低溫一次法煉膠工藝的研究開發和應用進展

嚴 亮，田軍濤，趙 敏，吳秀蘭

（1.北京市7220信箱，北京 100072；2.北京橡膠工業研究設計院有限公司，北京 100143）

輪胎是一個國家的重要戰略物資，輪胎產品所用橡膠約占橡膠總需求量的60%。我國是世界輪胎生產第一大國，在目前異常嚴峻的國際經濟和技術壁壘形勢下，提高我國輪胎工業的總體技術水平已成為行業可持續發展和實現制造業強國的戰略問題。

2014年年底朗盛公司與中國汽車技術研究中心聯合完成的《中國綠色輪胎發展研究報告》顯示，在國外政策倒逼出口輪胎升級、國內政策淘汰落后產能、消費者接受程度越來越高的大環境下，到2020年，綠色輪胎產量將超過全國輪胎總量的60%[1]，而這一數字在2010年僅約為2%。國內外綜合因素倒逼輪胎產品技術升級換代，我國輪胎企業加速提高綠色輪胎的研發能力已經成為行業共識，發展綠色輪胎是我國輪胎工業的必由之路。綠色輪胎除具有低滾動阻力等性能及所用原材料符合環保要求外，還要求生產過程節能和環保[2]。煉膠是輪胎生產過程中能耗最大的一道工序，約占輪胎生產總能耗的40%。三角集團有限公司、軟控股份有限公司、益陽橡塑機械集團有限公司、特拓（青島）輪胎技術有限公司和廣州華工百川科技股份有限公司等企業開發的低溫一次法煉膠工藝實現噸膠耗電降低20%左右、生產效率提高200%以上，為我國輪胎工業節能減排帶來革命性的技術突破[3]，契合了綠色輪胎的發展趨勢。

本文簡述國外新型連續混煉工藝，重點介紹國內低溫一次法煉膠工藝的研究開發和應用情況。

1 國外新型連續混煉工藝簡介

自2000年以來，世界著名輪胎公司對輪胎制造工藝的研究重心已從傳統生產工藝改進轉向自動化生產系統的研發，具有代表性的有大陸公司的MMP技術、固特異公司的IMPACT技術、普利司通公司的ACTAS技術、倍耐力公司的MIRS技術和米其林公司的C3M技術等[4]。

倍耐力公司于2002年推出了MIRS技術，其子技術低溫連續混煉系統主要由兩臺雙螺桿擠出機組成，第1臺的主要作用是混煉，第2臺用于加硫化體系并完成混煉[5]。

煉膠工序是輪胎制造的首道工序，也是制造流程中最復雜和關鍵的工序，而煉膠質量直接決定輪胎產品的質量。傳統膠料混煉工藝基本都采用密煉機進行多段高溫混煉，每段混煉均需經過高溫密煉、出片冷卻和停放等步驟，整個混煉過程包含多次高溫加熱和冷卻過程，約40%的能量用于反復加熱和冷卻，能耗大、效率低、周期長、占地面積大，提高了生產成本，降低了產品的綜合競爭力。

密煉機多段混煉主要用于斷裂橡膠分子鏈，以高溫氧化裂解為主、機械剪切為輔。低溫一次法煉膠工藝采用密煉機進行一段混煉，然后在開煉機上加硫化體系，這種混煉方法大大加強了對膠料的機械剪切，同時弱化了高溫氧化裂解的作用。

隨著汽車工業和公速交通運輸事業的快速發展，對輪胎生產新技術的應用和發展提出了很高的要求。為了進一步改進煉膠質量，克服高用量白炭黑煉膠和混煉膠溫度高易產生凝膠的技術難題，世界各大輪胎公司紛紛不斷研究和發展一次法煉膠技術。其中米其林公司開發的一次法煉膠系統（One Step Mix System，OMS）成功實現了低溫連續混煉，2013年年初開工的米其林沈陽輪胎有限公司新工廠即采用一次法低溫連續混煉工藝[6]。

