曾憲奎，呂 沖，張宗廷，劉 威

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

開煉機(jī)是最早出現(xiàn)的煉膠設(shè)備，由于自動(dòng)化程度低，工作環(huán)境差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等原因，導(dǎo)致了開煉機(jī)在橡膠工廠中的應(yīng)用越來越邊緣化，有逐步被自動(dòng)化程度高、環(huán)保性好的密煉機(jī)所取代的趨勢。但開煉機(jī)具有煉膠溫度低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)橡膠分子鏈氧化破壞作用少，煉膠質(zhì)量比密煉機(jī)等高溫?zé)捘z的方式更好，因此如何使開煉機(jī)揚(yáng)長避短，提高其自動(dòng)化程度，發(fā)揮其低溫?zé)捘z的特點(diǎn)，是目前很多橡膠工廠的共識(shí)，也是煉膠技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢[1]。尤其是近年來發(fā)展起來的低溫一次法煉膠工藝[2-3]，充分利用了開煉機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，將開煉機(jī)的應(yīng)用提高到了一個(gè)很高的程度，從而也對(duì)開煉機(jī)提出了更高的要求。

本文正是針對(duì)上述現(xiàn)狀，對(duì)開煉機(jī)自動(dòng)煉膠的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)并研制出了全自動(dòng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明，全自動(dòng)開煉機(jī)的優(yōu)越性非常明顯。

1 實(shí)驗(yàn)方案

為了對(duì)比全自動(dòng)開煉機(jī)的煉膠效果，本實(shí)驗(yàn)方案采用低溫一步法混煉工藝流程[4]，密煉機(jī)初混后的膠料分成2份，分別在傳統(tǒng)開煉機(jī)和全自動(dòng)開煉機(jī)上進(jìn)行低溫?zé)捘z[5]，比較2種機(jī)臺(tái)的煉膠效果。煉膠效果評(píng)定參數(shù)包括煉膠過程功率消耗、煉膠溫度、混煉膠粘度(門尼粘度)、硫化膠物理性能等質(zhì)量指標(biāo)。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度，每種方法進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所有的膠料標(biāo)本進(jìn)行樣品編號(hào)。

由于需要進(jìn)行門尼粘度和硫化膠物理性能的測量，所以煉膠過程注意膠料的分流，選用開煉機(jī)混煉3 min后加硫操作，然后對(duì)加硫化劑膠料和不加硫化劑膠料分開混煉，并對(duì)終煉膠進(jìn)行自動(dòng)下片，下片厚度選擇輥距為1.5 mm。

硫化劑的添加選擇在低溫開煉機(jī)中進(jìn)行，以避免硫化劑提前發(fā)生反應(yīng)，影響膠料性能。本對(duì)比實(shí)驗(yàn)中硫化劑添加時(shí)間要保持一致，都是在開煉機(jī)冷卻下片3 min后加硫。硫化過程都選用硫化溫度160 ℃,硫化時(shí)間30 min。

1.1 全自動(dòng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工藝條件

全自動(dòng)開煉機(jī)的煉膠工藝參數(shù)選用的最佳工藝組合，即輥距為0.7，輥速為32 r/min，前后輥速比為1∶1.2，混煉溫度為50 ℃，混煉時(shí)間為14 min，并且發(fā)揮全自動(dòng)開煉機(jī)煉膠過程工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)整的優(yōu)勢進(jìn)行混煉過程。

1.2 傳統(tǒng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工藝條件

傳統(tǒng)開煉機(jī)因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，為保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的可對(duì)比性，工藝參數(shù)的確定在時(shí)間上選用全自動(dòng)開煉機(jī)工藝，其它工藝應(yīng)用傳統(tǒng)開煉機(jī)混煉工藝，本實(shí)驗(yàn)選用的開煉機(jī)為上海橡膠機(jī)械廠生產(chǎn)的X(S)K-160型開煉機(jī)，輥速為20 r/min，前后輥速比為1∶1.1。煉膠方法采用打三角包的薄通混煉法。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

為保證2種設(shè)備的可對(duì)比性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量在保證準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，還要實(shí)現(xiàn)測量過程的一致性。

