劉華龍，崔 曉，宮 璐，孫慶江，董凌波

（三角輪胎股份有限公司 威海華茂橡膠科學(xué)技術(shù)分公司，山東 威海 264200）

混煉膠的性能和質(zhì)量穩(wěn)定性在輪胎生產(chǎn)工藝過(guò)程中極其重要，傳統(tǒng)混煉工藝多數(shù)膠料混煉段數(shù)控制在2—5段，膠料中轉(zhuǎn)及降溫冷卻會(huì)增加一定的人力成本和能源消耗。串聯(lián)密煉機(jī)混煉方式提供了新的工藝思路，上密煉機(jī)在工作時(shí)下密煉機(jī)可補(bǔ)充混煉上一車(chē)膠料，提高了膠料混煉均勻性和混煉程度；另外設(shè)定恒溫混煉時(shí)間，可為膠料提供一個(gè)恒溫反應(yīng)場(chǎng)所，并且不損失生產(chǎn)效率[1]。當(dāng)前我公司在密煉機(jī)下輔線安裝可以自動(dòng)輸入、自動(dòng)混煉硫黃和促進(jìn)劑等終煉小料的開(kāi)煉機(jī)，實(shí)現(xiàn)了部分配方膠料由原材料一段性混煉成終煉膠。膠料減段生產(chǎn)可降低能耗，減少場(chǎng)地浪費(fèi)，符合當(dāng)下自動(dòng)化、綠色化輪胎生產(chǎn)要求[2-4]。

目前對(duì)于德國(guó)克虜伯公司的IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)（IM550E為上密煉機(jī)、IM1000ET為下密煉機(jī)）在全鋼載重子午線輪胎生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究較少，本工作通過(guò)與國(guó)內(nèi)使用的較為先進(jìn)的日本神戶制鋼公司的BB620大型傳統(tǒng)密煉機(jī)進(jìn)行綜合對(duì)比，對(duì)IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)工藝性能進(jìn)行分析與討論。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），20#標(biāo)準(zhǔn)膠，泰國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品；炭黑，山東貝斯特有限公司產(chǎn)品；沉淀水合二氧化硅（白炭黑），山東聯(lián)科科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

試驗(yàn)采用公司全鋼載重子午線輪胎0°帶束層膠料（JL），配方主要組分為：NR 100，炭黑 45，白炭黑 10。

1.3 主要設(shè)備和儀器

IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)，德國(guó)克虜伯公司產(chǎn)品；BB270型和BB620型密煉機(jī)，日本神戶制鋼公司產(chǎn)品；MV-3000型門(mén)尼粘度計(jì)和TS-2000M型電子拉力機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析（RPA）儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；401B型老化試驗(yàn)箱，江都試驗(yàn)機(jī)械廠產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

（1）采用BB620型密煉機(jī)混煉2車(chē)膠料，編號(hào)為JLA-1和JLA-2，45 r·min-1恒轉(zhuǎn)速混煉。一段混煉工藝為：NR和小料→壓壓砣10 s→炭黑和白炭黑→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃→排膠；二段混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃→排膠。

（2）采用IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)混煉2車(chē)膠料，編號(hào)為JLB-1和JLB-2，恒轉(zhuǎn)速混煉過(guò)程轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，恒溫混煉過(guò)程轉(zhuǎn)速為5～50 r·min-1。一段混煉工藝為：上密煉機(jī)加NR、小料、炭黑和白炭黑→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃后恒溫，保持40 s→排膠至下密煉機(jī)→下密煉機(jī)恒溫155 ℃，保持180 s→排膠；二段混煉工藝為：上密煉機(jī)加一段混煉膠→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣升溫至160 ℃→排膠至下密煉機(jī)→下密煉機(jī)恒溫155 ℃，保持140 s→排膠。

（3）采用BB270型密煉機(jī)終煉，轉(zhuǎn)速為25 r·min-1?；鞜捁に嚍椋憾位鞜捘z→升溫至125℃→排膠至開(kāi)煉機(jī)→加硫化體系→搗膠→排膠。

1.5 性能測(cè)試

RPA測(cè)試條件：對(duì)終煉膠進(jìn)行應(yīng)變掃描，溫度100 ℃，應(yīng)變范圍 0.7%～100%，頻率 1.67 Hz。

膠料其他性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 生產(chǎn)效率

密煉機(jī)主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 密煉機(jī)主要設(shè)備參數(shù)對(duì)比

從表1可以看出，IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子形式為嚙合PES5，BB620型密煉機(jī)轉(zhuǎn)子形式為剪切4WH，串聯(lián)密煉機(jī)的有效容量比BB620型密煉機(jī)小30%左右，即單車(chē)產(chǎn)量相對(duì)較小。

兩種密煉機(jī)單車(chē)混煉時(shí)間對(duì)比如表2所示。

表2 兩種密煉機(jī)單車(chē)混煉時(shí)間對(duì)比 s

從表2可以看出，串聯(lián)密煉機(jī)一段混煉用時(shí)比BB620型密煉機(jī)長(zhǎng)30 s，生產(chǎn)效率低12.5%，二段混煉用時(shí)短5 s，生產(chǎn)效率高3.1%。串聯(lián)密煉機(jī)一段混煉時(shí)間較長(zhǎng)的原因主要是嚙合PES5轉(zhuǎn)子吃粉較慢，上密煉機(jī)為保證膠料混煉均勻性增加了40 s恒溫混煉工藝；二段混煉時(shí)間較短的主要原因是嚙合PES5轉(zhuǎn)子冷卻效果較好[5-6]，升溫相對(duì)平緩，生產(chǎn)中設(shè)置了密煉機(jī)最高轉(zhuǎn)速，使混煉時(shí)間略短。

