串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間對(duì)炭黑配方混煉膠質(zhì)量的影響

汪傳生，朱琳，張魯琦，沈波，李紹明

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.山東省高分子材料先進(jìn)造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

隨著輪胎工業(yè)正快速發(fā)展，我國橡膠消耗量多年來位居世界第一，同時(shí)國家對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能降耗的要求也日益嚴(yán)格，因此對(duì)橡膠加工企業(yè)混煉時(shí)使用的橡膠混煉裝備提出了更高的要求，然而目前國內(nèi)的現(xiàn)狀是大部分工廠對(duì)于炭黑配方膠料的混煉依舊采用以密煉機(jī)為主的間歇式混煉設(shè)備。密煉機(jī)煉膠采用的“多段式”混煉工藝方法極大的降低了生產(chǎn)效率、增加了能量消耗，同時(shí)還存在著煉膠質(zhì)量不穩(wěn)定、配合劑飛揚(yáng)污染環(huán)境等問題[1～3]，因此混煉行業(yè)亟待研發(fā)新型連續(xù)混煉方法和裝備實(shí)現(xiàn)橡膠的高效、低耗、高質(zhì)混煉。

近些年，隨著對(duì)密煉機(jī)混煉機(jī)理研究的深入，低溫混煉原理用于炭黑配方混煉膠的制備引起了行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。低溫混煉原理認(rèn)為，傳統(tǒng)的高溫混煉會(huì)導(dǎo)致橡膠大分子鏈發(fā)生劇烈的氧化斷鏈，某些配合劑在高溫狀態(tài)下失去穩(wěn)定行和活性，進(jìn)而對(duì)混煉膠質(zhì)量產(chǎn)生不利影響[4～5]。

針對(duì)上述情況，本文利用自行設(shè)計(jì)研發(fā)的串聯(lián)式連續(xù)混煉設(shè)備對(duì)炭黑配方膠料進(jìn)行低溫高分散混煉，該方法在保證基體膠和配合劑準(zhǔn)確配比的前提下，實(shí)現(xiàn)了塊狀橡膠在135℃以下的低溫連續(xù)混煉，從而在一定程度上保證了橡膠大分子鏈的完整性。本文通過實(shí)驗(yàn)探究了串聯(lián)式連續(xù)混煉設(shè)備中連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和連續(xù)混煉停留時(shí)間對(duì)于混煉膠質(zhì)量的影響，同時(shí)將串聯(lián)式連續(xù)混煉最佳參數(shù)下生產(chǎn)的混煉膠與密煉機(jī)一段高溫混煉法制備的混煉膠進(jìn)行了性能對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 配方及原材料

本次實(shí)驗(yàn)選用半鋼子午胎胎面膠配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)配方半鋼子午胎胎面膠配方

溶聚丁苯橡膠：ML(1+4)，100℃為35～60，中國石化；順丁橡膠:ML(1+4)，100℃為41～49，中國石化；炭黑N234、硬脂酸等均為工業(yè)品，外購。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

1.2.1 串聯(lián)式連續(xù)混煉設(shè)備

1.2.2 其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備

其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

圖1 串聯(lián)式連續(xù)混煉設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

表2 其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

（1）針對(duì)串聯(lián)式連續(xù)混煉設(shè)備，將上游密煉系統(tǒng)最佳混煉工藝條件下制備的一段母煉膠，實(shí)時(shí)排入下游連續(xù)混煉系統(tǒng)進(jìn)行二段補(bǔ)充恒溫混煉。改變串聯(lián)式連續(xù)混煉設(shè)備下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，研究下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間在炭黑配方膠料恒溫混煉時(shí)，對(duì)炭黑補(bǔ)強(qiáng)效果的影響。同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉工藝與串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉最佳工藝的混煉效果。

（2）實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)每組實(shí)驗(yàn)制得的混煉膠以及對(duì)應(yīng)的硫化膠，進(jìn)行門尼黏度、300%定伸應(yīng)力/100%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、炭黑分散性、膠料擠出溫度等各項(xiàng)物理機(jī)械性能以及其他性能測試。

