劉懷現，劉元順 編繹

(1.青島愛博爾管理咨詢有限公司，山東 青島 266200；2.青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司，山東 青島 266200)

許多橡膠配方是采用多步驟工藝混煉的，用密煉機、有冷卻的開煉機和混煉加入的其他材料，或使用高黏度密煉機添加液體的方法，然后儲存直至在涂覆線上使用。這種不連續(xù)的批量生產方式因為人員、材料處理和存儲而造成很高的運營成本，批次間差異也會導致質量問題。對于這些過程，需要新的技術。一種方法是使用行星式輥筒擠出機（PRE）。

行星式輥筒擠出機（圖1）能夠對高黏性材料進行吃料、混煉、拌勻、分散和排氣。此外，它可以作為連續(xù)化學反應器使用；例如，在高黏性彈性體配方上。因此，與傳統(tǒng)的間歇式反應過程相比，PRE具有優(yōu)越性，并且具有多種優(yōu)勢。除了具有非常大的接觸面積外，PRE的主要特殊功能還包括：加工材料與加熱/冷卻介質之間的最優(yōu)的傳導效率，模塊化結構和由此產生的系統(tǒng)配置多樣化。根據PRE的尺寸和操作模式，備有一個大的喂料口，其每小時的產能從幾公斤到幾十噸以上不等。

關于可用的接觸表面積，與其他常見的混煉系統(tǒng)，例如：其他類型的擠出機相比，PRE的優(yōu)勢是前者的5～10倍。

1 PRE介紹

1.1 PRE的接觸表面積

現在，一個簡單的計算就可以清楚地看出哪些接觸面是可用的或者是可以在PRE中實現的(圖2)。

圖1 帶溫控中心軸、行星軸和兩區(qū)液體加熱或冷卻的圓筒的PRE剖視圖

圖2 PRE模塊的PSP接觸表面積估算

計算了長度為1 000 mm，直徑為250 mm的PRE模塊。該模塊最多可安裝14個行星軸，齒輪齒模塊m=3.5。 每個行星軸的總表面積約為1/6 m2；這相當于旋轉一周的接觸表面為1/3 m2：

1/6m2（行星軸的齒）+1/6 m2（中心軸的齒）=1/3m2

由于直徑比的關系，中心軸的每旋轉一周，行星軸則旋轉大約三到四次； 因此，可用于中心軸旋轉一圈的接觸面超過1 m2:

在14個行星軸的情況下，每次中心軸旋轉一周產生接觸面積總計14 m2。因此，中心軸每分鐘旋轉100轉會產生以下接觸表面：

此值相當于5個以上的網球場（23.77 m×10.97 m）或足球場的1/5（105 m×68 m）。

裝有標準行星軸的模塊的自由容積僅約為9.4 L。大的接觸面積可以確保在高輸送速度下完全混合和均勻化。小體積增加了操作和環(huán)境安全系數，與大多數反應性加工過程一樣，在擠出機中只有相對少量的反應組分。

基于對PRE中的螺桿幾何形狀的簡單描述，軸以及軸之間的自由空間可以通過數學模型來描述。

基于這些數據，數學上可以近似地確定和描述PRE的過程行為，例如流動條件以及壓縮和輸送行為。根據確定的簡化程度，以這種方法計算的工藝數據與實測值相差不到10%，這被認為是可接受的。

1.2 PRE中的熱力學

從加熱/冷卻介質到通過機筒總成的壁和內部加熱/冷卻中心軸獲得的熱流（Q)的三個主要控制參數分別為：

（1）機筒壁的熱導率（k）；

（2）機筒的厚度（h），計算該厚度時，將被考慮使用加權平均值以補償齒距和高度的影響；

（3）加熱/冷卻介質溫度（T1）和輸送材料溫度（T2）之間的溫度梯度|T1-T2|的值。

用數學術語來說，這是用方程1中的關系來表示的:

可以分為兩種情況：

（1）最大加熱/冷卻：能量轉移發(fā)生在存在溫度差時，所輸送物料的最終溫度主要取決于停留時間，此外還有其他與物料相關的因素以及機械能輸入。

（2）精確的溫度控制：選擇加熱/冷卻介質溫度要與輸送物料所需溫度不同或僅略有差異。熱導率（常數）和機筒壁厚基本決定了熱傳遞，該熱傳遞一直持續(xù)到熱平衡，從而達到準穩(wěn)態(tài)（|T1-T2|=0）。為了實現這一點，必須有足夠的停留時間。

