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解碼橡膠加工密煉機的混煉及工藝

時間:2016-01-31    來源:中國輪胎循環利用網    點擊:

肖九梅

( 湖北武漢市新興化工材料公司  湖北  武漢  430055 )

 

摘 要:與橡膠開煉機相比,在橡膠混煉過程中,密煉機進行混煉的時間短,生產效率高,且操作容易,能夠很好的克服粉塵飛揚,大大減少了配合劑的損失,也降低人員勞動強度。隨著生產工藝不斷提高,橡膠密煉機產品在不斷發展完善中。

混煉過程就是將各種配合劑均勻地分散在橡膠中,以形成一個以橡膠為介質或者以橡膠與某些能和它相容的配合組分的混合物為介質,以與橡膠不相容的配合劑為分散相的多相膠體分散體系的過程。

關鍵詞:橡膠加工  開煉機  密煉機  混煉技術  

 

橡膠的混煉是用煉膠機將生膠或塑煉生膠與配合劑煉成混煉膠的工藝,也就是將各種配合劑借助煉膠機機械力的作用均勻分散于橡膠中的過程,即將各種配合劑均勻分散在橡膠中,以形成一個以橡膠為介質或者以橡膠與某些能和它相容的配合組分(配合劑等 )的混合物為介質,以與橡膠不相容的配合劑(如粉體填料、氧化鋅、顏料等)為分散相的多相膠體分散體系的過程,粒狀配合劑呈分散相,生膠呈連續相,它是橡膠加工最重要的生產工藝。

1. 橡膠加工密煉機的混煉技術

橡膠在煉膠機上使各種配合劑均勻地分散到生膠或塑煉膠中的工藝過程稱為混煉,經混煉制成的膠料稱為混料膠?;鞜捠怯脽捘z機將生膠或塑煉生膠與配合劑煉成混煉膠的工藝,是橡膠加工最重要的生產工藝。即通過機械作用使生膠或塑料膠與各種配合劑均勻混合的過程。橡膠的混煉是為提高橡膠制品的物理機械性能,改善加工成型工藝,降低生產成本,需要在生膠或塑料膠中加入各種配合劑,如填充劑、補強劑、促進劑、硫化劑、防老劑、防焦劑等,這些配合劑有固體、液體等材料,將所加入的各種配合劑分散均勻,確保膠料的性質一致。

對混煉工藝的具體技術要求是:配合劑分散均勻,使配合劑特別是炭黑等補強性配合劑達到最好的分散度,以保證膠料性能一致?;鞜捄蟮玫降幕鞜捘z,其質量對進一步加工和制品質量有重要影響。若橡膠加工混煉不良,其膠料就會出現各種各樣的問題,比如焦燒、噴霜等,使壓延、壓出、涂膠、硫化等工序難以正常進行,并導致成品性能下降。

橡膠的混煉過程包括四個階段:混入、分散、混合、塑化。生膠或塑料膠在煉膠機中受到剪切和拉伸的作用產生流變和斷裂、破碎,與配合劑充分接觸,使其混入。這一過程稱為潤濕階段或吃粉階段?;烊胂鹉z后的配合劑在機械力的作用下進一步被破碎成微小尺寸的細粒,同時增加接觸面面積并進一步提高混合均勻性。所以又稱微觀分散。各種配合劑在生膠或塑煉膠中均勻分布的過程。所謂混合,是指僅增加配合劑在膠料中的分布均勻性,而不改變其粒子的尺寸大小,這一過程又稱為宏觀分散或簡單混合。

混煉的質量是對膠料的進一步加工和成品的質量有著決定性的影響,混煉方法通常分為開煉機混煉和密煉機混煉兩種。這兩種方法都是間歇式混煉,這是目前最廣泛的方法?;鞜捘z制備的一般工藝流程:配合劑補充加工→生膠及配合劑稱量→混煉→質量檢測。

混煉是將將橡膠(生膠)與各種配合劑在煉膠機內混合均勻的橡膠加工工藝。為了能夠將粉狀配合劑加入橡膠中,生膠須先經塑煉,提高其塑性及流動性?;鞜掃^程是橡膠加工最基本的過程,加入配合劑后的混煉膠料的質量,對半成品的工藝性能和成品質量均具有決定性影響。橡膠混煉過程就其本質來說是配合劑在生膠中均勻分散的過程,粒狀配合劑呈分散相,生膠呈連續相。在混煉過程中,橡膠分子結構、分子量大小及其分布、配合劑聚集狀態均發生變化。通過混煉,橡膠與配合劑起了物理及化學作用,形成了新的結構。

