唐 帆，聶衛(wèi)云，路麗珠，胡 浩

（1.安徽世界村新材料有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽世界村智能裝備有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143）

我國橡膠工業(yè)的發(fā)展速度與世界橡膠工業(yè)相比優(yōu)勢十分顯著，尤其是快速發(fā)展的汽車工業(yè)帶動輪胎工業(yè)的迅猛發(fā)展，直接加速了橡膠加工技術(shù)的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。作為橡膠加工過程中第1道基本且非常關(guān)鍵的工序，混煉既是橡膠工業(yè)技術(shù)的核心也是能耗最大的工序，其質(zhì)量直接影響甚至決定半成品的加工性能及橡膠制品的綜合性能與使用壽命[1]。

橡膠混煉是一種復(fù)雜的加工工藝，是將生膠（天然橡膠和合成橡膠）與多種配合劑均勻混合制成所需性能混煉膠的過程，其與傳統(tǒng)物質(zhì)，如氣體、液體、固體粉末等之間的簡單攪拌混合存在本質(zhì)的區(qū)別。原因在于生膠與配合劑之間存在不相容的多相性，通過簡單混合難以形成均勻的分散體系，因此需要借助混煉設(shè)備的機(jī)械元件對其產(chǎn)生剪切、擠壓、翻攪等作用，以使多種配合劑混入高粘度生膠中形成均勻、復(fù)雜的分散體系，即混煉膠。

鑒于橡膠制品的綜合性能和使用壽命往往由混煉膠質(zhì)量和加工性能決定，而混煉膠質(zhì)量與加工性能主要受配方體系、加工方法和工藝條件以及混煉設(shè)備影響。合理的配方體系與先進(jìn)的混煉設(shè)備可以確保配合劑與生膠之間通過相互作用達(dá)到一定的分散程度，完善的加工方法和工藝條件可以確?；鞜挄r間更短、效率更高、速度更快、能耗更低、均勻性更好等。各種影響因素之間存在制約與矛盾的關(guān)系，因此需要進(jìn)行系統(tǒng)理論研究，深入探索反應(yīng)機(jī)理，并以此為依據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[2-3]。

本文介紹橡膠混煉的發(fā)展歷程、技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，提出橡膠混煉的發(fā)展建議。

1 橡膠混煉的發(fā)展歷程

單輥煉膠機(jī)即螺桿塑煉機(jī)于1820年由英國人Thomas Hancock發(fā)明，1826年在此基礎(chǔ)上開發(fā)并投入使用兩輥開煉機(jī)，標(biāo)志著橡膠混煉技術(shù)研究拉開了序幕。第1項(xiàng)橡膠加工設(shè)備的專利由Edwin M.Chaffee于1839年獲得，該設(shè)備即現(xiàn)代兩輥開煉機(jī)的鼻祖，之后橡膠材料的塑煉與混煉主要依靠該設(shè)備來實(shí)現(xiàn)[4]。

開煉機(jī)主要應(yīng)用于橡膠材料的塑煉與混煉，長期實(shí)踐發(fā)現(xiàn)其本身存在產(chǎn)品穩(wěn)定性差、產(chǎn)能低、勞動強(qiáng)度大、安全性與工作環(huán)境差等缺點(diǎn)。為了解決這一系列問題，英國人Fernley H.Banbury進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)與改造，并于20世紀(jì)初開發(fā)出世界上首臺密煉機(jī)，即本伯里密煉機(jī)。該設(shè)備使橡膠混煉效率和混煉膠質(zhì)量大幅提高，工作環(huán)境與勞動強(qiáng)度明顯改善。此后，為了應(yīng)對不同性能（如高硬度、高粘度等）膠料的混煉，混煉設(shè)備也在不斷改進(jìn)與完善，陸續(xù)出現(xiàn)了螺旋嚙合密煉機(jī)、聯(lián)鎖式轉(zhuǎn)子密煉機(jī)、四棱轉(zhuǎn)子密煉機(jī)等。密煉機(jī)發(fā)展至今已近100年，阻礙其發(fā)展的重要問題為間歇性操作[5-7]。

為解決橡膠混煉間歇性操作問題，全球著手針對連續(xù)式混煉設(shè)備與工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。世界上首臺擠出機(jī)—手動活塞式擠出機(jī)于1795年由英國人Joseph Bramah設(shè)計(jì)并制造，1854年R.A.Brooman和1879年M.Gray申請并獲得相關(guān)專利。此后，擠出機(jī)進(jìn)入快速發(fā)展階段，主要體現(xiàn)在控制方式由手動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱樱?9世紀(jì)80年代為制造充氣輪胎部件而發(fā)明了首臺螺桿擠出機(jī)，首次將以往僅用于塑料加工的設(shè)備應(yīng)用于橡膠加工中，標(biāo)志著擠出機(jī)進(jìn)入現(xiàn)代單螺桿擠出機(jī)新階段。以擠出機(jī)與20世紀(jì)50年代首次使用的法向應(yīng)力泵為基礎(chǔ)，Kenics靜態(tài)混合機(jī)-擠出機(jī)等連續(xù)混煉裝置得到快速發(fā)展?，F(xiàn)在連續(xù)混煉設(shè)備可以應(yīng)用于橡膠顆?；蚰z粉的連續(xù)混煉，但橡膠需為特定的粒狀或粉狀，這限制了連續(xù)混煉設(shè)備的推廣與應(yīng)用[8-9]。

