密煉機轉子強制冷卻工藝實驗研究

汪傳生，肖鑫鑫，許明輝，王祿銀，邊慧光*，王志飛

(1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.益陽橡膠塑料機械集團有限公司，湖南 益陽 413041)

0 前言

當進水溫度與密煉室內溫度相差越大時，越容易在密煉室的內表面上和轉子的外表面上形成“露水效應[1]”，如圖1。就像在寒冷的冬天，室內有暖氣時，在窗子玻璃內表面上(室內)形成的“冷凝水”一樣。

如果將轉子的冷卻系統設置為一個較低的溫度，密煉室設置一個較高的溫度，使密煉室和轉子之間形成一個較大的溫差，則會在轉子上發生露水效應，而密煉室壁保持正常。轉子與膠料之間摩擦系數小，容易發生較大的滑移，膠料與密煉室之間仍然黏連，轉子一側的膠料在轉子上的流動速度大于密煉室壁一側的膠料，這種不同步的流速使得膠料獲得了更大的拉伸撕扯效果，產生更大面積的新界面，促進填料進入橡膠基體[2]，并在轉子的剪切作用下分散于橡膠之中。

炭黑與橡膠之間具有較好的親和性，當混煉膠伸長時，被吸附的橡膠鏈段在炭黑表面發生滑移，通過緩解應力集中、產生鏈段取向和發生滯后損耗等方式阻礙橡膠的斷裂，從而起到補強作用[3~4]。而白炭黑的表面性質與炭黑不同，因此對橡膠材料的補強機理也發生了改變，而且白炭黑作為補強劑，能夠在不降低輪胎的耐磨性的情況下提高抗濕滑性、降低滾動阻力[5~7]。

白炭黑配方的膠料與炭黑配方的混煉過程也不同，需要有一定的反應式混煉過程，反應式混煉是指混煉過程中發生強烈的填料和填料或者是物料和填料之間的化學作用的一種混煉形式[8]。根據國內外學者的研究，白炭黑硅烷化反應最佳溫度為145~155 ℃，并在此溫度范圍內保持3~5 min。溫度對反應速率有較大影響，反應速率會隨著溫度的升高而增加，過低的混煉溫度會導致反應速率低，未硅烷化的白炭黑團聚嚴重；因此混煉過程需要保持高溫一段時間，而轉子低溫時勢必會影響膠料的整體溫度，影響反應式混煉的程度。

除此之外，硅烷化反應時還會生成乙醇和水[9]，這就使得白炭黑配方膠料在混煉時密煉室中的水蒸氣更多，露水效應更強烈。所以探究轉子與密煉室之間的溫差情況對于炭黑配方和白炭黑配方的膠料性能影響是有必要的。

本文通過設置三種不同的密煉室與轉子溫度搭配工藝，分別對炭黑和白炭黑配方的膠料進行混煉，并測試分析這三種工藝對于膠料加工性能、物理機械性能的影響，探究出炭黑配方和白炭黑配方的最佳混煉工藝。

1 實驗

1.1 主要原材料與配方

天然橡膠，STR20，泰國普吉宏曼麗（橡膠）有限公司產品；炭黑N234，卡博特（中國）投資有限公司；其他助劑均為市售橡膠工業常用原材料。

實驗配方一（質量份）：天然橡膠，100；炭黑N234，53.5；ZnO，3.5；硬脂酸，2；防老劑4020，1.5；增塑劑A，2；硫黃，1；TBBS，1.5。

實驗配方二（質量份）：天然橡膠，100；炭黑N234，38.5；SiO2，15；偶聯劑Si69,1.5；ZnO，3.5；硬脂酸，2；防老劑4020，2；增塑劑A，2；防老劑RD，1.5；微晶蠟，1；防焦劑CTP，0.3；硫磺，1；TBBS，1.3。

1.2 主要儀器和設備

開煉機，XK-160，青島佳匯源機械有限公司；平板硫化機，XLD-400X400X2，青島億朗橡膠裝備有限公司；門尼黏度儀，Premier MV，美國阿爾法公司；無轉子流變儀，MDR-C，美國阿爾法公司；萬能試驗機，Instron 3365，英斯特朗公司；橡膠動態分析儀，RPA2000，美國阿爾法公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 炭黑配方轉子溫度對比實驗

密煉機轉速50 r/min，實驗組轉子溫度分別為30 ℃和70 ℃（以下稱為冷芯與熱芯），密煉室溫度70 ℃（以下稱為熱殼），填充系數0.65；對照組轉子溫度設為50 ℃，密煉室溫度設為50 ℃（以下稱為傳統工藝），填充系數0.65。

將生膠加入密煉機，落上頂栓并開始計時→塑煉30 s→提栓加入小料和一半炭黑，落栓→混煉60 s→提栓加入另一半炭黑，落栓→混煉60 s→提栓排氣10 s后落栓→混煉至5 min排膠，測量排膠溫度→用開煉機下片，靜置至冷卻→加入硫化體系，打包6次后下片。

