第4章　橡膠加工工藝實(shí)驗(yàn)

生膠塑煉工藝實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解塑煉的目的、塑煉膠的要求、塑煉設(shè)備和塑煉機(jī)理，掌握天然橡膠的開煉機(jī)塑煉操作方法和工藝要求。

4.1　生膠的塑煉工藝

在橡膠加工過程中，對生膠的可塑性是有一定要求的。而有些生膠彈性很高、黏度很高、缺乏基本的、必需的工藝性能——良好的可塑性，為了滿足工藝的要求，必須進(jìn)行塑煉。

提高橡膠塑性的方法有物理增塑法、化學(xué)增塑法和機(jī)械增塑法三種。物理增塑法是在膠料中加入物理增塑劑，通過增大分子鏈之間距離，減小分子鏈之間的作用力來提高膠料流動(dòng)性的方法；化學(xué)增塑法是在膠料中加入化學(xué)塑解劑，與橡膠大分子反應(yīng)，使橡膠分子鏈斷裂，分子量降低，黏度降低，提高流動(dòng)性的方法；機(jī)械增塑法是通過機(jī)械剪切或發(fā)生熱降解，使橡膠分子鏈斷裂、平均分子量降低來提高膠料流動(dòng)性的方法。其中機(jī)械增塑法增塑效果明顯，可單獨(dú)使用，物理增塑法和化學(xué)增塑法增塑效果不及機(jī)械法，且不能單獨(dú)應(yīng)用，一般和機(jī)械法同時(shí)使用。機(jī)械塑煉設(shè)備主要有開煉機(jī)、密煉機(jī)和螺桿塑煉機(jī)三種。根據(jù)塑煉工藝條件不同可分為低溫機(jī)械塑煉和高溫機(jī)械塑煉兩種，開煉機(jī)塑煉屬于低溫塑煉，密煉機(jī)和螺桿機(jī)塑煉屬于高溫塑煉。

生膠機(jī)械塑煉的目的主要是使生膠的彈性減小，可塑性和流動(dòng)性將有很大的提高，混煉時(shí)配合劑易于混入，配合劑在膠料中易于分散均勻，壓延擠出速度快，收縮率小，半成品表面光滑，尺寸穩(wěn)定，并改善膠料的黏著性和對骨架材料的滲透和結(jié)合作用，硫化時(shí)容易流動(dòng)，充滿模型，使制品獲得清晰的花紋。

塑煉的程度要合適。膠料的可塑度偏低，混煉時(shí)配合劑不易混合分散，壓延、擠出速度慢，收縮變形率大，半成品斷面尺寸和斷面幾何形狀不準(zhǔn)確，表面不光滑；壓延后膠布容易脫膠或露白，硫化時(shí)不易流動(dòng)充滿模型，造成產(chǎn)品產(chǎn)生缺膠或氣孔等缺陷。若塑煉程度過大，壓延、擠出半成品的挺性差，其硫化膠的力學(xué)強(qiáng)度、耐磨耗和耐老化性能降低，永久變形增大，使硫化膠物理機(jī)械性能受損。塑煉程度越大，損害程度越大。因此生膠的塑煉程度應(yīng)根據(jù)膠料的加工性能要求和硫化膠性能要求綜合確定。在確保加工性能要求的前提下，盡量減小塑煉程度。

不同的制品，不同的加工工藝過程，對塑煉膠的可塑度要求不一樣。一般，涂膠、浸膠、刮膠、擦膠和海綿膠料所用的塑煉膠可塑度要求較高；而對硫化膠物理機(jī)械性能要求較高、半成品挺性好及模壓硫化的膠料，其塑煉膠的可塑度要求較低；擠出膠料的可塑度要求介于以上兩者之間。各種膠料的塑煉膠可塑度要求如表4-1所示。

4.1.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備——開放式煉膠機(jī)

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)廣泛使用6in（1in=2.54cm，下同）開放式煉膠機(jī)進(jìn)行生膠塑煉。該機(jī)主要工作部分是安裝在機(jī)架上的兩個(gè)中空輥筒，后輥的軸承座在機(jī)架上并且前后位置固定，前輥的軸承座能前后移動(dòng)，可借安全調(diào)距裝置調(diào)節(jié)輥距適應(yīng)操作要求。在輥筒上面設(shè)有橡膠板和急剎車裝置以適應(yīng)不同膠量的塑煉、混煉及一旦發(fā)生事故起立即剎車的作用。

機(jī)器的傳動(dòng)：它是由機(jī)箱內(nèi)的減速電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)后輥回轉(zhuǎn)，再通過一對速比齒輪帶動(dòng)前輥回轉(zhuǎn)，使兩個(gè)輥筒以不同速度相對回轉(zhuǎn)，前輥轉(zhuǎn)速為24r/min，前后兩輥轉(zhuǎn)速之比稱為速比，一般速比為1∶1.4。

加熱、冷卻部分：輥筒內(nèi)設(shè)有帶孔眼的水管可以使冷卻水流過并噴向輥筒內(nèi)表面，降低輥溫，冷卻水流出輥筒經(jīng)排水漏斗排出，當(dāng)輥筒內(nèi)水管通蒸氣時(shí)，可用升高輥溫（或用其他簡易辦法預(yù)熱輥筒）。