2 橡膠混煉技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展

橡膠混煉是橡膠制品生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，與原材料一同決定了橡膠制品質(zhì)量的優(yōu)劣。從原材料狀態(tài)來分，橡膠混煉可分為干法混煉和濕法混煉[10]。傳統(tǒng)的橡膠混煉工藝主要為干法混煉。

2.1 干法混煉技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展

干法混煉是指借助于開煉機(jī)、密煉機(jī)或連續(xù)混煉機(jī)本身機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高剪切、擠壓、翻攪等作用來實(shí)現(xiàn)固態(tài)生膠、各種粉末狀配合劑等均勻混合分散而形成均勻的復(fù)雜特性的分散體系的過程。從混煉工藝與裝備來看，干法混煉可分為以開煉機(jī)或密煉機(jī)為代表的間歇式混煉和以單轉(zhuǎn)子/雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)、傳遞式連續(xù)混煉機(jī)或螺桿擠出機(jī)等為代表的連續(xù)式混煉。

2.1.1 間歇式混煉

最早出現(xiàn)的開煉機(jī)以及提升混煉膠質(zhì)量而出現(xiàn)的密煉機(jī)的共同特點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化混煉，故都屬于間歇式混煉，其流程主要包括生膠與配合劑的添加、混煉和卸料3個步驟[11]。

開煉機(jī)從出現(xiàn)至今已有200年的歷史，從設(shè)備結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式與性能等都得到了迅猛發(fā)展。目前最具代表性的開煉機(jī)主要為捷克Buzuluk公司和德國Harburg Freudenberger公司制造的開煉機(jī)。我國開煉機(jī)的設(shè)計(jì)與制造始于1955年，主要沿用前蘇聯(lián)的開煉機(jī)制造技術(shù)，歷經(jīng)60多年的創(chuàng)新發(fā)展，在開煉機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、產(chǎn)量與類型等方面都得到很大提高，現(xiàn)在國產(chǎn)開煉機(jī)已形成系列化，可以完成部分規(guī)格型號的定制化設(shè)計(jì)與制造，如大連橡膠塑料機(jī)械有限公司的開煉機(jī)具有一定代表性，除能滿足國內(nèi)橡膠工業(yè)的需要外，部分產(chǎn)品已出口國外[12-14]。

為彌補(bǔ)開煉機(jī)長期使用過程中出現(xiàn)的諸如工作環(huán)境差、勞動強(qiáng)度大、能耗高、產(chǎn)品性能參差不齊等缺點(diǎn)[15]，密煉機(jī)逐步發(fā)展起來。在橡膠混煉過程中，相比于傳統(tǒng)的開煉機(jī)，密煉機(jī)具有操作簡單、勞動強(qiáng)度低、時間短、生產(chǎn)效率高、全密閉式工作環(huán)境佳且不易造成原料損耗等優(yōu)勢。但開煉機(jī)對于橡膠混煉的全過程可隨時觀察，橡膠制品的配方與混煉工藝可以及時調(diào)整，因此開煉機(jī)至今仍未完全被密煉機(jī)取代。密煉機(jī)作為橡膠混煉典型的機(jī)械設(shè)備，從出現(xiàn)至今仍在不斷完善與發(fā)展中。在密煉機(jī)中，膠料在流動過程（周向和軸向）中，受到混煉轉(zhuǎn)子之間、膠料與密煉室內(nèi)壁、卸料門、壓砣之間的剪切、擠壓、翻攪等作用，得到所需的混煉膠。

間歇式密煉機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了很多階段，主要有：（1）由無壓砣到有壓砣的轉(zhuǎn)變；（2）由翻轉(zhuǎn)式卸料到卸料門卸料的轉(zhuǎn)變；（3）由擺動式卸料門到滑動式卸料門的轉(zhuǎn)變；（4）由無凸棱轉(zhuǎn)子變?yōu)槎估廪D(zhuǎn)子，再變?yōu)樗耐估廪D(zhuǎn)子等。其中最重大的創(chuàng)新為轉(zhuǎn)子由切線型到嚙合型的轉(zhuǎn)變。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可將密煉機(jī)分為低速（20 r·min-1）、中速（30～40 r·min-1）及高速（60 r·min-1以上）3類。密煉機(jī)的發(fā)展方向以高速、高壓、高效能機(jī)械設(shè)備為主?，F(xiàn)在國內(nèi)外主流密煉機(jī)為F系列切線型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)（美國法雷爾公司開發(fā)）、GK-N系列切線型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)和GK-E系列嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)（德國W&P公司開發(fā)）、K型嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)（英國Francis Shaw公司開發(fā)）。我國密煉機(jī)主要制造廠家為大連橡膠塑料機(jī)械有限公司和益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司，主要引進(jìn)國外先進(jìn)密煉機(jī)生產(chǎn)技術(shù)并結(jié)合國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用消化吸收并自主創(chuàng)新[16-17]。同時，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)針對銷釘轉(zhuǎn)子及混煉室、翻轉(zhuǎn)式密煉機(jī)等進(jìn)行了研究開發(fā)。

