XLH-150型連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)的混煉工藝參數(shù)對(duì)膠料性能的影響

汪傳生，牛廣智，馬亞標(biāo)，張守鋒，王志飛，朱 琳

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司，湖南 益陽(yáng) 413000）

與傳統(tǒng)間歇式混煉設(shè)備相比，連續(xù)混煉設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：（1）實(shí)現(xiàn)了膠料混煉的連續(xù)化，形成了自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，提高了生產(chǎn)效率；（2）可以實(shí)現(xiàn)混煉參數(shù)的精確有效控制，提高了膠料的均勻性和一致性；（3）自動(dòng)化程度大幅提高，為現(xiàn)代化無(wú)人車(chē)間的建立提供了基礎(chǔ)；（4）省去了龐大的上、下輔機(jī)設(shè)備，節(jié)約了設(shè)備投資，同時(shí)還減小了設(shè)備占地面積，大大降低了廠房設(shè)施投資[2]。

由于橡膠制品配方原材料種類(lèi)繁多，連續(xù)混煉機(jī)需要配備多臺(tái)復(fù)雜的物料動(dòng)態(tài)稱(chēng)量系統(tǒng)，設(shè)備投資大，且配比難以保證。為解決上述問(wèn)題，本工作針對(duì)塊狀橡膠串聯(lián)式連續(xù)混煉裝備和方法，研發(fā)成功了XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)[3]，并對(duì)混煉工藝參數(shù)[4-12]與膠料性能間的關(guān)系進(jìn)行探討，確定了XLH-150型連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)的最佳工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了膠料混煉的工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，避免了因重復(fù)下片、冷卻、停放等工序造成的生產(chǎn)效率低和能源損失。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號(hào)RC2564S；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司產(chǎn)品。白炭黑，比利時(shí)索爾維公司產(chǎn)品。偶聯(lián)劑TESPT，南京曙光化工集團(tuán)有限公司產(chǎn)品。氧化鋅和硬脂酸，中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司產(chǎn)品。微晶蠟，萊茵化學(xué)（青島）有限公司產(chǎn)品。環(huán)保油，德國(guó)漢森-羅森塔爾集團(tuán)公司產(chǎn)品。防老劑4020、硫黃、促進(jìn)劑DPG和CBS、防焦劑CTP，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

參考半鋼子午線(xiàn)輪胎胎面膠配方設(shè)計(jì)試驗(yàn)配方為：SSBR 96.25，BR 30，白炭黑 70，偶聯(lián)劑TESPT 8.4，氧化鋅 2，硬脂酸 2，防老劑4020 2，微晶蠟 1.5，環(huán)保油 3，硫黃 1.3，促進(jìn)劑DPG 1.24，促進(jìn)劑CBS 1.8，防焦劑CTP 0.151。

1.3 主要設(shè)備和儀器

GK-45E型嚙合型密煉機(jī)，益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)，青島科技大學(xué)和益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司合作研發(fā)新產(chǎn)品；RPA2000橡膠動(dòng)態(tài)加工分析儀和MDR-C型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；XLD-400X400X2平板硫化機(jī)，青島億朗橡膠裝備有限公司產(chǎn)品；Instron 3365型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司產(chǎn)品；EPLEXOR 150N型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品；SS-5643-D型DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣松恕檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；Precisa XB 220A型密度計(jì)，瑞士普利賽斯公司產(chǎn)品；GT-7016型切片機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；547-401型橡膠厚度儀，日本三豐儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 連續(xù)混煉工藝

XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)如圖1所示，其參數(shù)為：轉(zhuǎn)子外徑 150 mm，長(zhǎng)徑比 20∶1，轉(zhuǎn)子中心距 125.4 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 0～60 r·min-1，溫控范圍 室溫～300 ℃，主電機(jī)功率 150 kJ·s-1，生產(chǎn)能力 0～700 kg·h-1，雙轉(zhuǎn)子形式 異向內(nèi)旋平行組合式嚙合雙轉(zhuǎn)子，機(jī)筒形式 分段組合式機(jī)筒。

