低溫一次法煉膠工藝的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展

嚴(yán) 亮，田軍濤，趙 敏，吳秀蘭

（1.北京市7220信箱，北京 100072；2.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143）

輪胎是一個(gè)國(guó)家的重要戰(zhàn)略物資，輪胎產(chǎn)品所用橡膠約占橡膠總需求量的60%。我國(guó)是世界輪胎生產(chǎn)第一大國(guó)，在目前異常嚴(yán)峻的國(guó)際經(jīng)濟(jì)和技術(shù)壁壘形勢(shì)下，提高我國(guó)輪胎工業(yè)的總體技術(shù)水平已成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略問(wèn)題。

2014年年底朗盛公司與中國(guó)汽車技術(shù)研究中心聯(lián)合完成的《中國(guó)綠色輪胎發(fā)展研究報(bào)告》顯示，在國(guó)外政策倒逼出口輪胎升級(jí)、國(guó)內(nèi)政策淘汰落后產(chǎn)能、消費(fèi)者接受程度越來(lái)越高的大環(huán)境下，到2020年，綠色輪胎產(chǎn)量將超過(guò)全國(guó)輪胎總量的60%[1]，而這一數(shù)字在2010年僅約為2%。國(guó)內(nèi)外綜合因素倒逼輪胎產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)換代，我國(guó)輪胎企業(yè)加速提高綠色輪胎的研發(fā)能力已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)，發(fā)展綠色輪胎是我國(guó)輪胎工業(yè)的必由之路。綠色輪胎除具有低滾動(dòng)阻力等性能及所用原材料符合環(huán)保要求外，還要求生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能和環(huán)保[2]。煉膠是輪胎生產(chǎn)過(guò)程中能耗最大的一道工序，約占輪胎生產(chǎn)總能耗的40%。三角集團(tuán)有限公司、軟控股份有限公司、益陽(yáng)橡塑機(jī)械集團(tuán)有限公司、特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司和廣州華工百川科技股份有限公司等企業(yè)開(kāi)發(fā)的低溫一次法煉膠工藝實(shí)現(xiàn)噸膠耗電降低20%左右、生產(chǎn)效率提高200%以上，為我國(guó)輪胎工業(yè)節(jié)能減排帶來(lái)革命性的技術(shù)突破[3]，契合了綠色輪胎的發(fā)展趨勢(shì)。

本文簡(jiǎn)述國(guó)外新型連續(xù)混煉工藝，重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)低溫一次法煉膠工藝的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用情況。

1 國(guó)外新型連續(xù)混煉工藝簡(jiǎn)介

自2000年以來(lái)，世界著名輪胎公司對(duì)輪胎制造工藝的研究重心已從傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝改進(jìn)轉(zhuǎn)向自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)，具有代表性的有大陸公司的MMP技術(shù)、固特異公司的IMPACT技術(shù)、普利司通公司的ACTAS技術(shù)、倍耐力公司的MIRS技術(shù)和米其林公司的C3M技術(shù)等[4]。

倍耐力公司于2002年推出了MIRS技術(shù)，其子技術(shù)低溫連續(xù)混煉系統(tǒng)主要由兩臺(tái)雙螺桿擠出機(jī)組成，第1臺(tái)的主要作用是混煉，第2臺(tái)用于加硫化體系并完成混煉[5]。

煉膠工序是輪胎制造的首道工序，也是制造流程中最復(fù)雜和關(guān)鍵的工序，而煉膠質(zhì)量直接決定輪胎產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)膠料混煉工藝基本都采用密煉機(jī)進(jìn)行多段高溫混煉，每段混煉均需經(jīng)過(guò)高溫密煉、出片冷卻和停放等步驟，整個(gè)混煉過(guò)程包含多次高溫加熱和冷卻過(guò)程，約40%的能量用于反復(fù)加熱和冷卻，能耗大、效率低、周期長(zhǎng)、占地面積大，提高了生產(chǎn)成本，降低了產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

密煉機(jī)多段混煉主要用于斷裂橡膠分子鏈，以高溫氧化裂解為主、機(jī)械剪切為輔。低溫一次法煉膠工藝采用密煉機(jī)進(jìn)行一段混煉，然后在開(kāi)煉機(jī)上加硫化體系，這種混煉方法大大加強(qiáng)了對(duì)膠料的機(jī)械剪切，同時(shí)弱化了高溫氧化裂解的作用。