為提升混煉膠的理化性能、流變性能均勻性，美國法雷爾公司一直致力于同步轉(zhuǎn)子密煉機(jī)的研究與開發(fā)，主要原理為將密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比由傳統(tǒng)的1.16∶1轉(zhuǎn)變成1∶1，以達(dá)到轉(zhuǎn)子之間同步。為方便密煉機(jī)實(shí)際應(yīng)用中各部位零配件的拆卸、更換與安裝等日常維護(hù)保養(yǎng)，德國W&P公司針對其GK-N和GK-E系列密煉機(jī)中料斗、機(jī)座和混煉區(qū)3個部位進(jìn)行功能獨(dú)立設(shè)計(jì)研究，這3個功能獨(dú)立部分都可以進(jìn)行正向和反向安裝。為適應(yīng)密煉機(jī)實(shí)際混煉過程中原料特性如粒徑大小等的要求，意大利Pomini公司針對嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并研制出可調(diào)嚙合間隙（VIC）密煉機(jī)，可通過該機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子之間的距離，以保證得到轉(zhuǎn)子最佳的機(jī)械剪切、擠壓、翻攪等作用從而實(shí)現(xiàn)最佳的混煉效果[18-20]。

無論開煉機(jī)還是密煉機(jī)都屬于間歇式混煉設(shè)備，雖在長期應(yīng)用中二者結(jié)構(gòu)與性能等得到不斷優(yōu)化，但始終無法解決間歇式混煉固有的缺陷?；鞜捘z在間歇式混煉中，各物料經(jīng)歷不同的流動軌跡，在規(guī)定時間內(nèi)應(yīng)變歷程不同，雖然密煉機(jī)中物料總停留時間相同，但是剪切速率不一致，以至于物料在不同剪切區(qū)域的停留時間也不完全相同。為確保工業(yè)化生產(chǎn)中的混煉膠生產(chǎn)能力，間歇式混煉設(shè)備需不斷加大膠料容納能力，為保證大量膠料盡可能混煉均勻，需增大轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致膠料內(nèi)部溫度急劇升高，易使膠料焦燒[21]。為解決這一問題，傳統(tǒng)工藝需要進(jìn)行多次混煉，這就大大增加了混煉的復(fù)雜性。間歇式混煉還需外加壓片等設(shè)備，以保證混煉膠的固定形狀而便于包裝或使用。為徹底克服間歇式混煉的缺陷，急需一種更簡單、混煉效果更佳的連續(xù)式混煉技術(shù)。

2.1.2 連續(xù)式混煉

雖然間歇式混煉中密煉機(jī)的生產(chǎn)效率已經(jīng)達(dá)到很高水平，即每個混煉周期時間為3～5 min，但其因無法連續(xù)化工作致使每個批次混煉膠的差異性與混煉質(zhì)量的不穩(wěn)定性等問題無法得以徹底解決。連續(xù)式混煉因其本身兼具高效率、高穩(wěn)定性和低能耗等優(yōu)勢而成為橡膠行業(yè)的研究重點(diǎn)與混煉的發(fā)展方向。粉末狀橡膠材料的生產(chǎn)技術(shù)革新更推動了橡膠連續(xù)式混煉進(jìn)一步的探索與發(fā)展[22]。

美國法雷爾公司于1964年設(shè)計(jì)并制造出世界上首臺FCM型雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)，這使橡膠連續(xù)式混煉逐漸成為研究的焦點(diǎn)。然而連續(xù)式混煉受限于原材料的狀態(tài)（粉狀或粒狀）、材料生產(chǎn)技術(shù)與連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)的精度等，始終難以工業(yè)化生產(chǎn)，這也在一定程度上阻礙了連續(xù)式混煉技術(shù)的研究與發(fā)展。隨著粉狀或粒狀原材料及相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)、連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)研究的發(fā)展與成熟，連續(xù)式混煉受關(guān)注程度越來越高。連續(xù)式混煉相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)類型分為密煉/擠出組合式連續(xù)混煉機(jī)、轉(zhuǎn)子/螺桿組合式連續(xù)混煉機(jī)與基于擠出機(jī)的連續(xù)混煉機(jī)3種[23-25]。

2.1.2.1 密煉/擠出組合式連續(xù)混煉機(jī)

密煉/擠出組合式連續(xù)混煉機(jī)指在設(shè)備結(jié)構(gòu)上兼具傳統(tǒng)密煉機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)，在功能上兼具傳統(tǒng)密煉機(jī)的停留混煉（分散、混合、剪切等）功能和傳統(tǒng)擠出機(jī)的輸送排料功能，屬于二者的結(jié)合體。該類設(shè)備包括前蘇聯(lián)的連續(xù)混煉機(jī)、新型混煉捏合機(jī)與美國法雷爾公司的MVX型連續(xù)混煉機(jī)3種代表性機(jī)型。

前蘇聯(lián)的連續(xù)混煉機(jī)主要核心作用部件由一根螺桿與一對圓筒形轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子平行位于螺桿的中上部。該設(shè)計(jì)依靠隔膠塊將其分為3個功能區(qū)域：（1）前段部分螺桿對原材料起輸送與預(yù)混合的功能，即將料斗中加入的原材料輸送至轉(zhuǎn)子區(qū)域且在輸送的過程中對其預(yù)先進(jìn)行初步混合；（2）中段部分螺桿與轉(zhuǎn)子重疊，屬于輸送和核心混煉功能區(qū)，物料可在轉(zhuǎn)子間充分混煉均勻并借助螺桿輸送；（3）后段部分借助于螺桿輸送至機(jī)頭擠出。該螺桿可用于沿軸向往復(fù)運(yùn)動與正反向回轉(zhuǎn)，該設(shè)備適用于顆粒狀或流動性好的原材料的混煉擠出。