對于這兩種情況，較薄的壁厚直接改善了合適的熱傳遞以及最小的dT。在這兩種情況下，PRE特有的設計在操作過程中有著積極的影響，即：較大的接觸表面積使在輸送物料時有寬的均勻的溫度分布；優(yōu)化后相對較薄的壁厚（新的熱力學，圖3，右側），其將機筒總成和中心軸內的加熱/冷卻介質和所輸送物料分割開，因此，它能夠以最低的dT實現最大的熱傳遞。

要避免溫度過高或者過低，比如，能分別造成降解和黏度的增加，或者甚至會造成所輸送物料的凝固。

特殊的設計能確保機筒總成2～3 mm后的鋼壁能承受住擠出機內部的壓力。傳統(tǒng)結構的擠出機壁厚至少需要13 mm。更精準的溫度控制是可能的，因為每個機筒總成的加熱/冷卻都按照在每半個軸長度的兩個順序排列部分進行布置。

由于在機筒總成和中心軸的加熱/冷卻的更有效的可能性，與其他類型的擠出機不同，PRE不完全依賴于使用機械驅動能量，這能減少并控制由此產生的摩擦和剪切力，在各種輸出條件下，仍能使被加工材料的熱輸入達到平衡和可控。

這種設備的操作有許多好處：

（1）對于相同的輸出，PRE所需的驅動能通常低于其他類型的擠出機。

（2）溫度偏離設定值可以很容易的得到補償和避免，可以覆蓋生產線總長度。

（3）溫度曲線的調整可以單獨控制所輸送物料的流變特性，從而引起摩擦和剪切。

（4）由于機筒總成的加熱/冷卻，輻射損失根本不會或者只會對擠出機內部的物料溫度產生輕微的影響。

為更深入分析ln（crmb）與ln（ix）、ln（ex）的關系，本文進行脈沖響應函數分析，結果如圖8所示。

在實際操作中，PRE的這些特性帶來了一系列優(yōu)點，例如：

（1）由于精確的可控生產條件，從而使產品具有可重復性的高質量，例如，精準的溫度和壓力曲線；

（2）減少排放應歸功于控制排放揮發(fā)性副產物的冷凝物（氣體，較少的剩余物），如有必要。

（3）與攪拌容器或/和常規(guī)擠出機相比，用于加熱/冷卻和驅動的功率要求低。

圖3 優(yōu)化前（左）和后（右）的PRE機筒總成的內壁厚度（黃色）對比

1.3 PRE的模塊化設計

行星式滾筒擠出機的中心軸最多可以搭載八個獨立的組件。根據系統(tǒng)要求的容量，組件的直徑范圍在50～650 mm之間，長度從400～1 400 mm不等。橡膠加工行業(yè)產能已經實現了從2 kg/h到10 t/h以上。

根據組件的直徑，機筒總成中最多可以放置24個行星軸。根據工藝的不同，軸的齒輪輪齒在m=1.5和m=10之間變化。此外，行星軸有不同的設計。因此，擠出機中的接觸表面和自由體積在很大程度上取決于所用軸的類型。除標準軸外，還有以下正在使用的設計（圖4），每種設計都有特定的操作特性和應用領域。

圖4 行星軸的變化

橫向混合行星軸，提供連續(xù)的稀薄分散混煉，并沿長度方向進行補充混煉。絨毛軸，增加了機械剪切力并減少了停留時間。 TT2絨毛軸，增加了剪切力并減少了停留時間。輸送和烘干軸，提供對應于最小的剪切力的最大體積。TT3軸可增加體積，減少剪切力。區(qū)域軸可以根據需要組合物理特性。

大約12個不同的系統(tǒng)組件構成一個工具箱，根據客戶的個性化需求，可以設計出定制的PRE系統(tǒng)?？捎媒M合的幾種基本單元如下：

（1）入口單元（喂料，注射，橫向喂料，喂料閥）。

（2）加工單元（分別為排氣，模塊之間的排氣，分散擋環(huán)和中間擋環(huán)）。

（3）出口單元（圓口型，徑向造粒機，熱切，切割裝置）。

（4）特殊元素（內聯和在線壓力，溫度和顏色測量系統(tǒng)）。

特別是與常規(guī)雙螺桿或雙螺旋擠出機相比，PRE的一個更大的優(yōu)點是在填充度為10%時可以毫無問題的工作。在調整系統(tǒng)的整體容量時，這提供了最大程度的靈活性。

由于其模塊化的構造概念，可以對PRE進行定制，以連續(xù)運行特殊的物理和化學工藝步驟?？蓡为毰渲玫哪K，即所謂的機筒總成，可以串聯布置在一個公共的中心軸上。每個模塊都有兩個單獨的溫度控制區(qū)，物料可以在軸之間傳遞或排放。也可以實施溫度、壓力或比色傳感器測量。根據所使用的行星軸的類型和所使用齒的類型，生產量、熱交換能力和材料的混合可以在較大的工藝窗口來進行。當PRE用于反應性工藝時，這種靈活性模塊化構造是完美的。各個模塊設計工作溫度為-30～+400 ℃，因此可以在PRE中加工高熔融指數聚合物。

