終煉膠變轉(zhuǎn)速混煉工藝研究

范玉超，陳雪梅，孫學(xué)杰，張麗杰

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

膠料的混煉是橡膠體系與補(bǔ)強(qiáng)填料、防老劑和硫化劑等在密煉機(jī)中經(jīng)破碎、混合、分散，最后達(dá)到均勻分散的物理化學(xué)過程，各種配合劑的分散度是膠料質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-2]。轉(zhuǎn)子作為密煉機(jī)的重要組成部分，是輪胎生產(chǎn)工藝研究的重點(diǎn)[3-5]。

在密煉機(jī)低轉(zhuǎn)速下，膠料受到的剪切力小，炭黑粒子不易被打碎，炭黑分散時(shí)間較長(zhǎng)，分散程度低。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，膠料的混煉效率明顯提高，轉(zhuǎn)子與膠料、膠料與膠料、膠料與混煉室內(nèi)壁之間的剪切摩擦力增大，炭黑在高剪切力下快速破碎，分散性提高。但隨之帶來的是生熱加快，膠料溫度過高，橡膠處于粘流態(tài)，轉(zhuǎn)子對(duì)膠料的剪切減弱，炭黑在弱剪切力下不易破碎分散。同時(shí)在持續(xù)的強(qiáng)剪切力下，破壞了結(jié)合膠的生成，影響了膠料的強(qiáng)度[6-8]。

變轉(zhuǎn)速工藝初始高轉(zhuǎn)速可保證較高的炭黑混入速度，隨后轉(zhuǎn)速降低，防止溫升過快，達(dá)到效率和質(zhì)量雙提升的目的。目前，變轉(zhuǎn)速工藝在多段混煉法的母煉膠中應(yīng)用較多，對(duì)終煉膠的研究應(yīng)用較少。本工作針對(duì)終煉膠進(jìn)行變轉(zhuǎn)速工藝研究。

1 變轉(zhuǎn)速混煉原理

在膠料混煉過程中，密煉機(jī)混煉室內(nèi)的主要剪切區(qū)是轉(zhuǎn)子凸棱與混煉室內(nèi)壁之間的最小間隙處，其剪切速率（γ）與轉(zhuǎn)速（n）近乎呈γ＝0.29n的關(guān)系。當(dāng)n增大時(shí)，γ增大，此時(shí)混煉效率較高，但高轉(zhuǎn)速又會(huì)導(dǎo)致高生熱，造成膠料粘度下降，剪切效率降低，對(duì)填料分散不利。為了解決這一矛盾，可以在混煉初期溫度較低時(shí)采用高轉(zhuǎn)速，保持高剪切力，提高混入速度；到混煉后期則降低轉(zhuǎn)速，降低溫升速率，達(dá)到充分利用能量，提高效率的目的[9-10]。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品；炭黑N326，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；不溶性硫黃HD OT 20和促進(jìn)劑TBBS，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；促進(jìn)劑DCBS，青島華恒助劑有限公司產(chǎn)品。

2.2 配方

NR 100，炭黑N326 45，不溶性硫黃HD OT 20 5.5，促進(jìn)劑DCBS 0.9，促進(jìn)劑TBBS 1.5，其他 49。

2.3 主要設(shè)備和儀器

F270型密煉機(jī)（同步型轉(zhuǎn)子），大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；P-200-2-PCD型平板硫化機(jī)，磐石油壓工業(yè)（安徽）有限公司產(chǎn)品；MV2000型門尼粘度儀和MDR2000型硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；D-RPA3000型橡膠加工分析（RPA）儀，德國(guó)Mon Tech公司產(chǎn)品；DKD-K-16801型自動(dòng)硬度計(jì)，德國(guó)Bareiss公司產(chǎn)品；Z005型拉力試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)ZWICK公司產(chǎn)品；EPLEXOR500N型動(dòng)態(tài)熱力學(xué)頻譜儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品。

2.4 混煉工藝

試驗(yàn)?zāi)z料采用4段混煉工藝，均采用F270型密煉機(jī)，一段至三段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均為40 r·min-1。一段混煉工藝為：生膠→混煉20 s→炭黑、部分小料（氧化鋅、硬脂酸和防老劑等）→混煉至165 ℃→排膠。二段混煉工藝為：一段混煉膠→剩余小料（間苯二酚、硼?；挘鞜捴?45 ℃→排膠。三段混煉工藝為：二段混煉膠→混煉至145 ℃→排膠。

終煉膠混煉工藝為加入三段混煉膠混煉，各方案混煉具體程序如下。

方案1：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為23 r·min-1，混煉65 s排膠。

方案2：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1，混煉43 s排膠。

方案3：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，混煉12 s，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整為23 r·min-1，繼續(xù)混煉45 s排膠。

方案4：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，混煉15 s，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整為18 r·min-1，繼續(xù)混煉39 s排膠。