新型混煉捏合機(jī)主要核心作用部件由一對轉(zhuǎn)子和一對螺桿構(gòu)成，其中轉(zhuǎn)子位于混煉室的內(nèi)部，螺桿位于混煉室的底部且轉(zhuǎn)子位于螺桿上部，二者平行、方向一致分布且同向旋轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)主要分為兩個功能區(qū)域：（1）預(yù)選混合好的原材料進(jìn)入混煉室，首先經(jīng)過雙轉(zhuǎn)子的捏合混煉段的混煉作用；（2）混煉后的物料進(jìn)入雙螺桿段旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步混煉，輸送至排料口排出。該設(shè)備適用于硅橡膠的混煉，尤其有利于配合劑與母煉膠的相互作用。

美國法雷爾公司的MVX型連續(xù)混煉機(jī)主要核心作用部件由一對相對旋轉(zhuǎn)的三角形轉(zhuǎn)子、一根單螺桿和一個氣動壓砣構(gòu)成。其中相對旋轉(zhuǎn)的三角形轉(zhuǎn)子位于混煉室內(nèi)部，單螺桿位于混煉室底端，氣動壓砣位于混煉室頂端加料口，相對旋轉(zhuǎn)的三角形轉(zhuǎn)子與單螺桿呈垂直分布。該設(shè)計(jì)主要分為兩個功能區(qū)域：（1）物料通過加料口進(jìn)入混煉室內(nèi)，首先經(jīng)過一對相對旋轉(zhuǎn)的三角形轉(zhuǎn)子的剪切混煉，上端的氣動壓砣一方面提供物料混煉流動所需的壓力，另一方面防止物料從加料口上端溢出；（2）依靠混煉室上端加料口與下端排料口的壓力差使混煉室內(nèi)的膠料進(jìn)入底端單螺桿段進(jìn)而再混煉，并輸送至排料口排出。該設(shè)備適用于粉狀或粒狀原材料的混煉加工[26]。

2.1.2.2 轉(zhuǎn)子/螺桿組合式連續(xù)混煉機(jī)

轉(zhuǎn)子/螺桿組合式連續(xù)混煉機(jī)實(shí)現(xiàn)了擠出機(jī)核心元件（螺桿）與密煉機(jī)核心元件（轉(zhuǎn)子）二者之間的相互融合，形成一種特有的整體性結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)兼具了擠出機(jī)螺桿的輸送擠出與密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)剪切混煉雙重功能。該類型設(shè)備包括FCM型連續(xù)混煉機(jī)和雙軸連續(xù)混煉機(jī)兩種代表性機(jī)型。

FCM型連續(xù)混煉機(jī)為美國法雷爾公司開發(fā)的真正意義上的連續(xù)混煉機(jī)，其與傳統(tǒng)密煉/擠出組合式連續(xù)混煉機(jī)的根本區(qū)別在于：傳統(tǒng)密煉/擠出組合式連續(xù)混煉機(jī)將混煉與輸送擠出分別在兩種設(shè)備元件上進(jìn)行，屬于先混煉再擠出工藝；FCM型連續(xù)混煉機(jī)則將物料的混煉與擠出、排料集中在一種設(shè)備元件上同步完成。FCM型連續(xù)混煉機(jī)主要核心作用部件是兩個轉(zhuǎn)子（外形類似擠出機(jī)的螺桿），其位于混煉室內(nèi)部，呈現(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。該設(shè)計(jì)主要分為3個功能區(qū)域并集中在一種設(shè)備元件上：（1）最前端為喂料段，類似螺桿的螺紋結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)將加料口中的物料輸送至下段；（2）中后部為混煉段，類似密煉機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)對輸送的物料進(jìn)行分散混合與強(qiáng)剪切混煉作用；（3）末端為擠出段，類似螺桿的螺紋結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)將混煉好的物料輸送并擠出至卸料口排出。該設(shè)備具有較強(qiáng)的混煉能力，混煉高填充物料效果尤為顯著，特別適用于混煉高溫高剪切速率及對溫度敏感且低剪切速率的物料[27]。

雙軸連續(xù)混煉機(jī)的主要核心作用部件由一對雙轉(zhuǎn)子和一對雙螺桿構(gòu)成，其中前段雙轉(zhuǎn)子位于主混煉室，依靠中間連接部分與后段類似于螺桿擠出機(jī)的螺旋結(jié)構(gòu)相連接，后段混煉部分與出料口相連。為達(dá)到不同類型物料的要求，可依據(jù)混煉工藝來靈活改變前混煉段轉(zhuǎn)子和后混煉段螺桿的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的混煉效果。

2.1.2.3 基于擠出機(jī)的連續(xù)混煉機(jī)

該類連續(xù)混煉機(jī)是在螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，尤其21世紀(jì)初螺桿擠出機(jī)的快速發(fā)展極大地推動了該類連續(xù)混煉機(jī)的發(fā)展。該類連續(xù)混煉機(jī)具備以下特點(diǎn)：（1）多數(shù)具備大長徑比的核心元件（轉(zhuǎn)子）；（2）轉(zhuǎn)子被劃分為幾個功能段，分別承擔(dān)各自的混煉任務(wù)，因此該類連續(xù)混煉機(jī)可以保證物料具有充足的混煉時間、高效的分散與較好的混合效果。該類型設(shè)備包括BussKneader型連續(xù)混合機(jī)、雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)和CCM型連續(xù)混煉機(jī)3種代表性機(jī)型。

