橡胶软管胶料的配合和混炼工艺

白 鹏, 梁西正, 王维相

（1.平顶山市矿益胶管制品有限公司, 河南 平顶山 467013；2.中橡集团 沈阳橡胶研究设计院, 辽宁 沈阳 110021）

1 原材料贮存和配合

不言而喻，原材料应存放在易于运转到混炼车间称量的位置上。另外，贮存温度应始终如一，不要太低，空气也应干燥。

粉末材料贮存和称重点一般设在一楼，称重后的批料再通过升降机、吊车和运输带传输到密炼机，通常这些操作所使用的机械化和自助化程度也同样取决于生产规模和条件。较好的布局是材料在较高的平台上或者与混炼设备同楼层，并在就近的房间贮存和称重。

在胶管工业所实施的胶料配合体系中，主要将混炼胶划分为四种或五种组分，它们是：聚合物；填料（炭黑，白色填料，再生胶）；配合剂（包括石蜡）；硫化剂；油和增塑剂。

在上述的几种组分中，橡胶要切块（加温软化，40～60℃）；粉状配合剂应按细度要求进行筛选，并清除杂质；固体软化剂或防老剂应粉碎处理，以力分散；对黏稠状软化剂要适当加温，除去水分并降低黏度后使用，必要时要过滤。

依据产品和胶料配合，可以将油直接喂入混炼机，也可以与填料预混。就炭黑而言，采用介于标准包装与散装运输罐之间中等散装量（1000kg）就可能使用半机械化称量系统。就白色填料而言，可采用振动或悬浮系统以改善流动性能，或达到充分的混合。

2 塑炼和掺合

2.1 橡胶的塑炼

在常用的橡胶中，大都需要经过塑炼来增加其塑性，以适应制备胶料的要求。

橡胶通常采用开炼机、密炼机或螺杆塑炼机进行塑炼。

2.1.1 开炼机塑炼

用开炼机塑炼，一般都在低温和小辊距的条件下进行，必要时可采取分段塑炼（即塑炼一定时间，经停放后再塑炼），以提高塑炼效果。

采用开炼机塑炼时，其两辊筒的速比一般以1:(1.20～1.25)为宜。

2.1.2 密炼机塑炼

密炼机塑炼一般是在高温热氧作用下进行的，橡胶分子在炼胶机中受温度和强机械作用产生剧烈的破坏，从而在较短的时间内获得较高的可塑性。

采用密炼机塑炼的主要优点是生产效率高，机械化、自动化程度较好，适宜于大批量生产，并可改善劳动条件。

2.1.3 螺杆塑炼机塑炼

用螺杆塑炼机塑炼，橡胶主要是通过受螺杆与机筒壁摩擦搅拌和高温氧化作用而获得塑炼效果的。其优点是生产效率高，而且有利于连续化作业，但其塑炼的均匀性较差。

2.1.4 化学增塑法

橡胶在采用机械塑炼的同时，加入适量的化学增塑剂，可提高塑炼效果。

在以天然橡胶为主的胶管胶料中，通常以促进剂M、DM作为塑解剂（这类促进剂在胶管胶料中使用都比较普遍），这样既能起到良好的增塑效果，又无损于促进硫化的特性。一般塑解剂用量在0.3～0.5份时（以橡胶为100份），橡胶塑炼时间可减少30%～40%。

不论采用何种方法进行塑炼，其塑炼胶都必须具有均匀的可塑性，并达到规定的塑性指标，以满足下一工序需要。

2.2 橡胶与其他高分子聚合物的掺合

2.2.1 各种橡胶的掺合

在大多数胶管用的胶料中，多胶种配合极为普遍，其主要目的是为了满足胶管的使用要求和改善胶料的加工性能。

为使多胶种均匀地混为一体，以获得良好的混炼效果，通常在混炼前先将配方中规定的胶种和用量进行掺合（混合）。其方法是先将所需的胶种和用量进行称配，然后通过炼胶机适当地翻炼和压合，成为均一的“掺合胶”。