1.3.2 白炭黑配方轉子溫度對比實驗

實驗組冷芯熱殼轉子轉速為70 r/min，熱芯熱殼轉子轉速為50 r/min，轉子溫度分別為30 ℃和70 ℃，密煉室溫度70 ℃，填充系數0.65；對照組轉子轉速為70 r/min，轉子溫度設為50 ℃，密煉室溫度設為50 ℃，填充系數0.65。

將生膠加入密煉機，落上頂栓并開始計時→塑煉30 s→提栓加入小料和一半炭黑，落栓→混煉60s→提栓加入另一半炭黑和白炭黑，落栓→混煉60 s→提栓排氣10 s后落栓→混煉至6.5 min排膠，測量排膠溫度→用開煉機下片，靜置至冷卻→加入硫化體系，打包6次后下片。

2 結果和分析

2.1 混煉膠溫度

對于炭黑配方，冷芯熱殼工藝排膠溫度138 ℃，熱芯熱殼工藝排膠溫度為149 ℃，傳統工藝排膠溫度為111 ℃，實驗組所造成的這種溫差可能是在混煉過程中，由于冷芯熱殼工藝密煉機轉子初始溫度較低，且持續通冷卻水，會使膠料升溫速度減慢，在實驗過程中觀察膠料溫度也會發現溫升并不劇烈，同時，可能由于轉子溫度低，密煉室溫度高，導致少量水蒸氣在轉子表面凝結形成薄膜，減少膠料與轉子間的滑動摩擦，而密煉室壁一側，溫度較高，水蒸氣不易凝結，滑動摩擦劇烈也能使膠料得到充分混煉；而傳統工藝最低的排膠溫度可能是因為轉子和密煉室的冷卻水溫度均設為50 ℃，膠料與密煉室和轉子的貼合比較緊密，貼合情況相同，混煉產生的溫度不斷地被冷卻水帶走，所以排膠時會得到較低的溫度。

對于白炭黑配方，為保證硅烷化反應的進行，膠料須保持145 ℃混煉一段時間，冷芯熱殼工藝排膠溫度135 ℃，熱芯熱殼工藝排膠溫度為153 ℃。在混煉過程中，由于冷芯熱殼工藝密煉機轉子初始溫度較低，且持續通冷卻水，會使膠料初始升溫速度減慢，難以達到硅烷化反應溫度，故冷芯熱殼工藝不適合白炭黑配方的硅烷化反應，熱芯熱殼工藝比較適合白炭黑配方的硅烷化反應。在使用傳統工藝混煉時，由于與混煉炭黑配方時相同的原理，溫度被不斷地帶走，所以排膠溫度只有134 ℃，要達到硅烷化反應溫度則只能提高轉子轉速或者延長混煉時間來完成。

2.2 門尼黏度

門尼黏度反應了膠料的加工性能，門尼黏度越低，混煉膠的加工性越好，但門尼黏度過低說明膠料斷鏈過度，相對應的硫化膠機械性能也會下降。

對于炭黑配方，當混煉時間為5 min，在冷芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為54.57，在熱芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為59.17，前者的門尼黏度比后者低7.8%，顯然冷心熱殼工藝下混煉膠的加工性要好，在傳統工藝下，混煉膠門尼黏度為61.07，冷芯熱殼工藝門尼黏度比傳統工藝低10%，顯然冷芯熱殼工藝對比傳統工藝在門尼黏度上有一定優勢。

對于白炭黑配方，在冷芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為47.64，在熱芯熱殼工藝下，混煉膠門尼黏度為43.14，在傳統工藝下，混煉膠門尼黏度為45.09，熱芯熱殼工藝對比冷芯熱殼和傳統工藝門尼值分別低了9.4%和4.3%，可以看出在門尼黏度這一指標上，熱芯熱殼具有一定的優勢。

2.3 Payne效應

Payne效應是衡量填料網絡結構的重要指標，反應了填料分散的好壞，Payne效應越低說明填料分散的越好，填料分散程度對與硫化膠的物理機械性能有較大影響，通過ΔG'來表征Payne效應[10~11]。

如圖2，曲線1反應炭黑配方冷芯熱殼工藝下膠料的應變與儲能模量間的關系，曲線2反應炭黑配方熱芯熱殼工藝下膠料的應變與儲能模量間的關系，曲線3反應炭黑配方傳統工藝下膠料的應變與儲能模量間的關系，用于表征Payne效應。

通過對比ΔG1'、ΔG2'和ΔG3'發現冷芯熱殼工藝下的混煉膠Payne效應要比熱芯熱殼工藝低25.4%，比傳統工藝要低5.2%，說明冷芯熱殼工藝有利于膠料的混煉，能夠有效減少因滑動摩擦造成的膠料流動遲滯導致的局部死區，加強配合劑在混煉膠中的分散。

如圖3，曲線4反應白炭黑配方冷芯熱殼工藝下膠料的應變與儲能模量間的關系，曲線5反應白炭黑配方熱芯熱殼工藝下膠料的應變與儲能模量間的關系，曲線6反應白炭黑配方傳統工藝下膠料的應變與儲能模量間的關系用于表征Payne效應。