膠料在相同工藝（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，溫度為40 ℃，混煉時(shí)間為270 s，填充因數(shù)為0.6）下通過(guò)GK-45E型嚙合型密煉機(jī)進(jìn)行初混煉；再通過(guò)XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充混煉，通過(guò)對(duì)XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)的混煉工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即在提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的同時(shí)設(shè)置多臺(tái)設(shè)備，增加膠料補(bǔ)充混煉的次數(shù)[13]，從而提高生產(chǎn)效率、保證硅烷化反應(yīng)總時(shí)間。XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)的混煉工藝參數(shù)Tab.1 Mixing process parameters of XLH-150 double rotor continuous mixer

將硫黃、促進(jìn)劑和防焦劑按配方比例混合，然后用高速粉碎機(jī)進(jìn)行預(yù)混合處理，1 min后將混合粉體取出倒入失重稱(chēng)的料斗內(nèi)。將初煉膠定速喂入連續(xù)混煉機(jī)內(nèi)，同時(shí)按配方比例添加硫化體系，待終煉膠擠出后通過(guò)開(kāi)煉機(jī)下片。混煉膠停放8 h后，用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)試t90。

1.4.2 傳統(tǒng)混煉工藝

一段混煉采用GK-45E型嚙合型密煉機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，冷卻水溫度為40 ℃，填充因數(shù)為0.6，混煉工藝為：生膠→30 s→加小料和1/2白炭黑→30 s→加剩余1/2白炭黑→混煉至110 ℃→加油→膠料溫度達(dá)到125，135和145 ℃時(shí)分別升、壓1次壓砣→排膠（155 ℃）→過(guò)開(kāi)煉機(jī)使膠料溫度迅速降至室溫。

二段混煉采用GK-45E型嚙合型密煉機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，冷卻水溫度為40 ℃，混煉工藝為：一段混煉膠→30 s→升壓砣→壓壓砣→膠料溫度達(dá)到110和135 ℃時(shí)分別升、壓1次壓砣→排膠（150 ℃）→過(guò)開(kāi)煉機(jī)下片冷卻。

三段終煉采用GK-45E型嚙合型密煉機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，冷卻水溫度為40 ℃，混煉工藝為：二段混煉膠和硫化體系→30 s→升壓砣→壓壓砣→4 min或膠料溫度達(dá)到100 ℃→排膠→過(guò)開(kāi)煉機(jī)下片?；鞜捘z停放8 h后，用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè) 試t90。

1.4.3 硫化

采用平板硫化機(jī)硫化，硫化條件為150 ℃/10 MPa×1.3t90。硫化膠停放24h后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.5 性能測(cè)試

（1）膠料性能按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

（2）Payne效應(yīng)。采用RPA2000橡膠動(dòng)態(tài)加工分析儀進(jìn)行應(yīng)變掃描和頻率掃描。應(yīng)變掃描條件為：應(yīng)變范圍 0.7%～70%，頻率 0.1 Hz，溫度 120 ℃。頻率掃描條件為：頻率范圍 0.10～15 Hz，溫度 120 ℃，應(yīng)變 7%。

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)混煉工藝參數(shù)優(yōu)化

XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)的混煉工藝參數(shù)對(duì)膠料性能的影響如表2所示，ΔG′為應(yīng)變開(kāi)始前后對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能模量（G′）之差，ΔG′越小，Payne效應(yīng)越低，表明填料在基體中分散越好。

通過(guò)對(duì)比試樣1，3和5可知，采用過(guò)1遍連續(xù)混煉機(jī)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，膠料的Payne效 應(yīng)[14]提高，硅烷化反應(yīng)指數(shù)減小。分析認(rèn)為：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大雖然使剪切力提高，但橡膠受剪切次數(shù)減少，總剪切作用下降，分散作用降低，不利于硅烷化反應(yīng)的進(jìn)行；膠料停留時(shí)間較短也使得白炭黑硅烷化反應(yīng)程度降低，極性團(tuán)聚力增大，使填料難以分散，這兩種作用彼此促進(jìn)，使得填料分散程度迅速下降和硅烷化反應(yīng)指數(shù)迅速減小。