在多胶种的掺合过程中，不论其胶种配比如何，各胶在掺合前的塑性都应基本相近，这样有助于提高掺合效果。

在实际生产中，也有不经掺合而直接进行混炼的，这对于采用密闭式炼胶机混炼是可行的；但必须在混炼前先将称配的橡胶适当压合后再加入配合剂进行混炼，否则，将对混炼质量产生一定影响。

2.2.2 橡胶与其他高分子聚合物的并用

橡胶与其他高分子聚合物的并用，简单地说，就是通常所称的“橡塑并用”。就其并用工艺来说，主要应根据各种高分子聚合物的并用特性（如温度、相容性等），再以相应的加工设备（一般可采用配有加温装置的炼胶机）进行共混。其中正确掌握并用温度非常重要，并且翻炼压合一定要均匀，否则，将难于制得质量均一的共混体。

2.3 塑炼胶可塑性

为适应胶管制造工艺的需要，对用于各胶层部件及不同胶种的塑炼胶（或掺合胶）的可塑性要求，参见表1。

表1 不同胶层部件的得塑炼胶可塑性要求

3 混 炼

总体来说，制造胶管用的胶料，混炼胶料所用的设备可以分为下面3种：开炼机混炼；密炼机混炼；连续、自动或高速混炼；

不言而喻，在加工的大多数工序中，混炼设备的冷却是最为重要的。在过去多年里，许多混炼设备制造商投入大量人力从事开发工作，这无疑使获得较短的混炼用时成为可能。出于混炼速度、产量和经济方面的考虑，密炼加工是一种广泛使用的混炼方法，但是在胶管生产方面，开炼机混炼也一直在使用，无疑在今后若干年内仍将继续使用。这是由于某些产品产量的要求，也出于精密的分散度考虑，同时胶料也有无污染的要求，所有这两项重要的因素在用密炼机时不能得到充分的保证。

3.1 开炼机混炼

由于开炼机结构简单、设备投资低、使用维修方便等优点，故在一般中小型工厂中使用较为普遍。

采用开炼机混炼的主要优点是可变性好，操作方便，对于品种多、批量小，以及要求特殊的胶料混炼尤为适宜。缺点是劳动强度高，生产效率低，粉尘易飞扬。

作为胶管用的胶料，除了能够满足所需的使用要求和工艺性能之外，从表观上还需要保证胶料的均匀性、致密性和纯洁性，这对于使用条件苛刻的胶管胶料（如高压胶管内层胶等）来说更为重要。因此，采用开炼机混炼的胶料，应特别注意配合剂的分散结果，对于填充剂用量较多的胶料，以采取“少加勤加”的方法为宜。根据不同特性的胶料，必须相应地掌握好加料顺序及炼胶温度等工艺条件，严防产生分散不匀、胶疙瘩以及焦烧等质量问题。

3.2 密炼机混炼

用密炼机混炼具有产量大、生产效率高、劳动强度低以及粉尘飞扬少等优点，而且还有利于自控化和大批量生产。缺点是混炼温度较高，容易使胶料产生自硫，同时由于密炼室混炼的胶料形状不固定，还需经压片机补充加工。

对大部分胶管用的胶料，都可以用密闭式炼胶机进行混炼。采用密炼机混炼的基本要求如下。

3.2.1 装胶容量

通常可根据胶料的含胶率高低、可塑性大小，以及转子凸棱与室壁之间的空隙等情况确定装胶容量。一般来说，对可塑性较大且易于混炼的胶料，其装胶容量可适当增加；反之，则适当减少。

