散性，充分發(fā)揮了炭黑對硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)作用，提高了膠料的力學(xué)性能[7]；三是全自動開煉機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動翻膠搗膠，改善了膠料在輥筒軸向混合差的不足，提高了混煉膠質(zhì)量的均一性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

(1) 全自動開煉機(jī)相比傳統(tǒng)開煉機(jī)保證了良好的塑煉效果，提高了終煉膠的物理機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度分別提高了8.3%和10.4%。

(2) 全自動開煉機(jī)相比較傳統(tǒng)開煉機(jī)在煉膠質(zhì)量的穩(wěn)定性和均一性上都得到了提高。

參 考 文 獻(xiàn)：

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