BussKneader型連續(xù)混合機(jī)是一家瑞士企業(yè)研發(fā)的具有特殊結(jié)構(gòu)的類似單螺桿擠出機(jī)。其主要核心作用部件由一個含有螺片的單螺桿和混煉銷釘構(gòu)成，其中單螺桿位于混煉室內(nèi)部，混煉銷釘位于混煉室的機(jī)筒內(nèi)壁上，混煉銷釘與單螺桿上的螺片相對應(yīng)并相對運(yùn)動。該設(shè)備主要依靠機(jī)筒內(nèi)壁上的混煉銷釘與單螺桿上的螺片之間的相對運(yùn)動而對物料產(chǎn)生剪切混煉作用，以促使物料均勻分散。該設(shè)備兼具精確的溫度控制和高效的縱向混合能力，適用于混煉高填充、高粘度、液態(tài)或易降解的物料[28-29]。

雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)的主要核心作用部件是一對具有多種螺紋與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的螺桿，其中加料段類似一對非嚙合的矩形螺紋的雙螺桿，起到對物料的輸送及預(yù)混合作用；混煉段類似一對密煉機(jī)轉(zhuǎn)子且表面設(shè)有兩對旋轉(zhuǎn)方向相對且螺旋角不等的螺棱（前端為正向輸送螺棱，后端為反向輸送螺棱），起到對物料的擠壓、混煉、塑化等作用；出料段類似一對橢圓形轉(zhuǎn)子，起到促使物料從出料口排出，依靠控制出料口的開口大小來確保物料在混煉室內(nèi)的停留時間。該設(shè)備適用于混煉流動性好的粒狀、粉狀或液態(tài)物料。

CCM型連續(xù)混煉機(jī)由意大利倍耐力公司的米蘭Bicoca研發(fā)中心于2003年開發(fā)成功并投入使用，其主要核心作用部件是兩臺雙螺桿擠出機(jī)串聯(lián)并輔以成套配料、輸送與投料裝置。其中配料裝置用于對橡膠制品配方中的配料進(jìn)行嚴(yán)格、精確的計(jì)量；輸送與投料裝置用于將計(jì)量后的配料輸送至混煉室；第1臺雙螺桿擠出機(jī)用于未加硫膠料的混煉，第2臺雙螺桿擠出機(jī)用于加硫后膠料的進(jìn)一步混煉。與傳統(tǒng)混煉機(jī)相比，CCM型連續(xù)混煉機(jī)具備以下特點(diǎn)：（1）設(shè)備占地面積??；（2）采用多套氣力輸送裝置，實(shí)現(xiàn)了自動化送料、計(jì)量及加料程序，節(jié)省人力成本；（3）混煉膠質(zhì)量優(yōu)異且成本較低，混煉能力達(dá)到250 kg·h-1[30]。

2.2 濕法混煉技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展

傳統(tǒng)的橡膠混煉一般以干法混煉為主，但干法混煉存在以下缺陷：（1）能耗非常高，占整體加工能耗的一半以上；（2）膠料各批次的質(zhì)量和性能都存在很大差異；（3）混煉過程中易產(chǎn)生大量粉塵等污染物，生產(chǎn)環(huán)境較差等。因此橡膠行業(yè)探索一種節(jié)能、混煉環(huán)境好、混煉均勻性佳的混煉方式，兼具以上優(yōu)勢的濕法混煉應(yīng)運(yùn)而生。濕法混煉屬于現(xiàn)代橡膠工業(yè)中重要的混煉方法，主要指將預(yù)先制得的炭黑或白炭黑等補(bǔ)強(qiáng)填料液相分散體系與膠乳（天然膠乳或合成膠乳）通過機(jī)械攪拌充分混合均勻，再依次經(jīng)過凝聚（共沉淀）、脫水、干燥等工序形成混煉膠的方法。

2.2.1 國外研究進(jìn)展

濕法混煉工藝概念由美國卡博特公司于2001年正式提出，并推出以炭黑與天然橡膠作為主要原材料并借助連續(xù)液相混煉工藝生產(chǎn)母煉膠的技術(shù)。首先將粒狀炭黑填料制成水漿，再依靠高壓射流的方式加入裝有膠乳的凝聚反應(yīng)器，充分?jǐn)嚢琛⒒旌暇鶆?、凝聚（共沉淀）后出料，最后依次進(jìn)行脫水、干燥等工序制成母煉膠。與傳統(tǒng)干法混煉工藝相比，該濕法混煉工藝最大限度地提升了炭黑在膠乳中的分散程度，因此膠料的綜合性能顯著提高，同時可以簡化混煉工藝，降低生產(chǎn)成本并改善生產(chǎn)環(huán)境。該濕法混煉工藝獲得相關(guān)專利，在其形成產(chǎn)業(yè)化后被法國米其林公司買斷。此后，美國、日本、法國、韓國等企業(yè)陸續(xù)申請濕法混煉技術(shù)的多項(xiàng)專利，但相關(guān)技術(shù)均未得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[31-32]。美國卡博特公司于2007年在中國申請?jiān)摷夹g(shù)專利，法國米其林公司于2012—2020年在中國與美國申請了有關(guān)濕法混煉技術(shù)領(lǐng)域（產(chǎn)品混煉、制造及其應(yīng)用等）的多項(xiàng)相關(guān)專利。