3.2.2 加料顺序

根据不同胶种以及胶料的特性，通常可采用一段或两段混炼。大部分胶管用的胶料，都可采用一段混炼。其一般的加料顺序为：

塑炼胶（或掺合胶）→小料（活性剂、防老剂、促进剂等）→固体软化剂→填充剂、补强剂（用量多的要分次加入）→液体软化剂→排胶。硫化剂一般都在压片机上加入。

对于配合剂分散困难或容易产生焦烧的胶料，可采用两段混炼，并在第二段混炼时加入硫化剂。

若采用快速高效密炼机进行混炼，其加料顺序可适当简化。

3.2.3 混炼温度

胶料在密炼过程中，温度会不断升高，但混炼温度过高会影响胶料质量，且不利于粉剂的分散。因此，适当控制混炼温度非常重要。一般胶料的混炼温度以100～130℃为宜，对氯丁橡胶等易产生焦烧的胶料，其密炼温度应控制在100℃以下。

3.2.4 混炼时间

胶料在密闭式炼胶机中混炼的时间一般不宜过长，尤其对合成橡胶用量较多的胶料，应在保证配合剂分散和混炼均匀的前提下，尽量缩短辅助或投料的时间。

3.3 胶料过滤

大部分胶管用的胶料都应具有较好的致密性和纯洁性，因此这些胶料除了在塑炼和混炼等过程中需要加强清洁工作之外，还需进行过滤。

胶料过滤一般都采用螺杆滤胶机进行，滤网规格根据不同用途的胶料而定，一般为60～80目/in(1 in=2.54cm，下同)；对要求较高的胶料，可采用100目/in以上的滤网。

过滤后的胶料，一般都需经过适当冷却后才能加入硫化剂，以防胶料产生焦烧。

3.4 胶料可塑性

根据胶管制造工艺及使用胶层部件的不同，其胶料的可塑性要求可参见表2所列的范围适当控制。

表2 胶管不同部分的混炼胶可塑性要求

在混炼这一工序中，广泛使用以下7种方法。

3.4.1 直接混炼法

这种方法是将胶料加以混炼，然后直接供给下一道工序，如喂入压出机或压延机。从这个意义上说，其名称准确地表达了它的含义。显然，这种方法要求对混炼周期及其后工序进行精确的计划，其应用范围也是非常广的。由于某些原因，例如硫化性能和分解性能，以及由于加工过程中没有停放时间，在其后的加工中会产生“弹性复原性”，因而最初的塑炼是极为重要的，所以在加工中进行严格的质量控制非常必要。

3.4.2 间接混炼法

这种加工过程是将胶料进行混炼，压成胶片，并在进入下道工序前进行贮存。硫化材料依据特定的胶料，可在压片之前加入，也可以在胶料贮存放置之后、下道工序之前临时加入。据认为，从加工角度看，这种方法（除了开炼机混炼之外）能加工出最好的胶料。

3.4.3 预塑炼

在某些情况下，特别是对于烃含量相当高的胶料，必须对聚合物进行预塑炼（以消除弹性复原性）、压片和冷却，然后再用这种预塑炼的胶料以常规方法进行混炼。另外，如果胶料含有的填料量相当高，不论是炭黑还是矿物填料，可先混炼出母炼胶，并进行压片和冷却，然后再进行最后的混炼。

3.4.4 油填充

对于天然橡胶胶料，可以充油，而不会对其后的加工性能和物理性能造成过分损失，其方法是选择适当的油，并将其与所需的炭黑进行预混。将这样所产生的“炭油”，与橡胶一起在加工一开始就加到密炼机中，这样就将整个胶料塑炼在一起。这种方法能防止塑炼引起的链的过分断裂，这样所获得的胶料塑性非常令人满意。

3.4.5 倾倒式混炼法

在胶料所含填料量相当高的情况下，有时难以使混炼机辊筒“咬住”胶料，在这种情况下，一般是将所有的配合剂（橡胶和填料）一起倾倒进密炼机中，然后进行加工。与旧的理论等相反，这种方法确实可行，并且可生产出适合其应用的满意的胶料。

3.4.6 反序混炼法

这种方法是先向混炼机中加粉末材料，然后再加聚合物。这种方法不仅能生产出满意的混炼胶料，而且也有可能混炼某些难以加工的氯丁胶胶料。这种胶料由于其焦烧或发粘问题，至今还不得不用开炼机进行混炼。

