同步转子密炼机变速混炼工艺试验研究

边慧光, 胡纪全, 汪传生, 吕炜帅

（青岛科技大学机电工程学院, 山东 青岛 266061）

同步转子密炼机变速混炼工艺试验研究

边慧光, 胡纪全, 汪传生, 吕炜帅

（青岛科技大学机电工程学院, 山东 青岛 266061）

文中研究同步转子密炼机混炼过程中几种不同变速混炼工艺对混炼胶的物理性能的影响。结果表明，良好的变速混炼工艺不仅能满足工艺性能和物理性能的要求，而且与匀速混炼相比，采用变速混炼工艺可以减少能耗、提高混炼胶质量。

变速混炼；同步转子；密炼机

0 前 言

密炼机在混炼过程中，关于转子的转速的问题一直存在争议。西方国家特别是美国主张转子转速应该向高速方向发展，美国产的密炼机的转子转速可达80 r/min；而日本则主张低速，最好不要超过40 r/min。但他们都有一个共识，都采用调速电机[1]。这样可以根据不同的配方、工艺条件及混炼阶段，随时调整转子转速，从而达到优化混炼的效果。

在密炼机匀速混炼过程中，胶料进入密炼机后，常常会出现转子打滑的现象。这是由于混炼初期胶料受到的剪切力较小，胶料进入密炼机后由最初的大块状破碎成小块状，而在混炼初期胶料的温度较低，加入部分炭黑及小料后又会起到隔离作用，这就导致转子与胶料在混炼过程中会出现打滑现象[2]。而解决转子打滑的有效措施在于加大混炼过程中转子对胶料的剪切作用。

胶料的混炼过程是橡胶弹性体与各种配合剂在转子转动作用下交替发生的破碎、混合、分散和简单的混合变化，并最终达到所期望分散效果的一个物理化学过程[3]。胶料的混炼过程一般分为炭黑混入阶段、分散阶段和混合阶段三个阶段。而在混炼过程中，密炼机的转子转速是影响胶料分散效果、炼胶速度的重要因素。在密炼机生产混炼过程中，平均剪切速率（γ）与转子转速（n）成正比关系，即γ= 0.29n。由此可见，转子转速快，剪切速率大，混炼过程也就加快，所需混炼时间相应减短，因此，提高转速能够有效地强化胶料混炼效果、缩短混炼时间。在密炼室内，剪切作用主要发生在密炼室壁与转子棱之间的最小间隙处，剪切速率大时混炼效率较高，但高转速往往又会导致生热，造成胶料黏度下降,于是剪切效果就会降低，这会影响胶料的分散作用。

文中选取了四种不同混炼工艺方案，从同步转子密炼机混炼过程中转子变化速度对混炼胶物理性能的影响这一角度进行探讨。

1 试 验

1.1 原材料及试验配方[4]

根据同步转子密炼机混炼试验设备的性能特点，本次试验选用全钢子午线轮胎胎面胶配方，这种实际应用配方在橡胶产品中最具有代表性，如表1所示。

表1 试验所用的配方表

1.2 试验设备及仪器

Х（S）М-1.7 Y型同步转子试验平台，青岛科技大学；Х（S）K-160型开炼机，上海橡胶机械厂；QLB-D400×400×2型平板硫化机，上海第一橡胶机械厂有限公司；АI-8000 S 型电子拉力机，台湾高铁科技股份有限公司；QP-16型橡胶、塑料试验切片机，上海化工机械四厂；UМ-2050门尼黏度仪，优肯科技股份有限公司；LХ-А 型橡胶硬度计，上海轻工局试验厂；ММ4130С无转子硫化仪，北京环峰化工机械试验厂；DisрerGRАDER型炭黑分散度仪，美国阿尔法公司。

1.3 试验方案

试验中采用时间—功率曲线联合控制法，即分段加料，最后排胶时采用功率曲线控制法，即在加压后功率上升到最大值，然后下降平稳一定时间后（100 s）再进行排料。

为了更好地比较不同生产工艺下所得混炼胶物理性能情况，这里选取四种不同试验方案，利用全钢子午线轮胎胎面胶配方，每种方案混炼三车，比较各种生产工艺下，所得胶料的混炼情况。

1.3.1 生胶塑炼条件及工艺方法

（1）用Х（S）K-160型开炼机进行塑炼，其辊温为40～50 ℃；

（2）工艺方法：烘胶→破胶（2 mm，3次）→薄通（0.2 mm，17次）→放厚（5 mm，3次）→下片；

（3）将下片得到胶料切成小片，并按填充系数为0.6配料、称量。

1.3.2 混炼过程加料顺序

（1）生胶（含合成胶）（混炼20 s）→1/2炭黑+白炭黑+小料（混炼30 s）→1/2炭黑（混炼30 s）→清扫→加油（混炼20 s）→排胶（测温，不要高于140 ℃）→放在开炼机上混炼下片→停放一段时间；

（2）加硫磺压片。压片降温（3 mm，3次）→加硫磺→打三角包（1 mm，5个）→下片（5 mm）。

1.3.3 各试验方案速度变化情况

方案1：匀速混炼，50 r/min;上顶栓压力：0.6 МPа；转子冷却水温度40 ℃（密炼室50 ℃,下顶栓50 ℃）；填充系数：0.6；混炼时间：100 s。

方案2：变速混炼，60 r/min（混炼20 s）→50 r/min（混炼60 s）→40 r/min（混炼20 s）；上顶栓压力：0.6 МPа；转子冷却水温度40 ℃（密炼室50 ℃,下顶栓50 ℃）；填充系数：0.6；混炼时间：100 s。

