胶料辊筒操作性能的分析与表征

陈名行，蔡尚脉，李花婷，陈瑞军，赵天琪

（北京橡胶工业研究设计院，北京 100143）

在橡胶加工过程中，胶料的辊筒操作性能十分重要。胶料辊筒操作性能好是指胶料包辊状态良好，既不脱辊，也不粘辊，同时在辊筒间保持一定的堆积胶量。良好的辊筒操作性能有利于配合剂包括补强填充剂、软化剂和硫化剂等混入胶料，且分散良好；有利于提高胶料的压延通过性，使压延胶片光滑平整和尺寸稳定性好。目前，胶料的加工性能仅用门尼粘度和门尼松弛特性参数预测，混炼操作性能尚无确定的特征参数表征。进一步分析，受试验条件限制，门尼粘度仅能反映胶料在单一温度下对低频剪切应力的反作用力，其只能在一定程度上反映胶料的加工流动性，有时用其预测的胶料加工性能与实际情况相反。橡胶加工分析仪能在较大的温度、应变和频率范围内测试胶料的剪切粘弹性能[1-2]。与门尼粘度仪相比，橡胶加工分析仪试验设计灵活，试验条件更贴近胶料实际加工条件，从而能较好地预测胶料的辊筒操作性能。

本工作以丁苯橡胶（SBR）胶料为例，对胶料辊筒操作性能进行分析与表征。

1 实验

1.1 主要原材料

乳聚丁苯橡胶（ESBR），牌号1712，充油量为37.5份，中国石化齐鲁石化分公司橡胶厂产品。溶聚丁苯橡胶（SSBR）（Ⅰ），未充油；SSBR（Ⅱ），

作者简介：陈名行（1983—），男，湖南新化人，北京橡胶工业研究设计院工程师，硕士，主要从事橡胶材料性能及应用研究工作。充油量为37.5份；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石化北京燕山分公司合成橡胶厂产品。天然橡胶（NR），牌号SMR20，马来西亚产品。白炭黑1165MP，罗地亚化学品（青岛）有限公司产品。

1.2 试验配方

1#试验配方：ESBR 75，BR 25，NR 20，炭黑N375 74，氧化锌 3，硬脂酸 1.5，防老剂4.25，芳烃油 10，硫化剂/促进剂 3.4。

2#试验配方：SSBR（Ⅰ） 75，BR 25，白炭黑1165MP 65，炭黑N339 5，氧化锌 2.5，硬脂酸2.2，偶联剂Si69 6.4，防老剂 4，软化剂/增塑剂 20，硫化剂/促进剂 10.1。

3#试验配方：SSBR（Ⅱ） 110，NR 20，白炭黑1165MP 75，炭黑N339 5，氧化锌 2.5，硬脂酸 2，偶联剂Si69 7.6，防老剂 4，软化剂/增塑剂 15，硫化剂/促进剂 10.9。

1.3 混炼工艺

胶料混炼采用两种工艺，1#试验配方胶料采用混炼工艺A，2#和3#试验配方胶料采用混炼工艺B。

混炼工艺A：针对炭黑胶料的混炼工艺，一段混炼在F370型密炼机中进行，加入橡胶、2/3炭黑以及除防老剂外的小料，排胶温度为150 ℃；二段混炼在F370型密炼机中进行，加入剩余1/3炭黑和防老剂，排胶温度为150 ℃；三段混炼在F270型密炼机中进行，加入硫化剂和促进剂，排胶温度不超过105 ℃。3段混炼胶均在XKY-660型三辊开炼机上下片。

混炼工艺B：针对添加白炭黑胶料的混炼工艺，一段混炼在F370型密炼机中进行，先加入橡胶和小料，再分两次加入白炭黑，然后加入芳烃油，并增添恒温混炼阶段，排胶温度为150 ℃；二段混炼在F370型密炼机中进行，加入炭黑，排胶温度为150 ℃；三段混炼在F270型密炼机中进行，加入硫化剂和促进剂。3段混炼胶均在XKY-660型三辊开炼机上下片。

