密煉機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)制冷卻工藝實(shí)驗(yàn)研究

汪傳生，肖鑫鑫，許明輝，王祿銀，邊慧光*，王志飛

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司，湖南 益陽 413041)

0 前言

當(dāng)進(jìn)水溫度與密煉室內(nèi)溫度相差越大時(shí)，越容易在密煉室的內(nèi)表面上和轉(zhuǎn)子的外表面上形成“露水效應(yīng)[1]”，如圖1。就像在寒冷的冬天，室內(nèi)有暖氣時(shí)，在窗子玻璃內(nèi)表面上(室內(nèi))形成的“冷凝水”一樣。

如果將轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)設(shè)置為一個(gè)較低的溫度，密煉室設(shè)置一個(gè)較高的溫度，使密煉室和轉(zhuǎn)子之間形成一個(gè)較大的溫差，則會(huì)在轉(zhuǎn)子上發(fā)生露水效應(yīng)，而密煉室壁保持正常。轉(zhuǎn)子與膠料之間摩擦系數(shù)小，容易發(fā)生較大的滑移，膠料與密煉室之間仍然黏連，轉(zhuǎn)子一側(cè)的膠料在轉(zhuǎn)子上的流動(dòng)速度大于密煉室壁一側(cè)的膠料，這種不同步的流速使得膠料獲得了更大的拉伸撕扯效果，產(chǎn)生更大面積的新界面，促進(jìn)填料進(jìn)入橡膠基體[2]，并在轉(zhuǎn)子的剪切作用下分散于橡膠之中。

炭黑與橡膠之間具有較好的親和性，當(dāng)混煉膠伸長時(shí)，被吸附的橡膠鏈段在炭黑表面發(fā)生滑移，通過緩解應(yīng)力集中、產(chǎn)生鏈段取向和發(fā)生滯后損耗等方式阻礙橡膠的斷裂，從而起到補(bǔ)強(qiáng)作用[3~4]。而白炭黑的表面性質(zhì)與炭黑不同，因此對(duì)橡膠材料的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理也發(fā)生了改變，而且白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)劑，能夠在不降低輪胎的耐磨性的情況下提高抗?jié)窕?、降低滾動(dòng)阻力[5~7]。

白炭黑配方的膠料與炭黑配方的混煉過程也不同，需要有一定的反應(yīng)式混煉過程，反應(yīng)式混煉是指混煉過程中發(fā)生強(qiáng)烈的填料和填料或者是物料和填料之間的化學(xué)作用的一種混煉形式[8]。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，白炭黑硅烷化反應(yīng)最佳溫度為145~155 ℃，并在此溫度范圍內(nèi)保持3~5 min。溫度對(duì)反應(yīng)速率有較大影響，反應(yīng)速率會(huì)隨著溫度的升高而增加，過低的混煉溫度會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率低，未硅烷化的白炭黑團(tuán)聚嚴(yán)重；因此混煉過程需要保持高溫一段時(shí)間，而轉(zhuǎn)子低溫時(shí)勢(shì)必會(huì)影響膠料的整體溫度，影響反應(yīng)式混煉的程度。

除此之外，硅烷化反應(yīng)時(shí)還會(huì)生成乙醇和水[9]，這就使得白炭黑配方膠料在混煉時(shí)密煉室中的水蒸氣更多，露水效應(yīng)更強(qiáng)烈。所以探究轉(zhuǎn)子與密煉室之間的溫差情況對(duì)于炭黑配方和白炭黑配方的膠料性能影響是有必要的。

本文通過設(shè)置三種不同的密煉室與轉(zhuǎn)子溫度搭配工藝，分別對(duì)炭黑和白炭黑配方的膠料進(jìn)行混煉，并測(cè)試分析這三種工藝對(duì)于膠料加工性能、物理機(jī)械性能的影響，探究出炭黑配方和白炭黑配方的最佳混煉工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料與配方

天然橡膠，STR20，泰國普吉宏曼麗（橡膠）有限公司產(chǎn)品；炭黑N234，卡博特（中國）投資有限公司；其他助劑均為市售橡膠工業(yè)常用原材料。

實(shí)驗(yàn)配方一（質(zhì)量份）：天然橡膠，100；炭黑N234，53.5；ZnO，3.5；硬脂酸，2；防老劑4020，1.5；增塑劑A，2；硫黃，1；TBBS，1.5。

實(shí)驗(yàn)配方二（質(zhì)量份）：天然橡膠，100；炭黑N234，38.5；SiO2，15；偶聯(lián)劑Si69,1.5；ZnO，3.5；硬脂酸，2；防老劑4020，2；增塑劑A，2；防老劑RD，1.5；微晶蠟，1；防焦劑CTP，0.3；硫磺，1；TBBS，1.3。