（3）通過對(duì)各項(xiàng)測試和記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各方面的系統(tǒng)分析，同時(shí)繪制各性能指標(biāo)的曲線圖，得出下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間與炭黑補(bǔ)強(qiáng)效果的作用關(guān)系；同時(shí)通過與傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法對(duì)于炭黑配方膠料混煉的適用性。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

1.4.1 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法上游密煉系統(tǒng)混煉工藝

對(duì)應(yīng)密煉系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)置各工位最佳參數(shù)：溫控溫度50℃；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速45 r/min；上頂栓壓力0.6 MPa。

加料順序：加基體膠—25 s—加炭黑總量的一半、小料（除了硫磺）—30 s—炭黑總量的另一半—105℃—升降一次上頂栓，加環(huán)保油V700-125℃—升降一次上頂栓—130℃開卸料門排膠-喂給下游連續(xù)混煉系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充混煉。

1.4.2 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法下游連續(xù)混煉系統(tǒng)混煉工藝

下游連續(xù)混煉系統(tǒng)工藝參數(shù)為：

（1）喂料段機(jī)筒溫控溫度：125℃；（2）混煉段機(jī)筒溫控溫度：130℃；（3）擠出段機(jī)筒溫控溫度：125℃；（4）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min。

1.4.3 傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉工藝

對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)密煉機(jī)設(shè)備，設(shè)置各工位最佳參數(shù)：溫控溫度50℃；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速45 r/min；上頂栓壓力0.6 MPa

加料順序：加基體膠—25 s—加炭黑總量的一半、小料（除了硫磺）—30 s—炭黑總量的另一半—105℃—升降一次上頂栓，加環(huán)保油V700—125℃—升降一次上頂栓—150℃開卸料門排膠。

1.4.4 綜合實(shí)驗(yàn)方案

依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，制定如下的?shí)驗(yàn)方案，如表3所示。

1.4.5 開煉機(jī)添加硫化體系工藝

混煉膠片經(jīng)8 h停放后準(zhǔn)確稱量出一定量的樣品，按照實(shí)驗(yàn)配方精確計(jì)算并稱取硫化體系，然后在開煉機(jī)進(jìn)行硫化體系的添加，具體的工藝如表4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)方案

表4 開煉機(jī)添加硫化體系工藝

1.4.6 硫化條件

將終煉膠片停放8 h后，以硫化模具每個(gè)模腔放膠30 g為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪裁，然后按照開煉機(jī)添加硫化體系工藝過程中的壓延方向均勻放置于模具的模腔中，使用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化，具體的硫化條件為150℃ /10 MPa×t90。

1.5 性能測試及計(jì)算

針對(duì)每組實(shí)驗(yàn)所制備的混煉膠以及對(duì)應(yīng)的硫化膠，在后續(xù)測試過程中，全部遵循國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多組測試后取平均值，然后再進(jìn)行各方面對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表5所示，主要包括：100%定伸應(yīng)力、200%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、門尼黏度以及炭黑分散性。其中測試項(xiàng)目5為密煉機(jī)一段高溫混煉法工藝制得膠料的測試數(shù)據(jù)。

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)混煉膠性能的影響實(shí)驗(yàn)分析

（1）加工性能分析

首先分析前四組數(shù)據(jù)，探究串聯(lián)式連續(xù)混煉設(shè)備中連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間對(duì)于混煉膠質(zhì)量的影響，對(duì)膠料加工性能的分析如圖2所示。

圖2 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下制備的混煉膠的門尼黏度

由圖2我們可以看出：隨著下游連續(xù)混煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，膠料的門尼黏度呈現(xiàn)先下降、后上升的趨勢，并且在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，膠料的門尼黏度最低，可加工性最佳。

這是因?yàn)樵谳^低轉(zhuǎn)速時(shí)連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子剪切拉伸作用較弱，對(duì)橡膠大分子鏈的作用不充分，膠料變形小，斷鏈不充分；然后隨著轉(zhuǎn)速的增加，下游連續(xù)混煉系統(tǒng)混煉能力增強(qiáng)，橡膠門尼黏度逐漸降低，可加工性增強(qiáng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過30 r/min時(shí)，擠出速度過快，膠料在下游連續(xù)混煉系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間過短，導(dǎo)致混煉不充分，加工性能下降。所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r/min，停留時(shí)間為186 s左右時(shí)最佳。

