IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機在全鋼載重子午線輪胎生產線中的應用

劉華龍，崔 曉，宮 璐，孫慶江，董凌波

（三角輪胎股份有限公司 威海華茂橡膠科學技術分公司，山東 威海 264200）

混煉膠的性能和質量穩定性在輪胎生產工藝過程中極其重要，傳統混煉工藝多數膠料混煉段數控制在2—5段，膠料中轉及降溫冷卻會增加一定的人力成本和能源消耗。串聯密煉機混煉方式提供了新的工藝思路，上密煉機在工作時下密煉機可補充混煉上一車膠料，提高了膠料混煉均勻性和混煉程度；另外設定恒溫混煉時間，可為膠料提供一個恒溫反應場所，并且不損失生產效率[1]。當前我公司在密煉機下輔線安裝可以自動輸入、自動混煉硫黃和促進劑等終煉小料的開煉機，實現了部分配方膠料由原材料一段性混煉成終煉膠。膠料減段生產可降低能耗，減少場地浪費，符合當下自動化、綠色化輪胎生產要求[2-4]。

目前對于德國克虜伯公司的IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機（IM550E為上密煉機、IM1000ET為下密煉機）在全鋼載重子午線輪胎生產線中的應用研究較少，本工作通過與國內使用的較為先進的日本神戶制鋼公司的BB620大型傳統密煉機進行綜合對比，對IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機工藝性能進行分析與討論。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），20#標準膠，泰國進口產品；炭黑，山東貝斯特有限公司產品；沉淀水合二氧化硅（白炭黑），山東聯科科技股份有限公司產品。

1.2 配方

試驗采用公司全鋼載重子午線輪胎0°帶束層膠料（JL），配方主要組分為：NR 100，炭黑 45，白炭黑 10。

1.3 主要設備和儀器

IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機，德國克虜伯公司產品；BB270型和BB620型密煉機，日本神戶制鋼公司產品；MV-3000型門尼粘度計和TS-2000M型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析（RPA）儀，美國阿爾法科技有限公司產品；401B型老化試驗箱，江都試驗機械廠產品。

1.4 混煉工藝

（1）采用BB620型密煉機混煉2車膠料，編號為JLA-1和JLA-2，45 r·min-1恒轉速混煉。一段混煉工藝為：NR和小料→壓壓砣10 s→炭黑和白炭黑→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃→排膠；二段混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃→排膠。

（2）采用IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機混煉2車膠料，編號為JLB-1和JLB-2，恒轉速混煉過程轉速為50 r·min-1，恒溫混煉過程轉速為5～50 r·min-1。一段混煉工藝為：上密煉機加NR、小料、炭黑和白炭黑→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃后恒溫，保持40 s→排膠至下密煉機→下密煉機恒溫155 ℃，保持180 s→排膠；二段混煉工藝為：上密煉機加一段混煉膠→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃→排膠至下密煉機→下密煉機恒溫155 ℃，保持140 s→排膠。

（3）采用BB270型密煉機終煉，轉速為25 r·min-1。混煉工藝為：二段混煉膠→升溫至125℃→排膠至開煉機→加硫化體系→搗膠→排膠。

1.5 性能測試

RPA測試條件：對終煉膠進行應變掃描，溫度100 ℃，應變范圍 0.7%～100%，頻率 1.67 Hz。

膠料其他性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 生產效率

密煉機主要設備參數如表1所示。

表1 密煉機主要設備參數對比

從表1可以看出，IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機轉子形式為嚙合PES5，BB620型密煉機轉子形式為剪切4WH，串聯密煉機的有效容量比BB620型密煉機小30%左右，即單車產量相對較小。

兩種密煉機單車混煉時間對比如表2所示。

表2 兩種密煉機單車混煉時間對比 s

從表2可以看出，串聯密煉機一段混煉用時比BB620型密煉機長30 s，生產效率低12.5%，二段混煉用時短5 s，生產效率高3.1%。串聯密煉機一段混煉時間較長的原因主要是嚙合PES5轉子吃粉較慢，上密煉機為保證膠料混煉均勻性增加了40 s恒溫混煉工藝；二段混煉時間較短的主要原因是嚙合PES5轉子冷卻效果較好[5-6]，升溫相對平緩，生產中設置了密煉機最高轉速，使混煉時間略短。

