串聯式連續混煉設備轉子轉速對白炭黑補強效果的影響

汪傳生，朱 琳，程耀華，胡紀全，邊慧光

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

近年來，隨著汽車工業的飛速發展，在輪胎胎面膠配方中作為補強劑的白炭黑由于具有有效降低輪胎的滾動阻力、增強干濕路面的抓著性能和抗冰滑性、縮短剎車距離、增大安全系數、降低膠料生熱、減少肩空等特性，其用量大大提高。但是，白炭黑配方膠料在混煉過程中不僅具有很強的溫度敏感性，而且還會產生大量水汽[1-4]。目前，我國輪胎膠料混煉依舊采用以密煉機為主導的間歇式混煉設備?，F有的連續混煉設備雖然實現了生產連續性，但是要求在混煉前期必須對配方中基體膠和配合劑進行細化、霧化處理，成本極高，同時基體膠和配合劑的配比很難得到精確控制，導致混煉膠的質量很難保證[5]，對于白炭黑配方胎面膠連續混煉的研究更是停留在實驗室階段。

為了保證白炭黑配方混煉膠的質量，工廠大規模生產加工大都只能采用傳統密煉機進行多段式混煉，嚴重影響了生產效率，而且在混煉過程中能耗高，影響因素多，工藝不易控制，混煉膠性能波動大，易出現配合劑飛揚造成環境污染嚴重等 問題[6]。本工作采用自主設計的新型串聯式連續混煉設備，通過上游密煉機制備一段母煉膠，并即時供給下游連續混煉機，在保證下游連續混煉機各段機筒控制溫度一定的前提下，通過改變下游連續混煉機的轉子轉速，研究轉速對膠料內硅烷偶聯反應程度的影響，探討實現膠料連續混煉的可行性。

1 實驗

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR）、順丁橡膠（BR），門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]分別為35～60和41～49，中國石化齊魯股份有限公司產品。

1.2 試驗配方

本試驗選用半鋼子午線輪胎胎面膠配方：SSBR 96.25，BR 30，炭黑N234 25，高分散白炭黑 45，氧化鋅 2，硬脂酸 2，微晶蠟 1.5，環保油V700 3，防焦劑CTP 0.151，偶聯劑Si69 5.4，防老劑4020 2，硫黃 1.3，促進劑D 0.8，促進劑CZ 1.8，總計 216.201。

1.3 主要設備和儀器

串聯式連續混煉設備（見圖1），自制；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；UM-2050型門尼粘度儀、TS2005b型萬能試驗機，優肯科技股份有限公司產品；GT-2012-D型DIN磨耗試驗機、GT-7016型切片機，高鐵科技股份有限公司產品；DMA/SDTA861e型動態熱力學分析儀，梅特勒-托利多集團公司產品；TCN3-JSC-10型橡膠厚度儀，北京中西遠大科技有限公司產品；XQL-8型單刀切膠機，邢臺萬源橡膠設備廠產品。

圖1 串聯式連續混煉設備總裝

1.4 膠料制備

采用上游GK45E型密煉機制備一段母煉膠，填充因數為0.7，冷卻水溫度為40 ℃，轉子轉速為45/40 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，保證每車投膠溫度不高于60 ℃。加料順序：塑煉膠加入上游密煉機（25 s）→炭黑、小料（硫化體系除外，30 s）→白炭黑（105 ℃）→升、降一次壓砣→環保油（125 ℃）→升、降一次壓砣（轉子轉速由45 r·min-1下降到40 r·min-1）→135 ℃排膠到下游連續混煉機進行二段補充恒溫混煉。

下游連續混煉機工藝參數為：喂料段/混煉段/擠出段機筒控制溫度 145/135/125 ℃；轉子轉速分別設定為15，20，25，30，35 r·min-1。

膠料硫化條件為：145 ℃×30 min。

1.5 性能測試

膠料門尼粘度和各項物理性能根據相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

下游連續混煉機轉子以不同轉速制備的膠料性能測試結果如表1所示。

根據表1所示測試數據進行具體分析。

表1 不同轉子轉速下制備的膠料性能測試結果

（1）門尼粘度、拉伸強度和撕裂強度。隨著下游連續混煉機轉子轉速的提高，膠料的門尼粘度呈現先上升后下降再上升的趨勢；硫化膠的拉伸強度和撕裂強度都呈現先降低后升高再降低的趨勢。當轉子轉速為30 r·min-1時，膠料停留時間為2.75 min，排膠溫度為154 ℃，膠料的門尼粘度最低，加工性能最佳，硫化膠的拉伸強度和撕裂強度也最高。