2.1 單位能耗測量

全自動(dòng)開煉機(jī)設(shè)有智能三相電能表，可以測量并記錄煉膠過程的能耗，并且能夠顯示，方便讀數(shù)。

為檢測傳統(tǒng)開煉機(jī)的功率消耗，本實(shí)驗(yàn)通過選取開煉機(jī)煉膠過程電機(jī)的瞬時(shí)功率信號(hào)，利用可編程邏輯控制器PLC積分預(yù)算的處理方法，讀取煉膠過程的功率消耗。

2.2 煉膠溫度測量

全自動(dòng)開煉機(jī)的溫度測量可以通過測溫裝置方便地顯示讀取。而傳統(tǒng)開煉機(jī)對(duì)膠料溫度的測量使用上海強(qiáng)佳電氣有限公司生產(chǎn)的紅外線測溫儀，進(jìn)行手動(dòng)測量。測量記錄的膠料溫度以開煉機(jī)排膠時(shí)溫度為標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 膠料門尼粘度測量

為保證膠料門尼粘度測量結(jié)果的可比性，門尼粘度測試試樣的制作需要選擇相同的混煉時(shí)間和下片厚度，門尼粘度儀的時(shí)間和溫度保持一致。

2.4 硫化膠物理性能測量

硫化膠物理性能測試項(xiàng)目包括炭黑分散度、邵氏A硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力和斷裂伸長率。采用中國臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司生產(chǎn)的TS 2005 b萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測試?yán)鞆?qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力和斷裂伸長率；采用瑞典OPTIGRADE公司生產(chǎn)的DG1000NT+型炭黑分散儀測試分散度；邵氏硬度的測量采用江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的邵氏A型硬度計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 全自動(dòng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

全自動(dòng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 全自動(dòng)開煉機(jī)煉膠效果

3.2 傳統(tǒng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)開煉機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 傳統(tǒng)開煉機(jī)煉膠效果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

4.1 平均能耗比較

2種開煉機(jī)的平均能耗對(duì)比如圖1所示。從圖1可以看出，全自動(dòng)開煉機(jī)煉膠能耗在平均值附近，波動(dòng)較小，說明設(shè)備運(yùn)行比較平穩(wěn)，而傳統(tǒng)開煉機(jī)煉膠的煉膠能耗波動(dòng)較大，即煉膠過程不平穩(wěn)。并且通過計(jì)算可以得出全自動(dòng)開煉機(jī)的平均能耗為1.962 kJ/g，而傳統(tǒng)開煉機(jī)達(dá)到2.176 kJ/g，即在煉膠量和煉膠條件一致的條件下，全自動(dòng)開煉機(jī)比傳統(tǒng)開煉機(jī)節(jié)能9.83%。

分析上述結(jié)果的原因，一是在煉膠過程能耗波動(dòng)方面，全自動(dòng)開煉機(jī)由于采用了實(shí)驗(yàn)得到的適合膠料配方的最佳工藝參數(shù)組合，適應(yīng)了本配方煉膠的最佳要求，使煉膠過程處于最佳狀態(tài)，減少了煉膠能耗的波動(dòng)；二是由于全自動(dòng)開煉機(jī)增加了翻膠搗膠裝置，可以將膠料均勻地分配到開煉機(jī)輥筒上，避免因膠料在輥筒某部分分布較多引起的功率變化。在節(jié)能方面由于開煉機(jī)的兩輥筒采用獨(dú)立雙驅(qū)動(dòng)，避免了傳統(tǒng)開煉機(jī)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)二級(jí)傳動(dòng)中的功率損耗，提高了電機(jī)的利用效率，同時(shí)煉膠過程的最佳工藝參數(shù)可以使混煉效果達(dá)到最佳狀態(tài)，提高了煉膠效率，降低了能耗。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

4.2 溫度比較

由表1和表2可以明顯看出，全自動(dòng)開煉機(jī)排膠時(shí)溫度比較穩(wěn)定，并且僅在溫控裝置控制范圍波動(dòng)，而傳統(tǒng)開煉機(jī)排膠溫度較高[6]，并且波動(dòng)比較大。主要是由于傳統(tǒng)開煉機(jī)對(duì)輥筒溫度采用直接通冷卻水的形式，溫度控制精度差，不能起到輥溫的精確控制，而全自動(dòng)開煉機(jī)通過輥溫的精確測量和溫控裝置提高了輥筒溫度控制的精度。

