串聯(lián)式混煉工藝對(duì)不同用量白炭黑配方膠料的適應(yīng)性研究

邊慧光，汪傳生，李月春，徐小林

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

串聯(lián)式混煉工藝在傳統(tǒng)混煉工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，具有高效、節(jié)能、低溫的特點(diǎn)[1-2]。在串聯(lián)密煉過(guò)程中，混合物自上游密煉機(jī)被直接排到下游容積較大的密煉機(jī)中，混煉在上游設(shè)備和下游設(shè)備中同時(shí)進(jìn)行。串聯(lián)式密煉機(jī)的性能主要依賴(lài)于整體的連續(xù)性、各自的分工、上游密煉機(jī)良好的分散性、下游密煉機(jī)良好的冷卻效能、膠料的分布性能和吃料能力[3]。上密煉機(jī)要求采用高分散轉(zhuǎn)子，下密煉機(jī)要求采用快速吃料型低溫轉(zhuǎn)子。

在配方的研制方面，白炭黑具有降低輪胎滾動(dòng)阻力、增強(qiáng)干濕路面的抓著力等特性[4-5]，主要由含有二氧化硅的礦石、泥土等加工制成，較為經(jīng)濟(jì)環(huán)保，在輪胎胎面膠配方設(shè)計(jì)上的用量大大提高，但其用量對(duì)混煉膠物理性能的影響差異較大。

白炭黑膠料混煉工藝存在煉膠時(shí)分散困難、生熱量大、硅烷化反應(yīng)迅速而溫度敏感和混煉膠溫度高易產(chǎn)生凝膠等技術(shù)難題，串聯(lián)式混煉工藝和串聯(lián)式密煉機(jī)已成為混煉白炭黑膠料的最佳選擇。

本工作通過(guò)試驗(yàn)研究，分析不同串聯(lián)式混煉工藝下的能耗、功率及混煉膠的物理性能和下游轉(zhuǎn)子類(lèi)型對(duì)不同白炭黑用量的適應(yīng)性。

1 下游轉(zhuǎn)子的混煉特點(diǎn)

1.1 嚙合型轉(zhuǎn)子

嚙合型密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的混煉作用與剪切型密煉機(jī)轉(zhuǎn)子不同，嚙合型轉(zhuǎn)子的煉膠作用主要發(fā)生在兩個(gè)相對(duì)嚙合的圓筒形轉(zhuǎn)子之間，此處膠料承受的剪切和捏煉作用最大，其混煉示意如圖1所示。

圖1 下游嚙合型轉(zhuǎn)子混煉示意

圖2所示為新型嚙合型轉(zhuǎn)子實(shí)物。嚙合型轉(zhuǎn)子以等大異向的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的凸棱表面與配合轉(zhuǎn)子的基圓表面進(jìn)行嚙合，凸棱表面的線(xiàn)速度大于基圓表面的線(xiàn)速度，此速度梯度可以對(duì)膠料產(chǎn)生高剪切分散混煉效果[6-7]；此外，凸棱外表面對(duì)膠料的擠壓作用同樣可以對(duì)膠料產(chǎn)生捏煉作用，使膠料層更好地與轉(zhuǎn)子表面接觸，提升換熱效率，這種高剪切及膠料的薄化作用可有效增加膠料產(chǎn)生的熱量向冷卻水道流動(dòng)。轉(zhuǎn)子上凸棱的螺旋結(jié)構(gòu)可使膠料沿軸向反復(fù)流動(dòng)，新的結(jié)構(gòu)可以改善膠料在棱頂和混煉腔壁上的剪切流動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)變化不僅可以增加密煉機(jī)的凈腔體積，而且可在凸棱與密煉機(jī)混煉腔側(cè)壁之間產(chǎn)生額外的分散混煉。對(duì)轉(zhuǎn)子的凸棱溫度控制進(jìn)行優(yōu)化，在轉(zhuǎn)子體內(nèi)設(shè)置復(fù)雜的冷卻流道，可以提高這種獨(dú)特轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的熱傳遞能力[8]。