分析認為，當下游連續混煉機轉子轉速從15 r·min-1提高到20 r·min-1時，雖然較低的轉速使混煉過程中施予膠料的機械作用力較小，但是在三段溫控的作用下，較長的硅烷偶聯反應時間補充了低轉速帶來的影響，因此造成膠料門尼粘度升高，拉伸強度和撕裂強度降低。

轉子轉速為25 r·min-1時，提高轉速帶來的機械力作用不能彌補混煉時間較短的影響，從而導致膠料的加工性能最差，拉伸強度和撕裂強度達到最低。

當轉子轉速達到30 r·min-1時，高轉速使膠料受到強烈的機械力作用，提高了膠料的混煉溫度，硅烷偶聯反應速率大大加快，有效彌補了高轉速造成混煉時間縮短的影響，因此膠料的加工性能達到最佳，拉伸強度和撕裂強度也達到最高。

當轉子轉速升高到35 r·min-1時，過高轉速使硅烷偶聯反應時間進一步縮短，相對于轉速30 r·min-1，膠料受到的機械力作用增大，混煉溫度升高，但不能彌補混煉時間縮短所帶來的影響，使膠料的門尼粘度增大，拉伸強度和撕裂強度也有所降低。

（2）白炭黑分散性。隨著下游連續混煉機轉子轉速的升高，混煉膠中白炭黑分散性呈現先降低后上升再降低的趨勢。

分析認為，相對較長的混煉時間使混煉過程中膠料內部基體相界面被打開時間較長，較多的流體接觸以及彼此之間的反復結合提高了白炭黑的微觀分散，因此當下游連續混煉機轉子轉速從15 r·min-1上升到20 r·min-1時，白炭黑分散性小幅降低。

當轉子轉速上升到25 r·min-1時，相對較高的轉速雖然在一定程度上增大了膠料內部基體相界面的打開程度，但不能彌補轉速升高導致混煉時間縮短的影響，致使白炭黑的分散性達到最低。

當轉子轉速達到30 r·min-1時，由于高轉速使膠料受到強烈的機械力作用，提高了膠料在混煉過程中的混煉溫度以及膠料內部基體相界面的打開程度，配合更強的拉伸流動作用，硅烷偶聯反應速率大大加快，有效彌補了高轉速造成混煉時間縮短的影響，使白炭黑分散性達到最高。

當轉子轉速為35 r·min-1時，混煉過程中膠料內部基體相界面的打開程度達到最大值，但是過快的機械作用導致基體相界面來不及完全反應就被再次破碎和打開，加上轉速升高縮短了膠料的混煉時間，在總體上硅烷偶聯反應程度有所降低，最終使白炭黑分散性有所下降。

（3）耐磨性能和動態力學性能。隨著下游連續混煉機轉子轉速的不斷升高，白炭黑分散性先降低后上升再降低，硫化膠的耐磨性能也呈現相同的趨勢，在理論上完全相符。

同時，隨著轉子轉速的升高，硫化膠0 ℃的tanδ值呈現先減小后增大再減小的趨勢。這是因為隨著轉速的提高，白炭黑分散性先降低后上升再降低，白炭黑粒子先團聚后分散再團聚，使膠料在動態形變下滯后損失先增大后減小再增大，生熱也呈現先增高后降低再增高的趨勢。此外，隨著轉子轉速的升高，硫化膠60 ℃的tanδ值呈現先增大后減小再增大的趨勢，這是因為隨著轉速的提高，膠料內部整體硅烷偶聯反應程度呈現先降低后升高再降低的趨勢。

當轉子轉速為30 r·min-1時，硅烷偶聯反應程度最高，對白炭黑粒子間的相互作用削弱最強，白炭黑與橡膠大分子鏈間纏結橋接程度最佳，從而起到有效的補強作用，使膠料在動態形變下的滯后損失最少、生熱最低、輪胎滾動阻力達到最小。

3 結論

采用串聯式連續混煉設備，在保證下游連續混煉機各段機筒控制溫度一定的條件下，通過改變下游連續混煉機的轉子轉速，研究轉速對膠料內部硅烷偶聯反應程度的影響。結果表明：在下游連續混煉機喂料段、混煉段、擠出段機筒控制溫度分別為145,135，125 ℃的條件下，當轉子轉速為30 r·min-1時，膠料停留時間為2.75 min，排膠溫度為154 ℃，膠料內部硅烷偶聯反應程度最高，白炭黑補強效果最好。