2 工藝過程

圖5顯示了連續(xù)工藝的結構設計，包括白炭黑胎面膠料混煉工藝的停留時間和溫度曲線。通過重量計量單元將粉末狀、片狀和顆粒狀物料送入PRE。這也可以在過程開始時通過進料斗或收集管將物料引入PRE的進料段來實現。為了減少生產單元的數量，還可以對小組分進行預混（混合）。這也有助于消除必須使用對生產環(huán)境極為敏感的非常小的重量計量單元的麻煩。

圖5 連續(xù)過程

液體被重力或泵或流量計注入到需要的特定位置。在這里，還可以加熱或冷卻的儲存罐液體對過程有更好的影響。必須將大塊的材料（例如橡膠包）切碎或磨碎成小塊或碎屑，以便能夠連續(xù)喂料。在切碎/研磨過程中，通常會添加白炭黑、CaCO3或滑石粉，并將其作為隔離材料涂覆碎橡膠。這樣可以防止橡膠黏在一起，防止結塊。也可以將捆包切成條狀，以便送入與齒輪泵相連的圓錐形或單螺桿擠出機中，以按體積計量將橡膠輸送到PRE的加工區(qū)中。此過程是生產線的一部分，并且以連續(xù)方式進行。此后，將橡膠碎塊運輸到100～200 L的儲料桶中，用于補充到計重的供給裝置。

3 在PRE中混煉白炭黑胎面膠

使用行星式輥筒擠出機（PRE）制備白炭黑胎面混煉膠。該過程在一個擠出機生產線中是連續(xù)的，包括分散、硅烷化、冷卻和生產性混煉。為了對比，將膠料在密煉機中使用三步（階段）進行混煉。行星式輥筒擠出機實驗在德國Bochum的Entex進行，密煉機試驗在Akron橡膠開發(fā)實驗室用Farrel Banbury 密煉機進行。下面介紹這兩個過程。

3.1 兩個工藝描述

行星式輥筒擠出機擠出工藝如表1所示，在該工藝中，所有成分都在一條擠出線上計量并混煉。擠出產量為25 kg/h。表2總結了密煉機過程。

3.2 混煉膠說明

使用表3中所示的白炭黑胎面配方檢驗行星式輥筒連續(xù)計量和混煉橡膠混煉膠的可能性。表4中顯示了混煉膠名稱（混煉膠編號）。

3.3 實驗測試計劃

通過實驗室測試膠料的物理機械性能來比較這兩種工藝（密煉機與行星式輥筒筒擠出機）。對三種混煉膠的物理機械性能進行了比較。實驗室測試的范圍包括門尼黏度、MDR硫變儀、拉伸性能、硬度、分散性、撕裂強度、具有胎面性能預測指標的DMA（動態(tài)機械性能）、摩擦系數（干、濕和冰）和抗龜裂增長。

4 結果

4.1 門尼黏度

門尼黏度結果總結在圖6中。標準混煉膠（混煉膠1，密煉機工藝）的門尼黏度略低（64對72門尼值）。

表1 行星式輥筒擠出機工藝

表2 密煉機工藝描述

表3 標準白炭黑橡膠胎面膠的配方

表4 混煉膠總結

圖6 混煉膠門尼黏度

4.2 MDR硫變儀

MDR硫變儀的結果總結在圖7中。PRE混煉膠（20#混煉膠，PRE工藝）具有更高的增量扭矩。

圖7 MDR硫變儀結果

4.3 拉伸性能

拉伸性能（應力/應變曲線）如圖8所示。比密煉機版本相比，PRE版本具有較高的模量和拉伸強度。

圖8 混煉膠的拉伸應力-應變曲線

4.4 硬度(硬度A)

混煉膠的硬度值如圖9所示。比密煉機版本相比，PRE版本有更高的硬度值。

圖9 混煉膠的硬度A

4.5 撕裂強度（模壓槽撕裂）

混煉膠的撕裂強度結果如圖10所示。與密煉機版本相比，PRE版本沒有明顯差異。

圖10 混煉膠的撕裂強度

4.6 分散 (Phillips分散)