4.3 塑煉膠性能比較

塑煉膠性能比較主要是進(jìn)行門尼粘度的對(duì)比，門尼粘度是橡膠加工性能的好壞和相對(duì)分子質(zhì)量高低及分布范圍寬窄的反映，門尼粘度高，說明膠料的相對(duì)分子質(zhì)量高、分布范圍寬，不易混煉均勻及擠出加工，門尼粘度低則說明相對(duì)分子質(zhì)量低、分布范圍窄，膠料加工中易粘輥。2種開煉機(jī)的門尼粘度曲線如圖2 所示。

從圖2可以看出，全自動(dòng)開煉機(jī)的混煉膠粘度相對(duì)傳統(tǒng)開煉機(jī)比較穩(wěn)定，并在最佳值附近分布，即說明全自動(dòng)開煉機(jī)混煉膠的相對(duì)分子質(zhì)量分布較窄，混煉膠質(zhì)量比較穩(wěn)定、均勻。而傳統(tǒng)開煉機(jī)門尼粘度波動(dòng)較大，數(shù)值在38.9～73.5之間，即相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬。根據(jù)計(jì)算全自動(dòng)開煉機(jī)的門尼粘度平均值62.88，也比傳統(tǒng)開煉機(jī)58.68要高，并且在正常范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

分析傳統(tǒng)開煉機(jī)門尼粘度數(shù)值分布原因，一是由于煉膠過程中膠料的性質(zhì)是變化的，隨著煉膠的進(jìn)行，膠料流動(dòng)性增大，所需要破壞橡膠大分子鏈的機(jī)械力也增大，而傳統(tǒng)開煉機(jī)固定的工藝參數(shù)和單一控制方式，不能隨膠料的變化而變化，因此不能提供足夠的機(jī)械剪切作用，導(dǎo)致門尼粘度出現(xiàn)較大值；二是由于其煉膠過程膠料受力不均勻，煉膠過程中存在部分膠料反復(fù)捏煉，部分膠料卻不能受到捏煉的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)門尼粘度較低值。

全自動(dòng)開煉機(jī)之所以具有較好的塑煉效果，主要有以下幾個(gè)原因：首先，全自動(dòng)開煉機(jī)采用實(shí)驗(yàn)確定的最佳工藝參數(shù)，使整個(gè)煉膠過程有足夠機(jī)械剪切力的作用，保證了大分子鏈的斷裂效率和質(zhì)量；其次，通過輥筒溫控裝置保證開煉機(jī)低溫混煉的最佳溫度，減少橡膠分子鏈不可逆化學(xué)裂解的發(fā)生，避免了過低的橡膠相對(duì)分子質(zhì)量的產(chǎn)生；再次，翻膠搗膠裝置對(duì)膠料在輥筒上的徑向和橫向混合起到了很好的輔助作用，保證了混煉膠受力的均勻性，提高了膠料質(zhì)量的均一性。

4.4 硫化膠性能比較

4.4.1 炭黑分散度比較

炭黑分散度可以代表混煉膠中配合劑的分散情況，反應(yīng)膠料和配合劑的混煉均勻情況，良好的炭黑分散性是橡膠制品耐磨性的保證，同時(shí)炭黑在膠料中的均勻分布可以提高硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)作用。炭黑分散度對(duì)比如圖3所示。

從圖3可以看出，全自動(dòng)開煉機(jī)的炭黑分散度分布比較均勻，傳統(tǒng)開煉機(jī)的分散度波動(dòng)較大；通過計(jì)算2種開煉機(jī)分散度的平均值，可以得出全自動(dòng)開煉機(jī)的炭黑分散度比傳統(tǒng)開煉機(jī)提高了24.32%。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

圖4為由DG1000NT+型炭黑分散儀測得的2種煉膠設(shè)備的炭黑分散度。從圖4可以看出，與傳統(tǒng)開煉機(jī)的炭黑分散情況相比全自動(dòng)開煉機(jī)有較多的炭黑聚集體區(qū)域和較多的無炭黑區(qū)域，說明其炭黑分散性較差。而全自動(dòng)開煉機(jī)的炭黑分布較均勻，分散性較好。炭黑分散度可以反映其它配合劑的分散情況。