4.1.2　塑煉機(jī)理

低溫開煉機(jī)塑煉的機(jī)理可描述為：生膠在開放式煉膠機(jī)的兩個(gè)以不同速度相對回轉(zhuǎn)的輥筒上，膠料通過輥距時(shí)各部位速度不同，產(chǎn)生速度梯度，從而對膠料產(chǎn)生剪切作用。膠料直接受到機(jī)械剪切力的反復(fù)作用，橡膠的大分子在剪切力的作用下，沿著流動(dòng)方向伸展，使其分子鏈上產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，致使分子鏈斷裂。斷裂的分子鏈成了活性自由基。活性自由基與周圍的氧或其他自由基接受體結(jié)合而穩(wěn)定，橡膠分子鏈穩(wěn)定在斷裂狀態(tài)，形成了較短的分子，橡膠的平均分子量降低。根據(jù)橡膠平均分子量與膠料本體黏度的關(guān)系式（4-1）可知，膠料的本體黏度降低，從而流動(dòng)性提高，可塑性增加，獲得塑煉效果。

（4-1）

在機(jī)械塑煉中，由于生膠隨著溫度降低而黏度增大，作用到生膠的剪切力就增大，使生膠分子鏈斷裂作用也就加強(qiáng)了，可塑度增加也就快。故在機(jī)械塑煉中一般采用較低的輥溫進(jìn)行塑煉。

4.1.3　操作步驟

（1）按照安全規(guī)程的規(guī)定，先檢查兩輥筒間有無異物，待正常后方可開機(jī)空轉(zhuǎn)、加油、試緊急剎車裝置等。如無異常現(xiàn)象即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）確定塑煉段數(shù)　根據(jù)工藝要求的可塑度，確定生膠是否分段塑煉，一般塑煉膠應(yīng)達(dá)到的可塑性為威廉氏值0.30±0.05為宜。對于要求可塑度較大的塑煉膠，則生膠應(yīng)采取分段塑煉法。每段時(shí)間不大于20min，塑煉膠片冷卻，停放4～8h后，再進(jìn)行下一段塑煉，通常情況下，二段天然橡膠可塑度達(dá)到0.4±0.05；三段天然橡膠可塑度達(dá)到0.5±0.05。

丁腈橡膠、氯丁橡膠等需經(jīng)塑煉的合成橡膠，其可塑性較天然橡膠難獲取，除采取低溫、小輥距、小容量的操作條件外，也應(yīng)采取分段塑煉法。

目前還有一些通常使用的合成橡膠（如軟化丁苯橡膠、順丁橡膠）不需經(jīng)塑煉，薄通破料后即可與天然橡膠相混，摻合均勻投入混煉工序使用。

（3）確定投膠量　用6in開煉機(jī)塑煉時(shí)，裝膠容量以1～2kg為宜。由于合成橡膠塑煉時(shí)生熱較大，故其裝膠量以比天然橡膠少20%為宜。

（4）塑煉步驟（以天然橡膠為例）

①控制及測量輥溫。開機(jī)空轉(zhuǎn)并根據(jù)輥溫狀態(tài)對輥筒進(jìn)行預(yù)熱（用蒸汽或其他方式）或降溫（用自來水）、可用弓形表面溫度計(jì)進(jìn)行測量（或手試）。

②烘膠、切膠和破膠。天然橡膠在長期停放時(shí)黏度高，硬度大，不易塑煉。將天然膠用切膠機(jī)切成小塊，放在烘箱里烘一段時(shí)間，溫度50～70℃，烘膠時(shí)間以膠料完全變軟為止。在烘透切膠之后，再進(jìn)行破膠操作。在輥溫為45℃、輥距為1.5mm條件下，于靠近大牙輪一端（以防損壞設(shè)備）連續(xù)將膠塊投入（不宜中斷，以防膠塊彈出）。

③薄通。將輥距調(diào)為0.5mm。把破過膠的膠片在靠大牙輪一端加入，使之通過輥筒間隙，讓膠片直接落于接料盤內(nèi)。當(dāng)輥筒上無堆積膠時(shí)，再將盤內(nèi)膠片扭轉(zhuǎn)90°重新投入輥筒間隙內(nèi)繼續(xù)薄通直至所規(guī)定的時(shí)間（或次數(shù)）為止。

④搗膠。將輥距放寬為1mm，使膠包輥后，從左向右割刀至輥筒右端再向下割，使膠落在接料盤上，至堆積膠料將消失時(shí)停止割刀。則割落的膠隨著輥筒上的余膠被帶入輥筒右方，然后再從輥筒右向左同樣方式割膠，反復(fù)進(jìn)行兩次后割斷打成卷。

⑤壓光（下片）。將輥距放寬到2.5mm，再將膠卷垂直通過輥縫2～3次，然后在膠片上注明膠種、班組，冷卻放置（如有必要?jiǎng)t先涂隔離劑）。

天然橡膠可塑度為0.30±0.05時(shí)，通常使用的塑煉條件如表4-2所述。

4.1.4　影響開煉機(jī)塑煉的因素

從上述開煉機(jī)塑煉機(jī)理可知：凡是影響膠溫和機(jī)械作用力的有關(guān)設(shè)備特性和工藝條件都是影響塑煉效果的重要因素。這些因素有輥溫、輥距、時(shí)間、速比、輥速、塑解劑和操作熟練程度等。其中輥速和速比取決于設(shè)備的特性，一般為不變因素，其他因素則均可改變。

（1）輥溫　塑煉溫度對可塑度的獲得影響很大，溫度越低，塑煉效果越明顯。但輥溫太低，生膠的黏度高，會(huì)使設(shè)備超負(fù)荷而受到損害，并增加操作危險(xiǎn)性。實(shí)驗(yàn)表明，開煉機(jī)塑煉溫度（T）的平方根與膠料可塑度（P）成如下反比關(guān)系。

