串聯(lián)密煉機(jī)恒溫混煉工藝性能的研究

劉華龍，叢明輝，王婷婷，孫慶江，董凌波，關(guān)金朝

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

在輪胎生產(chǎn)過(guò)程中，混煉膠質(zhì)量至關(guān)重要，在整個(gè)輪胎生產(chǎn)工藝流程中膠料混煉耗電占比較大，因此如何提高膠料混煉質(zhì)量、降低能耗是膠料混煉技術(shù)研究中的重要課題。相對(duì)于傳統(tǒng)單密煉機(jī)，膠料在串聯(lián)密煉機(jī)的上密煉機(jī)中完成混煉后不經(jīng)過(guò)降溫過(guò)程直接排入下密煉機(jī)中繼續(xù)混煉，降低了膠料中轉(zhuǎn)及降溫冷卻過(guò)程中的人力成本和能源消耗。目前使用嚙合轉(zhuǎn)子的串聯(lián)密煉機(jī)的上下密煉機(jī)均能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變轉(zhuǎn)速恒溫混煉，提高混煉膠混煉均勻性和混煉程度[1-6]，但是目前對(duì)串聯(lián)密煉機(jī)的變轉(zhuǎn)速恒溫混煉工藝性能研究較少。

本工作通過(guò)對(duì)IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)的恒溫混煉與恒轉(zhuǎn)速混煉工藝性能進(jìn)行對(duì)比，研究串聯(lián)密煉機(jī)的混煉工藝性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），20＃標(biāo)準(zhǔn)膠，馬來(lái)西亞產(chǎn)品；炭黑，山東貝斯特有限公司產(chǎn)品；白炭黑，山東聯(lián)科科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

試驗(yàn)采用公司全鋼載重子午線輪胎0°帶束層膠料（編號(hào)為JL），配方主要組分為NR、炭黑和白炭黑。

1.3 主要設(shè)備和儀器

IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)，德國(guó)克虜伯公司產(chǎn)品；BB270型密煉機(jī)，日本神戶制鋼公司產(chǎn)品；MV-3000型門尼粘度計(jì)和TS-2000M型電子拉力機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析（RPA）儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品；401B型老化試驗(yàn)箱，江都試驗(yàn)機(jī)械廠產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

母煉膠采用IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)混煉（IM550E和IM1000ET密煉機(jī)的功率分別為2 550和1 500 kW，均采用嚙合PES5型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子速比均為1∶1），具體混煉工藝方案如下。

（1）JL-1編號(hào)膠料混煉，恒轉(zhuǎn)速混煉過(guò)程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，恒溫混煉過(guò)程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為5～50 r·min-1。一段混煉工藝為：上密煉機(jī)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℃→排膠至下密煉機(jī)→下密煉機(jī)恒溫155 ℃，保持180 s→排膠；二段混煉工藝為：上密煉機(jī)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(jī)→下密煉機(jī)恒溫155 ℃，保持140 s→排膠。三段混煉工藝同二段混煉。

（2）JL-2編號(hào)膠料混煉，恒轉(zhuǎn)速混煉過(guò)程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，恒溫混煉過(guò)程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為5～50 r·min-1。一段混煉工藝為：上密煉機(jī)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150℃后恒溫，保持150 s→排膠至下密煉機(jī)→下密煉機(jī)恒溫150 ℃，保持330 s→排膠；二段混煉工藝同一段混煉。

在介紹紅色文化的名人時(shí)，在英譯版本中省略了名人們的“字”。“字”，也稱“表字”，是一個(gè)人的名字的注解、補(bǔ)充和延伸。在省博物館里面有很多類似的表達(dá)，比如“胡漢民（1879-1936），字展堂”，“梁延相（1796-1861），字章冉”，“張蔭桓（1837-1900），字樵野”等。但是，考慮到中外文化差異，“字”是中國(guó)人特有的，而外國(guó)人沒(méi)有，所以不必譯出。

終煉采用BB270型密煉機(jī)混煉，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，混煉工藝為：加母煉膠→升溫至125 ℃→排膠至開(kāi)煉機(jī)→加硫化體系→搗膠→排膠。

1.5 性能測(cè)試

（1）RPA測(cè)試條件：終煉膠應(yīng)變掃描，溫度100 ℃，應(yīng)變范圍 0.7%～100%，頻率 1.67 Hz。

（2）DMA測(cè)試條件：硫化膠溫度掃描，溫度范圍 30～80 ℃，動(dòng)態(tài)應(yīng)變 5%，靜態(tài)應(yīng)變 10%，頻率 10 Hz。