隨著汽車工業(yè)和公速交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)輪胎生產(chǎn)新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提出了很高的要求。為了進(jìn)一步改進(jìn)煉膠質(zhì)量，克服高用量白炭黑煉膠和混煉膠溫度高易產(chǎn)生凝膠的技術(shù)難題，世界各大輪胎公司紛紛不斷研究和發(fā)展一次法煉膠技術(shù)。其中米其林公司開(kāi)發(fā)的一次法煉膠系統(tǒng)（One Step Mix System，OMS）成功實(shí)現(xiàn)了低溫連續(xù)混煉，2013年年初開(kāi)工的米其林沈陽(yáng)輪胎有限公司新工廠即采用一次法低溫連續(xù)混煉工藝[6]。

2 國(guó)內(nèi)低溫一次法煉膠工藝的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

綠色輪胎的低滾動(dòng)阻力要求大量使用白炭黑，但采用傳統(tǒng)混煉方式進(jìn)行大用量白炭黑混煉比較困難，因此必須對(duì)混煉工藝進(jìn)行創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的低溫一次法煉膠工藝是將傳統(tǒng)的多段混煉改為一次混煉，即膠料通過(guò)密煉機(jī)高溫混煉后，先經(jīng)過(guò)第1臺(tái)開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行冷卻，然后通過(guò)中央輸送系統(tǒng)對(duì)稱地分配到周圍多臺(tái)開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行連續(xù)低溫混煉，直接得到終煉膠，混煉過(guò)程強(qiáng)化了下輔機(jī)的作用，且實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程自動(dòng)化控制。該工藝減少了膠料中間傳遞環(huán)節(jié)，可節(jié)約占地一半以上；混煉周期由原來(lái)的12 h縮短為30 min；由于只有一次升溫過(guò)程，膠料在低溫下混煉，噸膠耗電降低20%左右[7]。

大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司為了滿足用戶的生產(chǎn)要求，制造了輥筒最高線速度達(dá)70 m·min-1的開(kāi)煉機(jī)，為一次法煉膠工藝的高速、高效煉膠提供了有力的支撐。石繁章等[8]研究了開(kāi)煉機(jī)在低溫一次法煉膠系統(tǒng)中的應(yīng)用及配置，其主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)為：輥筒線速度 ≤70 m·min-1；前后輥筒速比 ≤1∶1.15；主電機(jī)變頻電機(jī)；輥筒調(diào)距方式 液壓（可負(fù)載調(diào)距）；輥筒結(jié)構(gòu) 鉆孔；冷卻方法 輥筒內(nèi)部注冷卻水且在輔機(jī)中增設(shè)冷卻鼓；輔機(jī) 導(dǎo)膠裝置、冷卻鼓和循環(huán)輸送帶等。

益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司在一次法煉膠設(shè)備技術(shù)上有所突破，開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)首套串聯(lián)式密煉機(jī)新產(chǎn)品，該系統(tǒng)由GE320E和GE590T兩臺(tái)密煉機(jī)串聯(lián)而成，可提高生產(chǎn)效率50%，并可改善膠料的分散性和均勻性[5]。隨著工業(yè)4.0的發(fā)展和應(yīng)用要求的提高，傳統(tǒng)橡膠制品行業(yè)面臨淘汰落后產(chǎn)能、升級(jí)換代生產(chǎn)裝備的迫切需求[9]。益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司實(shí)施藍(lán)海戰(zhàn)略，將在輪胎行業(yè)已成熟應(yīng)用的一次法煉膠技術(shù)裝備通過(guò)創(chuàng)新而推廣到橡膠制品行業(yè)[10]。2018年4月25日，法國(guó)米其林公司全球采購(gòu)經(jīng)理部就設(shè)備采購(gòu)事宜到益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司考察，對(duì)該公司近年來(lái)研發(fā)的串聯(lián)式密煉機(jī)及一次法煉膠裝備的整體解決方案產(chǎn)生了濃厚興趣[11]。