（4-2）

為了提高塑煉效果，應(yīng)加強(qiáng)輥筒冷卻，但靠冷卻水降溫，條件有限，塑煉一般在45～55℃范圍內(nèi)進(jìn)行。也可參閱表4-3進(jìn)行。

（2）輥距　膠料通過開煉機(jī)輥距時(shí)受到的剪切速率如下式所示。

（4-3）

（4-4）

式中　γ—— 機(jī)械剪切速率，min-1；

        f—— 速比； 

        V1—— 后輥表面旋轉(zhuǎn)線速度，m/min；

        V2—— 前輥表面旋轉(zhuǎn)線速度，m/min；

        e—— 輥筒輥距，m。

在相同的速比f下，輥距越小則兩輥間速度梯度越大，生膠通過輥縫間時(shí)所受到摩擦、剪切、擠壓的力越大，同時(shí)由于膠片薄易于冷卻，變硬進(jìn)而加大機(jī)械剪切力的作用，增強(qiáng)塑煉效果，所以一般采用0.5～1mm輥距。

（3）時(shí)間　除輥溫和輥距之外，塑煉時(shí)間是顯著影響生膠可塑度的重要因素之一。塑煉初期可塑度是隨著時(shí)間延長而增加的，當(dāng)達(dá)到一定值后隨之下降，其原因是生膠經(jīng)軋煉后溫度升高而軟化，分子之間容易滑動(dòng)，不易被機(jī)械剪切力所破壞。為了提高塑煉效果，可以用分段塑煉。分段塑煉即將塑煉過程分成若干段來完成。每段塑煉后生膠要充分停放冷卻，一般分為2～3段，每段停放冷卻4～8h。

（4）容量　塑煉時(shí)裝膠容量主要取決于開煉機(jī)的規(guī)格。裝膠量不宜過多，否則在輥筒上堆積的膠料過多，導(dǎo)致散熱困難，使生膠的熱塑性提高，影響塑煉效果。在一定規(guī)格的開煉機(jī)上，一次煉膠的容量是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定的。因合成橡膠塑煉時(shí)生熱較大，故裝膠容量一般比天然橡膠少20%。

綜上所述，生膠塑煉過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂坪幂仠亍⑤伨唷r(shí)間和一次塑煉容量。

4.2　生膠的混煉工藝1：開煉機(jī)混煉

為了使橡膠制品符合使用性能的要求，改善加工工藝性能，節(jié)約生膠，降低成本，必須在生膠中加入各種配合劑。在煉膠機(jī)上將各種配合劑加入生膠中制成混煉膠的工藝過程稱為混煉。混煉的膠料質(zhì)量對膠料進(jìn)一步加工和成品質(zhì)量具有決定性的影響。混煉不好，膠料會(huì)出現(xiàn)配合劑分散不好、不均，膠料可塑度過高或過低，焦燒、噴霜等現(xiàn)象，使壓延、壓出、硫化等工序不能正常進(jìn)行，導(dǎo)致成品性能下降，故混煉是橡膠加工過程中的重要工序之一。

對混煉膠的質(zhì)量要求主要有兩個(gè)方面：一是膠料應(yīng)具有良好的工藝加工性能；二是膠料能保證成品具有良好的使用性能。因此混煉時(shí)要求必須做到配合劑均勻混合并分散到生膠中，并達(dá)到一定的分散度；同時(shí)膠料的可塑度要適當(dāng)而均勻，生成的結(jié)合橡膠盡可能多，膠料的物理機(jī)械性能要好。另外還要求混煉速度快，生產(chǎn)效率高，能耗低，力求降低膠料成本。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

橡膠混煉工藝實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容是根據(jù)實(shí)驗(yàn)配方，準(zhǔn)確稱量生膠、各種配合劑的用量，借助于兩個(gè)輥筒的擠壓、剪切作用及人工割膠、翻煉將配合劑與生膠混合均勻并達(dá)到一定分散度，制備符合性能要求的混煉膠。該實(shí)驗(yàn)的目的是熟悉并掌握橡膠配合方法，熟練掌握開煉機(jī)混煉的操作方法、加料順序，了解開煉機(jī)混煉的工藝條件及影響因素，培養(yǎng)獨(dú)立進(jìn)行混煉操作的能力。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)備】

實(shí)驗(yàn)室常用開煉機(jī)的規(guī)格有XK-160（6in，?160mm×320mm），又可分為一般式、電加熱兩種類型。開煉機(jī)主要由機(jī)座、溫控系統(tǒng)、前后輥筒、緊急剎車裝置、擋膠板、調(diào)節(jié)輥距大小的手輪、電機(jī)等部件組成。開煉機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-1所示。

HG/T 3—1615標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室用開煉機(jī)的主要技術(shù)特征如下：

輥筒直徑（外徑）　　　　　150～155mm；

輥筒長度（兩擋膠板間）　　250～280mm；

前輥筒（慢輥）轉(zhuǎn)速　　　（24±1）r/min；

輥筒速比　　　　　　　　　1.0∶1.4；

兩輥筒間隙（可調(diào)）　　　　0.2～8.0mm；

輥距允許偏差　　　　　　　±10%或0.05mm，取其中較大者；

控溫偏差　　　　　　　　　±5℃。

實(shí)驗(yàn)中所使用的開煉機(jī)如圖4-2所示，其主要工作部分為兩個(gè)平行安裝且相對回轉(zhuǎn)的空心輥筒，每個(gè)輥筒的兩邊軸頸上都裝有輥筒軸承，輥筒軸承則裝在機(jī)架上。機(jī)架用螺栓固定在機(jī)座上，其上部與橫梁相連接。前輥軸承可借助于調(diào)距裝置的作用，在機(jī)架上作水平移動(dòng)，以調(diào)節(jié)前后輥之間的距離（輥距），控制膠片的厚度。后輥軸承則由螺栓固定于機(jī)架上以減少煉膠時(shí)后輥軸承的晃動(dòng)。