2.2 膠料性能

2.2.1 門尼粘度

JLA-1，JLA-2，JLB-1和JLB-2四組混煉膠的門尼粘度對比如表3所示。

表3 膠料門尼粘度對比

從表3可以看出：JLB一段混煉膠平均門尼粘度比JLA一段混煉膠高14.5，串聯密煉機一段混煉膠平均門尼粘度高19.3%；JLB和JLA二段混煉膠平均門尼粘度分別比一段混煉膠下降了25和19，串聯密煉機二段混煉膠平均門尼粘度下降幅度增大31.6%。這可能是因為一段混煉過程中串聯密煉機的嚙合轉子對NR分子鏈的剪切作用小、擠壓作用強[7-8]，NR分子鏈機械剪切斷裂較少，而在二段混煉階段密煉機的155 ℃恒溫混煉工藝中，NR分子鏈因熱氧反應斷裂較多，造成門尼粘度下降快。

2.2.2 物理性能

膠料物理性能對比如表4所示。

從表4可以看出，JLB膠料的邵爾A型硬度、100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率基本高于JLA膠料，老化后的物理性能下降幅度與JLA膠料基本相同。

表4 膠料物理性能對比

結合表3可以看出，在混煉過程中，BB620型密煉機剪切4WH轉子的剪切作用強于IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機嚙合PES5轉子，機械剪切造成的NR分子鏈斷裂增加，膠料的物理性能損失較大。

2.2.3 鋼絲簾線粘合性能

使用JLA和JLB膠料進行鋼絲簾線覆膠制樣，抽出力和剝離強度測試結果如表5所示。

表5 膠料鋼絲簾線粘合性能對比

從表5可以看出，JLB膠料鋼絲簾線抽出力和剝離強度均大于JLA膠料，這表明串聯密煉機的恒溫混煉工藝可以提高配合劑的混煉均勻性和反應程度，改善了膠料的鋼絲簾線粘合性能。

2.2.4 動態力學性能

取JLA和JLB終煉膠試樣分別進行RPA測試，結果如圖1和2及表6所示，G′為儲能模量，tanδ為損耗因子。

表6 終煉膠動態粘彈性對比

從圖1可以看出，JLB膠料的G′明顯大于JLA膠料，在0.7%～100%應變范圍內，JLB-1和JLB-2膠料的G′下降幅度（ΔG′）分別為274.54和266.29 kPa，JLA-1和JLA-2膠料的ΔG′分別為170.33和164.25 kPa，JLA膠料的G′降幅較小，根據Payne效應[9]，JLB膠料的炭黑分散性不如JLA膠料。

圖1 終煉膠的G′-應變曲線

從圖2可以看出，JLA膠料的tanδ明顯高于JLB膠料[10-11]，JLB膠料的炭黑分散性不如JLA膠料，這表明串聯密煉機在恒轉速混煉過程中嚙合PES5轉子對炭黑分散作用不如剪切4WH轉子，而在恒溫混煉過程中串聯密煉機主要是靠熱氧反應斷裂NR分子鏈，以降低膠料的門尼粘度，提高配合劑的混煉均勻性與反應程度，但是對炭黑的分散作用較小。

圖2 終煉膠的tanδ-應變曲線

從表6可以看出，在100 ℃、相同應變下兩車JLB終煉膠之間的G′和tanδ的差值比兩車JLA膠料小，這表明兩車JLB膠料的加工性能基本一致，即串聯密煉機生產膠料的質量穩定可靠，再現性高。

3 結論

相對于BB620型密煉機，IM550E/IM1000ET重型串聯密煉機的混煉工藝性能具有以下特點。

（1）嚙合PES5轉子對NR分子鏈機械剪切斷裂作用弱，但高溫、恒溫混煉工藝對NR分子鏈熱氧斷裂作用強，在一定程度上彌補了剪切作用降低、膠料門尼粘度效果差的缺點，混煉增段效率高、降低門尼粘度效果好，但存在混煉炭黑分散性略差的缺點。

（2）高溫、恒溫混煉工藝有利于配合劑的分散與反應，提高了膠料的100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率等物理性能，增強了膠料與鋼絲簾線的粘合性能。

（3）生產膠料質量穩定性高。