李漢青等[12]開(kāi)發(fā)了包括一次法煉膠技術(shù)在內(nèi)的藍(lán)色輪胎生產(chǎn)技術(shù)，它集成了綠色輪胎生產(chǎn)技術(shù)的成果并有創(chuàng)新和升級(jí)，給輪胎生產(chǎn)尤其是煉膠工藝帶來(lái)深刻的技術(shù)變革，將提高生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量管理水平，為規(guī)模化高性能輪胎生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

低溫一次法混煉技術(shù)一直在不斷發(fā)展中。孟慶旭等[13]采用ME系列變頻器配合低溫一次法煉膠系統(tǒng)控制，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和效率。

低溫一次法煉膠技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展至第3代[14]。2016年3月通過(guò)新技術(shù)與應(yīng)用科技成果鑒定的煉膠4.0新技術(shù)即第3代一次法煉膠系統(tǒng)，首次解決了終煉膠無(wú)法低溫過(guò)濾的技術(shù)難題，完全實(shí)現(xiàn)了煉膠過(guò)程的自動(dòng)化無(wú)縫銜接[15]。

從2010年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)各大輪胎生產(chǎn)企業(yè)紛紛開(kāi)發(fā)和應(yīng)用低溫一次法煉膠工藝和裝備。

貴州輪胎股份有限公司在2010年即投資2 600萬(wàn)元上了兩條低溫混煉工藝生產(chǎn)線，并于2011年3月投產(chǎn)，喂料、混煉和排膠等生產(chǎn)過(guò)程一次連續(xù)完成，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。2012年5月，該公司第3條低溫一次法煉膠工藝生產(chǎn)線開(kāi)始運(yùn)行[16]。

雙星東風(fēng)輪胎公司的一次法煉膠生產(chǎn)線于2012年5月正式投產(chǎn)。這是其自行設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)的生產(chǎn)線，標(biāo)志著其核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破和跨越[17]。

特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司與山東八一輪胎制造有限公司合作開(kāi)發(fā)的370型低溫一次法煉膠系統(tǒng)于2015年4月實(shí)現(xiàn)設(shè)備全線貫通[18]。該套系統(tǒng)采用370型密煉機(jī)和760型開(kāi)煉機(jī)，煉膠日產(chǎn)能平均可達(dá)120 t，其開(kāi)煉機(jī)刮、搗膠裝置及整線控制能力等較以前的270型系統(tǒng)有全面升級(jí)提高。

輪胎生產(chǎn)企業(yè)在推廣應(yīng)用低溫一次法混煉工藝的過(guò)程中，也在始終關(guān)注和研究其對(duì)膠料混煉和輪胎產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

崔大杰等[19]對(duì)比研究采用傳統(tǒng)混煉工藝和低溫一次法混煉工藝的天然橡膠/順丁橡膠并用膠的性能，并運(yùn)用殼層滑動(dòng)模型進(jìn)行原因分析，發(fā)現(xiàn)采用一次法混煉工藝的膠料炭黑分散性好，硫黃和促進(jìn)劑分布均勻，滯后損失小。

李再琴等[20]采用胎面膠配方對(duì)高結(jié)構(gòu)炭黑N134進(jìn)行大料對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，相對(duì)傳統(tǒng)多段煉膠工藝，采用一次法煉膠工藝的混煉膠的流動(dòng)性和物理性能更好，生產(chǎn)效率提高，低溫一次法煉膠工藝的優(yōu)勢(shì)明顯。

李民軍等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨著胎面膠配方中白炭黑用量的增大，采用傳統(tǒng)混煉工藝混煉比較困難，終煉膠中炭黑和白炭黑的分散性較差，而采用一次法煉膠工藝可以提高對(duì)膠料的機(jī)械剪切效率，使填料和其他各種配合劑分散更均勻，有效避免混煉過(guò)程中產(chǎn)生凝膠，膠料粘度降幅減小，解決了擠出和成型等后續(xù)加工不便的問(wèn)題，提高了填料的補(bǔ)強(qiáng)作用，提升了輪胎的使用性能。李民軍等[22]研究還發(fā)現(xiàn)，一次法混煉工藝通過(guò)開(kāi)煉機(jī)低溫長(zhǎng)時(shí)間混煉可提高胎面膠中固體環(huán)保油的分散性，改善膠料的均勻性和穩(wěn)定性，提高定伸應(yīng)力等物理性能。