后輥筒的一端通過傳動(dòng)裝置（電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪）使后輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)，后輥筒另一端裝有速比齒輪，它與前輥上的速比齒輪嚙合，使前后輥筒同時(shí)相對回轉(zhuǎn)。輥筒上方左右兩側(cè)設(shè)有擋膠板，以防止膠料自輥筒表面落入軸承中。為防止膠料及配合劑落地，輥筒下方裝有接料盤。

橫梁上方裝有安全拉桿，以便發(fā)生事故時(shí)，按動(dòng)安全拉桿，自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)電源，通過制動(dòng)器而緊急剎車。為了調(diào)節(jié)煉膠過程中輥筒的溫度，通過進(jìn)水管把水導(dǎo)入輥筒內(nèi)腔，溢流從輥筒頭端的喇叭口進(jìn)入，從收集室排出。

【工作原理】

開煉機(jī)混煉的工作原理是利用兩個(gè)平行排列的中空輥筒，以不同的線速度相對回轉(zhuǎn)。加膠包輥后，在輥距上方留有一定量的堆積膠，堆積膠擁擠、皺塞產(chǎn)生許多縫隙，配合劑顆粒進(jìn)入到縫隙中，被橡膠包住，形成配合劑團(tuán)塊。團(tuán)塊隨膠料一起通過輥距時(shí)，由于輥筒線速度不同產(chǎn)生速度梯度，形成剪切力，橡膠分子鏈在剪切力的作用下被拉伸，產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)配合劑團(tuán)塊也會(huì)受到剪切力作用而破碎成小團(tuán)塊，膠料通過輥距后，由于流道變寬，被拉伸的橡膠分子鏈恢復(fù)卷曲狀態(tài)，將破碎的配合劑團(tuán)塊包住，使配合劑團(tuán)塊穩(wěn)定在破碎的狀態(tài)，配合劑團(tuán)塊變小。膠料再次通過輥距時(shí)，配合劑團(tuán)塊進(jìn)一步減小，膠料多次通過輥距后，配合劑在膠料中逐漸分散開來。采取左右割刀、薄通、打三角包等翻膠操作，配合劑在膠料中進(jìn)一步分散均勻，從而制得配合劑分散均勻并達(dá)到一定分散度的混煉膠。見圖4-3。

【實(shí)驗(yàn)步驟】

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)配方，準(zhǔn)確稱量生膠和除液體軟化劑以外的各種配合劑的量，觀察生膠和各種配合劑的顏色與形態(tài)。

（2）檢查開煉機(jī)輥筒及接料盤上有無雜物，如有先清除雜物，然后啟動(dòng)開煉機(jī)。

（3）檢查剎車裝置是否完好、有效、靈敏；開動(dòng)機(jī)器，檢查設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，通熱水預(yù)熱輥筒至規(guī)定的溫度（由膠種確定）。

（4）將輥距調(diào)至規(guī)定大小（根據(jù)煉膠量確定），調(diào)整并固定擋膠板的位置。

（5）將塑煉好的生膠沿輥筒的一側(cè)放入開煉機(jī)輥縫中，采用搗膠、打卷、打三角包等方法使膠均勻連續(xù)地包于前輥，在輥距上方留適量的堆積膠，經(jīng)過2～3min的輥壓、翻煉，形成光滑無隙的包輥膠。

（6）按下列加料順序依次沿輥筒軸線方向均勻加入各種配合劑，當(dāng)堆積膠或輥筒表面上還有明顯的游離粉料時(shí)，不應(yīng)切割膠料，應(yīng)將從間隙散落的配合劑小心收集并重新混入膠料中。每次加料后，待其全部吃進(jìn)去后，左右3/4割刀各兩次，兩次割刀間隔20s；

做3/4割刀時(shí)規(guī)定：切割包輥膠寬度的3/4，同時(shí)割刀保持在這個(gè)位置，直至積膠全部通過輥筒間隙。

加料順序：小料（固體軟化劑、活化劑、促進(jìn)劑、防老劑、防焦劑等）→大料（炭黑、填充劑等）→液體軟化劑→硫黃和超速級促進(jìn)劑。

（7）割斷并取下膠料，將輥距調(diào)整到0.5mm，加入膠料薄通，并打三角包，薄通5遍。

（8）按試樣要求，將膠料壓成所需厚度，下片稱量質(zhì)量并放置于平整、干燥的存膠板上（記好壓延方向、配方編號）待用。混煉后的膠料質(zhì)量與所有原材料總質(zhì)量之差不應(yīng)超過+0.5%或不應(yīng)低于-1.5%。

（9）關(guān)機(jī)，清洗機(jī)臺(tái)。

（10）開煉機(jī)每批混煉工藝實(shí)驗(yàn)報(bào)表，應(yīng)記錄：開始混煉時(shí)輥筒溫度、輥筒轉(zhuǎn)速、輥距、混煉時(shí)間、加料順序、混煉膠質(zhì)量與原材料總質(zhì)量的差值及開煉機(jī)類型、操作者姓名、日期。