1.4 性能测试

（1）门尼粘度和门尼松弛特性采用北京友深电子仪器有限公司的M200E型门尼粘度计测试，应变为7%，频率为1.7 Hz。

（2）混炼胶加工性能采用阿尔法科技有限公司的RPA2000橡胶加工分析仪表征。

2 结果与讨论

2.1 胶料的辊筒操作性

胶料在开炼机上的加工状态通常分为4种。第1种状态：胶料硬度较低，塑性较高，既有一定的流动性，又有适当的高弹形变，紧包在辊筒上形成弹性胶圈，正常出片；第2种状态：胶料粘度较低，流动性较好，橡胶分子间作用力较小，强度低，不能紧包在辊筒上，有脱辊或破碎现象，可出片；第3种状态：胶料弹性大，硬度高，不易进入辊隙间，易碎裂，不能包在辊筒上，不能正常出片；第4种状态：胶料门尼粘度低，呈粘流态包在辊筒上，虽有利于压出操作，但粘辊严重，不能正常出片。

SBR胶料的辊筒操作性能如表1所示。从表1可以看出：在高温（150 ℃）下，1#试验配方胶料一段和二段混炼胶出片辊压时包辊性能良好，可正常出片；2#和3#试验配方胶料一段和二段混炼胶出片辊压时粘辊严重，需要人工牵引并增大辊距后方可勉强出片。在较低温度下，1#～3#试验配方胶料包辊性良好，可正常出片。

表1 SBR胶料的辊筒操作性能

2.2 胶料的门尼粘度和门尼松弛特性

SBR胶料（二段混炼胶）的门尼粘度和门尼粘度松弛特性如表2所示。从表2可以看出：1#试验配方胶料的门尼粘度远低于2#和3#试验胶料，按照一般原理，门尼粘度低的胶料弹性低，易出现粘稠状包辊的粘辊现象，辊筒操作性能差，这与1#试验配方胶料辊筒操作性能好不符，说明门尼粘度不能准确表征胶料的辊筒操作性能；1#试验配方胶料的门尼松弛特性参数A大于2#试验配方胶料，远小于3#试验配方胶料，而通常来说，A小的胶料易松弛，塑性低，即胶料变形不易恢复，这与1#试验配方胶料辊筒操作性能优于3#试验配方胶料不符，说明门尼松弛特性参数也不能准确表征胶料的辊筒操作性能。

表2 SBR胶料的门尼粘度和门尼粘度松弛特性

分析认为，门尼粘度不能准确表征胶料辊筒操作性能有两个原因：一是温度，门尼粘度测试温度一般为100 ℃，而胶料密炼的非终炼排胶温度较高，多在130～160 ℃之间，如本研究为150 ℃；二是频率和应变，门尼粘度测试的应变和频率分别为7%和1.7 Hz，而胶料在开炼机辊筒上的加工频率变化较大，应变也较大，即门尼粘度测试条件与胶料在辊筒上的实际加工条件相差较大，影响了门尼粘度对胶料辊筒操作性能的表征。门尼松弛特性参数A不能准确表征胶料辊筒操作性能的原因基本相同。

2.3 橡胶加工分析仪分析

为了更好地分析胶料的辊筒操作性能，采用RPA2000橡胶加工分析仪对SBR胶料（二段混炼胶）进行温度、应变以及频率扫描，以准确表征胶料在各种条件下的粘弹性能。

2.3.1 频率扫描

由于3个试验配方胶料的排胶温度均控制为150 ℃，因此确定在温度150 ℃和应变7%（与门尼粘度测试相同）的条件下进行频率扫描，扫描频率范围为1～30 Hz。

弹性模量（G′）表征胶料的弹性变形，G′越大，胶料抵抗变形的能力越强。胶料的G′-频率关系如图1所示。从图1可以看出，2#和3#试验配方胶料的G′明显大于1#试验胶料，这与门尼粘度良好对应，即门尼粘度大的胶料G′也大。