方案3：变速混炼，40 r/min（混炼20 s）→60 r/min（混炼60 s）→30 r/min（混炼20 s）；上顶栓压力：0.6 МPа；转子冷却水温度40 ℃（密炼室50 ℃，下顶栓50 ℃）；填充系数：0.6；混炼时间：100 s。

方案4：变速混炼，20 r/min（混炼20 s）→60 r/min（混炼60 s）→40 r/min（混炼20 s）；上顶栓压力：0.6 МPа；转子冷却水温度40 ℃（密炼室50 ℃,下顶栓50 ℃）；填充系数：0.6；混炼时间：100 s。

1.3.4 加硫磺压片

压片降温（3 mm，3次）→加硫磺→打三角包（1 mm，5个）→下片（5 mm）。1.3.5 硫化条件

采用QLB-D400×400×2平板硫化机进行试样硫化，硫化条件为：150 ℃、20 min、150 МPа。

最后，将硫化好的胶料停放12 h后测试胶料物理性能。

2 试验工艺结果及分析

2.1 试验工艺结果

四种不同试验方案所对应混炼胶的物理性能如表2所示。

表2 不同试验方案对应混炼胶物理性能表

2.2 试验工艺结果分析

由图1可知，变速混炼工艺在混炼过程中最大功率大于匀速混炼，这主要是由于混炼过程不断调整转速的原因，而最大功率点出现在转速变化的转折处，而且由4种不同混炼工艺功率曲线图可见，当密炼机混炼过程低速运转时，能耗较高，高速运转时，能耗较低。由功率曲线图可见，4种不同生产工艺中，在整个混炼进程中，方案2混炼过程中总消耗的能耗比另3种方案的要小。由表4可知，方案3中的100%定伸应力值稍小些，其他3种方案数值差异不大；对于300%定伸应力，方案3的值较小，其他3种方案数值差异不大；对于拉伸强度，方案2与方案3的数值比方案1、4的稍高些，但并不显著；对于撕裂强度，方案1、2数值较大，优势明显；比较4种方案的硬度值可以发现，方案3的硬度值较小，其他3种方案数值差异不大。由表2可知，4种方案中，变速混炼的分散度要高于匀速混炼，方案3数值最高。由表2可知，变速混炼的门尼黏度值明显低于匀速混炼，而且第1到第4方案，门尼黏度呈下降趋势。

图1 不同生产工艺方案及其功率曲线

综合比较4种生产方案所得混炼胶物理性能，方案2变速混炼工艺最好，密炼消耗功率少，物理性能最好。因此，在今后混炼过程中可采用以下工艺：混炼初始时采用高速混炼，这有利于生胶快速吃入，然后采用常用中等转速，这有利于让炭黑及小料能够均匀地分散，最后的混炼阶段采用较低的转速，一方面有利于降低胶料的排胶温度，另一方面有利于胶料实现更好的分布混炼。

3 结 语

（1）变速混炼在混炼过程中最大功率比匀速混炼大；变速混炼工艺混炼胶的门尼黏度比匀速混炼低。

（2）方案2变速混炼工艺在4种试验方案中混炼效果最好，即采用快速吃料、中速分散、低速分布混炼模式，而且混炼过程中消耗的能耗比匀速混炼低。

（3）密炼机采用变速混炼，能够解决高转速导致产热量大从而致使黏度下降的矛盾，炼胶质量稳定，能够减少能耗，必将给橡胶企业带来更好的经济效益。

[1]汪传生. 同步转子密炼机混炼橡胶的理论和试验研究[D]. 北京:北京化工大学. 2000, 03.

[2]张作利, 吴会忠, 吕志文. 混炼技术对密炼机生产效率和混炼胶质量的影响[J]. 轮胎工业, 2010, 30(5): 296.

[3]俞爱生, 谢雄春, 陈家辉, 施卫. 密炼机变速混炼工艺研究[J]. 轮胎工业, 2002, 22(1): 46.

[4]吕炜帅. 串联式密炼机的混合机理与试验研究[D]. 青岛科技大学, 2012.

Study on Variable-Speed Мixing Тechnique for Internal Мixer with Synchronous Rotor

Biаn Нuiguаng, Нu Jiquаn, Wаng Сhuаnsheng, Lu Weishuаi
(Сollege of Мeсhаniсаl аnd Eleсtriсаl Engineering, Qingdаo University of Sсienсe аnd Тeсhnology,Shаndong Qingdаo 266061)

Аbstrасt: Тhe effeсt of some different tyрes of vаriаble-sрeed miхing teсhnique on рhysiсаl рroрerties of rubber сomрound during the miхing рroсess in internаl miхer. Тhe result showed thаt well vаriаble-sрeed miхing teсhnique сould meet the requirement of teсhnologiсаl аnd рhysiсаl рroрerties.In аddition, сomраred with uniform miхing teсhnology, vаriаble-sрeed miхing teсhnique сould reduсe energy сonsumрtion аnd imрrove the quаlity of rubber сomрound.

Vаriаble-sрeed miхing; Synсhronous rotor; Internаl miхer

TQ 330.4+3

B

1671-8232(2017)10-0017-04

边慧光 (1982-)，男，山东菏泽人，副教授，博士，主要从事高分子材料加工技术与装备研究。

胡纪全（1990-），男，山东菏泽人，硕士，主要从事高分子材料加工技术与装备研究。

[责任编辑：邹瑾芬]

2016-08-05