VMA1000胶料流动性分析仪在橡胶加工中的应用

刘华侨, 杨京辉, 陈 松, 郑 昆, 顾培霜

(特拓(青岛)轮胎技术有限公司, 山东 青岛 266061)

VMA1000胶料流动性分析仪在橡胶加工中的应用

刘华侨, 杨京辉, 陈 松, 郑 昆, 顾培霜

(特拓(青岛)轮胎技术有限公司, 山东 青岛 266061)

针对目前橡胶行业普遍运用门尼黏度表征胶料加工流动性的现状，阐述了门尼黏度与流动性的不同以及产生流动性差异的原因。重点运用新型VMA1000胶料流动性分析仪，对实际胶料生产进行检测与质量控制，分析了影响胶料加工流动性的因素和流动性对橡胶加工的重要意义。

VMA流动性分析仪；门尼黏度；流动性；配方；加工性能

0 前 言

随着欧洲标签法的执行，国际市场对中国轮胎的准入门槛越来越高[1]。只有不断提高轮胎质量，才能顺利走向国际市场。对轮胎各个环节的过程控制是生产出高品质轮胎的有力保障，而这正是目前国内轮胎厂家所忽视的一个重要环节。

在轮胎生产过程中，胶料混炼的均匀性与半制品的尺寸稳定性，对成品轮胎的质量有着尤为关键的作用。而半制品尺寸的稳定性，与胶料的流动性和均匀性有着至关重要的联系。目前行业内对半制品尺寸稳定性的控制，大部分以胶料的门尼黏度为参考指标，与半制品工序工艺条件配合（温度、转速、压力、口型等）进行调节。然而，经过实践同时结合国际先进轮胎企业的相关经验，通过门尼黏度来表征胶料的流动特性具有一定的局限性，存在实际情况与理论推导不一致的现象。目前国内缺乏很好的工艺快检手段，用以对混炼胶，尤其是母炼胶的流动性进行准确的定量检测。

针对上述情况，特拓（青岛）轮胎技术有限公司开发了VMa1000胶料流动性分析仪，专门针对胶料的流动性进行检测，具有贴近生产、应用广泛、检测快速等优点，是高速有效地控制胶料质量的检测手段，从而达到稳定半制品和成品质量的目的。此设备填补了橡胶行业流动性检测的空白，为轮胎产品的质量控制提供了有力的帮助，对提升轮胎质量、控制生产过程，起到了重要的作用。

用于质量和过程控制的仪器设备的关键属性是要紧密联系生产实际，检测时胶料的受力运动状态与实际加工时相近，才能确切反映胶料的实际加工性能。国内自主研发的VMa1000胶料流动性分析仪正是大量实际生产数据与真实加工情况相吻合的快检设备，能够真实反映胶料加工时的流动情况。目前能反映加工性能的检测设备，其剪切速率与实际生产加工条件比较如表1所示。

1 测试原理

用胶料流动性分析仪（VMa1000）测量橡胶的流动性，是通过等体积取样装置获得恒定体积的试样，试样通过在一个恒定的时间内、一个恒定的压力（测试前可选择，测试中恒定不变）下和一个恒定的温度下在固定口模挤出的体积量，来表征橡胶的流动性的。