图1 SBR胶料的G′-频率曲线

粘性模量（G″）表征胶料的粘性变形或塑性变形，G″越大，胶料越易受力变形，在胶料的加工性能上表现为越易包辊。胶料的G″-频率关系如图2所示。从图2可以看出，2#和3#试验配方胶料的G″明显大于1#试验配方胶料，这是2#和3#试验配方胶料在高温下出现粘辊的原因之一。

图2 SBR胶料的G″-频率曲线

损耗因子（tanδ）为G″与G′的比值，表征胶料的综合粘弹性效应。tanδ越大，G″越大，胶料越易包辊。胶料的tanδ-频率关系如图3所示。

从图3可以看出，3个试验配方胶料的tanδ均随频率增大而降低，1#试验配方胶料降幅较小，2#和3#试验配方胶料降幅较大，有明显的“高频硬化”现象。

图3 SBR胶料的tan δ-频率曲线

2.3.2 应变扫描

在温度150 ℃和频率1 Hz的条件下进行应变扫描，扫描应变范围为0.7%～300%。胶料的G′-应变、G″-应变和tanδ-应变关系分别如图4～6所示。

图4 SBR胶料的G′-应变曲线

从图4和5可以看出，G′-应变与G″-应变曲线走势相仿，小应变时2#和3#试验配方胶料的G′或G″较1#试验配方胶料大，大应变时2#和3#试验配方胶料的G′或G″与1#试验配方胶料相近。

图5 SBR胶料的G″-应变曲线

从图6可以看出，3个试验配方胶料的tanδ均随应变增大而增大，有明显的“切力变软”现象，但2#和3#试验配方胶料对应变更敏感，在大应变时2#和3#试验配方胶料的tanδ大于1#试验配方胶料，易出现粘辊现象。

图6 SBR胶料的tan δ-应变曲线

2.3.3 温度扫描

为进一步了解温度对胶料粘弹性的影响，在频率1 Hz和应变7%的条件下对胶料进行了温度扫描，扫描温度范围为90～160 ℃。设定的最高扫描温度160 ℃比排胶温度150 ℃高10 ℃，这是鉴于排胶温度存在一定的误差。胶料的G′-温度、G″-温度和tanδ-温度关系分别如图7～9所示。

从图7～9可以看出：在相同温度下2#和3#试验配方胶料的G′和G″均明显高于1#试验胶料，但2#与3#试验配方胶料的G″变化趋势不同；胶料的tanδ对温度响应程度由大到小的胶料顺序为3#试验配方、2#试验配方、1#试验配方，即2#和3#试验配方胶料对温度敏感性高，在高温下易发生粘辊现象，但3个试验配方胶料均存在“高温变软”现象。

图7 SBR胶料的G′-温度曲线

图8 SBR胶料的G″-温度曲线

图9 SBR胶料的tan δ-温度曲线

综合分析胶料从密炼段排胶到开炼段包辊的过程：密炼段实际排胶温度可能在160 ℃左右，开炼段胶料包辊后冷却到150 ℃出片，在这个过程中胶料受到较大的频率和应变、较高的温度作用，2#和3#试验配方胶料出现出高门尼粘度及粘辊现象的原因分别是“高频硬化”及“切力变软”“高温变软”效应，即在大应变和高温度时，对应变和温度敏感的2#和3#试验配方胶料G″和tanδ迅速增大，表现为塑性和流动性过大，导致粘辊现象出现。

3 结论

ESBR对温度变化的敏感性低，采用传统门尼粘度和门尼松弛特性参数可以分析ESBR胶料的辊筒操作性能；SSBR对温度变化的敏感性高，在不同加工温度下辊筒操作性能完全不同，用门尼粘度和门尼松弛特性参数来分析SSBR胶料的辊筒操作性能具有较大的局限性。因此，门尼粘度和门尼松弛特性参数不能分析所有胶料的辊筒加工行为。采用橡胶加工分析仪等橡胶动态粘弹性测试设备，通过设定合适的测试条件，分析胶料对频率、应变和温度的响应，可以全面评价胶料的辊筒操作性能。