2.2 膠料性能

2.2.1 門(mén)尼粘度

JLA-1，JLA-2，JLB-1和JLB-2四組混煉膠的門(mén)尼粘度對(duì)比如表3所示。

表3 膠料門(mén)尼粘度對(duì)比

從表3可以看出：JLB一段混煉膠平均門(mén)尼粘度比JLA一段混煉膠高14.5，串聯(lián)密煉機(jī)一段混煉膠平均門(mén)尼粘度高19.3%；JLB和JLA二段混煉膠平均門(mén)尼粘度分別比一段混煉膠下降了25和19，串聯(lián)密煉機(jī)二段混煉膠平均門(mén)尼粘度下降幅度增大31.6%。這可能是因?yàn)橐欢位鞜掃^(guò)程中串聯(lián)密煉機(jī)的嚙合轉(zhuǎn)子對(duì)NR分子鏈的剪切作用小、擠壓作用強(qiáng)[7-8]，NR分子鏈機(jī)械剪切斷裂較少，而在二段混煉階段密煉機(jī)的155 ℃恒溫混煉工藝中，NR分子鏈因熱氧反應(yīng)斷裂較多，造成門(mén)尼粘度下降快。

2.2.2 物理性能

膠料物理性能對(duì)比如表4所示。

從表4可以看出，JLB膠料的邵爾A型硬度、100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率基本高于JLA膠料，老化后的物理性能下降幅度與JLA膠料基本相同。

表4 膠料物理性能對(duì)比

結(jié)合表3可以看出，在混煉過(guò)程中，BB620型密煉機(jī)剪切4WH轉(zhuǎn)子的剪切作用強(qiáng)于IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)嚙合PES5轉(zhuǎn)子，機(jī)械剪切造成的NR分子鏈斷裂增加，膠料的物理性能損失較大。

2.2.3 鋼絲簾線粘合性能

使用JLA和JLB膠料進(jìn)行鋼絲簾線覆膠制樣，抽出力和剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 膠料鋼絲簾線粘合性能對(duì)比

從表5可以看出，JLB膠料鋼絲簾線抽出力和剝離強(qiáng)度均大于JLA膠料，這表明串聯(lián)密煉機(jī)的恒溫混煉工藝可以提高配合劑的混煉均勻性和反應(yīng)程度，改善了膠料的鋼絲簾線粘合性能。

2.2.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

取JLA和JLB終煉膠試樣分別進(jìn)行RPA測(cè)試，結(jié)果如圖1和2及表6所示，G′為儲(chǔ)能模量，tanδ為損耗因子。

表6 終煉膠動(dòng)態(tài)粘彈性對(duì)比

從圖1可以看出，JLB膠料的G′明顯大于JLA膠料，在0.7%～100%應(yīng)變范圍內(nèi)，JLB-1和JLB-2膠料的G′下降幅度（ΔG′）分別為274.54和266.29 kPa，JLA-1和JLA-2膠料的ΔG′分別為170.33和164.25 kPa，JLA膠料的G′降幅較小，根據(jù)Payne效應(yīng)[9]，JLB膠料的炭黑分散性不如JLA膠料。

圖1 終煉膠的G′-應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，JLA膠料的tanδ明顯高于JLB膠料[10-11]，JLB膠料的炭黑分散性不如JLA膠料，這表明串聯(lián)密煉機(jī)在恒轉(zhuǎn)速混煉過(guò)程中嚙合PES5轉(zhuǎn)子對(duì)炭黑分散作用不如剪切4WH轉(zhuǎn)子，而在恒溫混煉過(guò)程中串聯(lián)密煉機(jī)主要是靠熱氧反應(yīng)斷裂NR分子鏈，以降低膠料的門(mén)尼粘度，提高配合劑的混煉均勻性與反應(yīng)程度，但是對(duì)炭黑的分散作用較小。

圖2 終煉膠的tanδ-應(yīng)變曲線

從表6可以看出，在100 ℃、相同應(yīng)變下兩車(chē)JLB終煉膠之間的G′和tanδ的差值比兩車(chē)JLA膠料小，這表明兩車(chē)JLB膠料的加工性能基本一致，即串聯(lián)密煉機(jī)生產(chǎn)膠料的質(zhì)量穩(wěn)定可靠，再現(xiàn)性高。

3 結(jié)論

相對(duì)于BB620型密煉機(jī)，IM550E/IM1000ET重型串聯(lián)密煉機(jī)的混煉工藝性能具有以下特點(diǎn)。

（1）嚙合PES5轉(zhuǎn)子對(duì)NR分子鏈機(jī)械剪切斷裂作用弱，但高溫、恒溫混煉工藝對(duì)NR分子鏈熱氧斷裂作用強(qiáng)，在一定程度上彌補(bǔ)了剪切作用降低、膠料門(mén)尼粘度效果差的缺點(diǎn)，混煉增段效率高、降低門(mén)尼粘度效果好，但存在混煉炭黑分散性略差的缺點(diǎn)。

（2）高溫、恒溫混煉工藝有利于配合劑的分散與反應(yīng)，提高了膠料的100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率等物理性能，增強(qiáng)了膠料與鋼絲簾線的粘合性能。

（3）生產(chǎn)膠料質(zhì)量穩(wěn)定性高。