3.4.7 接种法

这是另一种极其有用的混炼方法，开发于第二次世界大战期间，因为当时天然橡胶等较短缺。其方法是向新胶料中加进少量同类的前批胶料，使新的胶料在混炼期间“接种”到前批胶料中，这种方法对混炼烃含量极低的胶料特别有效。

3.5 混炼周期

关于密炼机混炼周期所用的技术有两种不同的观点。一种是根据规定的时间周期混炼而不管最终所达到的温度，另一种是根据规定的塑炼温升而不管整个混炼时间。从成本和生产的角度来看，这两种方法都能生产出低成本的均匀胶料，而绝对地说哪种好哪种差是非常不明智的。事实上，为了适应特定的胶料配方而对这两种方法都加以采用（当然是用不同的机器），甚至也可能是必要的。

现在的实际情况是，只要有可能就尽量实行连续混炼。此外，高速转子的使用也在不断增加，这就大大地缩短了混炼时间而增高了混炼温度。因此，如前所述，进行了大量的研究工作，旨在开发非常有效的水汽系统和混炼胶料迅速排放的技术，其中也包括排料口的改进。

为了进一步提高生产速度，通过选用正确的混炼方法，同时使用恰当的促进剂和硫化系统，现在已有可能使用混炼机以直接混炼法混炼整批胶料。此外，把某些较为难以加工的促进剂加工成母炼胶形式，就还有可能在密炼机混炼的后期将这些母炼胶加进去进行迅速混合而不会产生焦烧。

定期检查密炼机辊筒和壳体的磨损，并且不断地略微增加每批胶料的质量以补偿这一磨损是极为重要的，否则会出现各种混炼困难，如分散、塑炼不足等。在机器需要修理之前，通过这些混炼的附加量而多获得这么多良好的胶料作为额外产量，这一点确是令人吃惊的。

3.6 某些特殊的混炼

“理想的”有色胶料和浅色胶料就在各自的场地用开炼机或密炼机进行混炼，并且要远离炭黑胶料。不幸的是，“理想”的条件并非总是存在的。而下列方法则是常用的，这种方法就是使用也用于混炼炭黑胶料的密炼机来生产商业上合格的有色胶料。事实上，在某些工厂中，用蒸气管路加温，给胶凝所需的必要温度，混炼机也可用来混炼PVC。清理方法只是用几批塑炼过的胶料清洗密炼机，这些用过的塑炼胶以后可用于炭黑胶料。现在有色胶料混炼的顺序是先混炼颜色较浅的，然后依次混炼颜色较深的胶料。

关于混炼氯丁胶，有一种新的加工助剂——特殊配制的“黏性”氯化镁值得一提。在混炼的关键阶段，它很有助于氧化镁的分散，进而缩短混炼时间和降低升温，由此使混炼胶达到满意的加工性能。丁腈橡胶在开炼机上混炼很容易，但在通用型密炼机中混炼则很困难，因为耗电非常高。但是使用特殊设计的转子叶片，则可使这种胶料获得良好的加工性能。在加工丁腈橡胶时，开炼机要装备得能在后辊上混炼，因为丁腈橡胶对较快的辊筒有亲和性。在大型企业车间，可将丁腈橡胶限制在专用的加工生产线上，这样可以调整开炼机的传动速比，以使胶料可在“前”辊上进行混炼。

3.7 连续和半连续混炼

在上世纪后期之前，橡胶工业的混炼方法和设备的变化很小，多年前的那些混炼方式、设备一起在沿用着。而连续和半连续混炼则在大中型企业表现出了很好前景和生命力。出于成本的考虑，对有限几种胶料进行大批量加工是可行的，在混炼设备坚固结实的前提下，安排周密的混炼计划、工艺过程和标准化是很重要的。总之，小批量胶料混炼适于采用常规的混炼方式。连续混炼可能引起的问题（常规混炼也是这样）大概可以简化为两点：分散和混炼期间胶料的温度控制。