（3）膠料其他性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 生產(chǎn)效率和能耗

2.1.1 生產(chǎn)效率

JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉時(shí)間對(duì)比如表1所示。

表1 JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉時(shí)間對(duì)比 s

2.1.2 能耗

JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉能耗對(duì)比如表2所示。

表2 JL-1與JL-2兩種母煉膠混煉能耗對(duì)比

從表2可以看出，JL-1母煉膠增加第三段148 s的恒轉(zhuǎn)速混煉產(chǎn)生的能耗為372.7 kJ·kg-1，JL-2母煉膠一段混煉過(guò)程中增加的150 ℃×150 s恒溫混煉帶來(lái)的能耗增加為162.3 kJ·kg-1，增加恒溫混煉比增加一段恒轉(zhuǎn)速混煉的能耗降低56%，但JL-2母煉膠混煉總能耗比JL-1母煉膠減小16%，這主要是因?yàn)镴L-2母煉膠兩段式混煉比JL-1母煉膠三段式混煉減少1段破膠升溫帶來(lái)的能耗。

2.2 膠料性能

2.2.1 門尼粘度

JL-1與JL-2兩種膠料門尼粘度對(duì)比如表3所示。

表3 JL-1與JL-2兩種膠料門尼粘度對(duì)比

從表3可以看出，在相同混煉工藝下，JL-1和JL-2的二段混煉分別降低門尼粘度21和18，JL-1的三段混煉降低門尼粘度12。從表2可以看出，JL-1和JL-2二段混煉及JL-1三段混煉的能耗分別為379.0，387.1和372.7 kJ·kg-1，由此可見(jiàn)，其降低單位門尼粘度消耗的能量分別為18，22和31 kJ·kg-1。這可能是因?yàn)樵谙嗤幕鞜捁に囅拢S著混煉段數(shù)的增加，母煉膠門尼粘度下降，NR分子鏈變短，密煉機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)NR分子鏈的剪切作用變?nèi)酰T尼粘度下降速度慢，同時(shí)降低單位門尼粘度的能耗急劇上升。JL-2與JL-1一段母煉膠門尼粘度差為8，能耗差為162.3 kJ·kg-1，則降低單位門尼粘度消耗的能量為20 kJ·kg-1，降低單位門尼粘度的能耗比JL-1混煉低33%；JL-1和JL-2終煉膠的

門尼粘度分別為55和61，JL-2終煉膠的門尼粘度增大11%，而總能耗減小16%。

2.2.2 物理性能

JL-1與JL-2兩種膠料物理性能對(duì)比如表4所示。

表4 JL-1與JL-2兩種膠料物理性能對(duì)比

從表4可以看出，老化前JL-1膠料的物理性能略好于JL-2膠料，而老化后JL-2膠料的物理性能略好。這表明相比增加1段母煉膠混煉，增加150℃×150 s變轉(zhuǎn)速恒溫混煉工藝對(duì)膠料物理性能影響不大，甚至可以改善膠料的耐老化性能。

2.2.3 鋼絲粘合性能

使用JL-1和JL-2兩種膠料進(jìn)行鋼絲簾線（規(guī)格為3×0.20＋6×0.35HT）覆膠制樣，H抽出力測(cè)試結(jié)果分別為1 010和1 126 N。

由此可見(jiàn)，JL-2膠料的鋼絲抽出力大于JL-1膠料，表明增加恒溫混煉工藝有利于膠料中配合劑的分散和反應(yīng)，增強(qiáng)了膠料的鋼絲粘合性能。

2.2.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

取JL-1與JL-2兩種終煉膠進(jìn)行RPA測(cè)試，得到在0.7%～100%應(yīng)變范圍內(nèi)儲(chǔ)能模量的下降幅度（ΔG′）；取兩種硫化膠進(jìn)行DMA測(cè)試，得到60 ℃下?lián)p耗因子（tanδ），結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，在0.7%～100%應(yīng)變范圍內(nèi)，JL-1和JL-2兩種膠料的ΔG′分別為235和277 kPa，根據(jù)Payne效應(yīng)[7]，JL-1膠料的炭黑分散性好于JL-2膠料。這表明增加恒溫混煉工藝對(duì)炭黑的分散作用不如增加1段恒轉(zhuǎn)速混煉工藝，但可以提高配合劑的混煉均勻性和反應(yīng)程度。

表5 JL-1與JL-2兩種膠料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)比

從表5還可以看出，JL-1與JL-2兩種膠料60 ℃下tanδ相同，表明增加相同時(shí)間的恒溫混煉工藝與增加1段母煉膠混煉生產(chǎn)膠料滯后損失和生熱基本一致[8]。

3 結(jié)論

與恒轉(zhuǎn)速混煉工藝相比，IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)在相同混煉時(shí)間內(nèi)恒溫混煉工藝具有以下特點(diǎn)。

（1）減少混煉段數(shù)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率5%，能耗下降56%，降低單位門尼粘度能耗下降33%，母煉膠混煉總能耗下降16%。

（2）終煉膠門尼粘度降低11%，炭黑分散性下降，膠料的定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率等物理性能略有下降，但老化后物理性能提高，膠料與鋼絲簾線的粘合性能提高，滯后損失和生熱相當(dāng)。