2 國內低溫一次法煉膠工藝的研究開發和應用

綠色輪胎的低滾動阻力要求大量使用白炭黑，但采用傳統混煉方式進行大用量白炭黑混煉比較困難，因此必須對混煉工藝進行創新。國內開發的低溫一次法煉膠工藝是將傳統的多段混煉改為一次混煉，即膠料通過密煉機高溫混煉后，先經過第1臺開煉機進行冷卻，然后通過中央輸送系統對稱地分配到周圍多臺開煉機上進行連續低溫混煉，直接得到終煉膠，混煉過程強化了下輔機的作用，且實現了全過程自動化控制。該工藝減少了膠料中間傳遞環節，可節約占地一半以上；混煉周期由原來的12 h縮短為30 min；由于只有一次升溫過程，膠料在低溫下混煉，噸膠耗電降低20%左右[7]。

大連橡膠塑料機械股份有限公司為了滿足用戶的生產要求，制造了輥筒最高線速度達70 m·min-1的開煉機，為一次法煉膠工藝的高速、高效煉膠提供了有力的支撐。石繁章等[8]研究了開煉機在低溫一次法煉膠系統中的應用及配置，其主要結構和技術參數為：輥筒線速度 ≤70 m·min-1；前后輥筒速比 ≤1∶1.15；主電機變頻電機；輥筒調距方式 液壓（可負載調距）；輥筒結構 鉆孔；冷卻方法 輥筒內部注冷卻水且在輔機中增設冷卻鼓；輔機 導膠裝置、冷卻鼓和循環輸送帶等。

益陽橡膠塑料機械集團有限公司在一次法煉膠設備技術上有所突破，開發出國內首套串聯式密煉機新產品，該系統由GE320E和GE590T兩臺密煉機串聯而成，可提高生產效率50%，并可改善膠料的分散性和均勻性[5]。隨著工業4.0的發展和應用要求的提高，傳統橡膠制品行業面臨淘汰落后產能、升級換代生產裝備的迫切需求[9]。益陽橡膠塑料機械集團有限公司實施藍海戰略，將在輪胎行業已成熟應用的一次法煉膠技術裝備通過創新而推廣到橡膠制品行業[10]。2018年4月25日，法國米其林公司全球采購經理部就設備采購事宜到益陽橡膠塑料機械集團有限公司考察，對該公司近年來研發的串聯式密煉機及一次法煉膠裝備的整體解決方案產生了濃厚興趣[11]。

李漢青等[12]開發了包括一次法煉膠技術在內的藍色輪胎生產技術，它集成了綠色輪胎生產技術的成果并有創新和升級，給輪胎生產尤其是煉膠工藝帶來深刻的技術變革，將提高生產企業的質量管理水平，為規模化高性能輪胎生產打下基礎。

低溫一次法混煉技術一直在不斷發展中。孟慶旭等[13]采用ME系列變頻器配合低溫一次法煉膠系統控制，提高了生產的自動化水平和效率。

低溫一次法煉膠技術現已發展至第3代[14]。2016年3月通過新技術與應用科技成果鑒定的煉膠4.0新技術即第3代一次法煉膠系統，首次解決了終煉膠無法低溫過濾的技術難題，完全實現了煉膠過程的自動化無縫銜接[15]。

從2010年開始，國內各大輪胎生產企業紛紛開發和應用低溫一次法煉膠工藝和裝備。

貴州輪胎股份有限公司在2010年即投資2 600萬元上了兩條低溫混煉工藝生產線，并于2011年3月投產，喂料、混煉和排膠等生產過程一次連續完成，實現全自動化控制。2012年5月，該公司第3條低溫一次法煉膠工藝生產線開始運行[16]。

雙星東風輪胎公司的一次法煉膠生產線于2012年5月正式投產。這是其自行設計、研發和生產的生產線，標志著其核心技術實現了突破和跨越[17]。

特拓（青島）輪胎技術有限公司與山東八一輪胎制造有限公司合作開發的370型低溫一次法煉膠系統于2015年4月實現設備全線貫通[18]。該套系統采用370型密煉機和760型開煉機，煉膠日產能平均可達120 t，其開煉機刮、搗膠裝置及整線控制能力等較以前的270型系統有全面升級提高。

輪胎生產企業在推廣應用低溫一次法混煉工藝的過程中，也在始終關注和研究其對膠料混煉和輪胎產品質量的影響。

崔大杰等[19]對比研究采用傳統混煉工藝和低溫一次法混煉工藝的天然橡膠/順丁橡膠并用膠的性能，并運用殼層滑動模型進行原因分析，發現采用一次法混煉工藝的膠料炭黑分散性好，硫黃和促進劑分布均勻，滯后損失小。