圖2 新型嚙合型轉(zhuǎn)子實(shí)物

1.2 共流型轉(zhuǎn)子

新型共流型轉(zhuǎn)子綜合了剪切型轉(zhuǎn)子的強(qiáng)剪切效果和嚙合型轉(zhuǎn)子的分布混煉作用。其截面形狀為傳統(tǒng)剪切型轉(zhuǎn)子形狀，中心距比傳統(tǒng)剪切型轉(zhuǎn)子小，兩轉(zhuǎn)子凸棱可以互相嚙合，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型共流型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意

新型共流型轉(zhuǎn)子實(shí)物如圖4所示。新型共流型轉(zhuǎn)子棱峰與密煉室壁之間存在強(qiáng)烈撕拉、剪切和擠壓作用，與傳統(tǒng)剪切型轉(zhuǎn)子相似，但其棱峰寬度相對(duì)較小，因此剪切和撕裂作用更強(qiáng)[9]。共流型轉(zhuǎn)子橫截面形狀采用“S”結(jié)構(gòu)，煉膠時(shí)，受力面圓弧半徑小于背面圓弧半徑，比前后弧面半徑相同的轉(zhuǎn)子具有更強(qiáng)的擠壓和滾壓作用，更有利于膠料的剪切和分散，不僅能夠快速吃料，而且使轉(zhuǎn)子凸棱棱峰處產(chǎn)生更大的擠壓和剪切應(yīng)力，從而提高轉(zhuǎn)子對(duì)膠料的剪切和分散能力。

圖4 新型共流型轉(zhuǎn)子實(shí)物

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 配方

試驗(yàn)采用的全鋼載重子午線(xiàn)輪胎胎面膠配方為：天然橡膠（NR） 100，炭黑N234 38.5，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，增塑劑A 2，偶聯(lián)劑Si69 3，防老劑RD 1.5，防老劑4020 2，微晶蠟 1，防焦劑CTP 0.3，硫黃 1，促進(jìn)劑NS 1.25，白炭黑175 變量。

2.2 主要設(shè)備和儀器

X（S）MT0.5-1型串聯(lián)式密煉機(jī)和XK-160型開(kāi)煉機(jī)，青島科技大學(xué)產(chǎn)品；QLB-400×400×2平板硫化機(jī)，青島亞?wèn)|橡膠機(jī)械廠(chǎng)產(chǎn)品；RPA2000型橡膠加工分析儀和Disper Grader型炭黑分散儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；UM-2050型門(mén)尼粘度儀和TS2005b型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；LX-A型橡膠硬度計(jì)，上海輕工實(shí)驗(yàn)廠(chǎng)產(chǎn)品。

2.3 工藝參數(shù)

密煉機(jī)填充因數(shù)為0.7，上冷卻水溫度為60℃，上轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速90 r·min-1，壓砣壓力為0.9 MPa，下冷卻水溫度為50 ℃，下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1；上密煉時(shí)間為200 s，下密煉時(shí)間為220 s。硫化條件：150 ℃/150 MPa×t90。膠料停放12 h后進(jìn)行性能測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

進(jìn)行下游嚙合型轉(zhuǎn)子和共流型轉(zhuǎn)子的混煉試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)?zāi)z料中分別添加36，55，73，91份的白炭黑。測(cè)定門(mén)尼粘度[ML（1+4）100 ℃]、分散度、邵爾A型硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、DIN磨耗量、低應(yīng)變剪切模量、下密煉機(jī)單位能耗和總單位能耗，并對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同轉(zhuǎn)子類(lèi)型對(duì)白炭黑混煉的適應(yīng)性。

3.1 下游嚙合型轉(zhuǎn)子作用與白炭黑用量的相關(guān)性

采用下游嚙合型轉(zhuǎn)子時(shí)白炭黑用量對(duì)混煉效果影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 采用下游嚙合型轉(zhuǎn)子時(shí)白炭黑用量對(duì)混煉效果的影響

從表1可以看出，隨著白炭黑用量的增大，膠料的門(mén)尼粘度呈先減小后增大的趨勢(shì)。在炭黑用量較大的情況下，膠料的混煉強(qiáng)度使得其門(mén)尼粘度值停留在一定的程度上，這個(gè)情況和白炭黑用量較大的情況一致，但是對(duì)于采用下游嚙合型轉(zhuǎn)子的串聯(lián)式混煉裝備，在白炭黑和炭黑比例適當(dāng)時(shí)混煉強(qiáng)度最高，門(mén)尼粘度最小。