【影響因素】

影響開煉機(jī)混煉效果的因素主要有膠料的包輥性、裝膠容量、輥溫、輥距、輥筒的速比、加料順序、加料方式及混煉時(shí)間等。

（1）膠料的包輥性

膠料的包輥性好壞會(huì)影響混煉時(shí)吃粉快慢、配合劑分散程度，如果包輥性太差，甚至無法混煉。膠料的包輥性與生膠的性質(zhì)（如格林強(qiáng)度、斷裂拉伸比、最大松弛時(shí)間等）、輥溫和剪切速率有關(guān)。格林強(qiáng)度高、斷裂拉伸比大、最大松弛時(shí)間長的生膠包輥性好，如NR；格林強(qiáng)度低、斷裂拉伸比小、最大松弛時(shí)間短的生膠包輥性差，如BR。影響生膠這些性質(zhì)的因素都會(huì)影響生膠的包輥性，如加入補(bǔ)強(qiáng)劑，提高膠料的格林強(qiáng)度，增大松弛時(shí)間，會(huì)明顯改善BR的包輥性；膠料中過多加入液體軟化劑，降低格林強(qiáng)度，縮短松弛時(shí)間，包輥性變差，甚至脫輥。輥溫在膠料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以下，無法包輥，在黏流溫度（Tf）以上，膠料粘輥，也不能混煉，只有在Tg～ Tf之間某一溫度范圍內(nèi)，膠料才有良好的包輥性，適于混煉。如采取減小輥距、增大速比或提高輥筒轉(zhuǎn)速等方法增大剪切速率，可提高膠料的斷裂拉伸比、延長最大松弛時(shí)間，因而也能改善膠料的包輥性。

（2）裝膠容量

裝膠容量過大，增加了堆積膠量，使堆積膠在輥縫上方自行打轉(zhuǎn)，失去了起折紋夾粉作用，影響配合劑的吃入和分散效果，延長混煉時(shí)間，膠料的物性下降，同時(shí)會(huì)增大能耗，增加煉膠機(jī)的負(fù)荷，易使設(shè)備損壞。如果裝膠量過少，堆積膠沒有或太少，吃粉困難，生產(chǎn)效率太低。因此，開煉機(jī)混煉時(shí)裝膠量要合適。可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用下列公式計(jì)算裝膠容量：

（4-5）

式中　Q—— 裝膠量，kg；

        K—— 裝料系數(shù)，K取0.0065～0.0085L/cm2；

        D—— 滾筒直徑，cm；

        L—— 輥筒工作部分的長度，cm；

        ρ—— 膠料的密度，g/cm3。

當(dāng)煉膠量較少時(shí)，為了保證輥距上方留有適量的堆積膠，可通過調(diào)整擋膠板的距離來實(shí)現(xiàn)。

（3）輥距

膠料通過輥距時(shí)受到的剪切變形速率，與輥距、輥筒轉(zhuǎn)速和速比之間的關(guān)系如式（4-3）所示。

減小輥距，剪切變形速率增大，橡膠分子鏈和配合劑團(tuán)塊受到的剪切作用增大，配合劑團(tuán)塊容易破碎，因此有利于配合劑的分散，但橡膠分子鏈?zhǔn)芗羟袛嗔训臋C(jī)會(huì)也增大，容易使分子鏈過度斷裂，造成過煉，橡膠分子量降得過低，使膠料的物理機(jī)械性能降低。輥距過大，剪切作用太小，配合劑不易分散，給混煉操作帶來困難。因此開煉機(jī)混煉時(shí)，輥距要合適。合適的輥距大小與裝膠量有關(guān)。天然橡膠與合成橡膠并用，并用比例相等時(shí)，總膠量可按天然橡膠來定輥距；合成橡膠大于天然橡膠比例時(shí)，總膠量可按合成橡膠定輥距。

（4）速比與輥速

速比和輥速增大，對混煉效果的影響與減小輥距的規(guī)律一致，會(huì)加快配合劑的分散，但對橡膠分子鏈剪切也加劇，易過煉，使膠料物性降低，使膠料升溫加快，能耗增加。速比過小，配合劑不易分散，生產(chǎn)效率低。開煉機(jī)混煉的輥筒速比一般在1.15～1.27范圍內(nèi)。

（5）輥溫

隨輥溫升高，膠料的黏度降低，有利于膠料在固體配合劑表面的濕潤，吃粉加快；但配合劑團(tuán)塊在柔軟的膠料中受到的剪切作用會(huì)減弱，不容易破碎，不利于配合劑的分散，結(jié)合橡膠的生成量也會(huì)減少。因此開煉機(jī)混煉時(shí)輥筒的溫度要合適。由于溫度對不同膠料包輥性的影響不同，因此不同膠料混煉時(shí)輥溫也應(yīng)不同。NR包熱輥，前輥溫度要高于后輥；而大多數(shù)合成橡膠包冷輥，前輥溫度要低于后輥。常用的橡膠開煉機(jī)混煉時(shí)輥溫如表4-4所示。

（6）加料順序

混煉時(shí)加料順序不當(dāng)，輕則影響配合劑分散不均，重則導(dǎo)致焦燒、脫輥或過煉，加料順序是關(guān)系到混煉膠質(zhì)量的重要因素之一，因此加料必須有一個(gè)合理的順序。加料順序的確定一般遵循用量小、作用大、難分散的配合劑先加，用量多、易分散的配合劑后加，對溫度敏感的配合劑后加，硫化劑與促進(jìn)劑分開加等原則。因此開煉機(jī)混煉時(shí)，最先加入生膠、再生膠、母煉膠等包輥，如果配方中有固體軟化劑如石蠟，可在膠料包輥后加入，再加入小料如活化劑（氧化鋅、硬脂酸）、促進(jìn)劑、防老劑、防焦劑等，再次加炭黑、填充劑，加完炭黑和填充劑后，再加液體軟化劑，如果炭黑和液體軟化劑用量均較大時(shí)，兩者可交替加入，最后加硫化劑。如果配方中有超速級促進(jìn)劑，應(yīng)在后期和硫化劑一起加。配方中如有白炭黑，因白炭黑表面吸附性很強(qiáng)，粒子之間易形成氫鍵，難分散，應(yīng)在小料之前加入，而且要分批加入。對NBR，由于硫黃與其相容性差，難分散，因此要在小料之前加，將小料中的促進(jìn)劑放到最后加。