李再琴等[20]采用胎面膠配方對高結構炭黑N134進行大料對比試驗，結果表明，相對傳統多段煉膠工藝，采用一次法煉膠工藝的混煉膠的流動性和物理性能更好，生產效率提高，低溫一次法煉膠工藝的優勢明顯。

李民軍等[21]研究發現，隨著胎面膠配方中白炭黑用量的增大，采用傳統混煉工藝混煉比較困難，終煉膠中炭黑和白炭黑的分散性較差，而采用一次法煉膠工藝可以提高對膠料的機械剪切效率，使填料和其他各種配合劑分散更均勻，有效避免混煉過程中產生凝膠，膠料粘度降幅減小，解決了擠出和成型等后續加工不便的問題，提高了填料的補強作用，提升了輪胎的使用性能。李民軍等[22]研究還發現，一次法混煉工藝通過開煉機低溫長時間混煉可提高胎面膠中固體環保油的分散性，改善膠料的均勻性和穩定性，提高定伸應力等物理性能。

趙富強等[23]研究發現，與傳統混煉工藝相比，采用一次法混煉工藝生產的胎面膠的填料分散性較好，拉伸強度等物理性能較高，耐磨性能得到明顯改善。

王中江等[24]研究一次法混煉工藝對半鋼子午線輪胎胎面氣孔率的影響，結果表明，與傳統胎面膠四段混煉工藝相比，采用一次法混煉工藝生產的胎面膠的炭黑分散性較高，膠料的流動性和物理性能得到改善，降低了擠出胎面的氣孔率，大大提高了成品輪胎的胎面穩定性、外觀質量和耐磨性能。

3 低溫一次法煉膠工藝配套輔助技術的發展

實現低溫連續混煉工藝，各種原材料必須是流動性好的顆粒或粉末狀物料。為便于輪胎廠采用低溫混煉技術，天津賽象科技股份有限公司開發出膠塊粉碎處理裝置。該裝置粉碎處理橡膠的生產能力為8 t·h-1，粉碎粒徑為40～80 mm，可配合密煉機連續工作。采用該裝置可取消橡膠保溫室，降低能耗，提高混煉膠的均勻性和生產自動化水平[5]。

為適應低溫連續混煉技術，助劑生產企業積極開發造粒產品，如包覆性硫黃等。橡膠助劑造粒既可解決粉塵環境污染問題，又可提高物料稱量的準確性，縮短混煉時間，降低能耗。橡膠助劑造粒方法包括濕法、干法、充油、熔融和預分散等，特別值得關注的是采用高聚物作載體的預分散造粒技術，它將成為我國橡膠助劑劑型改造的主要發展方向和加大產品出口的重要途徑。載體預分散包覆造粒是以聚合物為載體，將助劑微粒均勻地預分散其中，使微粒表面形成載體包覆層，然后擠出、切粒。載體也可選用石蠟和硬脂酸類物質。該方法適用于大多數促進劑及炭黑、碳酸鈣和白炭黑等填料，產品無塵及二次粉化，可以顏色區分品種，避免使用差錯，提高助劑的活化和偶聯效能，對橡膠母體有分散和親和作用[25]。

目前，硫黃仍是主要的橡膠硫化劑，為防止其噴霜，可采用不溶性硫黃或普通硫黃表面覆膜。不溶性硫黃是子午線輪胎必需的硫化劑，但傳統生產方法能耗大，設備腐蝕嚴重，且易燃易爆[26]。因此，岳敏等[27]采用包覆劑通過溶膠-凝膠法包覆普通硫黃制備微膠囊硫黃產品。研究發現，包覆硫黃的粒徑較大，高溫熱穩定性較好，膠料的物理性能與普通硫黃和不溶性硫黃膠料相當或較優，成本降低。隨著人們環保意識的不斷提高，微膠囊硫黃產品必將替代傳統不溶性硫黃。

4 結語

智能化煉膠車間總體設計是橡膠混煉技術發展的方向。智能化煉膠車間利用物聯網設計理念和可視化監控方式，高度集成成套智能裝備，從原料輸送、配料、生膠處理、一次煉膠到氣、水等凈化處理，總體設計，連續在線一次完成生產，大幅度提高膠料混煉質量和效率，并且大量減少能耗和人員。