混煉膠的分散結果如圖11所示。與密煉機版本相比，PRE版本具有更高或相等的分散等級（越高越好）。

圖11 分散等級

4.7 剪切儲能模量（干操縱性預測）

混煉膠在30 ℃時的剪切儲能模量隨應變變化如圖12所示。剪切儲能模量是干操縱性預測指標，越高越好。比密煉機版本相比，PRE版本具有更高的儲能模量。

圖12 剪切儲能模量 (Pa) (干操縱性預測)

4.8 Tanδ (滾動阻力預測)

混煉膠5%應變時的Tanδ隨溫度變化（在45 ℃至65 ℃之間）如圖13所示。60 ℃時的Tanδ是滾動阻力的預測指標，越低越好。比密煉機版本相比，PRE版本的Tanδ高或相等。

圖13 Tanδ (滾動阻力預測)

4.9 Tanδ(濕路面上牽引性能和冰路面上牽引性能預測)

混煉膠5%應變時的Tanδ隨溫度變化（在-15～5℃之間）的結果如圖14所示。0℃時的Tanδ是濕地面牽引性能的預測，而-10 ℃時的Tanδ是冰地面牽引性能的預測，越高越好。與密煉機版本相比，PRE版本的Tanδ高或相等。

4.10 復數模量（冬季牽引力預測指標）

混煉膠在5%應變下的復數模量隨溫度變化（在-30～-10 ℃之間）的結果如圖15所示。-20 ℃時的復數模量是冬季牽引力的預測數值，較低越好。與密煉機版本相比，PRE版本的復數模量值略高。

4.11 摩擦系數（干）

圖16顯示了干靜摩擦系數和動摩擦系數隨表面壓力變化的結果。與密煉機版本相比，在低表面壓力下，PRE版本的干靜摩擦系數高，干動摩擦系數結果無明顯差異。

圖15 復數模量（冬季牽引力預測指標）

圖16 干靜摩擦系數和動摩擦系數與表面壓力的關系

4.12 摩擦系數（濕）

圖17顯示了濕靜摩擦系數和動摩擦系數與表面壓力變化的結果。與密煉機版本相比，PRE版本的濕靜摩擦系數和動摩擦系數結果沒有顯著差異。

4.13 摩擦系數（冰）

圖18顯示了冰靜摩擦系數和動摩擦系數與表面壓力變化的結果。與密煉機版本相比，PRE版本的冰靜摩擦系數和動摩擦系數結果沒有顯著差異。

4.14 抗龜裂增長（小DeMattia）

抗龜裂增長的結果如圖19所示。PRE版本（混煉膠20）等效于密煉機版本（混煉膠1）?；鞜捘z19的抗龜裂增長比其他混煉膠差。

5 總結和結論

在行星式輥筒擠出機（PRE）上混煉了用白炭黑的乘用車輪胎胎面配方，并與密煉機混煉進行了比較。評估了兩個工藝（PRE混煉工藝和密煉機工藝）的潛在性能改進。

圖17 濕靜摩擦系數和動摩擦系數與表面壓力的關系

圖18 冰靜摩擦系數和動摩擦系數與表面壓力的關系

圖19 抗龜裂增長（小DeMattia）

（1）與通過密煉機方法制備的混煉膠相比，使用PRE方法制備的混煉膠具有更高的硬度和拉伸強度。

（2）與通過密煉機方法制備的混煉膠相比，使用PRE方法制備的混煉膠預計具有更好的濕路面上牽引性能和冰路面上牽引性能。

（3）與使用密煉機方法制備的混煉膠相比，使用PRE方法制備的混煉膠具有更好的抗撕裂強度、滾動阻力和冬季牽引力，在干、濕和冰條件下的摩擦系數以及抗龜裂增長。

（4）行星式輥筒擠出機的混煉過程似乎可以改善填料的分散性（ Phillips 分散性更高）和硫化劑的分散性（由更高的增量扭矩證明）。PRE是一個連續(xù)的過程，代替了密煉機的分批操作。

（5）行星式輥筒擠出機的特點是具有極大的靈活性和工藝適應性，有許多模塊化選擇。對溫度、壓力、混煉能力、停留時間、填充系數、排氣效率、熱能和機械能的獨立控制，都使PRE成為連續(xù)擠出工藝的首選。

（6）由于PRE的巨大接觸面積，使這些特性在很大程度上得以實現。這樣可以在單獨控制剪切力（低剪切或高剪切）的情況下快速、劇烈且非常均勻的混煉待處理的物料。同時，與單螺桿和雙螺桿擠出機相比，大的接觸表面以及最小的壁厚為理想的加熱/冷卻能量傳遞提供了理想條件，實現了最佳的材料加工溫度控制。憑借這種特性和機器適應性，PRE最適合執(zhí)行胎面膠配方的所有要求。這已經在當今具有成本效益和高質量的過程中得到了證明。