T.Jaiphuephae等[33]研究了天然膠乳與白炭黑的濕法混煉工藝。首先將二者按照一定比例攪拌均勻，然后借助噴霧干燥法對混合絮凝后的混煉膠進(jìn)行干燥處理。與傳統(tǒng)干燥方式制備的膠料相比，噴霧干燥法制備的膠料力學(xué)性能更優(yōu)異。通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，噴霧干燥法混煉膠中白炭黑分散得更均勻，幾乎無聚集體存在。

山田浩等[34]研究了一種制備炭黑/天然膠乳濕法混煉膠的新型改進(jìn)方法。在原料預(yù)處理方面，一是采用十六烷基三甲基溴化銨改性炭黑用于增大其表面積，以保證制備膠料的耐磨性能并防止其生熱過高；二是借助于堿性蛋白酶分解天然膠乳中的酰胺鍵，通過減輕天然膠乳酰胺基中的氫自身相互纏繞，以改善混煉膠的加工性能。在工藝優(yōu)化方面，借助于膠體磨、高剪切混合器、高壓均化器等，使炭黑漿料均勻分散到天然膠乳中。

2.2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

我國濕法混煉技術(shù)的研究與開發(fā)起步相對較晚。采用濕法混煉技術(shù)替代傳統(tǒng)混煉工藝應(yīng)用于白炭黑、炭黑等填料與橡膠混煉，是近年來廣大科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。

在政策支撐方面，科技部于2014年將橡膠濕法混煉技術(shù)及其項(xiàng)目分別列入新材料領(lǐng)域項(xiàng)目指南和“十三五”國家科技支撐項(xiàng)目計(jì)劃，其目標(biāo)為分別建成天然橡膠與合成橡膠的萬噸級示范性生產(chǎn)線并進(jìn)行推廣應(yīng)用。2014年5月中國化工學(xué)會化工新材料委員會與輪胎工程技術(shù)研究中心聯(lián)合舉辦了“濕法混煉共沉橡膠新材料技術(shù)與推廣論壇”，針對推動濕法混煉新技術(shù)、新材料的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了廣泛、深入的交流[35]。

在高校研究方面，華南理工大學(xué)針對濕法混煉的基本原理、炭黑和白炭黑的表面處理方法、相關(guān)配合技術(shù)與加工工藝等方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，這為廣大科研工作者的后續(xù)研究起到了重要的推動作用。青島科技大學(xué)對廢舊輪胎熱裂解炭黑進(jìn)行改性，并將改性炭黑與天然膠乳進(jìn)行濕法混煉制備混煉膠。鑒于熱裂解炭黑表面可能含有一定量的碳質(zhì)沉淀物，使其表面性能發(fā)生了較大變化，同時將其應(yīng)用于濕法混煉制備混煉膠會呈現(xiàn)特殊性質(zhì)，北京化工大學(xué)、四川大學(xué)等也開展了相關(guān)濕法混煉技術(shù)研究并得到了一系列研究成果[36]。

在科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)研究方面，國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心于2011年聯(lián)合國內(nèi)科研院校與重點(diǎn)企業(yè)成立了濕法混煉技術(shù)專題研究組，專門對其相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究與開發(fā)。部分輪胎企業(yè)針對濕法混煉技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究并積累了應(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

李再琴等[37-38]對比了用濕法混煉工藝與干法混煉工藝制備的白炭黑母膠的門尼粘度、門尼焦燒時間及硫化膠的密度、邵爾A型硬度、定伸應(yīng)力等性能的變化，并研究其在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。結(jié)果表明，兩種混煉工藝制得的輪胎耐久性能相當(dāng)，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

汪傳生等[39]對比了霧化干燥法混煉、傳統(tǒng)濕法混煉及干法混煉制備納米氧化鋅/天然橡膠復(fù)合材料的硫化特性、物理性能、溶脹性能、耐老化性能、導(dǎo)熱性能與微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：霧化干燥法混煉得到的膠料分散均勻且無明顯團(tuán)聚，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)均勻且密度大，綜合性能更好；通過縮短硫化時間并減小氧化鋅用量，硫化膠性能更穩(wěn)定。

王凱等[40]為解決濕法混煉工藝中的共沉淀絮凝混煉膠加工困難的問題，提出“聚酯滾珠增塑橡膠”概念，設(shè)計(jì)并制備了輻射交聯(lián)聚酯粒子，并研究其對于濕法混煉工藝的共沉淀絮凝混煉膠的加工性能及其產(chǎn)品綜合性能的影響。結(jié)果表明，粒徑為200 nm左右的輻射交聯(lián)聚酯粒子的加入使共沉淀絮凝混煉膠的門尼粘度降低24%，加工能耗降低10%，膠料的硫化效率和力學(xué)性能提高。分析認(rèn)為，輻射交聯(lián)聚酯粒子對濕法混煉工藝的共沉淀絮凝混煉膠起潤滑作用，可以有效幫助橡膠分子鏈解纏繞從而加速物料的均勻分散。

怡維怡橡膠研究院有限公司從2013年開始針對合成橡膠濕法混煉技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究與開發(fā)，并根據(jù)物料之間的混煉反應(yīng)特性要求對相應(yīng)的混煉設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時針對原材料、工藝、設(shè)備與產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了全面系統(tǒng)規(guī)劃，申請了多項(xiàng)專利，其創(chuàng)新點(diǎn)為：（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)高效分散裝置與工藝，極大地改善了如炭黑、白炭黑等填充劑在水介質(zhì)中的分散程度；（2）針對濕法混煉后續(xù)脫水工藝進(jìn)行研究，促使炭黑與橡膠形成的復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)連續(xù)化脫水操作，大大簡化脫水步驟并解決了脫水困難問題；（3）將炭黑、白炭黑生產(chǎn)及水分散系統(tǒng)與濕法混煉技術(shù)相結(jié)合，形成一體化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了熱量的循環(huán)利用，降低能耗且減少污染[41]。