在这一连续和半连续混炼系统中，对颗粒状材料和其他配合剂的自动称重已经开始使用了。这在时间 、产量、成本和质量上都是很经济的。一个典型的系统装配有一个密炼机（其规格应适合于上述操作条件），该密炼机采用自动添加配合剂的方式喂料，但通常不加硫化剂。这是因为在混炼期间胶料升热过快，易产生焦烧。这样胶料可以在出密炼机/压出机时，再在开炼机上添加硫化剂。

另外，胶料也可以从密炼机排到传递混炼机（Transfermix）里并制成颗粒状胶料，当然也不含硫化剂。这种方式可以减少在混炼机的混炼时间，然后胶料在开炼机上加硫化剂，最后压成胶片；如胶料是颗粒状，也可通过另一部传递混炼机添加硫化剂，压成胶片。这种传递混炼机由特殊形状的螺杆和机筒部件构成，可使胶料在螺杆和机筒之间往复式通过机器，从而产生剪切。胶料往复式通过次数可以设计到机器中，由胶料所要求的性能而定。由于机器和胶料里面的冷却管道精密，可以获得非常好的温度控制；这种机器的另一优点是会自动排胶，从而保证每批胶料污染程度最小。该机器螺杆直径约500mm，生产效率非常高。但不足的一面是，由于是单螺杆机器，作为混炼机使用时，它不适合于高填充量的填料或补强材料在机器的有效时间内获得满意的分散。这样它最好是密炼机的配套设备，用以添加促进剂和硫化剂，或者作为一种破碎机，用来向压延机等喂料。

另外还有一连续混炼机，由美国Farrel公司设计。该机器可称为扩大的班伯里密炼机，其结构包括喂料螺杆、混炼转子和可变排胶机。同样机器中产生最佳分解的时间是需要注意的，因此供料方法显得很重要。转子速度是可变的，这样塑炼和混炼在机器有效时间的限度内有一定的灵活性。内部压力通过排胶口尺寸加以控制。这样在解决炭黑分散问题时，可以视为是很不错的混炼设备。

粉末橡胶混炼已经是可取的方法了，因为丁腈橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶和其他合成材料都可以制成粉末、颗粒状，这样所有配合材料都在粉末掺合机内掺合在一起，然后用密炼机或者开炼机进行最后的混炼，甚至也可以直接喂入压出机，这样不仅明显地节省时间、节省能源，还具有较高的清洁度。

3.8 胶料热炼

供压延或压出用的胶料，通常都采用开炼机对其进行热炼后，再给下道工序使用。不同的胶料，胶料的热炼温度要求也不同。不同胶料的热炼温度要求参见表3。

表3 不同胶种胶料的热炼温度

各胶料须按不同用途分别热炼，不能混用，并保持清洁，不得混入杂质；胶料热炼应均匀，热炼辊距以4～6mm为宜；热炼后胶料应及时供压延或压出使用，存放过久可能会产生自硫，热炼胶料应保持一定胶温；返回胶须再经热炼后才能使用；如采用冷喂料压出工艺，则胶料可不经热炼而直接压出。

混炼后，最好将几批胶料掺合在一起，通常胶料至少要停放24 h。有些加工要求胶料在最后加工前必须对其进行过滤或压延薄通。显然胶料的性能和下一步加工是要考虑的因素。

3.9 压延

供胶管用的胶片或胶布一般都需要经过压延工艺制得，即胶片压延和胶布压延。

3.9.1 胶片压延

在胶管制造中，用以包贴成型的各胶层胶片多采用三辊压延机完成压延。

3.9.1.1 压延温度 不同的胶料，压延温度也不同，其相适应的压延温度可参见表4。

表4 不同胶种胶料的胶片压延温度

3.9.1.2 压延速度和速比 通常，胶片压延的速度快慢应根据胶料的可塑性大小而定，可塑度大的胶片，压延速度可快一些。另外胶片压延时辊筒速比应以等速为宜，采用三辊压延机时，其中、下辊为等速；上、中辊保持一定速比，以利于排除胶料中的气泡，随之向中、下辊间供应均质的胶料。

