一次法混煉工藝研究及在胎面膠生產中的應用

寧振威，向 嬋，張 明

[中策橡膠（建德）有限公司，浙江 建德 311607]

人們對環境保護意識的加強和提高生產效率的需求推動了橡膠混煉設備從開煉機到密煉機的發展，目前治理環境污染面臨前所未有的挑戰，如何更高效地利用能源成為企業發展的首要問題。

橡膠混煉的質量對橡膠制品的使用性能至關重要，混煉工藝分為多步混煉和一步混煉兩種[1]。一次法混煉屬于一步混煉工藝，其混煉系統可減少橡膠加工設備的數量，同時大幅縮短膠料混煉和存放周期，節約能耗25%以上[2]。為探討一次法混煉工藝對膠料各項性能的影響，本工作試驗研究4種不同的一次法混煉工藝，并就膠料性能與普通混煉工藝相對比。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SIR20，印度尼西亞產品；丁苯橡膠（SBR），牌號1500，中國石油吉林石化公司產品；順丁橡膠（BR），牌號PBR-ND，俄羅斯產品；炭黑N234，卡博特公司產品；白炭黑，牌號175FFG，確成硅化學股份有限公司產品。

1.2 試驗配方

基本試驗配方：NR 80，SBR 20，炭黑N234 50，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，硫黃、促進劑NS 2.92，其他 11。

對比試驗配方編號為1#—3#。

1#配方：NR 100，炭黑N234 43，白炭黑15，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，硫黃、促進劑NS 2.7，其他 8。

2#配方：NR 100，炭黑N234 52，氧化鋅3.5，硬脂酸 2，硫黃、促進劑NS 2.6，其他 6。

3#配方：NR 70，BR 30，炭黑N234 55，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，硫黃、促進劑NS 2.65，其他 6。

1.3 主要設備和儀器

F270型密煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司產品；一次法開煉機混煉機組，軟控股份有限公司產品；MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；50T平板硫化機，湖州橡機廠產品；WGJ-2500BⅡ型電子拉力機，桂林奧峰電器制造有限公司產品；GT-7017型老化箱和阿克隆磨耗機，高鐵檢測儀器有限公司產品；DISPER GRADER 1000NT型分散度儀，德國OPTIGRADE公司產品。

馬太太望著他一笑。“易先生是該請客了?！彼浪麜缘盟侵讣{寵請酒。今天兩人雙雙失蹤，女的三更半夜還沒回來。他回來了又有點精神恍惚的樣子，臉上又憋不住的喜氣洋洋，帶三分春色?？磥磉€是第一次上手。

1.4 混煉工藝

一次法生產線工藝布局：密煉機排膠→0#開煉機→1#—6#開煉機（并聯方式）→壓片機。

密煉機混煉工藝：生膠、炭黑→加壓→提壓砣→降轉速→壓壓砣→提壓砣→降轉速→壓壓砣→145 ℃排膠。

0#開煉機混煉工藝：進料→冷卻→成環→冷卻→拉斷→排膠。

1#—6#開煉機混煉工藝如表1所示。

表1 1#—6#開煉機混煉工藝

1.5 性能測試

各項性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

與普通混煉工藝的密煉機混煉高溫氧化斷鏈占主要加工方式不同，在一次法混煉工藝中密煉機只是將配方中各配合劑初步嚙合、分散，在高溫氧化斷鏈劇烈反應前即進行排膠，后續加工全部在開煉機上進行，包括膠料加硫。一次法混煉工藝加工過程中不會引起膠溫大幅上升，主要是通過開煉機反復物理剪切降低橡膠的相對分子質量，減少了橡膠分子氧化斷鏈和凝膠的產生[3]。高溫氧化斷鏈是一種無規則、隨機斷鏈的過程，混煉橡膠相對分子質量分布寬，而一次法通過物理剪切降低相對分子質量，加工過程中橡膠大分子首先承受剪切力，因此相對分子質量分布窄，混煉膠質量更均勻。

開煉機的剪切力由前后輥筒提供，剪切力與輥距、膠溫成反比，與轉速、速比、膠料與輥筒接觸面積成正比。開煉機小輥距搗膠混煉過程中膠溫也會緩慢上升，使剪切力下降。因此，搗膠過程中輥距和搗膠的時間要匹配，搗膠前應盡可能降低膠料溫度。