通過(guò)對(duì)比試樣1—7可知，在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，增加過(guò)連續(xù)混煉機(jī)的遍數(shù)都會(huì)使填料分散程度和硅烷化反應(yīng)指數(shù)增大，其中試樣2（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1、過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)）的增大幅度最大，其性能較好，與試樣7（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1、過(guò)3遍連續(xù)混煉機(jī)）的性能在同一水平，試樣4（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1、過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)）的性能稍差，但優(yōu)于過(guò)1遍連續(xù)混煉機(jī)的試樣1，3，5。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1、過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料停留時(shí)間約為6 min，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1、過(guò)3遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料停留時(shí)間約為5.6 min，考慮到生產(chǎn)能力問(wèn)題，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1、過(guò)3遍連續(xù)混煉機(jī)的工藝參數(shù)為宜，但還需配合其他性能綜合判斷。

從表2可以看出：過(guò)1遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料，不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下膠料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度[15]基本相同，說(shuō)明此時(shí)填料分散程度和硅烷化反應(yīng)指數(shù)的差距較小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未對(duì)膠料的物理性能產(chǎn)生較大影響；過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均明顯高于相應(yīng)的過(guò)1遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料，這是由于填料分散程度和硅烷化反應(yīng)程度共同提高而實(shí)現(xiàn)的。值得注意的是，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1、過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料相比，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1、過(guò)3遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都有所降低，這與填料分散程度和硅烷化反應(yīng)程度趨勢(shì)是相反的。分析認(rèn)為，由于強(qiáng)機(jī)械作用和持續(xù)的高溫使橡膠大分子鏈斷裂過(guò)于嚴(yán)重[16-17]，導(dǎo)致膠料的彈性模量下降，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度同時(shí)下降。由此可知，從膠料物理性能考慮，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1、過(guò)3遍連續(xù)混煉機(jī)的工藝并不適宜。

從表2還可以看出：膠料的抗?jié)窕阅?、滾動(dòng)阻力和耐磨性能整體呈現(xiàn)出與Payne效應(yīng)和硅烷化反應(yīng)相同的趨勢(shì)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，膠料“魔三角”性能總體下降越明顯，并且過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料的性能高于同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下過(guò)1遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料。當(dāng)然，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1、過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)的膠料具有最佳的抗?jié)窕阅?、較低的滾動(dòng)阻力和最小的磨耗量，但從生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率方面考慮，該工藝是不經(jīng)濟(jì)的。

綜上所述，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大會(huì)提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，但會(huì)造成膠料綜合性能的下降，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，性能下降幅度越大。增加過(guò)連續(xù)混煉機(jī)遍數(shù)可以在一定程度上提高膠料性能，從而彌補(bǔ)由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大而造成的膠料性能損失，但增加過(guò)連續(xù)混煉機(jī)的遍數(shù)不宜太多，否則會(huì)因橡膠鏈的過(guò)度裂解而導(dǎo)致膠料性能下降。

綜合考慮膠料性能、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，確定XLH-150型連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)的最佳混煉工藝為：初煉采用GK-45E型嚙合型密煉機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，溫度為40 ℃，混煉時(shí)間為270 s，填充因數(shù)為0.6；補(bǔ)充混煉采用XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)，各段溫度分別為70，65，60和55 ℃。

2.2 連續(xù)混煉與傳統(tǒng)混煉的對(duì)比

為了考察塊狀橡膠串聯(lián)式連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)的混煉能力、生產(chǎn)效率和能耗水平，將采用最佳工藝參數(shù)的XLH-150型連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)與同規(guī)格的嚙合密煉機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[18-22]。采用兩種混煉工藝的膠料性能對(duì)比如表3所示，兩種混煉工藝的能耗與生產(chǎn)效率對(duì)比如表4所示。