趙富強(qiáng)等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)混煉工藝相比，采用一次法混煉工藝生產(chǎn)的胎面膠的填料分散性較好，拉伸強(qiáng)度等物理性能較高，耐磨性能得到明顯改善。

王中江等[24]研究一次法混煉工藝對(duì)半鋼子午線輪胎胎面氣孔率的影響，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)胎面膠四段混煉工藝相比，采用一次法混煉工藝生產(chǎn)的胎面膠的炭黑分散性較高，膠料的流動(dòng)性和物理性能得到改善，降低了擠出胎面的氣孔率，大大提高了成品輪胎的胎面穩(wěn)定性、外觀質(zhì)量和耐磨性能。

3 低溫一次法煉膠工藝配套輔助技術(shù)的發(fā)展

實(shí)現(xiàn)低溫連續(xù)混煉工藝，各種原材料必須是流動(dòng)性好的顆粒或粉末狀物料。為便于輪胎廠采用低溫混煉技術(shù)，天津賽象科技股份有限公司開(kāi)發(fā)出膠塊粉碎處理裝置。該裝置粉碎處理橡膠的生產(chǎn)能力為8 t·h-1，粉碎粒徑為40～80 mm，可配合密煉機(jī)連續(xù)工作。采用該裝置可取消橡膠保溫室，降低能耗，提高混煉膠的均勻性和生產(chǎn)自動(dòng)化水平[5]。

為適應(yīng)低溫連續(xù)混煉技術(shù)，助劑生產(chǎn)企業(yè)積極開(kāi)發(fā)造粒產(chǎn)品，如包覆性硫黃等。橡膠助劑造粒既可解決粉塵環(huán)境污染問(wèn)題，又可提高物料稱量的準(zhǔn)確性，縮短混煉時(shí)間，降低能耗。橡膠助劑造粒方法包括濕法、干法、充油、熔融和預(yù)分散等，特別值得關(guān)注的是采用高聚物作載體的預(yù)分散造粒技術(shù)，它將成為我國(guó)橡膠助劑劑型改造的主要發(fā)展方向和加大產(chǎn)品出口的重要途徑。載體預(yù)分散包覆造粒是以聚合物為載體，將助劑微粒均勻地預(yù)分散其中，使微粒表面形成載體包覆層，然后擠出、切粒。載體也可選用石蠟和硬脂酸類物質(zhì)。該方法適用于大多數(shù)促進(jìn)劑及炭黑、碳酸鈣和白炭黑等填料，產(chǎn)品無(wú)塵及二次粉化，可以顏色區(qū)分品種，避免使用差錯(cuò)，提高助劑的活化和偶聯(lián)效能，對(duì)橡膠母體有分散和親和作用[25]。

目前，硫黃仍是主要的橡膠硫化劑，為防止其噴霜，可采用不溶性硫黃或普通硫黃表面覆膜。不溶性硫黃是子午線輪胎必需的硫化劑，但傳統(tǒng)生產(chǎn)方法能耗大，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，且易燃易爆[26]。因此，岳敏等[27]采用包覆劑通過(guò)溶膠-凝膠法包覆普通硫黃制備微膠囊硫黃產(chǎn)品。研究發(fā)現(xiàn)，包覆硫黃的粒徑較大，高溫?zé)岱€(wěn)定性較好，膠料的物理性能與普通硫黃和不溶性硫黃膠料相當(dāng)或較優(yōu)，成本降低。隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，微膠囊硫黃產(chǎn)品必將替代傳統(tǒng)不溶性硫黃。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化煉膠車間總體設(shè)計(jì)是橡膠混煉技術(shù)發(fā)展的方向。智能化煉膠車間利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念和可視化監(jiān)控方式，高度集成成套智能裝備，從原料輸送、配料、生膠處理、一次煉膠到氣、水等凈化處理，總體設(shè)計(jì)，連續(xù)在線一次完成生產(chǎn)，大幅度提高膠料混煉質(zhì)量和效率，并且大量減少能耗和人員。