1.2 主要儀器和設(shè)備

開煉機(jī)，XK-160，青島佳匯源機(jī)械有限公司；平板硫化機(jī)，XLD-400X400X2，青島億朗橡膠裝備有限公司；門尼黏度儀，Premier MV，美國阿爾法公司；無轉(zhuǎn)子流變儀，MDR-C，美國阿爾法公司；萬能試驗(yàn)機(jī)，Instron 3365，英斯特朗公司；橡膠動(dòng)態(tài)分析儀，RPA2000，美國阿爾法公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 炭黑配方轉(zhuǎn)子溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

密煉機(jī)轉(zhuǎn)速50 r/min，實(shí)驗(yàn)組轉(zhuǎn)子溫度分別為30 ℃和70 ℃（以下稱為冷芯與熱芯），密煉室溫度70 ℃（以下稱為熱殼），填充系數(shù)0.65；對(duì)照組轉(zhuǎn)子溫度設(shè)為50 ℃，密煉室溫度設(shè)為50 ℃（以下稱為傳統(tǒng)工藝），填充系數(shù)0.65。

將生膠加入密煉機(jī)，落上頂栓并開始計(jì)時(shí)→塑煉30 s→提栓加入小料和一半炭黑，落栓→混煉60 s→提栓加入另一半炭黑，落栓→混煉60 s→提栓排氣10 s后落栓→混煉至5 min排膠，測(cè)量排膠溫度→用開煉機(jī)下片，靜置至冷卻→加入硫化體系，打包6次后下片。

1.3.2 白炭黑配方轉(zhuǎn)子溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)組冷芯熱殼轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為70 r/min，熱芯熱殼轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r/min，轉(zhuǎn)子溫度分別為30 ℃和70 ℃，密煉室溫度70 ℃，填充系數(shù)0.65；對(duì)照組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為70 r/min，轉(zhuǎn)子溫度設(shè)為50 ℃，密煉室溫度設(shè)為50 ℃，填充系數(shù)0.65。

將生膠加入密煉機(jī)，落上頂栓并開始計(jì)時(shí)→塑煉30 s→提栓加入小料和一半炭黑，落栓→混煉60s→提栓加入另一半炭黑和白炭黑，落栓→混煉60 s→提栓排氣10 s后落栓→混煉至6.5 min排膠，測(cè)量排膠溫度→用開煉機(jī)下片，靜置至冷卻→加入硫化體系，打包6次后下片。

2 結(jié)果和分析

2.1 混煉膠溫度

對(duì)于炭黑配方，冷芯熱殼工藝排膠溫度138 ℃，熱芯熱殼工藝排膠溫度為149 ℃，傳統(tǒng)工藝排膠溫度為111 ℃，實(shí)驗(yàn)組所造成的這種溫差可能是在混煉過程中，由于冷芯熱殼工藝密煉機(jī)轉(zhuǎn)子初始溫度較低，且持續(xù)通冷卻水，會(huì)使膠料升溫速度減慢，在實(shí)驗(yàn)過程中觀察膠料溫度也會(huì)發(fā)現(xiàn)溫升并不劇烈，同時(shí)，可能由于轉(zhuǎn)子溫度低，密煉室溫度高，導(dǎo)致少量水蒸氣在轉(zhuǎn)子表面凝結(jié)形成薄膜，減少膠料與轉(zhuǎn)子間的滑動(dòng)摩擦，而密煉室壁一側(cè)，溫度較高，水蒸氣不易凝結(jié)，滑動(dòng)摩擦劇烈也能使膠料得到充分混煉；而傳統(tǒng)工藝最低的排膠溫度可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)子和密煉室的冷卻水溫度均設(shè)為50 ℃，膠料與密煉室和轉(zhuǎn)子的貼合比較緊密，貼合情況相同，混煉產(chǎn)生的溫度不斷地被冷卻水帶走，所以排膠時(shí)會(huì)得到較低的溫度。

對(duì)于白炭黑配方，為保證硅烷化反應(yīng)的進(jìn)行，膠料須保持145 ℃混煉一段時(shí)間，冷芯熱殼工藝排膠溫度135 ℃，熱芯熱殼工藝排膠溫度為153 ℃。在混煉過程中，由于冷芯熱殼工藝密煉機(jī)轉(zhuǎn)子初始溫度較低，且持續(xù)通冷卻水，會(huì)使膠料初始升溫速度減慢，難以達(dá)到硅烷化反應(yīng)溫度，故冷芯熱殼工藝不適合白炭黑配方的硅烷化反應(yīng)，熱芯熱殼工藝比較適合白炭黑配方的硅烷化反應(yīng)。在使用傳統(tǒng)工藝混煉時(shí)，由于與混煉炭黑配方時(shí)相同的原理，溫度被不斷地帶走，所以排膠溫度只有134 ℃，要達(dá)到硅烷化反應(yīng)溫度則只能提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或者延長混煉時(shí)間來完成。