海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司金聯(lián)加工分公司與海南大學(xué)合作研究采用乳液濕法混煉共沉淀法制備納米白炭黑/天然橡膠復(fù)合材料。該技術(shù)將納米白炭黑粒子加入天然膠乳中，攪拌均勻后，加入乙酸攪拌均勻，靜置凝固制備復(fù)合材料。結(jié)果表明，偶聯(lián)劑TESPT和天然膠乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10和0.20，納米白炭黑用量為20～30份時，納米白炭黑/天然橡膠復(fù)合材料的物理性能最佳。

2.2.3 濕法混煉技術(shù)優(yōu)勢

在我國大力推行節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的前提下，混煉作為橡膠工業(yè)中能耗最高的工序受到高度關(guān)注，開發(fā)新的節(jié)能混煉工藝并加以推廣具有重要意義。濕法混煉技術(shù)在很大程度上簡化了混煉工序與設(shè)備，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化混煉，降低生產(chǎn)成本和勞動強(qiáng)度，改善勞動環(huán)境，與傳統(tǒng)混煉工藝相比節(jié)能效果十分明顯，是橡膠工業(yè)綠色制造、節(jié)能減排的重要措施。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng)，人們對輪胎、橡膠制品的性能與生產(chǎn)環(huán)境提出了更高的要求，低能耗、低滾動阻力、環(huán)保、耐磨、抗?jié)窕木G色輪胎越來越受到廣泛關(guān)注。白炭黑是制造綠色輪胎的重要原材料，然而白炭黑本身具有顆粒粒徑小且易飛揚(yáng)與團(tuán)聚，采用傳統(tǒng)混煉工藝難以將其均勻分散于橡膠中，而濕法混煉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，且解決了粉塵污染和能耗高的問題，滿足綠色輪胎大量添加白炭黑的需求。

3 橡膠混煉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

3.1 干法混煉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

干法混煉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要在橡膠制品生產(chǎn)過程中，根據(jù)橡膠制品生產(chǎn)所需混煉膠的綜合性能與生產(chǎn)過程的具體要求，將開煉機(jī)、密煉機(jī)、螺桿擠出機(jī)、連續(xù)混煉機(jī)等混煉設(shè)備進(jìn)行分段并有序組合。

意大利倍耐力公司根據(jù)市場與戰(zhàn)略定位需要，以“微型工廠”概念為基礎(chǔ)，于2002年設(shè)計(jì)并推出模塊化綜合自動化系統(tǒng)（MIRS）。該系統(tǒng)采用3個工序替代14個甚至更多傳統(tǒng)工序。這3個工序主要包括部件制備、成型與硫化，屬于低溫連續(xù)混煉成型系統(tǒng)，主要由2臺雙螺桿擠出機(jī)和1臺鼓式硫化機(jī)組成，第1臺雙螺桿擠出機(jī)主要用于各種原材料的均勻混煉，第2臺雙螺桿擠出機(jī)將硫化體系加入并與前段物料均勻混煉，鼓式硫化機(jī)用于輪胎的硫化成型[42]。

我國傳統(tǒng)干法混煉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用一般采用多臺密煉機(jī)串聯(lián)進(jìn)行多段高溫混煉，主要以高溫氧化裂解為主、機(jī)械剪切為輔，包括一段混煉法、二段混煉法、三段混煉法等。其中一段混煉法指一次性完成所有配合劑與橡膠均勻混煉，通常適用于耐焦燒性能好、活性配合劑用量小且硫化速度較慢的膠料。一段混煉法特別需要注意各種配合劑的加入順序、各階段的混煉溫度與時間控制等。二段混煉法與一段混煉法的區(qū)別在于將硫化劑和促進(jìn)劑與其他配合劑分開加入，第二段混煉常采用慢速密煉機(jī)、捏煉機(jī)或開煉機(jī)且在較低溫度下進(jìn)行。二段混煉法可以保證各種配合劑之間具有更好的分散性和濕潤性，從而提高混煉膠的綜合性能并減少高溫引起的焦燒傾向。三段混煉法與二段混煉法的區(qū)別在于混煉膠冷卻停放一段時間后補(bǔ)充混煉，以提高炭黑等填料的分散均勻性，其缺點(diǎn)在于因需多次加熱與冷卻會造成能耗大、效率低且成本較高等問題。

鑒于添加大量白炭黑制備低滾動阻力綠色輪胎的需求越來越大，傳統(tǒng)多段混煉方法難以滿足要求，因此需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)出新的高效混煉工藝，低溫一次法混煉工藝應(yīng)運(yùn)而生。該方法是將各種配合劑和膠料于密煉機(jī)中進(jìn)行高溫混煉后，再在中間的開煉機(jī)中加入硫化體系并初步冷卻，然后用全自動化中央輸送系統(tǒng)對稱地分配到下階段的多臺開煉機(jī)上，依次進(jìn)行連續(xù)低溫均勻混煉，直接制得終煉膠。低溫一次法混煉工藝的優(yōu)勢在于最大程度上增強(qiáng)了混煉設(shè)備元件對混合膠料的機(jī)械剪切作用，弱化了其對混煉膠的高溫氧化裂解作用，實(shí)際操作上增強(qiáng)下輔機(jī)對整個混煉過程的作用，真正實(shí)現(xiàn)了橡膠混煉的全流程全自動化控制[43]。