(a) 傳統(tǒng)開煉機(jī)膠料分散性

(b) 全自動(dòng)開煉機(jī)膠料分散性

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，造成傳統(tǒng)開煉機(jī)分散情況差的主要原因還是煉膠過程中膠料不能得到充分混合，而全自動(dòng)開煉機(jī)選用的是較高的速比和輥速以及合適的混煉溫度，改善了煉膠過程的機(jī)械剪切力和煉膠過程的吃粉性能，提高了炭黑分散性，同時(shí)通過自動(dòng)翻膠搗膠裝置，改善膠料混煉過程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了混煉膠配合劑分散的均勻性。

4.4.2 邵氏A硬度比較

從圖5可以看出，采用全自動(dòng)開煉機(jī)煉膠，得到的膠料邵氏A硬度比較均勻，并且數(shù)值較高，而傳統(tǒng)開煉機(jī)的膠料硬度有的大于全自動(dòng)開煉機(jī)的硬度，而有的卻遠(yuǎn)小于全自動(dòng)開煉機(jī)膠料硬度，膠料的硬度波動(dòng)較大。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)

分析上述結(jié)果的原因，全自動(dòng)開煉機(jī)煉膠的邵氏A硬度性能較好，主要是因?yàn)槠涮亢诜稚⑿暂^好。而傳統(tǒng)開煉機(jī)硬度波動(dòng)較大主要是炭黑及其它小料的分散度不均造成的，硬度數(shù)值較大的點(diǎn)是試樣中炭黑集度較大的位置，而數(shù)值較小的點(diǎn)是試樣中炭黑集度較小的位置，從而也間接地說明了全自動(dòng)開煉機(jī)在煉膠效果方面優(yōu)于傳統(tǒng)開煉機(jī)。

4.4.3 物理機(jī)械性能比較

圖6分別從100%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和撕裂強(qiáng)度等物理機(jī)械性能上對(duì)2種煉膠設(shè)備的煉膠效果進(jìn)行了對(duì)比。從圖6可以看出，在前4種膠料在拉伸性能上，2種煉膠設(shè)備的變化趨勢基本一致，但全自動(dòng)開煉機(jī)的數(shù)值明顯高于傳統(tǒng)開煉機(jī)，并且全自動(dòng)開煉機(jī)的硫化膠在物理機(jī)械性能穩(wěn)定性方面波動(dòng)較小，尤其在100%定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度上，全自動(dòng)開煉機(jī)在穩(wěn)定性方面明顯高于傳統(tǒng)開煉機(jī)。通過計(jì)算2種煉膠設(shè)備物理機(jī)械性能平均值，可以得出全自動(dòng)開煉機(jī)的煉膠效果在5項(xiàng)性能指標(biāo)上都高于傳統(tǒng)開煉機(jī)，表3是全自動(dòng)開煉機(jī)相比傳統(tǒng)開煉機(jī)在物理機(jī)械性能上的提高率。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(a) 100%定伸應(yīng)力

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(b) 拉伸強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(c) 拉斷伸長率

實(shí)驗(yàn)次數(shù)(d) 撕裂強(qiáng)度

表3 物理機(jī)械性能提高率

分析上述煉膠效果，全自動(dòng)開煉機(jī)硫化膠質(zhì)量較好的原因：一是全自動(dòng)開煉機(jī)煉膠過程，由于采用全自動(dòng)的溫控裝置，保證了煉膠過程的溫度始終處于最佳溫度，既有利于橡膠大分子鏈的剪切斷裂，又防止了過高溫度造成相對(duì)分子質(zhì)量的氧化破壞，提高了橡膠大分子的保持性，保證膠料的較穩(wěn)定的機(jī)械性能；二是全自動(dòng)開煉機(jī)通過合適的輥速、速比和輥距，增強(qiáng)了膠料的剪切作用，提高了炭黑和各種配合劑的分散性，充分發(fā)揮了炭黑對(duì)硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)作用，提高了膠料的力學(xué)性能[7]；三是全自動(dòng)開煉機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)翻膠搗膠，改善了膠料在輥筒軸向混合差的不足，提高了混煉膠質(zhì)量的均一性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

(1) 全自動(dòng)開煉機(jī)相比傳統(tǒng)開煉機(jī)保證了良好的塑煉效果，提高了終煉膠的物理機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度分別提高了8.3%和10.4%。

(2) 全自動(dòng)開煉機(jī)相比較傳統(tǒng)開煉機(jī)在煉膠質(zhì)量的穩(wěn)定性和均一性上都得到了提高。

參 考 文 獻(xiàn)：

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