2.2 門尼黏度

門尼黏度反應(yīng)了膠料的加工性能，門尼黏度越低，混煉膠的加工性越好，但門尼黏度過低說明膠料斷鏈過度，相對(duì)應(yīng)的硫化膠機(jī)械性能也會(huì)下降。

對(duì)于炭黑配方，當(dāng)混煉時(shí)間為5 min，在冷芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為54.57，在熱芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為59.17，前者的門尼黏度比后者低7.8%，顯然冷心熱殼工藝下混煉膠的加工性要好，在傳統(tǒng)工藝下，混煉膠門尼黏度為61.07，冷芯熱殼工藝門尼黏度比傳統(tǒng)工藝低10%，顯然冷芯熱殼工藝對(duì)比傳統(tǒng)工藝在門尼黏度上有一定優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于白炭黑配方，在冷芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為47.64，在熱芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為43.14，在傳統(tǒng)工藝下，混煉膠門尼黏度為45.09，熱芯熱殼工藝對(duì)比冷芯熱殼和傳統(tǒng)工藝門尼值分別低了9.4%和4.3%，可以看出在門尼黏度這一指標(biāo)上，熱芯熱殼具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.3 Payne效應(yīng)

Payne效應(yīng)是衡量填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，反應(yīng)了填料分散的好壞，Payne效應(yīng)越低說明填料分散的越好，填料分散程度對(duì)與硫化膠的物理機(jī)械性能有較大影響，通過ΔG'來表征Payne效應(yīng)[10~11]。

如圖2，曲線1反應(yīng)炭黑配方冷芯熱殼工藝下膠料的應(yīng)變與儲(chǔ)能模量間的關(guān)系，曲線2反應(yīng)炭黑配方熱芯熱殼工藝下膠料的應(yīng)變與儲(chǔ)能模量間的關(guān)系，曲線3反應(yīng)炭黑配方傳統(tǒng)工藝下膠料的應(yīng)變與儲(chǔ)能模量間的關(guān)系，用于表征Payne效應(yīng)。

通過對(duì)比ΔG1'、ΔG2'和ΔG3'發(fā)現(xiàn)冷芯熱殼工藝下的混煉膠Payne效應(yīng)要比熱芯熱殼工藝低25.4%，比傳統(tǒng)工藝要低5.2%，說明冷芯熱殼工藝有利于膠料的混煉，能夠有效減少因滑動(dòng)摩擦造成的膠料流動(dòng)遲滯導(dǎo)致的局部死區(qū)，加強(qiáng)配合劑在混煉膠中的分散。

如圖3，曲線4反應(yīng)白炭黑配方冷芯熱殼工藝下膠料的應(yīng)變與儲(chǔ)能模量間的關(guān)系，曲線5反應(yīng)白炭黑配方熱芯熱殼工藝下膠料的應(yīng)變與儲(chǔ)能模量間的關(guān)系，曲線6反應(yīng)白炭黑配方傳統(tǒng)工藝下膠料的應(yīng)變與儲(chǔ)能模量間的關(guān)系用于表征Payne效應(yīng)。

通過對(duì)比ΔG4'、ΔG5'和ΔG6'發(fā)現(xiàn)熱芯熱殼工藝下的混煉膠Payne效應(yīng)要比冷芯熱殼工藝低23.8%，比傳統(tǒng)工藝低13.7%，對(duì)比相同情況下炭黑配方膠料的Payne效應(yīng)表現(xiàn)，猜測(cè)在冷芯熱殼工藝下轉(zhuǎn)子的狀態(tài)可能不利于白炭黑的分散，對(duì)比冷芯熱殼、熱芯熱殼和傳統(tǒng)工藝三者在轉(zhuǎn)子溫度上的差異可以猜測(cè)，可能轉(zhuǎn)子溫度對(duì)于白炭黑體系的填料分散影響更大，較高的轉(zhuǎn)子溫度更有利于白炭黑體系的填料分散。

2.4 硫化特性

表1反映炭黑配方混煉膠冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統(tǒng)工藝下的硫化特性?？梢钥闯隼湫緹釟すに囅翸L最小，膠料流動(dòng)性可能最好，MH較熱芯熱殼大，表征的模量和硬度可能最大，MH-ML最大，交聯(lián)密度最高，T10焦燒時(shí)間較熱芯熱殼大，加工安全性更好，T90正硫化時(shí)間最長。