（7）加料方式

加料方式不同也會(huì)影響吃粉速度和分散效果。如果配合劑連續(xù)加在某一固定位置，其他部位膠料不吃粉，相當(dāng)于減少了吃粉面積，吃粉時(shí)間延長，吃粉慢，配合劑由吃入位置分散到其他地方需要的時(shí)間延長，因此也不利于配合劑的分散。加料時(shí)應(yīng)將配合劑沿輥筒軸線方向均勻撒在堆積膠上，使堆積膠上都覆蓋有配合劑，這樣會(huì)縮短吃粉時(shí)間，也有利于配合劑在膠料中的分散，縮短混煉時(shí)間，減小對橡膠分子鏈的剪切破壞。

【參考標(biāo)準(zhǔn)】

GB/T 6038—2006；ISO/DIS 2393—1989。

思考題

（1）說明開煉機(jī)混煉的加料順序。

（2）影響開煉機(jī)混煉的因素有哪些？

（3）如何鑒定混煉膠的質(zhì)量？

4.3　生膠的混煉工藝2：密煉機(jī)混煉

密煉機(jī)混煉是到目前為止制造炭黑混煉膠的最理想的混煉方式，由于自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作安全、藥品飛揚(yáng)損失少、污染環(huán)境小，且膠料中炭黑的分散度高、混煉膠質(zhì)量均勻，已成為現(xiàn)代混煉工藝主要而普遍的方式，在現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解密煉機(jī)的結(jié)構(gòu)，熟練掌握密煉機(jī)混煉的操作方法和加料順序，熟悉密煉機(jī)混煉的工藝條件，了解影響密煉機(jī)混煉效果的因素，制備符合性能要求的炭黑混煉膠或母煉膠。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)備】

（1）密煉機(jī)的結(jié)構(gòu)

密煉機(jī)可分為兩種基本類型：切線型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)和嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)。對于切線型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)，剪切應(yīng)力-應(yīng)變集中發(fā)生在轉(zhuǎn)子頂端和混煉室內(nèi)壁之間，并且轉(zhuǎn)子以不同速度運(yùn)轉(zhuǎn)，以協(xié)助對膠料進(jìn)行捏壓、混煉操作。對于嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)，其轉(zhuǎn)子以相同速度運(yùn)轉(zhuǎn)，但由于轉(zhuǎn)子凸棱的設(shè)計(jì)以及嚙合運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生摩擦。因此，剪切應(yīng)力應(yīng)變集中發(fā)生在轉(zhuǎn)子之間。

密煉機(jī)一般由密煉室、兩個(gè)相對回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、上頂栓、下頂栓、測溫系統(tǒng)、加熱和冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、安全裝置、排料裝置和記錄裝置組成。轉(zhuǎn)子的表面有螺旋狀凸棱，凸棱的數(shù)目有二棱、四棱、六棱等，轉(zhuǎn)子的斷面幾何形狀有三角形、圓筒形或橢圓形三種。測溫系統(tǒng)是由熱電偶組成，主要用來測定混煉過程中密煉室內(nèi)溫度的變化；加熱和冷卻系統(tǒng)主要是為了控制轉(zhuǎn)子和混煉室內(nèi)腔壁表面的溫度。密煉機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-4所示。

（2）密煉機(jī)的主要技術(shù)特征

①本伯里（Banbury）切向式密煉機(jī)技術(shù)特征

轉(zhuǎn)子形式　非嚙合轉(zhuǎn)子或切向式轉(zhuǎn)子

混煉室容積/L　　　　　　　　　1.57

額定混煉容量/L　　　　　　　　1.17±0.04

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（快轉(zhuǎn)子）/（r/min）　77±10或110±10

