橡膠混煉質量的影響因素及改進方法

唐 帆，聶衛云，路麗珠

（1.安徽世界村新材料有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽世界村智能裝備有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

橡膠混煉指充分利用煉膠機的機械作用，實現各種配合劑（如促進劑、補強劑、填充劑、硫化劑等，下同）與橡膠之間均勻混合而形成混煉膠的過程。該過程為橡膠加工的重要程序，混煉膠質量對于其進一步深加工及橡膠制品的質量具有十分重要的影響。橡膠混煉主要包括膠料混入、分散、混合、塑化4個階段，在了解各種配合劑的性質及相互作用方式的條件下，采用合理的添加順序，使其在橡膠中分散均勻，可為混煉膠通過模壓或擠出等方式生產橡膠制品奠定基礎。

橡膠混煉過程中可能出現各種各樣的問題（如焦燒、噴霜等），使壓延、擠出、硫化等后續工序難以正常進行，同時易導致橡膠制品性能下降并且不穩定。研究發現，混煉工藝和混煉設備直接影響橡膠混煉質量，影響因素主要包括混煉速度、溫度、噴射壓力、混煉設備結構和加工效率等[1-2]。

1 混煉工藝

一般情況下，如果混煉已經實現各種配合劑與橡膠之間的均勻分散，同時混煉膠本身也具備較好的可塑性，可以滿足后續加工的需求，繼續混煉其性能變化并不明顯，甚至會因為過度混煉而導致混煉膠性能出現一定程度的降低。因此，要得到性能最佳的混煉膠，混煉速度和溫度等是需要考慮的重點因素，混煉的生產效率、能耗的損失等都受二者影響[3]。

1.1 高速混煉工藝

美國的F.H.Banbury于1916年研發出本伯里型密煉機，其具有混煉快速、高效、安全、環保、自動化、連續化、產能高等特點，因其優于傳統開煉機而得到推廣應用與快速發展，至今仍為橡膠混煉的重要設備，被廣泛應用于橡膠制品的規模化生產。

橡膠原材料價格持續上漲、人工成本越來越高，環保要求也越來越嚴格。橡膠行業需要尋求相應的方法來實現混煉膠產能和效率的提高及成本的降低[4]。為實現該目標，國內外橡膠企業亟需加快研發更高效的混煉設備及與其相配合的混煉工藝。

近年來，國外很多橡膠企業逐步將其開發出的高速或超高速混煉技術和設備應用于實際生產中，如美國固特異公司、日本普利司通公司等已經將其開發的高速（60或80 r·min-1）混煉工藝應用于輪胎等產品的混煉工序中[4]，該工藝需要與日本神戶制鋼公司開發的BB系列密煉機相配合。

目前我國混煉工藝以中速（40～50 r·min-1）為主，該工藝需要在低溫條件下進行較長時間的混煉。根據橡膠混煉機理，混煉膠的性能直接受到密煉機實際消耗能量的影響。在保持密煉機實際消耗能量一定的情況下，可以采用在高溫條件下短時間內或在低溫條件下長時間內完成混煉。孫茂忠等[5]采用BB430型密煉機及其獨特的6WI轉子機械元件，在橡膠和配合劑等組分用量一定的情況下，以高速（50～60 r·min-1）混煉工藝進行加工，混煉膠的分散性和加工性能更為優異，與傳統混煉工藝混煉膠相比，高速混煉工藝混煉膠的流變性能穩定性較好，加工效率提高20%～27%。

1.2 變速混煉工藝

在橡膠混煉中，密煉機轉子轉速問題一直存在爭議。美國主張密煉機轉子轉速應該向高速方向發展，如美國生產的密煉機轉子轉速可達80 r·min-1；日本則主張密煉機轉子轉速宜較低，最好不要超過40 r·min-1。密煉機都采用調速電機[6]，這樣可以根據不同的配方、工藝條件及混煉階段隨時調整轉子轉速，從而達到優化混煉的效果。

為研究同步轉子密煉機混煉中不同變速混煉工藝對膠料性能的影響，邊慧光等[7]綜合比較了4種生產方案混煉膠的性能，得到一種混煉消耗功率較小且硫化膠物理性能較好的變速混煉工藝。該工藝初始混煉時采用高速混煉，有利于生膠的快速吃入，然后采用中等轉速混煉，可以使配合劑在膠料中分散均勻，最終采用較低速混煉，使前段因高速混煉累積的溫度降低，同時有利于提高膠料的混煉均勻性。對比勻速混煉，這種快速吃料、中速分散、低速均勻分布的變速混煉模式能夠解決高轉速導致生熱量大從而使混煉膠性能下降的問題，混煉膠質量穩定，且混煉過程中消耗的能量比勻速混煉低。