大連橡膠塑料機(jī)械有限公司基于市場需求，創(chuàng)新性地開發(fā)設(shè)計(jì)出輥筒最高線速度達(dá)70 m·min-1的開煉機(jī)，這對于實(shí)現(xiàn)低溫一次法煉膠系統(tǒng)的高速高效混煉起到了極大的推動作用。石繁章等[44]也針對低溫一次法煉膠系統(tǒng)中開煉機(jī)的配置與作用進(jìn)行了研究。益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司基于一次法煉膠設(shè)備的技術(shù)要求，創(chuàng)新性地開發(fā)出國內(nèi)首套由GE320E型和GE590T型密煉機(jī)組成的串聯(lián)式密煉機(jī)新產(chǎn)品[45-46]，混煉效率提升約45%～55%，極大地提升了混煉膠的均勻性。李漢青等[47]研究了一次法煉膠技術(shù)和自動生膠準(zhǔn)備技術(shù)在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用，并提升其質(zhì)量的控制水平，為高性能輪胎規(guī)模化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3.2 濕法混煉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

濕法混煉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用起步較晚，大多基本處于小試、中試階段，近幾年逐步開始工業(yè)化生產(chǎn)與推廣。

國內(nèi)首條萬噸級白炭黑/天然橡膠濕法混煉連續(xù)化生產(chǎn)線于2015年由北京萬向新元科技股份有限公司、勐臘曼莊橡膠公司、株洲安寶麟鋒新材料有限公司、北京萬匯一方科技發(fā)展有限公司共同在云南西雙版納建成并且通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。其主要開發(fā)了基于動態(tài)比值控制液相連續(xù)供料混合的非酸絮凝劑快速絮凝新技術(shù)、新型橡膠螺桿擠出連續(xù)脫水造粒一體機(jī)、微波連續(xù)化淺層干燥新技術(shù)及新裝置等，并將其集成一體化。該方法可適用于生產(chǎn)高填充量（10～90份）白炭黑與橡膠的連續(xù)化濕法混煉。經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢測與輪胎企業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證：白炭黑的分散性、膠料的物理性能顯著提升；用該混煉膠生產(chǎn)的輪胎高速耐久性能提升，生熱、滾動阻力顯著降低[48-49]。

中策橡膠集團(tuán)有限公司利用液-液高速混合原理，成功開發(fā)了一種白炭黑水相分散體系與天然膠乳高速混合至均勻分散，制備白炭黑/天然橡膠混煉膠的方法。與傳統(tǒng)混煉工藝相比，該工藝制備的膠料物理性能顯著提升，生熱、滯后損失顯著降低。該工藝已應(yīng)用于公司的輪胎生產(chǎn)，白炭黑/天然橡膠混煉膠年產(chǎn)量為300～1 500 t，可年產(chǎn)3萬～9萬條全鋼載重子午線輪胎[50]。

國內(nèi)首個輪胎用合成橡膠連續(xù)液相混煉新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用示范項(xiàng)目于2017年由怡維怡橡膠研究院有限公司、軟控股份有限公司、益凱新材料有限公司和賽輪集團(tuán)股份有限公司共同完成開發(fā)并通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。該項(xiàng)目主要開發(fā)了高效分散、快速凝聚的連續(xù)液相混煉工藝與相關(guān)裝置，提升了白炭黑在合成橡膠中的分散效果，增強(qiáng)了白炭黑在合成橡膠中的填充與補(bǔ)強(qiáng)作用。用該技術(shù)胎面膠生產(chǎn)的輪胎抗?jié)窕阅苓_(dá)到歐盟輪胎標(biāo)簽法A級標(biāo)準(zhǔn)，滾動阻力指數(shù)達(dá)到B級標(biāo)準(zhǔn)，相比于傳統(tǒng)干法混煉生產(chǎn)的輪胎，其抗?jié)窕阅芴岣?0%以上、滾動阻力降低13%以上、耐磨性能提高30%以上，同時混煉工序節(jié)能20%以上[51-53]。

4 結(jié)語

混煉作為橡膠制品生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，主要是根據(jù)橡膠制品多方面性能的需求及混煉工藝與設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展為基礎(chǔ)，歷經(jīng)由干法混煉發(fā)展到濕法混煉，而其中干法混煉由間歇式混煉發(fā)展到連續(xù)式混煉。混煉的相關(guān)設(shè)備也歷經(jīng)開煉機(jī)、密煉機(jī)、擠出機(jī)、連續(xù)混煉機(jī)的發(fā)展過程?；鞜捁に嚰夹g(shù)由起初的單一混煉設(shè)備混煉發(fā)展到后續(xù)的多種混煉設(shè)備的組合式混煉工藝。目前國內(nèi)外橡膠混煉以干法混煉為主。橡膠工業(yè)朝著綠色、節(jié)能、高效、連續(xù)化、自動化方向發(fā)展，必將引導(dǎo)橡膠混煉工藝與裝備朝著更集成化、連續(xù)化、清潔化、智能化的方向發(fā)展。橡膠混煉技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用必須以原材料相互之間的性能關(guān)系及橡膠制品的實(shí)際需求作為依據(jù)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行選擇并優(yōu)化。