轉(zhuǎn)子摩擦比　　　　　　　　　　1.125∶1

轉(zhuǎn)子間隙/mm　　新　　    　   　 2.38±1.13

　　　　　　　　舊　　       　　 ≤3.70

功率（快轉(zhuǎn)子）/kW　　　　        0.13

上頂栓混煉時(shí)壓力/MPa　　        　0.5～0.8

②嚙合式密煉機(jī)技術(shù)特征（ISO 2393）

額定容量/L　　　　       　　　　 1.000

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速/（r/min）　　　       　 55

轉(zhuǎn)子速比        　　　　　　　　　1∶1

轉(zhuǎn)子間隙/mm　        新　　　        2.45～2.50

       　　　　　　　 舊　　　        5

功率/kW　　　　　　　       　　　 0.227

上頂栓混煉時(shí)壓力/MPa　        　　　0.3

實(shí)驗(yàn)室用小型密煉機(jī)如圖4-5所示。

【密煉機(jī)混煉工作原理】

密煉機(jī)工作時(shí)，兩轉(zhuǎn)子相對回轉(zhuǎn)，將來自加料口的物料夾住帶入轉(zhuǎn)子縫隙受到轉(zhuǎn)子的擠壓和剪切，穿過轉(zhuǎn)子間隙后碰到下頂拴尖棱被分成兩部分，分別沿前后室壁與轉(zhuǎn)子之間縫隙再回到轉(zhuǎn)子間隙上方。在繞轉(zhuǎn)子流動(dòng)的一周中，物料處處受到剪切和摩擦作用，使膠料的溫度急劇上升，黏度降低，增加了橡膠在配合劑表面的濕潤性，使橡膠與配合劑表面充分接觸。配合劑團(tuán)塊隨膠料一起通過轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子間隙、轉(zhuǎn)子與上、下頂拴、密煉室內(nèi)壁的間隙，受到剪切而破碎，被拉伸變形的橡膠包圍，穩(wěn)定在破碎狀態(tài)。同時(shí)，轉(zhuǎn)子上的凸棱使膠料沿轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動(dòng)，起到攪拌混合作用，使配合劑在膠料中混合均勻。配合劑如此反復(fù)剪切破碎，膠料反復(fù)產(chǎn)生變形和恢復(fù)變形，轉(zhuǎn)子凸棱的不斷攪拌，使配合劑在膠料中分散均勻，并達(dá)到一定的分散度。由于密煉機(jī)混煉時(shí)膠料受到的剪切作用比開煉機(jī)大得多，煉膠溫度高，使得密煉機(jī)煉膠的效率大大高于開煉機(jī)。

【操作方法】

（1）按照密煉機(jī)密煉室的容量和合適的填充系數(shù)（0.6～0.7），計(jì)算一次煉膠量和實(shí)際配方。

（2）根據(jù)實(shí)際配方，準(zhǔn)確稱量配方中各種原材料的用量，將生膠、小料（ZnO、SA、促進(jìn)劑、防老劑、固體軟化劑等）、補(bǔ)強(qiáng)劑或填充劑、液體軟化劑、硫黃分別放置，在置物架上按順序排好。

（3）打開密煉機(jī)電源開關(guān)及加熱開關(guān)，給密煉機(jī)預(yù)熱，同時(shí)檢查風(fēng)壓、水壓、電壓是否符合工藝要求，檢查測溫系統(tǒng)、計(jì)時(shí)裝置、功率系統(tǒng)指示和記錄是否正常。

（4）密煉機(jī)預(yù)熱好后，穩(wěn)定一段時(shí)間，準(zhǔn)備煉膠。

（5）提起上頂栓，將已切成小塊的生膠從加料口投入密煉機(jī)，落下上頂栓，煉膠1min。

（6）提起上頂栓，加入小料，落下上頂栓混煉1.5min。

（7）提起上頂栓，加入炭黑或填料，落下上頂栓混煉3min。

（8）提起上頂栓，加入液體軟化劑，落下上頂栓混煉1.5min。

（9）排膠，用熱電偶溫度計(jì)測膠料的溫度，記錄密煉室初始溫度、混煉結(jié)束時(shí)密煉室溫度及排膠溫度，最大功率、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

（10）將開煉機(jī)的輥距調(diào)到3.8mm，打開電源開關(guān)，使開煉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，打開循環(huán)水閥門，再將從密煉機(jī)排出的膠料投到開煉機(jī)上包輥，待膠料溫度降到110℃以下，加入硫黃，待硫黃全被吃進(jìn)去，左右割刀各二次，膠料表面比較光滑，割下膠料。

（11）將開煉機(jī)輥距調(diào)到0.5mm，投入膠料薄通，打三角包，薄通5遍，將輥距調(diào)到2.4mm左右，投入膠料包輥，待表面光滑無氣泡，下片，稱量膠料的總質(zhì)量，放在平整、潔凈金屬表面上冷卻至室溫，貼上標(biāo)簽注明膠料配方編號和混煉日期，停放待用。

密煉機(jī)每批混煉工藝實(shí)驗(yàn)報(bào)表，應(yīng)記錄：開始混煉時(shí)溫度、混煉時(shí)間、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、上頂栓壓力、排膠溫度、功率消耗、混煉膠質(zhì)量與原材料總質(zhì)量的差值及密煉機(jī)類型。

注意：開始混煉實(shí)驗(yàn)時(shí)，可先混煉一個(gè)與實(shí)驗(yàn)?zāi)z料配方相同的膠料調(diào)整密煉機(jī)的工作狀態(tài)，再正式混煉；對同一批混煉膠料，密煉機(jī)的控制條件和混煉時(shí)間應(yīng)保持相同。

【影響密煉機(jī)混煉效果的因素】

密煉機(jī)混煉膠料的質(zhì)量好壞，除了加料順序外，還主要取決于混煉溫度、裝料容量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、混煉時(shí)間、上頂栓壓力和轉(zhuǎn)子的類型等。

（1）裝料容量

即混煉容量，容量不足會(huì)降低對膠料的剪切作用和捏煉作用，甚至出現(xiàn)膠料打滑和轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致混煉效果不良。反之，容量過大，膠料翻轉(zhuǎn)困難，使上頂栓位置不當(dāng)，使一部分膠料在加料口頸處發(fā)生滯留，從而使膠料混合不均勻，混煉時(shí)間長，并容易導(dǎo)致設(shè)備超負(fù)荷，能耗大。因此，混煉容量應(yīng)適當(dāng)，通常取密閉室總有效容積的60%～80%為宜。密煉機(jī)混煉時(shí)裝料容量可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