1.3 低溫一次法混煉工藝

目前混煉工藝主要有傳統的兩段或多段式混煉工藝和低溫一次法混煉工藝[8-9]。

低溫一次法混煉工藝是基于輪胎的安全性和使用壽命需求而設計的，配合開發整套的工藝裝備，實現以密煉機進行橡膠和配合劑混合與以開煉機加硫相結合的低溫一次法混煉。其工藝流程為：先將生膠、操作油及小料在密煉機中進行高溫混煉，然后借助下輔機進行迅速冷卻，最后通過開煉機加硫系統（串聯或并聯布置）進行連續低溫混煉、壓片得到混煉膠。低溫一次法混煉工藝是煉膠工藝的一次重大突破，強化了混煉的機械剪切作用，且大大弱化了高溫氧化裂解對膠料質量的影響，但下輔機后續的煉膠過程中的能耗和人工成本還有待改善。

與傳統混煉工藝混煉膠相比，低溫一次法混煉工藝混煉膠的質量顯著提高，不會因為中間環節對膠料造成污染，每噸膠料消耗能量降低15%～20%，簡化了生產工序，自動化程度顯著提高，勞動強度降低，生產效率為傳統混煉工藝的150%～200%，促進了我國橡膠工業的節能減排。

1.4 濕法混煉工藝

濕法混煉是將配合劑預先加工制成水分散體，然后將其與膠乳均勻混合，依次經過凝聚、脫水、干燥等工序制備混煉膠[10]。其中關鍵技術包括膠乳預處理、配合劑水分散體的制備、二者的混合、分散、絮凝及干燥等。其中最關鍵的技術是將膠乳中的生膠與配合劑均勻混合。通過高壓噴射霧化可使配合劑更好地進入橡膠分子鏈中，在高壓噴射霧化過程中，配合劑聚集體被打散，形成比表面積較大的小顆粒，同時依靠摩擦及氣體振動波的共同作用，膠乳的最外層保護層被破壞，進而使二者更好地結合。

為了研究濕法混煉的噴射壓力對混煉膠性能的影響，邊慧光等[11]將自主研發的高壓噴射霧化裝置應用到橡膠濕法混煉中，大量試驗對比表明，噴射壓力對于天然橡膠/白炭黑濕法混煉膠的性能存在一定的影響；噴射壓力為1.5 MPa左右時白炭黑在橡膠中的分散效果最好，硫化膠的耐磨性能等也更好；在溫度為40～60 ℃、噴射壓力為1.5 MPa左右時，膠料的滾動阻力更低。

1.5 干冰輔助白炭黑膠料混煉

輪胎膠料中需添加一定比例的炭黑進行補強。研究發現，炭黑補強輪胎的抗撕裂及抗濕滑性能較差，生熱較高。由于各國陸續出臺輪胎標簽法等法規并開始關注綠色輪胎，白炭黑作為炭黑的替代品得到大量應用。但是，由于白炭黑粒徑更小、比表面積更大而易團聚，并且其親水性較強，難以與橡膠均勻混合，在使用之前需要進行表面改性[12-13]。

目前主要通過白炭黑與硅烷進行偶聯反應來削弱團聚效應，促使其在橡膠中更好地分散[14]。白炭黑均勻分散于橡膠中可以大大改善輪胎的抗撕裂性能、抓著性能及抗濕滑性能，降低輪胎滾動阻力等[15]。由于偶聯反應需在一定溫度下進行，而傳統混煉設備難以很好地控制混煉溫度，白炭黑的最終分散效果會受到影響。

汪傳生等[16]為了控制混煉溫度的上升速率，改善白炭黑的分散效果，在混煉中創造性地引入干冰。干冰為固態的二氧化碳，其在常溫條件下可以吸收大量熱量而變成無色、無毒、無味的二氧化碳氣體，使環境溫度快速下降。充分利用干冰的這種物理變化，嘗試將干冰引入混煉過程，混煉產生的大量熱量被干冰吸收，從而可以控制混煉的升溫速率，延長偶聯反應時間，進而促進白炭黑在橡膠中均勻分散，提高混煉膠的綜合性能和混煉效率，節能且環保。由于干冰吸熱后變成二氧化碳氣體，不會殘留在混煉膠中，對混煉膠性能不會造成影響。