表3 采用兩種混煉工藝的膠料性能對(duì)比Tab.3 Comparison of compound properties with two mixing processes

表4 兩種混煉工藝的能耗與生產(chǎn)效率對(duì)比Tab.4 Comparison of energy consumptions and production efficiencies between two mixing processes

從表3可以看出，采用連續(xù)混煉工藝的膠料性能與采用傳統(tǒng)三段混煉工藝的膠料性能處于相同的水平，在多項(xiàng)性能上連續(xù)混煉膠略有優(yōu)勢(shì)，例如連續(xù)混煉膠料的Payne效應(yīng)降低了11%，說(shuō)明填料分散程度更高，tanδ（60 ℃）減小了15%，說(shuō)明滾動(dòng)阻力更低，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度略高，抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅芑疽恢?。這得益于連續(xù)混煉膠具有更高的填料分散程度和硅烷化反應(yīng)程度，充分發(fā)揮了白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用。因此，從性能方面看，采用連續(xù)混煉工藝制備的膠料性能略?xún)?yōu)于采用傳統(tǒng)三段混煉工藝制備的膠料。

從表4可以看出：在生產(chǎn)效率方面，連續(xù)混煉工藝具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，由于該方法有效縮短了密煉機(jī)的初煉時(shí)間，且后續(xù)的混煉和終煉可與下一批膠料的初煉同時(shí)進(jìn)行，因此大大縮短了混煉周期，當(dāng)填充因數(shù)為0.6時(shí)，生產(chǎn)效率達(dá)360 kg·h-1；對(duì)比傳統(tǒng)三段混煉工藝，即同時(shí)并列3臺(tái)45 L密煉機(jī)分別用于一段、二段和三段混煉，且不計(jì)膠料下片和冷卻時(shí)間，其生產(chǎn)效率最高僅為250 kg·h-1。因此，相比于傳統(tǒng)三段混煉工藝，塊狀橡膠串聯(lián)式連續(xù)混煉工藝的生產(chǎn)效率提高了44%。

單臺(tái)XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)的單位能耗僅為460.8 kJ·kg-1，而初煉密煉機(jī)可以將初煉時(shí)間縮短為傳統(tǒng)一段混煉時(shí)間的60%～70%，因此初煉密煉機(jī)的單位能耗也較低。若采用1臺(tái)GK45E型嚙合密煉機(jī)加3臺(tái)XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)構(gòu)成連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)，系統(tǒng)的單位能耗為2 383.2 kJ·kg-1，而傳統(tǒng)三段混煉工藝的單位能耗為3 898.8 kJ·kg-1，則連續(xù)混煉工藝的單位能耗可降低39%。

3 結(jié)論

（1）隨著XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，膠料的Payne效應(yīng)提高，抗?jié)窕阅?、滾動(dòng)阻力、耐磨性能和硅烷化反應(yīng)程度總體下降，增加過(guò)連續(xù)混煉機(jī)遍數(shù)會(huì)使填料分散程度和硅烷化反應(yīng)程度上升，但過(guò)連續(xù)混煉機(jī)遍數(shù)過(guò)多會(huì)使膠料的性能降低。

（2）綜合考慮性能、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，確定XLH-150型連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)的最佳混煉工藝為：初煉采用GK-45E型嚙合型密煉機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，溫度為40 ℃，混煉時(shí)間為270 s，填充因數(shù)為0.6；補(bǔ)充混煉采用XLH-150型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，過(guò)2遍連續(xù)混煉機(jī)，各段溫度分別為70，65，60和55 ℃。

（3）XLH-150型連續(xù)混煉工業(yè)化機(jī)臺(tái)與傳統(tǒng)嚙合型密煉機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：采用連續(xù)混煉工藝的膠料性能優(yōu)于采用傳統(tǒng)三段混煉工藝的膠料，即膠料的Payne效應(yīng)降低了11%，滾動(dòng)阻力降低了15%，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度略有提高；在生產(chǎn)效率和能耗方面，連續(xù)混煉工藝有較大的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)效率提高44%以上，總單位能耗降低39%。