（4-6）

式中　Q—— 裝料容量，kg；

        K—— 填充系數(shù)，通常取0.6～0.8；

        V—— 密閉室的總有效容積，L；

        ρ—— 膠料的密度，g/cm3。

填充系數(shù)K的選取與確定應(yīng)根據(jù)生膠種類和配方特點(diǎn)、設(shè)備特征與磨損程度、上頂栓壓力來確定。NR及含膠率高的配方，K應(yīng)適當(dāng)加大，取0.7～0.8；合成橡膠及含膠率低的配方，K應(yīng)適當(dāng)減小，取0.6～0.7；磨損程度大的舊設(shè)備，K應(yīng)加大；新設(shè)備要小些；嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)的K應(yīng)小于剪切型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)；上頂栓壓力增大，K也應(yīng)相應(yīng)增大。另外逆混法的K必須盡可能大。

（2）加料順序

密煉機(jī)混煉中，生膠、炭黑和液體軟化劑的投加順序與混煉時(shí)間特別重要，一般都是生膠先加，再加炭黑，混煉至炭黑在膠料中基本分散后再加入液體軟化劑，這樣有利于混煉，提高混煉效果，縮短混煉時(shí)間。液體軟化劑過早加入或過晚加入，均對混煉不利，易造成分散不均勻，混煉時(shí)間延長，能耗增加。液體軟化劑的加入時(shí)間可由系數(shù)K確定。硫黃和超速促進(jìn)劑通常在混煉的后期加入，或排料到壓片機(jī)上加，減少焦燒危險(xiǎn)。小料（固體軟化劑、活化劑、促進(jìn)劑、防老劑、防焦劑等）通常在生膠后、炭黑前加入。

（3）上頂栓壓力

密煉機(jī)混煉時(shí)，密煉室內(nèi)的物料都要受到上頂栓從加料口施加的壓力，以增加機(jī)械摩擦剪切作用，提高膠料的混合分散效果，促進(jìn)膠料的流動(dòng)變形和混合吃粉，縮短混煉時(shí)間。上頂栓的作用主要是將膠料限制在密煉室內(nèi)的主要工作區(qū)，并對其造成局部的壓力作用，防止在金屬表面滑動(dòng)而降低混煉效果，并限制膠料進(jìn)入加料口頸部而發(fā)生滯留，造成混煉不均勻。

上頂栓壓力過大、過小均不利于混煉。上頂栓壓力過小，上頂栓會(huì)在膠料的作用下上下浮動(dòng)，起不到限制約束膠料的作用，不利于配合劑在膠料中的分散。上頂栓壓力過大，壓力直接施加在密煉機(jī)上，會(huì)增加密煉機(jī)的負(fù)荷，同時(shí)不利于膠料的翻轉(zhuǎn)，減弱混煉效果。一般情況下，慢速密煉機(jī)上頂栓壓力在0.5～0.6MPa，中、快速密煉機(jī)上頂栓壓力可達(dá)0.6～0.8MPa，最高達(dá)到1.0MPa。

（4）混煉溫度

密煉機(jī)混煉時(shí)膠料的溫度難以準(zhǔn)確測定，但與排膠溫度相關(guān)性很好，故通常用排膠溫度表征混煉溫度，具有可比性。密煉機(jī)混煉溫度比開煉機(jī)混煉溫度要高很多，溫度高有利于生膠的流動(dòng)和對配合劑粒子表面的濕潤、吃粉，但不利于配合劑的剪切、破碎和分散混合。溫度過高易使膠料產(chǎn)生焦燒和過煉現(xiàn)象，降低混煉膠的質(zhì)量和物理機(jī)械性能。因此密煉機(jī)混煉過程中必須嚴(yán)格控制排膠溫度在規(guī)定限度以下。如果混煉溫度過低，不利于混合吃粉，還會(huì)出現(xiàn)膠料壓散現(xiàn)象，使混煉操作困難。密煉機(jī)一段和分段混煉法的終煉排膠溫度范圍應(yīng)控制在100～130℃以下，加硫黃時(shí)排膠溫度控制在90～95℃，分段混煉的第一段混煉排膠溫度在145～155℃。隨密煉機(jī)轉(zhuǎn)速、容量和上頂栓壓力增大，排膠溫度會(huì)升高，需要用40～50℃的循環(huán)水冷卻，不僅能縮短混煉時(shí)間，降低能耗，還能提高混煉膠的物理機(jī)械性能。

（5）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是強(qiáng)化密煉機(jī)混煉過程的最有效的措施之一。轉(zhuǎn)速增加一倍，混煉時(shí)間縮短一半。但轉(zhuǎn)速高，膠料的生熱升溫加快，又會(huì)降低膠料的黏度和機(jī)械剪切效果，還會(huì)由于升溫過高加快橡膠分子鏈的熱降解，導(dǎo)致過煉或焦燒。為適應(yīng)工藝要求，可選用雙速、多速或變速密煉機(jī)進(jìn)行混煉。

（6）混煉時(shí)間

密煉機(jī)混煉時(shí)間比開煉機(jī)混煉時(shí)間短得多，并隨著轉(zhuǎn)速和上頂栓壓力的增大而縮短。每個(gè)配方膠料混煉時(shí)都有一個(gè)最佳混煉時(shí)間。時(shí)間短，配合劑分散不均勻；時(shí)間過長，會(huì)加大橡膠的熱降解，產(chǎn)生過煉現(xiàn)象，且會(huì)降低混煉膠的質(zhì)量。通常在保證膠料質(zhì)量的前提下，適當(dāng)縮短混煉時(shí)間，有利于提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能耗，提高膠料的物理機(jī)械性能。

【參考標(biāo)準(zhǔn)】

GB 6038—93；ISO/DIS 2393—1989。