2. 橡膠混煉配合劑的潤濕分散性能

在橡膠行業中,由于生膠粘度很高,為了讓各種配合劑均勻混合和分散,必須要使用煉膠機的強烈的機械作用來進行混合。這種煉膠機的功用類似干粉砂漿設備里面的混合機,主要用于進行均勻混合操作的。在操作過程中,使用各種配合劑,但由于其表面性質的區別,配合劑對于橡膠的活性也都不一致,按照表面特性,配合劑可以分為三種,一種是具有疏水性,如各種炭黑等。前者表面特性與生膠不同,因此不易被橡膠潤濕;后者表面特性與生膠相近,易被橡膠潤濕。為獲得良好混煉效果,對親水性配合劑的表面須加以化學改性,以提高它們與橡膠作用的活性,使用表面活性劑即可起到此種作用。另外一種是親水性,如碳酸鹽、陶土、氧化鋅、鋅鋇白等;使用混煉的目的其實就是為了提高橡膠產品的使用性能,改進生產工藝以及降低生產成本,在這種要求下,必須使用各種配合劑,混煉不良,膠料會出現配合劑分散不均,膠料可塑度過低或過高、焦燒、噴霜等到現象,使后續工序難以正常進行,并且很可能還會導致成品橡膠產品性能下降。

粉粒狀配合劑分散于橡膠中的難易程度與其表面性質有關。按照其表面性質基本上可分為兩類:一類是具有親水性,如碳酸鹽、陶土、氧化鋅、鋅鋇白、白炭黑、氧化鎂及其他堿性無機物等;另一類是具有疏水性,如各種炭黑等。前者的表面性質與生膠不同,因而不易被潤濕,后者表面性質與生膠相近,易被潤濕。為了提高配合劑的分散程度,有效的辦法是加入表面活性劑,表面活性劑大多為有機化合物,其中含有-OH、-NH2、-COOH、-NO2、-NO、-SH等極性基團,具有親水性,另外他們分子結構中還含有非極性長鏈或苯環式烴基,具有疏水性。因而表面活性劑充當配合劑和橡膠之間的媒介的角色,提高了混煉效果,同時它還能穩定已分散的配合劑粒子在橡膠中的分散狀態,從而提高混煉膠的穩定性。

加入分散劑后可明顯縮短混煉時間,減少動力消耗,提高分散均勻性,產品硫化時不含有分散劑或內脫模劑的膠料,其流動性差,易出現廢邊過厚、尺寸超差及其產品缺膠等缺陷,污模粘?,F象嚴重,都要經常清洗模具,制品光潔度差,啟模取件困難,有時啟模取件時產品被啟破裂口,加入內脫模劑、分散劑后上述現象得到解決,特別是制品外觀質量明顯提高。

丁基橡膠混煉時配合劑分散困難,開煉機混煉時采用引料法(即待引料膠包輥后再加生膠和配合劑)或薄法——將配方中一半生膠以小輥矩反復薄通,待包輥后再加入另一半。用密煉機混煉時,裝膠容量比天然橡膠大10﹪~20﹪,混煉溫度在150℃為好,當填料多時也可采用兩段混煉法和逆混煉法。乙丙橡膠混煉時不易發生過煉,配合劑分散均勻,但自粘性差。乙丙橡膠用開煉機混煉,一般先采用小輥矩使其連續包輥后,再逐步放寬輥矩,加入配合劑,輥溫在60~70℃之間。采用密煉機混煉宜采用高溫,混煉溫度在150~160℃有助于填充劑和軟化劑的分散及力學性能的提高。裝膠容量可比其它膠料高10﹪~15﹪。氯磺化聚乙烯橡膠具有熱塑性,加工中隨著膠料溫度上升,粘度迅速下降,該橡膠性能穩定,不易過煉。 

炭黑分散到生膠或塑料膠的過程,先是橡膠滲入炭黑附聚體的空隙中,形成濃度很高的炭黑-橡膠聚集體團塊,分散在不含炭黑的生膠或塑料膠中,然后這些炭黑-橡膠聚集體團塊在足夠大的物理剪切或拉伸力作用下被搓開,團塊逐漸減小,逐漸混合,直到充分分散。在炭黑-橡膠聚集體團塊中,炭黑形成的附集體,其內部存在著一種物理吸附的內聚力,只有受到大于這一物理吸附內聚力的物理剪切或拉伸力時才能將團塊搓開。由于生膠或塑煉膠變形量所需的剪切或拉伸力與其粘度有關,要達到克服炭黑附聚體的物理內聚力將其搓開,要求生膠或塑煉膠有一定的粘度。隨著分散過程的發展,炭黑包含的生膠或塑煉膠逐漸減少,膠料粘度逐漸下降。炭黑分散度和細粒子數目的提高,炭黑與生膠或塑煉膠之間接觸面積增加,膠料的彈性恢復數值逐漸增大,當此值不再增加時,表明其分散過程終結。