隨著白炭黑用量的增大，膠料的拉伸強(qiáng)度呈先減小后增大的趨勢(shì)。開(kāi)始炭黑補(bǔ)強(qiáng)效果明顯，后期隨著白炭黑用量的增大，白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果也開(kāi)始逐步增強(qiáng)，而且呈現(xiàn)更好的趨勢(shì)。

白炭黑的分散度隨著其填充量的增大逐漸變差，白炭黑用量越大，其分散的難度也越大；DIN磨耗量隨著白炭黑填充量的增大經(jīng)歷了一個(gè)最差值，后期其耐磨性能凸顯；撕裂強(qiáng)度經(jīng)歷了最差值后迅速上升，抗撕裂能力迅速提升；低應(yīng)變下的剪切模量在炭黑或者白炭黑過(guò)多的情況下都不具有最佳值，隨著白炭黑用量的增大，設(shè)備對(duì)填料間的相互作用恢復(fù)到較好的水平；高應(yīng)變下的剪切模量具有最佳值，其值隨著白炭黑用量超過(guò)50份以后才開(kāi)始下降；整體單位能耗隨著白炭黑用量的增大先減小后增大，其最佳值出現(xiàn)在白炭黑用量70份左右，其中下游嚙合型轉(zhuǎn)子煉膠的單位能耗隨著白炭黑用量的增大持續(xù)下降。

白炭黑用量與下游嚙合串聯(lián)式混煉效果的相關(guān)性分析見(jiàn)表2。其中白炭黑用量的變化與白炭黑分散度的相關(guān)性達(dá)到0.9以上，說(shuō)明設(shè)備對(duì)于不同白炭黑用量的試驗(yàn)配方在白炭黑分散度指標(biāo)上可能會(huì)有較大差異，分散度指標(biāo)的敏感度很高。

表2 白炭黑用量與下游嚙合串聯(lián)式混煉效果相關(guān)性分析

3.2 下游共流型轉(zhuǎn)子作用與白炭黑用量的相關(guān)性

采用下游共流型轉(zhuǎn)子時(shí)白炭黑用量對(duì)混煉效果影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 采用下游共流型轉(zhuǎn)子時(shí)白炭黑用量對(duì)混煉效果的影響

從表3可以看出，隨著白炭黑用量的增大，膠料的門(mén)尼粘度呈線(xiàn)性增大。采用共流型轉(zhuǎn)子的下游串聯(lián)式混煉裝備對(duì)于白炭黑用量較高時(shí)的混煉強(qiáng)度不佳，門(mén)尼粘度較大。

膠料的拉伸強(qiáng)度呈線(xiàn)性減小的趨勢(shì)，開(kāi)始炭黑補(bǔ)強(qiáng)效果明顯，后期隨著白炭黑用量的增大，白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

白炭黑分散度隨著其填充量的增大逐漸變差，白炭黑用量越大其分散的難度也越大；DIN磨耗量隨著白炭黑填充量的增大經(jīng)歷了一個(gè)最差值，后期其耐磨能力凸顯；撕裂強(qiáng)度經(jīng)歷了最差值后迅速上升，抗撕裂能力提高迅速；低應(yīng)變下的剪切模量在炭黑或者白炭黑過(guò)多的情況下都不具有最佳值，隨著白炭黑用量的增大，設(shè)備對(duì)填料間的相互作用恢復(fù)到相對(duì)較差的水平；高應(yīng)變下的剪切模量具有最佳值，其值隨著白炭黑用量超過(guò)50份以后才開(kāi)始下降；整體單位能耗隨著白炭黑填充量的增大先減小后增大，下游共流型轉(zhuǎn)子煉膠的單位能耗隨著白炭黑用量的增大持續(xù)下降。

白炭黑用量與下游共流串聯(lián)式混煉效果的相關(guān)性分析見(jiàn)表4。其中白炭黑用量的變化與門(mén)尼粘度、200%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度有顯著相關(guān)性，說(shuō)明設(shè)備對(duì)于不同白炭黑用量的試驗(yàn)配方在門(mén)尼粘度和拉伸強(qiáng)度指標(biāo)上可能會(huì)有較大差異，適應(yīng)性較下游嚙合型轉(zhuǎn)子差。