此外，部分學者對橡膠混煉的投料順序等方面做了研究，認為橡膠、小料、填料同時加入的混煉工藝具有較好的混煉效果[17]。

2 混煉設備

混煉設備歷經開煉機、密煉機、連續混煉機等階段的不斷改進，無論在容量、效率還是自動化程度等方面都得到有效改善。目前，對混煉設備內部結構和加工效率等方面的研究仍在持續進行。

2.1 混煉室涂層

混煉設備的混煉室主要包括壓砣的底部、卸料門的頂部和端面及機械元件（如轉子）等。混煉中加入炭黑、白炭黑等補強劑會造成混煉室的磨損，因為添加填充炭黑或白炭黑等補強劑后，反應過程中會產生酸（如鹽酸或硫酸等），酸通過金屬表面的細小裂紋進入設備中，從而造成設備腐蝕損壞。同時酸會影響白炭黑與硅烷的偶聯反應，進而影響白炭黑在橡膠中的均勻分散。

為了減緩或消除混煉設備的磨損及腐蝕，通常在膠料可以接觸到的設備表面進行涂層點焊，以延長混煉設備的使用壽命。然而在使用中發現，硫化劑及偶聯反應所生成的乙醇及水等物質也會導致涂層被腐蝕和磨損。因此亟需尋找一種抗腐蝕且耐磨性能更好的新型硬質涂層材料，同時在涂層點焊加工中需特別注意焊接的密封性。

黃元昌[18]通過試驗對比了多種材料的耐磨性、耐腐蝕性、點焊及加工裂紋、鉻鍍層強度等，發現一種具有鉻鍍層的新型硬質材料綜合性能最佳，可用于白炭黑及炭黑膠料的混煉設備涂層，具有優異的耐磨和耐腐蝕性能，同時其點焊加工過程不會產生細小的裂紋。該涂層材料不僅可以減少混煉膠在混煉室內表面的附著，而且具有極佳的吸收震動性能，有效杜絕了設備中細小裂紋的繼續擴展，延長了設備的使用壽命，使設備的外觀更加美觀。

混煉設備涂層的良好焊接雖然可以延長設備的使用壽命，但不能完全杜絕設備被腐蝕和磨損。尤其在白炭黑用量很高的情況下，白炭黑對混煉室及轉子等元件的磨損性更加嚴重，大大縮短了設備的使用壽命，因此需要針對混煉室涂層的新材料及工藝進行長期研究，以針對使用需求選擇相應的涂層材料與工藝，盡可能地延長設備的使用壽命。

2.2 外加超聲波輔助混煉

橡膠制品的種類越來越多，性能要求也越來越高。依靠傳統單一混煉設備制得的混煉膠因存在配合劑分散不均等問題，在一定程度上限制了其在高性能橡膠制品中的應用。通過優化混煉工藝參數（如延長混煉時間、加快轉子轉速等）可以提高配合劑的分散均勻性，但同時在很大程度上降低了生產效率，增加了能量損耗，進而大大增加了生產成本[19-22]。

汪傳生等[23]研究了外加超聲波輔助橡膠混煉，將超聲波引入橡膠混煉過程，借助超聲波獨特的高頻振動，使配合劑大顆粒破碎，同時也阻止破碎的配合劑顆粒之間發生團聚，使配合劑均勻分散，縮短混煉時間，提高混煉質量。若超聲波功率過高，其作用在混煉膠上的能量會達到極值，導致橡膠發生一定程度的降解，從而降低混煉膠的性能。試驗得出：超聲波的最佳功率為500 W；若超聲波對于混煉膠的作用時間太短，其對于混煉膠性能的增強效果不明顯；當超聲波功率一定時，混煉膠性能隨超聲波作用時間的延長而顯著改善；當超聲波作用時間超過150 s時，混煉膠性能開始下降，超聲波的最佳作用時間為150 s。

外加超聲波輔助橡膠混煉對于實現節能減排、綠色環保和可持續發展，進而改進橡膠混煉技術具有深遠的意義。

3 結語

本工作通過分析橡膠混煉質量的影響因素，總結了幾種提高橡膠混煉質量的方法。

（1）改善混煉工藝如采用高速或變速混煉工藝、低溫一次法混煉工藝等可以提高混煉膠性能的穩定性和生產效率。

（2）調整濕法混煉噴射壓力，在白炭黑膠料混煉過程中加入干冰，外加適當功率及時間的超聲波作用輔助混煉可以提高配合劑的分散性和混煉膠的綜合性能。

（3）對混煉設備內表面進行良好的涂層點焊，可以延長混煉設備的使用壽命，提高生產效率。