2.5 性能測(cè)試

門尼粘度按照GB/T 1232.1—2016進(jìn)行測(cè)試；門尼焦燒時(shí)間按照GB/T 1233—2008進(jìn)行測(cè)試；硫化特性按照GB/T 16584—1996進(jìn)行測(cè)試；邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行測(cè)試；定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率按照GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試；撕裂強(qiáng)度按照GB/T 529—2008進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 排膠溫度

不同的混煉工藝使膠料在密煉機(jī)中受到的剪切力不同，導(dǎo)致膠料的排膠溫度不同。終煉工藝方案1—4的膠料排膠溫度分別為103，113，115和100 ℃。

方案2是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1的高轉(zhuǎn)速工藝，膠料在整個(gè)混煉周期均受到轉(zhuǎn)子及內(nèi)壁的高剪切和摩擦力，也導(dǎo)致了較高的溫升和排膠溫度。方案3是變轉(zhuǎn)速工藝，但排膠溫度仍較高，這是由于膠料在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1時(shí)升溫快，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降為23 r·min-1繼續(xù)混煉時(shí)，膠料溫度不能有效地降低。方案1的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，排膠溫度為103 ℃，但混煉時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。方案4與方案3不同的是經(jīng)過40 r·min-1的高速混煉后，膠料被打碎，同時(shí)這一階段溫升快，因此將上壓砣提起保持5 s，使高速剪切產(chǎn)生的熱量及時(shí)交換出去，然后以18 r·min-1的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低速混煉，可在溫度平穩(wěn)的情況下將膠料混煉均勻。

此配方采用不溶性硫黃，而高溫易使不溶性硫黃向可溶性硫黃轉(zhuǎn)化，同時(shí)為了減少噴霜導(dǎo)致的質(zhì)量問題，故應(yīng)將排膠溫度控制在105 ℃之內(nèi)，方案1和方案4可以滿足工藝要求。

3.2 硫化特性

終煉膠變轉(zhuǎn)速混煉工藝對(duì)膠料硫化特性的影響如表1所示。

表1 終煉膠變轉(zhuǎn)速混煉工藝對(duì)膠料硫化特性的影響

從表1可以看出，2種終煉膠混煉工藝制備的膠料門尼粘度、門尼焦燒時(shí)間和硫化儀數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，各指標(biāo)的變化率均小于5%。相較于低速恒轉(zhuǎn)速混煉工藝，高速變轉(zhuǎn)速混煉工藝對(duì)膠料的加工性能無明顯影響。

3.3 物理性能

終煉膠變轉(zhuǎn)速混煉工藝對(duì)硫化膠物理性能的影響如表2所示。

從表2可以看出，2種終煉膠混煉工藝制備硫化膠的硬度、定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度等物理性能變化較小，變化率在5%以內(nèi)。

表2 終煉膠變轉(zhuǎn)速混煉工藝對(duì)硫化膠物理性能的影響

為分析填料在膠料中的分散是否改善，對(duì)2種膠料進(jìn)行RPA測(cè)試，以ΔG′（G′為儲(chǔ)能模量）來表征填料在膠料中的分散程度。結(jié)果表明，終煉工藝方案4制備的膠料ΔG′較方案1膠料低7%，表明填料在膠料中的分散性提高。

3.4 膠料穩(wěn)定性

不同終煉工藝的膠料中硫黃分散變異系數(shù)如表3所示。

表3 不同終煉工藝的膠料中硫黃分散變異系數(shù) %

從表3可以看出，終煉膠變轉(zhuǎn)速工藝（方案4）制備膠料的單車硫黃分散變異系數(shù)和批次硫黃變異分散系數(shù)均低于終煉膠恒轉(zhuǎn)速工藝（方案1）制備的膠料，表明在單一車次或同一批次不同車次間，硫黃的分散更加均勻，膠料穩(wěn)定性更優(yōu)。分析原因，以40 r·min-1高速混煉時(shí)，膠料被快速破碎，同時(shí)硫黃隨之分散；轉(zhuǎn)速降至18 r·min-1繼續(xù)混煉時(shí)，可以將破碎的膠料捏合在一起，使分散更加均勻。

3.5 混煉效率

變轉(zhuǎn)速工藝（方案4）的終煉時(shí)間較恒轉(zhuǎn)速工藝（方案1）縮短11 s，終煉效率提升16.9%。結(jié)合加工性能和物理性能數(shù)據(jù)，變轉(zhuǎn)速工藝在不影響膠料加工性能和物理性能的前提下，能顯著提升混煉效率。

4 結(jié)論

相對(duì)于低速恒轉(zhuǎn)速終煉工藝，采用高速變轉(zhuǎn)速終煉工藝制備的膠料能夠滿足工藝要求，對(duì)混煉膠的加工性能和硫化膠的物理性能無明顯影響。膠料中的硫黃分散更加均勻，終煉效率提升16.9%。