表4 白炭黑用量與下游共流串聯(lián)式混煉效果相關(guān)性分析

3.3 兩種下游轉(zhuǎn)子對(duì)白炭黑用量的適應(yīng)性對(duì)比

不同白炭黑用量下兩種混煉設(shè)備混煉膠料的門(mén)尼粘度、白炭黑分散度、拉伸強(qiáng)度、剪切模量和單位能耗對(duì)比如圖5—9所示。

圖5 白炭黑用量對(duì)膠料門(mén)尼粘度的影響

圖6 白炭黑用量對(duì)白炭黑分散度的影響

圖7 白炭黑用量對(duì)膠料拉伸強(qiáng)度的影響

由圖5—9可以看出：不同混煉設(shè)備對(duì)不同白炭黑用量的適應(yīng)性不同。共流型轉(zhuǎn)子構(gòu)型的白炭黑分散度較高，但其波動(dòng)性較大，整體情況優(yōu)于嚙合型轉(zhuǎn)子；嚙合型轉(zhuǎn)子構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)高填充白炭黑配方的顯著補(bǔ)強(qiáng)效果，明顯優(yōu)于共流型轉(zhuǎn)子構(gòu)型；共流型轉(zhuǎn)子對(duì)于膠料門(mén)尼粘度的降低效果優(yōu)于嚙合型轉(zhuǎn)子，強(qiáng)剪切作用十分強(qiáng)烈；混煉時(shí)間相同的情況下，無(wú)論白炭黑用量高或低，共流型轉(zhuǎn)子的單位能耗均高于嚙合型轉(zhuǎn)子；嚙合型轉(zhuǎn)子在炭黑用量較大的情況下對(duì)填料的作用水平比共流型轉(zhuǎn)子差，隨著白炭黑用量的增大，轉(zhuǎn)子對(duì)填料的作用效果優(yōu)于共流型轉(zhuǎn)子，拉伸作用起到很高的微觀(guān)結(jié)合效果。

圖8 白炭黑用量對(duì)低應(yīng)變剪切模量的影響

圖9 白炭黑用量對(duì)能耗的影響

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了采用下游嚙合型轉(zhuǎn)子和共流型轉(zhuǎn)子時(shí)白炭黑用量對(duì)混煉過(guò)程及混煉膠物理性能的影響，并獲得了以下結(jié)論。

（1）隨著白炭黑用量的增大，下游嚙合型轉(zhuǎn)子對(duì)填料的剪切作用效果、補(bǔ)強(qiáng)效果、設(shè)備單位能耗的作用優(yōu)于共流型轉(zhuǎn)子；而在白炭黑分散度、對(duì)膠料混煉的強(qiáng)度方面，共流型轉(zhuǎn)子優(yōu)于嚙合型轉(zhuǎn)子。

（2）下游嚙合型轉(zhuǎn)子串聯(lián)式混煉對(duì)白炭黑分散度指標(biāo)靈敏度較高，白炭黑用量的變化與白炭黑分散度的相關(guān)性達(dá)到了0.9以上；下游共流型轉(zhuǎn)子串聯(lián)式混煉在門(mén)尼和拉伸強(qiáng)度指標(biāo)上適應(yīng)性較差，白炭黑用量的變化與門(mén)尼粘度、200%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度有顯著相關(guān)性。

（3）采用下游嚙合型轉(zhuǎn)子串聯(lián)式混煉時(shí)，隨著白炭黑用量的增大，門(mén)尼粘度、白炭黑分散度、邵爾A型硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、低應(yīng)變剪切模量、上密煉機(jī)單位能耗、總單位能耗均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，DIN磨耗量先上升后下降，而下密煉機(jī)的單位能耗持續(xù)下降。

（4）采用下游共流型轉(zhuǎn)子串聯(lián)式混煉時(shí)，隨著白炭黑用量的增大，門(mén)尼粘度呈線(xiàn)性增大，白炭黑分散度、100%定伸應(yīng)力和200%定伸應(yīng)力呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，撕裂強(qiáng)度呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，炭黑分散度、拉伸強(qiáng)度、下密煉機(jī)單位能耗持續(xù)下降，邵爾A型硬度趨于不變，DIN磨耗量先上升后下降，低應(yīng)變下的剪切模量、上密煉機(jī)單位能耗、總單位能耗呈先降后升的趨勢(shì)。