表1 加工性能检测设备与实际加工工艺的比较

图1 VMA1000胶料流动性分析仪

2 实 验

胶料测试前的预处理：从同一车料上取一大块胶，约5 kg左右，然后在密炼现场开炼机处打卷过辊6次后下片（下片厚度6 mm左右）。

下片后不浸隔离剂，停放0.5 h后用干净的隔离垫布存放，迅速送到快检站先进行门尼检测，再进行VMa流动性测试，测试必须在40 min内完成。

门尼检测：从整个胶片上不同的两个位置取两个样进行测试，如果门尼值差异大于2个值，则再次打卷过辊6次，再测门尼。直至差值在2个值以内，再进行VMa流动性检测。

3 实验准备

3.1 主要用原材料

实验过程中使用的主要原材料详见表2。

表2 试验用材料表

3.2 设备

胶料流动性分析仪VMa1000，特拓（青岛）轮胎技术有限公司；门尼黏度仪M-2000，中国台湾高铁。

4 数据分析

4.1 生胶流动性

选取不同生胶体系进行门尼黏度与VMa流动性测试，测试结果如表3所示。

表3 生胶与塑炼胶VMA流动性数据表

本次试验砝码规格的选取按照从小到大的顺序依次进行。关于砝码规格的选取与VMa流动值的意义，存在以下三点规定：

（1）砝码规格太小，施加于胶料的压力太小，胶料未流出，则系统默认此砝码规格下胶料的流动性不在检测范围之内。

（2）砝码规格太大，施加于胶料的压力太大，胶料在测试结束前液压站已升至最大距离，则系统报警，默认此砝码规格下的胶料流动性超出检测范围。

（3）同一规格砝码下的流动值存在对比意义，流动值越大，则理论流动性越大。综合上述，（1）、（2）两点，在检测范围内，取值的砝码越小，则理论流动性越大。

由表3可以看出：

（1）对于bR9000、SbR1502、TSR20三种未填充油的生胶，门尼黏度越小，流动性越大；

（2）对于SbR1723与Rc2557S两种填充等量油的丁苯生胶，同样，门尼黏度较小的Rc2557S，其流动值大。

（3）Rc2557S与bR9000两种生胶的门尼黏度虽然相等，但由于Rc2557S充油的影响，其流动性比bR9000大得多。即门尼黏度相同，流动性也有很大差异。

4.2 天然胶塑炼胶随存放时间的流动性变化

取一块TSR20进行塑炼，开炼机下片后3 h内进行第一次门尼黏度测试与VMa流动性测试。此后每间隔24 h周期性地进行门尼黏度与VMa流动性测试，持续周期为1周，测试结果如图2所示。

由图2可以看出：天然胶塑炼胶在1周内的测试数据显示其门尼黏度一直增大，但增幅不大，在5个单位以内；而流动性并没有随着门尼黏度的增大而逐渐减小，首先在塑炼胶塑炼结束3 h内其流动性最小，然后先增大后减小，而且变化幅度很大。

这是因为塑炼结束时，塑炼胶分子链受到强烈的机械剪切作用，机械断链与大分子链卷曲作用同时存在；塑炼结束后，大分子链间相互缠绕卷曲，应力大。根据流变学理论，高聚物的流动性本质是“分子链链段的逐步迁移移动”。大分子链的卷曲缠绕致使链段运动困难，流动性变差[2]。

塑炼胶停放2 d后，分子链内应力松弛，分子链解缠，链段等自由活动能力恢复，胶料流动性增大。但是，随着胶料停放时间的延长，老化作用致使胶料门尼黏度略微提升，流动性呈减小的趋势[3]。

胶料的流动性是整链分子相对位移的宏观表现。在炼胶工艺中，可以利用VMa进行相关流动性测试，以确定合适的胶料存放周期减少对后工序的影响。所以VMa流动性检测对于后续加工具有重要的指导意义。

6-12月龄TUBABC品系野生型斑马鱼成鱼，饲养于苏州大学生物钟研究中心。采用专业的饲养系统（上海海圣工贸有限公司）进行饲养，水温维持在28.5±1℃，pH为 7.2-7.6之间，鱼房的光照周期为 14小时光照/10小时黑暗，即14L：10D，每天早晚喂食丰年虾，中午喂食干饲料。

图2 天然胶塑炼胶随存放天数门尼黏度与流动性的关系

表4 试验用胶料的配方主要组成

4.3 不同配方混炼胶的流动性

采用5组不同配方的胶料，分别使用VMa胶料流动性分析仪进行流动性测试。测试前预先进行门尼黏度测试，用以验证门尼黏度和流动性的关系。配方组成主要体系如表4所示。

选取了体系差异性较大的5种配方胶料，其中胎面胶是纯白炭黑体系；三角胶、胎侧胶、子口胶是纯炭黑体系；气密层胶则是炭黑与半补强填充剂的复合体系，与其余四组体系不同，其基体胶采用的是溴化丁基胶。每次试验分别截取母炼胶与终炼胶进行门尼黏度测试，然后采用VMa进行流动性测试。

4.3.1 不同配方体系下流动性与门尼黏度的关系

由表5可以看出：

（1）不同配方胶料的门尼黏度与流动性并无直接的正比关系，如胎面胶母胶的门尼黏度比三角胶的大，但前者的流动性却比后者大得多。因此对于轮胎半成品的压延、挤出等工序，使用门尼黏度作为尺寸稳定性的控制参数并不准确，并不能很好地反映胶料在实际加工生产中的加工性能。

（2）同一配方下的终炼胶，相对于母胶门尼黏度降低、流动性提高。

表5 不同配方的母炼胶和终炼胶的流动性

4.3.2 不同配方胶料剪切速率与剪切应力的关系

砝码规格是流动性检测过程中施加于胶料的压力的度量，不同规格配重砝码对应的修正压力数值如图3所示。

图3 不同配重规格砝码对应的修正压力数值

胶料流动性分析仪（VMa1000）测量橡胶的流动性，是通过在一个给定的时间内的一个给定的力（测试前砝码的选择）和设定温度下从固定模腔挤出的体积来表征橡胶的流动性的。不同规格的砝码代表施加于胶料的压力（即剪切应力）不同，同种胶料的流动性随不同的剪切应力而变化，这就是黏弹性流体的剪切变稠与剪切变稀现象。不同规格砝码下各个胶料的流动性曲线如图4所示。