天然橡膠具有良好的混煉性能,其包輥性好,在機械捏煉時,塑性增加快而生熱量低,因此對配合劑的濕潤性好,吃粉快,分散也較容易,混煉時間短,混煉操作易于掌握。但混煉時間過長時,會導致過煉,使硫化膠性能明顯下降,嚴重時會產生粘輥現象。因此,混煉時應嚴格控制混煉時間等工藝條件。開煉機混煉時輥溫一般控制在50~60℃(前輥應較后輥高5℃),液體軟化劑的加入順序要在填料之后,混煉時間一般為20~30min。密煉機混煉時,多采用-段混煉法,排膠溫度一般控制在140℃以下。

3. 橡膠混煉前的準備

橡膠混煉前的準備工作主要包括:對原材料進行抽查、檢驗;對不適用的配合劑補充加工;配合劑的稱量。原材料的質量檢驗通常對配合劑的檢驗內容主要有純度、粒徑、水分、機械雜質含量、灰分及揮發分含量、酸堿度以及液體配合劑的粘度等。具體依配合劑類型不同而異。生膠或塑煉膠除了檢驗其化學成分和門尼粘度外,還應該檢驗物理機械性能。

配合劑的補充加工主要有固體配合劑的粉碎;粉狀配合劑的干燥和篩選;低熔點配合劑的預熱融化和過濾;液體配合劑的加溫和過濾;膏劑和母煉膠的制備等。塊狀或粗粒狀配合劑需要經過粉碎、磨細處理或者刨成細片(如硬脂酸、石蠟、瀝青和松油等)才能使用,以便在膠料中分散。粉碎常用的設備有盤式粉碎機、球磨機、氣流粉碎機、錘式破碎機、刨片機等。

當配合劑中含有較多水分或低揮發物雜質時,使得配合劑容易結團,不僅使篩選困難,而且在混煉時容易被壓成大塊凝聚物而不易分散,使得膠料或半成品硫化時內部容易產生氣泡,造成廢次品。所以需要除去或減少其中水分或低揮發物雜質。干燥設備有干燥室、真空干燥箱、螺旋式連續干燥機等。當配合劑的粒度及粒度分布達不到標準,或者其中含有機械雜質,如沙粒、木屑、小金屬器件以及配合劑本身的大顆粒和結團等。因為這些雜質的混入,會降低硫化膠的物理機械性能,容易損壞設備。常用的設備有振動篩、鼓式選篩機、螺旋選篩機等。低熔點固體軟化劑須先進行加熱融化,達到脫水作用和降低粘度作用后,再趁熱過濾去掉其中的各種機械雜質。而對粘度太高的液體軟化劑,則應進行加溫脫水并使其粘度減小,以便進行趁熱過濾去掉雜質。

將個別的一些配合劑(短時間難以混煉均勻、生熱量多、能耗大的)以比較大的比例事先與生膠或塑煉膠單獨混合制成組分比較簡單、高濃度的母煉膠。將某些配合劑,如促進劑、氧化鋅、硫磺等,預先與液體軟化劑混合制成膏狀混合物,使得配合劑容易分散,降低粉狀配合劑的飛揚,改善勞動條件。配合劑的稱量是制備膠料前準備工作最主要的工序之一。

稱量是否準確,對膠料的加工性能和產品質量都起著重要的作用。因此必須做到細致、不錯不漏、準確無誤。配合劑的稱量和投料有兩種方式:手工稱量投料和自動稱量投料。前者適用于技術程度不高的中小規模生產,后者適用于技術程度高的大規模生產?;鞜捒刹捎瞄_煉機、密煉機和螺桿連續混煉機。用開煉機混煉時要求手工操作熟練,勞動強度大,且不安全。用密煉機混煉操作安全,勞動強度小,是目前應用最普遍的。

混煉要求配合劑均勻分散于生膠中,形成膠態分散體,以使硫化膠具有最佳性能。同時對混煉膠料的可塑度也有一定要求,使之能符合后工序的要求。有一段和二段混煉法。前者是在橡膠中逐步添加配合劑。后者是先加入軟化劑和粉末狀填充劑進行第一階段的粗混煉,膠料經冷卻和放置一定時間后,再加硫黃和促進劑進行第二段混煉。