通過對比ΔG4'、ΔG5'和ΔG6'發現熱芯熱殼工藝下的混煉膠Payne效應要比冷芯熱殼工藝低23.8%，比傳統工藝低13.7%，對比相同情況下炭黑配方膠料的Payne效應表現，猜測在冷芯熱殼工藝下轉子的狀態可能不利于白炭黑的分散，對比冷芯熱殼、熱芯熱殼和傳統工藝三者在轉子溫度上的差異可以猜測，可能轉子溫度對于白炭黑體系的填料分散影響更大，較高的轉子溫度更有利于白炭黑體系的填料分散。

2.4 硫化特性

表1反映炭黑配方混煉膠冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統工藝下的硫化特性?？梢钥闯隼湫緹釟すに囅翸L最小，膠料流動性可能最好，MH較熱芯熱殼大，表征的模量和硬度可能最大，MH-ML最大，交聯密度最高，T10焦燒時間較熱芯熱殼大，加工安全性更好，T90正硫化時間最長。

表1 轉子不同溫度對比試驗炭黑配方膠料硫化特性

表2反映白炭黑配方混煉膠冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統工藝下的硫化特性。可以看出熱芯熱殼工藝下ML最大，膠料流動性差一些，MH數值居中，表征的模量和硬度介于其他兩種工藝之間，MH-ML也居中，交聯密度介于其他兩種工藝之間，T10焦燒時間適中，加工安全性較好，T90正硫化時間最長。

表2 轉子不同溫度對比試驗白炭黑配方膠料硫化特性

2.5 物理性能

表3反映炭黑配方冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統工藝下多組硫化膠片拉伸強度、定伸300%/定伸100%和撕裂強度的平均值。冷芯熱殼工藝下的硫化膠片拉伸強度、定伸300%/定伸100%和撕裂強度要比熱芯熱殼高3.4%、3.2%和20.1%，比傳統工藝高2.8%、5%、9.1%，這說明冷芯熱殼工藝能夠有效減少因滑動摩擦造成的膠料流動遲滯導致的局部死區，加強配合劑在混煉膠中的分散，增強混煉膠物理性能和穩定性，使填料具有更好的補強效果。表4反映白炭黑配方冷芯熱殼和熱心熱殼與傳統工藝下多組硫化膠片拉伸強度、定伸300%/定伸100%和撕裂強度的平均值。熱芯熱殼工藝下的硫化膠片拉伸強度、撕裂強度、定伸300%/定伸100%比冷芯熱殼高5.1%、15.6%和 2.7%；比傳統工藝高4%和7%，7.3%。這說明熱芯熱殼工藝促進了膠料溫升，更容易達到硅烷化反應溫度，白炭黑與橡膠分子鏈間通過硅烷偶聯劑連接過程迅速，反應效率高，對硫化膠的物理性能提升較大。

表3 轉子不同溫度對比實驗炭黑配方膠料物理性能

表4 轉子不同溫度對比實驗白炭黑配方膠料物理性能

3 結論

（1）對于炭黑配方，冷心熱殼工藝比熱心熱殼工藝下的混煉膠排膠溫度低11 ℃，轉子通冷卻水溫度低，減少能耗，比傳統工藝混煉膠排膠溫度高27 ℃，在提高了能耗的情況下得到了更好的膠料性能；冷芯熱殼工藝混煉膠門尼黏度比熱芯熱殼低7.8%，比傳統工藝低10%，所以有更好的加工性；冷芯熱殼工藝混煉膠Payne效應比熱芯熱殼工藝低25.4%，比傳統工藝低5.2%，填料有更好的分散；冷芯熱殼對比其他兩種工藝具有更好的硫化特性；冷芯熱殼工藝硫化膠拉伸強度和撕裂強度比熱芯熱殼高3.4%和20.1%，比傳統工藝高2.8%和9.1%，同時定伸300%/定伸100%更高，是因為冷芯熱殼工藝能夠有效減少因滑動摩擦造成的膠料流動遲滯導致的局部死區，加強配合劑在混煉膠中的分散，增強混煉膠物理性能和穩定性，使填料具有更好的補強效果。所以，采用冷芯熱殼工藝有利于混煉膠各方面性能的提升。

（2）對于白炭黑配方，由于相同轉速下冷芯熱殼工藝比熱芯熱殼工藝達到硅烷化反應最佳溫度要慢，所以需要提高轉子轉速，或者混煉時間要更長，能耗更多，且轉子的低溫和高轉速搭配難以控制合適的溫度，很難平穩的保持在硅烷化反應溫度下，白炭黑與橡膠分子鏈間通過硅烷偶聯劑連接過程遲滯，反應效率低，進一步影響了混煉膠的物理性能，在轉子轉速提高的情況下填料分散效果并不好，比熱芯熱殼和傳統工藝分別低21%和9.5%，也沒有更為突出的硫化性能，拉伸強度和撕裂強度要比熱芯熱殼低1.2%和13.5%。所以比較來看，熱芯熱殼比冷芯熱殼工藝更適用于白炭黑配方的橡膠混煉。