图4 不同配方母炼胶在不同规格砝码下的流动性

正如图4所示，本次试验不同配方胶料的流动性随砝码质量的变化趋势存在很大的差异：子口胶、胎侧胶、三角胶、气密层胶的母炼胶均表现为明显的假塑性流体特性，随着施加压力的增大，流动值上升趋势变大，即表现为明显的剪切变稀行为；胎面胶则表现为胀塑性流体特性，随着施加压力的增大，流动值上升趋势减缓，即剪切变稠行为[4]。它们都符合非牛顿流体的流体特征。

假塑性流体随着剪切速率的变大，其内部结构遭到破坏，流动性变化趋势变大；胀塑性流体随着剪切速率的变大，内部有新的网络结构生成，流动性变化趋势减小。胎面胶与其他四种胶料在配方组成上最大的差异是其白炭黑补强体系，白炭黑表面硅烷醇基多，其聚集体间产生氢键，形成较强的填料网络，这就是白炭黑胶料存在较大Payne效应的原因[5]。因此胎面胶胶料的加工流动性与其他胶料表现为不同的流变行为。

同时对于高弹性聚合物，其流动性的表征与胶料基体胶的选择以及配合剂的种类、含量相关，会因这些因素的不同而表现出不同的流变特性。

对于终炼胶来说，相对于各自对应的母炼胶，其成分组成除却添加了硫化体系外，在未硫化前，整体体系组成并无太大变化，流变行为改变最大的影响因素是增加了一段混炼，分子链再次受到强烈的机械剪切捏合作用，平均分子质量变小，分子量分布曲线向左移动。其流动性随施加压力的变化趋势如图5所示。

图5 不同配方终炼胶在不同规格砝码下的流动性

由图5可以看出：相同配方体系的终炼胶与母炼胶随着施加应力的变化，流动性变化趋势呈现出巨大差异。整体而言，终炼胶的流动性对于剪切应力的响应更加敏感。这是因为终炼胶经过多段混炼，相对于母炼胶，其分子量分布向低分子量方向移动，在应力作用下，链段运动能力增大，流动性相应增强。实际生产加工过程中，根据胶料不同的流变行为而选择合适的加工速率，对于保持半成品的尺寸稳定性、生产出合格的产品具有重要的意义。

5 结 论

橡胶生产过程中，门尼黏度并不能准确地表征胶料的加工性、流动性。即使门尼黏度相同，流动性也会存在很大的差异。胶料流动性受配方、加工条件、胶料物理性能等多种因素的共同影响。VMa1000胶料流动性分析仪对于胶料流变性的响应更加敏感，流动性检测更加贴近生产，根据选取不同规格的砝码模拟实际加工的不同情况，对于橡胶产品的质量控制具有重要的意义。

[1] 王艳敏. 风神公司AGT绿色轮胎国际市场营销策略分析[D]. 郑州： 郑州大学, 2012.

[2] 陈洁. 微波合成酚醛树脂/蒙脱石纳米复合材料的研究[D]. 武汉： 华中科技大学, 2007.

[3] 梁中华. 混炼胶贮存稳定性研究及作为检定硫化仪用标准物质的应用[D]. 青岛：青岛科技大学，2005.

[4] 彭岩，吕冰海，纪宏波. 非牛顿流体材料在工业领域的应用与展望[J]. 轻工机械, 2014(01)：116-121.

[5] 陈春花. 橡胶型氯化聚乙烯与三元乙丙橡胶共混胶性能的研究[D]. 青岛：青岛科技大学, 2010.

[责任编辑：朱 胤]

Application of VMA1000 Fluidity Analyzer in Rubber Compound Processing

Liu Huaqiao, Yang Jinghui, chen Song, Zheng Kun, Gu Peishuang
(TTa (Qingdao) Tire Technology alliance co., Ltd., Qingdao 266061, china)

based on the current situation of Mooney viscosity as the characterization for rubber processability, this paper elaborated the difference between Mooney viscosity and fluidity. With the application of VMa1000 (Visco Measurement analyzer), the actual tire production process control and quality control were performed. also the inf uencing parameters of the compound processability were studied. The importance of the f uidity of the compound for the rubber compound processability was demonstrated.

VMa(Visco Measurement analyzer); Mooney Viscosity; Fluidity; Formulation; Processability

TQ330.7

b

1671-8232(2014)12-0031-05

2014-11-10