表1 轉(zhuǎn)子不同溫度對(duì)比試驗(yàn)炭黑配方膠料硫化特性

表2反映白炭黑配方混煉膠冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統(tǒng)工藝下的硫化特性?？梢钥闯鰺嵝緹釟すに囅翸L最大，膠料流動(dòng)性差一些，MH數(shù)值居中，表征的模量和硬度介于其他兩種工藝之間，MH-ML也居中，交聯(lián)密度介于其他兩種工藝之間，T10焦燒時(shí)間適中，加工安全性較好，T90正硫化時(shí)間最長。

表2 轉(zhuǎn)子不同溫度對(duì)比試驗(yàn)白炭黑配方膠料硫化特性

2.5 物理性能

表3反映炭黑配方冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統(tǒng)工藝下多組硫化膠片拉伸強(qiáng)度、定伸300%/定伸100%和撕裂強(qiáng)度的平均值。冷芯熱殼工藝下的硫化膠片拉伸強(qiáng)度、定伸300%/定伸100%和撕裂強(qiáng)度要比熱芯熱殼高3.4%、3.2%和20.1%，比傳統(tǒng)工藝高2.8%、5%、9.1%，這說明冷芯熱殼工藝能夠有效減少因滑動(dòng)摩擦造成的膠料流動(dòng)遲滯導(dǎo)致的局部死區(qū)，加強(qiáng)配合劑在混煉膠中的分散，增強(qiáng)混煉膠物理性能和穩(wěn)定性，使填料具有更好的補(bǔ)強(qiáng)效果。表4反映白炭黑配方冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統(tǒng)工藝下多組硫化膠片拉伸強(qiáng)度、定伸300%/定伸100%和撕裂強(qiáng)度的平均值。熱芯熱殼工藝下的硫化膠片拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸300%/定伸100%比冷芯熱殼高5.1%、15.6%和 2.7%；比傳統(tǒng)工藝高4%和7%，7.3%。這說明熱芯熱殼工藝促進(jìn)了膠料溫升，更容易達(dá)到硅烷化反應(yīng)溫度，白炭黑與橡膠分子鏈間通過硅烷偶聯(lián)劑連接過程迅速，反應(yīng)效率高，對(duì)硫化膠的物理性能提升較大。

表3 轉(zhuǎn)子不同溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)炭黑配方膠料物理性能

表4 轉(zhuǎn)子不同溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)白炭黑配方膠料物理性能

3 結(jié)論

（1）對(duì)于炭黑配方，冷心熱殼工藝比熱心熱殼工藝下的混煉膠排膠溫度低11 ℃，轉(zhuǎn)子通冷卻水溫度低，減少能耗，比傳統(tǒng)工藝混煉膠排膠溫度高27 ℃，在提高了能耗的情況下得到了更好的膠料性能；冷芯熱殼工藝混煉膠門尼黏度比熱芯熱殼低7.8%，比傳統(tǒng)工藝低10%，所以有更好的加工性；冷芯熱殼工藝混煉膠Payne效應(yīng)比熱芯熱殼工藝低25.4%，比傳統(tǒng)工藝低5.2%，填料有更好的分散；冷芯熱殼對(duì)比其他兩種工藝具有更好的硫化特性；冷芯熱殼工藝硫化膠拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度比熱芯熱殼高3.4%和20.1%，比傳統(tǒng)工藝高2.8%和9.1%，同時(shí)定伸300%/定伸100%更高，是因?yàn)槔湫緹釟すに嚹軌蛴行p少因滑動(dòng)摩擦造成的膠料流動(dòng)遲滯導(dǎo)致的局部死區(qū)，加強(qiáng)配合劑在混煉膠中的分散，增強(qiáng)混煉膠物理性能和穩(wěn)定性，使填料具有更好的補(bǔ)強(qiáng)效果。所以，采用冷芯熱殼工藝有利于混煉膠各方面性能的提升。

（2）對(duì)于白炭黑配方，由于相同轉(zhuǎn)速下冷芯熱殼工藝比熱芯熱殼工藝達(dá)到硅烷化反應(yīng)最佳溫度要慢，所以需要提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，或者混煉時(shí)間要更長，能耗更多，且轉(zhuǎn)子的低溫和高轉(zhuǎn)速搭配難以控制合適的溫度，很難平穩(wěn)的保持在硅烷化反應(yīng)溫度下，白炭黑與橡膠分子鏈間通過硅烷偶聯(lián)劑連接過程遲滯，反應(yīng)效率低，進(jìn)一步影響了混煉膠的物理性能，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高的情況下填料分散效果并不好，比熱芯熱殼和傳統(tǒng)工藝分別低21%和9.5%，也沒有更為突出的硫化性能，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度要比熱芯熱殼低1.2%和13.5%。所以比較來看，熱芯熱殼比冷芯熱殼工藝更適用于白炭黑配方的橡膠混煉。