橡膠配合與開煉機混煉工藝

 

一、實驗目的

橡膠配合與混煉工藝實驗主要內容是根據實驗配方，準確稱量生膠、各種配合劑的用量，將配合劑與生膠混合均勻并達到一定分散度，制備符合性能要求的混煉膠。該實驗的目的是使學生熟悉并掌握橡膠配合方法，熟練掌握開煉機混煉的操作方法、加料順序，了解開煉機混煉的工藝條件及影響因素，培養學生獨立進行混煉操作的能力。

二、實驗設備及工作原理

ф160×320mm雙輥筒開煉機，上海機械技術研究所產品，主要由機座、溫控系統、前后輥筒、緊急剎車裝置、擋膠板、調節輥距大小的手輪、電機等部件組成。開煉機的結構圖如圖1所示。

 

圖1-1 開煉機結構示意圖

 

圖1-2ф160×320mm雙輥筒開煉機

開煉機混煉的工作原理是利用兩個平行排列的中空輥筒，以不同的線速度相對回轉，加膠包輥后，在輥距上方留有一定量的堆積膠，堆積膠擁擠、縐塞產生許多縫隙，配合劑顆粒進入到縫隙中，被橡膠包住，形成配合劑團塊，隨膠料一起通過輥距時，由于輥筒線速度不同產生速度梯度，形成剪切力，橡膠分子鏈在剪切力的作用下被拉伸，產生彈性變形，同時配合劑團塊也會受到剪切力作用而破碎成小團塊，膠料通過輥距后，由于流道變寬，被拉伸的橡膠分子鏈恢復卷曲狀態，將破碎的配合劑團塊包住，使配合劑團塊穩定在破碎的狀態，配合劑團塊變小。膠料再次通過輥距時，配合劑團塊進一步減小，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，配合劑在膠料中進一步分布均勻，從而制得配合劑分散均勻并達一定分散度的混煉膠。

 

三、實驗步驟

1、根據實驗配方，準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；

2、檢查開煉機輥筒及接料盤上有無雜物，如有先清除雜物；

3、開動機器，檢查設備運轉是否正常，通熱水預熱輥筒至規定的溫度（由膠種確定）；

4、將輥距調至規定大小（根據煉膠量確定），調整并固定擋膠板的位置；

5、將塑煉好的生膠沿輥筒的一側放入開煉機輥縫中，采用搗膠、打卷、打三角包等方法使膠均勻連續的包于前輥，在輥距上方留適量的堆積膠，經過2—3分鐘的滾壓、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，每次加料后，待其全部吃進去后，左右3/4割刀各兩次，兩次割刀間隔20秒鐘；

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

7、割斷并取下膠料，將輥距調整到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。

9、關機，清洗機臺。

四、影響因素

影響開煉機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、加料方式及混煉時間等。

1、膠料的包輥性

膠料的包輥性好壞會影響混煉時吃粉快慢、配合劑分散，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（如格林強度、斷裂拉伸比、zui大松弛時間等）、輥溫和剪切速率有關，格林強度高、斷裂拉伸比大、zui大松弛時間長的生膠包輥性好，如NR；格林強度低、斷裂拉伸比小、zui大松弛時間短的生膠包輥性差，如BR。影響生膠這些性質的因素都會影響生膠的包輥性，如加入補強劑，提高膠料的格林強度，增大松弛時間，會明顯改善BR的包輥性；膠料中過多加入液體軟化劑，降低格林強度，縮短松弛時間，包輥性變差，甚至脫輥。輥溫在膠料玻璃化轉變溫度（Tg）以下，無法包輥，在粘流溫度（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，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速等方法增大剪切速率，可提高膠料的斷裂拉伸比、延長zui大松弛時間，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，失去了起折紋夾粉作用，影響配合劑的吃入和分散效果，延長混煉時間，膠料的物性下降，同時會增大能耗，增加煉膠機的負荷，易使設備損壞。如果裝膠量過少，堆積膠沒有或太少，吃粉困難，生產效率太低。因此，開煉機混煉時裝膠量要合適。可根據經驗用下列公式計算裝膠容量：

Q=K•D•L••ρ

Q—裝膠量，Kg；

K—裝料系數，K取0.0065～0.0085L/cm2；

D—滾筒致敬，cm；

L—輥筒工作部分的長度，cm；

ρ—膠料的密度，g/cm3。

當煉膠量較少時，為了保證輥距上方留有適量的堆積膠，可通過調整擋膠板的距離來實現。

3、輥距

膠料通過輥距時受到的剪切變形速率，與輥距、輥筒轉速和速比之間的關系為：

 

γ——機械切變速率，s-1；

f——滾筒的速比，f=V1/V2；

V2——前輥筒表面旋轉線速度，m/min；

V1——后輥筒表面旋轉線速度，m/min；

    e——輥距，mm；

減小輥距，剪切變形速率增大，橡膠分子鏈和配合劑團塊受到的剪切作用增大，配合劑團塊容易破碎，因此有利于配合劑的分散，但橡膠分子鏈受剪切斷裂的機會也增大，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。因此開煉機混煉時，輥距要合適。合適的輥距大小與裝膠量有關，如表1-1所示。天然膠與合成膠并用時，并用比例相等，總膠量可按天然膠來定輥距；合成膠大于天然膠比例時，總膠量可按合成膠定輥距。

表1-1 輥距大小與裝膠量的關系

 

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律一致，會加快配合劑的分散，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，生產效率低。開煉機混煉的輥筒速比一般在1.15～1.27范圍內。

5、輥溫

表1-2 不同膠料開煉機混煉時輥筒溫度

 

隨輥溫升高，膠料的粘度降低，有利于膠料在固體配合劑表面的濕潤，吃粉加快；但配合劑團塊在柔軟的膠料中受到的剪切作用會減弱，不容易破碎，不利于配合劑的分散，結合橡膠的生成量也會減少。因此開煉機混煉時輥筒的溫度要合適。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輥溫也應不同。NR包熱輥，前輥溫度要高于后輥；而大多數合成橡膠包冷輥，前輥溫度要低于后輥。常用的橡膠開煉機混煉時輥溫如表1-2所示。

6、加料順序

混煉時加料順序不當，輕則影響配合劑分散不均，重則導致焦燒、脫輥或過煉，加料順序是關系到混煉膠質量的重要因素之一，因此加料必須有一個合理的順序。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，硫化劑與促進劑分開加等原則。因此開煉機混煉時，zui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，兩者可交替加入，zui后加硫化劑。如果配方中有超速級促進劑，應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，粒子之間易形成氫鍵，難分散，應在小料之前加入，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，將小料中的促進劑放到zui后加。

7、加料方式

加料方式不同也會影響吃粉速度和分散效果。如果配合劑連續加在某一固定位置，其它部位膠料不吃粉，相當于減少了吃粉面積，吃粉時間延長，吃粉慢，配合劑由吃入位置分散到其他地方需要的時間延長，因此也不利于配合劑的分散。加料時應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，這樣會縮短吃粉時間，也有利于配合劑在膠料中的分散，縮短混煉時間，較小對橡膠分子鏈的剪切破壞。