采用方案A—D進行混煉，測試膠料的炭黑分散度和結合膠及物理性能和工藝穩定性，并與普通混煉工藝（塑煉+二段混煉+加硫）進行對比。

2.1 炭黑分散度

方案A—D和普通混煉工藝混煉膠的炭黑分散度等級測試結果分別為7.17，6.72，6.97，6.55，6.27。

由此可見，炭黑分散度等級為方案A＞方案C＞方案B＞方案D＞普通混煉工藝，一次法混煉膠料炭黑分散度均高于普通混煉工藝。

方案A與方案C、方案B與方案D的炭黑分散度等級分別接近，可見無論是在搗膠前和搗膠后增加一段時間冷卻，對炭黑分散都是有利的，但在搗膠前增加冷卻時間能使炭黑分散性更好，這是因為經過先冷卻的膠料在搗膠時開煉機的剪切力更大，在較低的溫度下加工的時間更長，因此得到的炭黑分散度更高。

對比方案B與方案D可得出，搗膠輥距小，炭黑分散好，但要考慮到開煉機煉膠容量問題，堆積膠過多，膠料通過開煉機薄通次數少，對炭黑分散反而不好。

2.2 炭黑結合膠

橡膠/炭黑共混物中的橡膠分為三部分：一部分是包覆在炭黑聚集體外層的結合膠，可以在炭黑表面滑動；一部分是嵌入到炭黑聚集體凹陷的表面內包容的吸留膠，基本不能活動；一部分是不與炭黑結合的自由移動部分和各炭黑結合膠間的橡膠分子[4]。本試驗利用未硫化膠溶解于有機溶劑的方法，將不能溶解于有機溶劑的橡膠統稱為炭黑結合膠，同條件下對比4個試驗方案和普通混煉工藝膠料的炭黑結合膠量。

方案A—D和普通混煉工藝混煉膠的炭黑結合膠質量分數測試結果分別為0.193 5，0.185 4，0.171 6，0.202 7，0.161 1。

由此可見，炭黑結合膠量為方案D＞方案A＞方案B＞方案C＞普通混煉工藝，一次法混煉膠料炭黑結合膠量均高于普通混煉工藝。

開煉機輥距對炭黑結合膠量也有影響，方案D混煉膠炭黑結合膠質量分數比方案B大0.017 3，開煉機輥距大，剪切力小，炭黑結合膠多。方案A—C混煉的膠料炭黑結合膠依次降低，搗膠前增加一段時間冷卻對提高炭黑結合膠量有利。

2.3 物理性能

硫化膠物理性能測試結果對比如表2所示。

硫化膠的耐磨性能也是炭黑分散性的評價指標，對于同一配方膠料，磨耗量越小，說明炭黑的分散性越好[4]。由表2可見：方案A的耐磨性能最優，方案C次之，方案B與方案D相同；老化后方案A的耐磨性能最優，方案C次之，方案D最差；4個試驗方案的耐磨性能均優于普通混煉工藝，尤其是老化后的耐磨性能提高顯著。耐磨性能與炭黑分散度變化趨勢相同。

表2 硫化膠物理性能測試結果對比

2.4 工藝穩定性

采用方案A工藝，用硫黃母膠片進行批量生產，檢測門尼粘度、硫黃分散和磨耗的穩定性。試生產過程中膠料門尼粘度合格率為99.53%，達到公司要求；膠料加硫時有硫黃母膠片掉落現象，調查原因一是母膠片厚度偏大，加硫吃料困難；二是硫黃母膠輸送帶偏窄。調整母膠片厚度至2.5 mm和更換輸送帶后掉母膠片現象基本消失，膠料流變性合格率達到99.06%，同時現場增加烘母膠片裝置，進一步縮短加硫吃料時間，抽試膠料硫黃分散情況。MH變化范圍為0.216%～0.332%，t10變化范圍為0.578%～0.982%，t90變化范圍為0.684%～0.746%，表明硫黃分散均勻，達到公司要求（≤1.75%）。采用1#—3#配方硫化膠進行耐磨性能測試，結果如圖1所示。

圖1 硫化膠耐磨性能對比

通過3個配方對比，再次驗證一次法混煉膠料的耐磨性能優于普通混煉工藝，尤其是老化后耐磨性能提升明顯。

3 結論

（1）一次法混煉工藝在混煉搗膠前增加一段時間冷卻通輥，能提高搗膠時的剪切力，使炭黑分散度更高，耐磨性能提升，炭黑結合膠量增加。

（2）一次法混煉工藝膠料的耐磨性能優于普通混煉工藝，尤其是老化后耐磨性能顯著提高。一次法混煉工藝穩定，膠料各項指標滿足質量要求。

（3）調整使用硫黃母膠片很好地解決了預分散母膠顆粒掉落問題，一次法混煉工藝膠料硫黃分散度高，分散均勻。