3.9.1.3 供胶和胶片卷取 压延供胶要少加勤加，保持辊距间定量积胶就好。胶料温度要基本一致，热炼胶也要保持均匀。胶片卷取需用清洁垫布或涂隔离剂均匀卷取，卷取速度应与压延速度一致，同时压延胶片要适当冷却，以防自硫。3.9.2 胶布压延 胶管用的胶布大多采用纤维织物（帆布或帘布）经压延机擦胶或贴胶而成。

3.9.2.1 擦胶

擦胶是利用压延机辊筒转速的不同所产生的剪切力使胶料挤擦到织物的缝隙中，以提高胶料与织物的粘合强度。擦胶通常是在三辊或四辊压延机上进行的（采用四辊压延机的优点是可将织物两面同时进行擦胶，不仅效率快，还减少胶布的压延损伤）。胶管用胶布的擦胶通常有两种方法。一种称为“厚擦”（也称为包擦），即胶料包在中辊上，包胶厚度在2～3mm左右，优点是胶布不易压坏，操作较方便，但胶料的织物渗透性较差；另一种是“薄擦”，即在织物通过中、下辊距时，使胶料全部擦入织物里，此法优点是胶料对织物的渗透程度好，但对织物强度损失较大，现一般多用“厚擦”法。

擦胶需注意以下几点：

（1）擦胶温度 擦胶对各辊筒温度的调配对擦胶工艺及胶布质量有直接影响，因此应当根据各胶料的特性来控制相应辊筒的温度，三辊压延机对不同胶料的擦胶温度参见表5。

表5 不同胶种胶料的擦胶温度

（2）辊筒速比 辊筒速比对擦胶有一定影响。速比太小则擦胶效果不好，速比太大易使织物强力受损，而且操作困难，通常对上、中、下三辊的速比以1:（1.3～1.5）:1为宜。

（3）胶料可塑性 胶料的可塑性大，其流动性也大，易于渗透到织物中去，因此采用厚擦时对胶料的可塑度一般要求在0.5以上。

（4）对织物的要求 织物的含水量过高，会影响胶料与织物的粘合强度，因此在擦胶前必须对织物进行干燥，使含水量降至3%以下，并使织物保持一定的温度。为提高擦胶效果，在干燥前对织物进行刷毛，除去织物中细毛绒、杂质、灰尘，便于胶料渗透到织物中去。对合成纤维及玻璃纤维等织物，可在擦胶前先经浸浆处理或在胶料中配入适量增粘剂，以提高粘合性能。

3.9.2.2 贴胶 在某些胶管产品中，采用贴胶布代替胶层和骨架层，目的是简化成型工艺、提高生产效率，并降低原材料消耗，节约能源，改善胶管柔软性和降低管体质量。织物贴胶一般在三辊或四辊压延机上通过辊筒等速运转实施，需要注意的有以下几点：

（1）热炼胶 贴胶时胶料要求热炼均匀，并应保持一定的塑性和胶料温度；

（2）加料 采取少加、勤加方式，使辊缝间保持一定的积胶；

（3）辊距 贴胶辊距必须要准确控制，以保证贴胶厚度的均匀；

（4）辊筒温度 贴胶时的辊筒温度依不同的胶料而定，可参照表6实施。

表6 不同胶种胶料的贴胶温度

典型的胶管胶料配方——通用液压胶管配方参见表7、8、9。

表7 通用液压胶管内胶胶料配方

表8 通用胶管内胶配方

根据胶管的制造过程，其相应的原材料加工、配合等准备工艺流程列于图1。

表9 通用胶管外胶配方

图1 准备工艺流程图

通用耐油、耐天候胶管配方见表10。

表10 通用耐油耐天候胶管内胶和外胶配方