新型橡膠塑煉方法及填充系數(shù)對(duì)塑煉效果的影響

汪傳生, 胡紀(jì)全, 蔡 寧, 劉 營(yíng)

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

新型橡膠塑煉方法及填充系數(shù)對(duì)塑煉效果的影響

汪傳生, 胡紀(jì)全, 蔡 寧, 劉 營(yíng)

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

通過自主研發(fā)的新型連續(xù)塑煉機(jī)為機(jī)臺(tái)，以天然橡膠NR為生膠原料，研究填充系數(shù)對(duì)天然橡膠連續(xù)塑煉效果的影響。在雙螺桿連續(xù)塑煉機(jī)塑化實(shí)驗(yàn)中，填充系數(shù)對(duì)塑煉效果有很大影響。填充系數(shù)增大，塑煉效果減小，但是生產(chǎn)能力增高。為達(dá)到塑煉效果和生產(chǎn)能力的最佳平衡，找到一組最佳的填充系數(shù)對(duì)連續(xù)塑煉的發(fā)展至關(guān)重要。。

填充系數(shù)；門尼黏度；連續(xù)塑煉

0 前 言

天然橡膠（NR）是塑煉的主要膠種對(duì)象。未塑煉的天然橡膠不利于混煉和加工。目前世界上主要使用開煉機(jī)和密煉機(jī)對(duì)天然橡膠進(jìn)行塑煉。但是由于開煉機(jī)和密煉機(jī)塑煉存在污染嚴(yán)重、人工浪費(fèi)、生產(chǎn)效率低和各批次間膠料質(zhì)量不均等問題，因此研究一種新型的塑煉方法，實(shí)現(xiàn)低污染、高效率、效果穩(wěn)定等要求，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑煉方法，已經(jīng)成為橡膠加工界面臨的新挑戰(zhàn)、新課題。

本文將天然橡膠經(jīng)過切片、烘膠等工藝處理后，用開煉機(jī)壓片，分別設(shè)定3 mm和6 mm的輥距，壓片后剪切成條，目的是在連續(xù)混煉機(jī)加料過程中能夠方便控制單位加料量和機(jī)筒填充量。發(fā)現(xiàn)橡膠連續(xù)塑煉機(jī)和塑料擠出機(jī)不同，存在一定的填充系數(shù)，能夠使連續(xù)塑煉效果達(dá)到最佳值。

1 塑煉機(jī)理

雙螺桿連續(xù)塑煉是一種低溫塑煉，溫度在100 ℃以下，橡膠硬度大，所受到的機(jī)械破壞作用較為劇烈，機(jī)械破壞作用使橡膠分子斷鏈而獲得塑煉效果。生膠在雙螺桿之間受到強(qiáng)烈的拉伸和剪切作用力[1]，而拉伸作用屬于雙螺桿塑煉的主要作用力。雙螺桿的強(qiáng)烈拉伸作用使得生膠沿螺槽方向產(chǎn)生很大的形變，產(chǎn)生應(yīng)力集中，大分子鏈斷裂，達(dá)到塑化效果。同時(shí)，螺桿與螺桿之間、螺桿與機(jī)筒之間存在強(qiáng)烈的剪切作用，大分子鏈斷裂，有助于提高塑煉效果，見圖1所示。

拉伸作用力是雙螺桿連續(xù)塑煉的主要作用力，膠料在雙螺桿之間產(chǎn)生很大的形變，因此為滿足應(yīng)力集中下的大形變變形，機(jī)筒與螺桿之間必須存在一定的自由空間。由此，填充系數(shù)成為雙螺桿連續(xù)塑煉的一項(xiàng)重要參數(shù)。

低溫塑煉時(shí)，生膠在轉(zhuǎn)子間受到劇烈的拉伸、擠壓和剪切作用，分子鏈被拉直，致使分子在中央部位發(fā)生斷裂。機(jī)械力主要對(duì)分子量大的部位起作用，對(duì)分子量小的部位基本不起作用。因此在機(jī)械力作用下，橡膠的平均分子量變小，分子量分布變窄。

圖1 塑煉膠拉伸狀態(tài)

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

NR生膠原料產(chǎn)自馬來西亞。

2.2 設(shè)備與儀器

新型橡膠塑煉實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)，青島科技大學(xué)；X(S)M-1.7型高剪切同步轉(zhuǎn)子密煉機(jī)，青島科技大學(xué)；X(S)K-160型開煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠；QP-16型橡膠塑料試驗(yàn)切片機(jī)，上?；C(jī)械四廠；UM-2050門尼黏度儀，中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司。

2.3 試樣制備

將實(shí)驗(yàn)室購入的天然橡膠用切膠機(jī)切片，放入恒溫烘膠機(jī)中烘膠30 min，取出并在開煉機(jī)上壓片。設(shè)定開煉機(jī)的輥距，并依此制備兩批厚度分別為3 mm和6 mm的膠片，剪成長(zhǎng)條狀，以備后期連續(xù)混煉實(shí)驗(yàn)中單位加料量和填充系數(shù)換算的直觀可控。

2.4 生膠門尼黏度測(cè)試

取經(jīng)過烘膠處理的天然橡膠，即刻選取3組樣品壓片制樣，檢測(cè)未塑煉生膠的門尼黏度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 未塑煉生膠的門尼黏度