將橡膠(生膠)與各種配合劑在煉膠機內混合均勻的橡膠加工工藝。為了能夠將粉狀配合劑加入橡膠中,生膠須先經塑煉,提高其塑性及流動性?;鞜掃^程是橡膠加工最基本的過程,加入配合劑后的混煉膠料的質量,對半成品的工藝性能和成品質量均具有決定性影響。

4. 橡膠混煉常用的設備

煉膠機是橡膠工廠用來制備混煉橡膠或對膠料進行熱煉、塑煉、出型的一種輥筒外露的煉膠機械。橡膠混煉常用的設備主要有開煉機和密煉機兩類。主要工作部件是兩異向向內旋轉的中空輥筒,裝置在操作者一面的稱作前輥,可通過手動或電動作水平前后移動,借以調節輥距,適應操作要求;后輥則是固定的,不能作前后移動。

開煉機是橡膠制品生產廠應用比較早的一種混煉橡膠設備。在壓延機生產線上,開煉機在壓延機前、混合機后,作用是把混合均勻的原料進行混煉、塑化,為壓延機壓延成型橡膠制品提供混合煉膠較均勻的熔融料。

密煉機混煉與開煉機混煉相比,具有混煉時間短、效率高、機械化自動化程度高、膠料質量好、勞動強度低、操作安全、藥品飛揚損失小、環境衛生條件好等優點,但密煉機混煉室散熱困難,混煉溫度高且難以控制,使對溫度敏感的膠料受到限制,不適于淺色膠料和品種變換頻繁的膠料混煉;另外密煉機混煉還需配備相應的下片裝置。密煉機通過轉子、上下頂栓在密煉室中產生復雜的流動方式和高剪切力,使橡膠配合劑和粒狀添加劑很快粉碎和均勻分散,是一種高效的混煉方法。

5. 橡膠混煉的過程和混煉方法

橡膠在開放式煉膠機兩個旋轉輥筒的間隙中,反復受到剪切作用,靠手工操作控制。主要包括三個階段:

生膠加熱。即將已塑煉的生膠在機上再次重煉,加熱軟化,并加入其他聚合物共混;

加配合劑。一般先加軟化劑、硬脂酸等,然后加入粉料和炭黑等(炭黑也可預先和部分生膠先單獨混為母煉膠)。硫磺一般在混煉的最后或在膠料經停放,于第二次重煉時再加入;

當所有配合劑添加完畢后,應再繼續翻煉,使混合均勻,然后卸下膠片。

開煉機混煉有一段混煉和分段混煉兩種工藝方法。無論是一段混煉還是兩段混煉,在混煉操作時,都先沿大牙輪一側加入生膠、母煉膠或并用膠,然后依據配方加入各種配合劑進行混煉。密閉式煉膠機混煉過程:密閉式煉膠機的轉子表面和混煉室壁面之間的間隙大小,隨轉子轉動有很大范圍的變化,對膠料產生強烈的剪切作用?;鞜捫Ч乳_放式煉膠機大得多,各種粉料配合劑在混煉室內和膠料混合而不飛揚在外,而且自動儀表控制混煉過程,例如在混煉過程中,膠料溫度、物料在室內的體積和所耗電功率的變化有一定規律。

密煉機通過轉子、上下頂栓在密煉室中產生復雜的流動方式和高剪切力,使橡膠配合劑和粒狀添加劑很快粉碎和均勻分散,是一種高效的混煉方法。但是高剪切力會使物料溫度在混煉中迅速上升,一般會達到130℃。這已超過了大多數硫化系統的活化溫度,會使膠料發生早期硫化(焦燒)。一般的做法是將大部分物料在密煉機中混煉,然后將膠料從密煉機排放到開煉機上,在開煉機上加硫化劑或超速促進劑。由于開煉機實際上只在輥縫線上對膠料有擠壓作用,而提供了很大的冷卻面積,致物料的溫度降低。在這一階段加入硫化劑可以避免膠料發生早期硫化(焦燒)。

密煉機混煉分為濕潤、分散和涅煉,密煉機混煉石在高溫加壓下進行的。開煉機的混合過程分為三個階段,即包輥(加入生膠的軟化階段)、吃粉(加入粉劑的混合階段)和翻煉(吃粉后使生膠和配合劑均達到均勻分散的階段)。開煉機混膠依膠料種類、用途、性能要求不同,工藝條件也不同?;鞜捴幸⒁饧幽z量、加料順序、輥距、輥溫、混煉時間、輥筒的轉速和速比等各種因素。既不能混煉不足,又不能過煉。

密煉機混煉操作方法主要有一段混煉法、二段混煉法、引料法和逆混法:

一段混煉法是指經密煉機和壓片機一次完成混煉,然后壓片得混煉膠的方法。在一段混煉操作中,常采用分批逐步加料法,為使膠料不至于劇烈升高,一般采用慢速密煉機,也可以采用雙速密煉機。其加料順序為生膠—小料—補強劑—填充劑—油類軟化劑—排料—冷卻—加硫磺及超促進劑。膠料直接排入壓片機,薄通數次后,使膠料降至100℃以下,再加入硫黃和超促進劑,翻煉均勻后下片冷卻。此法的優點是比二段混煉法的膠料停放時間短和占地面積小,其缺點是膠料可塑性偏低,填充補強劑不易分散均勻,而且膠料在密煉機中的煉膠時間長,易產生早期硫化。此法較適用于天然橡膠膠料和合成橡膠比例不超過50%的膠料。

密煉機一段混煉法從加料、混合到下片冷卻一次完成。一般要和壓片機配合使用,先把生膠或塑煉膠和配合劑按一定順序投入密煉機的混煉室內,混勻后排膠于壓片機上壓片,并使膠料溫度降低,此時再加入硫化劑和需低溫加入的配合劑,再通過搗膠裝置或人工搗膠反復壓煉,以混煉均勻,經密煉機和壓片機一次混煉得到均勻的混煉膠的方法叫做一段混煉法。

兩段混煉法是指兩次通過密煉機混煉壓片制成混煉膠的方法。這種方法適用于合成橡膠含量超過50%得膠料,可以避免一段混煉法過程中混煉時間長、膠料溫度高的缺點。第一階段混煉與一段混煉法一樣,只是不加硫化和活性大的促進劑,一段混煉完后下片冷卻,停放一定的時間,然后再進行第二段混煉?;鞜捑鶆蚝笈帕系綁浩瑱C上再加硫化劑,翻煉后下片。分段混煉法每次煉膠時間較短,混煉溫度較低,配合劑分散更均勻,膠料質量高。

6. 橡膠加工混煉的工藝方法及操作特點

混煉是橡膠加工工藝過程中最為重要一個組成部分之一,混煉可分開煉機、密煉機混煉。密煉機混煉還分高溫低溫之分,不同的設備、配方、硫化工藝、生產環境其混煉工藝也應該是不盡相同的。開煉混煉與密煉混煉各有不同的優缺點,開煉混煉存在著污染、分散不均、高溶點物質更難分散等不良因素,相對來說是低溫混煉,所以開煉混煉工藝后,需停放,使配合劑進一步擴散,在一般情況下是必須的,同時可以利用其低溫混煉的特點可以將包括超速促進劑在內的小藥同時一起加入混煉,所以開煉混煉的膠料有時其硫化T90比密煉加工的更加穩定。

密煉工藝的方法有多種多樣,其最重要的環節還是溫度、時間、壓力三方面的綜合控制。溫度控制是最為重要的一關,混煉溫度可分為高溫、中溫、低溫三種方法、高溫混煉一般在130~150℃之間,其混煉工藝上是不能加入任何促進劑或硫化劑,一般適用于高速密煉機,如輪胎膠料中的用SI69偶聯白炭黑,其密煉溫度達到了150℃,并嚴格控制密煉時間。

中溫混煉一般溫度控制在110~135℃不等,不同的配方、工藝可以選擇不同的排膠溫度。實際上大多數中小型企業都是選擇這個階段的混煉溫度,在這個混煉溫度階段操作有幾個特點:一是高溶點樹脂、投料袋等可以充分溶化有利于分散;二是一般溫度上升到這個階段大部分膠料已經混煉均勻可以排膠;三是在這個階段混煉是可以加入臨界活化溫度較高的促進劑品種一起混煉將有利于分散;四是膠料的門尼粘度容易控制。采用低溫混煉方的工廠也較多,可以使用與開煉混煉相同的加料程序。低溫混煉一般使用在較易混煉的、充油量較多的、補強劑結構較低的配合體系中?;鞜捁に囀且欢屋^為重要的加工過程,混煉質量的優劣不但直接影響膠料的物理性能,而且還不能確保膠料的正常的門尼粘度,從而還會影響后段的硫化加工工藝及硫化速度。

7. 結束語

總之,橡膠密煉機自十九世紀初發明以來,一直作為橡膠工業生產中的關鍵設備而投入使用。當下汽車行業的快速發展,帶動了橡膠輪胎市場需求量的增加,在全球提倡環保節能的大環境下,橡膠密煉機也開始向著環保節能的大方向發展,而大容量密煉機產品的出現也順應了這樣的發展趨勢。

 

作者簡介:

肖九梅(1958-),女,湖北武漢人,大學本科學歷,湖北武漢市新興化工材料公司工程師。

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