（2）物理機(jī)械性能分析

串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下所煉膠料物理機(jī)械性能的對(duì)比如下圖3所示。

從圖3中可以看出，串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)各項(xiàng)物理機(jī)械性能測試結(jié)果的影響是相同的，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；并在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r/min，停留時(shí)間為186 s左右時(shí)，混煉效果達(dá)到最好。

這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低時(shí)，連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子剪切拉伸作用較弱，對(duì)橡膠大分子鏈的作用不充分，膠料變形小，炭黑等配合劑未充分分散、均勻分布到橡膠基體中，補(bǔ)強(qiáng)作用未充分發(fā)揮；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過高時(shí)，擠出速度過快，膠料在下游連續(xù)混煉系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間過短，導(dǎo)致混煉不充分，混煉膠機(jī)械性能不佳。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r/min，停留時(shí)間為186 s左右時(shí)各項(xiàng)機(jī)械性能達(dá)到最佳值，這時(shí)既發(fā)揮了轉(zhuǎn)子的強(qiáng)剪切拉伸作用，同時(shí)又保證了膠料在設(shè)備內(nèi)的混煉時(shí)間。

圖3 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下制備的硫化膠物理機(jī)械性能對(duì)比

（3）分散度情況分析

串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下所煉膠料分散度等級(jí)對(duì)比如下圖4所示。

圖4 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下制備的硫化膠分散度等級(jí)

從圖4中可以看出，串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)炭黑分散度測試結(jié)果有較大影響，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；并在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r/min，停留時(shí)間為186 s左右時(shí)，炭黑分散情況達(dá)到最佳。

這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低時(shí)，連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子剪切拉伸作用較弱，對(duì)橡膠大分子鏈的作用不充分，膠料變形小，炭黑等配合劑未充分分散、均勻分布到橡膠基體中；然后隨著轉(zhuǎn)速的增加，下游連續(xù)混煉系統(tǒng)混煉能力增強(qiáng)，分散效果逐漸改善；然而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過高、擠出速度過快時(shí)，膠料在下游連續(xù)混煉系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間過短，導(dǎo)致混煉不充分，混煉膠分散情況變差。

2.2.2 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉與傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

將串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉與傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉進(jìn)行對(duì)比分析，和將第3組與第5組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，如圖5所示。

從圖中可以看出，使用串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉制備的膠料在門尼黏度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和分散度等級(jí)方面均優(yōu)于傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉工藝混煉的膠料，這是由于傳統(tǒng)密煉機(jī)在混煉過程中會(huì)使膠溫迅速上升，高溫造成了橡膠大分子鏈的劇烈氧化斷鏈，某些配合劑在高溫狀態(tài)下失去穩(wěn)定行和活性，局部膠料甚至發(fā)生焦燒等問題，因此影響了最終性能。而串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉以低溫混煉原理為基礎(chǔ)，在保證基體膠和配合劑準(zhǔn)確配比的前提下，實(shí)現(xiàn)了炭黑配方膠料在135℃以下的低溫連續(xù)混煉，從而在一定程度上保證了橡膠大分子鏈的完整性；同時(shí)自主設(shè)計(jì)的連續(xù)混煉設(shè)備對(duì)橡膠拉伸作用強(qiáng)、分散能力好，能使炭黑等填料充分發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)作用，適用于炭黑配方膠料的混煉。

圖5 串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉與傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉測試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)探究了串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉的下游連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)于混煉膠質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：當(dāng)連續(xù)混煉系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r/min，停留時(shí)間為186 s左右時(shí)，所制備的膠料綜合性能最好。

（2）與傳統(tǒng)密煉機(jī)高溫混煉相比，串聯(lián)式低溫連續(xù)混煉方法制備的炭黑配方膠料綜合性能好，證明了其對(duì)于炭黑配方膠料混煉的適用性。

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