2.5 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

在傳統(tǒng)的塑煉工藝中，溫度對(duì)橡膠的塑煉效果具有兩重性。以天然橡膠來說，在低溫范圍內(nèi)（約110 ℃以下），隨著溫度的升高，塑煉效果下降，升溫對(duì)塑煉的效果起不良影響。本實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)的雙螺桿連續(xù)塑煉機(jī)，采用的是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，塑煉溫度不會(huì)超過100 ℃，因此塑煉屬于低溫塑煉[2]。而與傳統(tǒng)的低溫塑煉不同，雙螺桿連續(xù)塑煉機(jī)不能在溫度太低的條件下塑煉，因?yàn)殡p螺桿結(jié)構(gòu)的單通道機(jī)筒必須要求膠料有比較好的流動(dòng)性，這樣才能滿足加料的穩(wěn)定性[3]。同時(shí)，考慮到膠料塑煉過程中受到強(qiáng)烈的機(jī)械剪切作用和膠料與機(jī)筒之間的摩擦力作用，膠料在塑煉過程中溫度會(huì)不可避免地升高。更重要的是機(jī)頭處膠料完全充滿，機(jī)頭壓力很大，這樣在膠料擠出過程中，擠出脹大現(xiàn)象會(huì)非常明顯。為適當(dāng)降低機(jī)頭壓力對(duì)擠出脹大的影響，溫度提高一個(gè)等級(jí)是可采取的有效方法[4]。

根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)分析，為方便實(shí)驗(yàn)室機(jī)臺(tái)操作，實(shí)現(xiàn)生膠加料和塑煉膠條擠出之間的動(dòng)態(tài)平衡，一般選擇的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r/min。本實(shí)驗(yàn)的連續(xù)塑煉機(jī)塑煉工藝參數(shù)見表2所示。

表2 連續(xù)塑煉機(jī)塑煉工藝參數(shù)

3 結(jié)果與討論

在連續(xù)塑煉實(shí)驗(yàn)過程中控制加料量，保持機(jī)筒的填充系數(shù)分別為100%、75%、50%，所得塑煉膠的門尼黏度如表3～5及圖2所示。

表3 100%填充系數(shù)下塑煉膠門尼黏度

表4 75%填充系數(shù)下塑煉膠門尼黏度

表5 50%填充系數(shù)下塑煉膠門尼黏度

圖2 填充系數(shù)對(duì)塑煉效果的影響

雙螺桿連續(xù)混煉機(jī)與傳統(tǒng)開煉機(jī)和密煉機(jī)不同，具有節(jié)約人力、生產(chǎn)連續(xù)、工藝控制簡(jiǎn)單和塑煉效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。從表3～5可以看出，連續(xù)塑煉實(shí)驗(yàn)中，塑煉膠的門尼黏度基本穩(wěn)定。在連續(xù)化生產(chǎn)中不但能夠大大提高生產(chǎn)效率，其產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性特點(diǎn)還對(duì)后期的混煉有著極大的好處。

從表3～5和圖3可以看出，填充系數(shù)對(duì)連續(xù)塑煉效果有不同的影響，在填充系數(shù)50%～100%之間，塑煉效果隨著填充系數(shù)的增大而降低。在低填充系數(shù)下，膠料具有更大的自由體積，在強(qiáng)烈的拉伸作用下，分子鏈拉伸取向并應(yīng)力集中，直至分子鏈斷裂，完成塑化。

雖然塑煉效果隨著填充系數(shù)的減小而增加，但是生產(chǎn)能力也隨著填充系數(shù)的增加而提高，能耗也隨著填充系數(shù)的增加而加大。因此找到填充系數(shù)、生產(chǎn)能力、能耗之間最優(yōu)配比，對(duì)以后工業(yè)化生產(chǎn)至關(guān)重要。

4 結(jié) 論

（1）在雙螺桿連續(xù)塑煉機(jī)塑化實(shí)驗(yàn)中，填充系數(shù)對(duì)塑煉效果有很大影響，填充系數(shù)增大，塑煉效果減小，但是生產(chǎn)能力增高。為達(dá)到塑煉效果和生產(chǎn)能力的最佳平衡，找到一組最佳的填充系數(shù)對(duì)連續(xù)塑煉的發(fā)展至關(guān)重要。

（2）連續(xù)化生產(chǎn)能力和膠料質(zhì)量均勻是雙螺桿連續(xù)塑煉機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。加快發(fā)展連續(xù)塑煉用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開煉機(jī)和密煉機(jī)是一條切實(shí)可行的研發(fā)方向。

[1] 張霞, 謝林生, 馬玉錄. 雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)混煉段拉伸作用的研究[J]. 中國(guó)塑料, 2010, 24(3): 110-113.

[2] 白好勝. 先進(jìn)橡膠加工工藝與設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性[J]. 輪胎工業(yè), 1996, 16(7): 427-429.

[3] 單國(guó)玲, 劉謙. 開煉式連續(xù)自動(dòng)低溫?zé)捘z工藝技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].橡膠工業(yè), 2011, 31(1):42- 45.

[4] 繆國(guó)斌, 謝林生, 田華. 雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)混合指數(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2010(6)：125-132．

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Infuence of the New Mastication Method and Filling Coeffcient on the Rubber Plasticization

Wang Chuansheng, Hu Jiquan, Cai Ning, Liu Ying

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

With domestically developed continuous masticator as an experimental platform, natural rubber (NR) as raw material, the effect of flling factor on the continuous refning of natural rubber was studied. In the twin-screw continuous plasticator plasticization experiments, the flling factor has a great infuence on the plasticizing effect: The flling factor increases, the plasticizing effect decreases, but the production capacity increases. In order to achieve the best balance between the plasticizing effect andthe production capacity, it is important to fnd the optimum packing factor for the development of the continuous refning.

Filling Coeffcient; Mooney Viscosity; Continuous Mastication

TQ 330.6+3

A

1671-8232(2016)12-0030-04

2016-04-19

∶汪傳生（1960— ），男，安徽安慶人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高分子材料加工機(jī)械的教學(xué)和科研工作。