密炼机混炼工艺的回顾与展望

张海，禤文权

(广州华工百川科技有限公司，广东 广州 510640)

密炼机混炼工艺的回顾与展望

Retrospect and prospect of mixer mixing process

张海，禤文权

(广州华工百川科技有限公司，广东 广州 510640)

主要探讨了密炼机混炼工艺的理论，物料在密炼机混炼中属于液体行为，符合黏度的流变规律，可以通过瞬时功率来进行控制。另外，重点对一次法炼胶工艺进行了一些介绍，从工艺发展来看，近期重点是进一步完善低温一次法炼胶工艺，实现智能混炼。

密炼机；混炼工艺；一次法炼胶；智能混炼

密炼机混炼是现代橡胶混炼的最主要方式，它的发展在橡胶工业当中有着举足轻重的作用。密炼机混炼工艺包括了密炼机设备和上下辅机设备系统，以及相应的有关参数，如温度的高低、速度的快慢、设备尺寸的大小、配方操作程序等。经历了几十年的发展，密炼机混炼工艺有了不少新的东西，尤其是在工装设备上有了长足的进步，下面本文对密炼机混炼工艺作一些回顾与展望，希望能为大家提供一点参考。

1 回顾

1.1 密炼机混炼工艺的回顾[1～2]

最初的密炼机生产线，一般是由一台慢速密炼机（20 r/min）配一台开炼机组成，配料、投料人工操作，混炼主要靠人工操作来控制，密炼机混炼完成后将胶料排到开炼机上进行冷却、加硫和补充混炼，整个混炼过程一次完成，这就是所谓的一段混炼法，完成一车胶料大约需要10 min左右，这种方法一般只适用于胶料黏度较低、配方填充量较少的胶料混炼。目前的密炼机生产线，一般是由一组自动称量投料系统、一台高速密炼机配一台挤出压片机或者两台两辊压片机组成，生胶、炭黑、油等配料基本实现了自动称量和投料，混炼过程也实现了电脑软件自动控制，密炼机的转速为40 r/min、45 r/min或者更高转速，容量为270 L、370 L或者更大的容量，完成一车胶料只需要4 min左右的时间。由于密炼机转速、压力和容量的提高，剪切作用增大，胶料温度上升得更快，有的胶料分散质量还未达到要求，温度已升至极限，达到160～170 ℃，所以胶料混炼过程就要分多次（二段、三段甚至四段）来完成，这就是所谓的两段混炼法（多段混炼法），这种方法能适合各种黏度和填充量配方的混炼，相对过去一段混炼法，它提高了混炼效率和胶料质量，但同时能耗也变大。

从近几十年的发展来看，设备容量越来越大了，密炼机转子的转速越来越快了，一车料混炼的时间越来越短了，而排胶温度却越来越高了，总的来看，设备的发展还是从胶料质量、混炼效率和能耗来考虑。

1.2 密炼机混炼工艺理论的回顾[2～3]

如果从工艺理论来说，观察橡胶与各种配方的混炼，判断它的混合行为是属于固体还是液体的混合，这一点对了解混炼工艺很重要，如果是属于固体的混合行为，那就按固体的各种规律来分析，如果是属于液体，那就按液体的规律来分析。从混炼初期来看，橡胶经历了粉碎的过程，还很像是固体的行为，但接着很快就不像了，橡胶与各种配料混合成为了一体（海岛结构），它们的混合谁是事物的主导方面呢？当然是橡胶（海相）的性质，因此整个混炼过程主要是液体的规律，是液体的行为。在液体（橡胶）受力的时候，我们就可以用液体黏度的规律来考察，特别要注意橡胶是非牛顿的液体，它的非牛顿特性在混炼过程中都会充分的表现，因此我们整个混炼过程最好要用黏度来考察与控制。在密炼室中如何用黏度来控制呢？从密炼机流变理论我们知道，密炼室中胶料的黏度与密炼室中的转子转动功率是成正比的，因此要控制胶料黏度，通过控制密炼机功率就可以了。橡胶混炼存在着最佳黏度，要达到最佳黏度就要控制它的温度，物料温度太高则黏度会变小，这不利于物料的剪切分散，所以高温实则不利于胶料的质量，因此通过瞬时功率来控制黏度是比较科学的。在此我要特别指出，功率控制它与能量、时间、温度等参数的控制都是不同的。

1.3 密炼机混炼工艺用到的学科

首先，我想到了物理学中的力学，因为要让橡胶变形、断裂、破坏、混合等，再想到了热学，因为物料在加工过程中会生热，还需要散热。而降温过程用到了冷却水，也就还用到了传热，传热有三种方式，扩散、对流和汽化，混炼过程中都用到了。在密炼室中力的传递还要用到了摩擦，如果磨擦力不够，物料就不会变形而产生打滑，这样不仅达不到希望变形的目的，还对物料产生了不良的效果，所以要根据设备与配方设计适当的填充系数。

其次，密炼机混炼工艺中存在着化学作用，如橡胶分子在混炼中受力变形，长链分子断裂生成化学活性很高的大分子自由基，这样大分子变小了一点，胶料的弹性降低，塑性增加，这样的过程称作塑化，也有人称为“力化学”。大分子断裂生成的自由基，在一定条件下还会产生多种化学反应，如氧化、交联、裂解、加成反应等。天然橡胶在有氧条件下，大分子自由基会被氧终止，但丁苯橡胶的大分子自由基则会与本身反应而终止，所以丁苯橡胶一般不容易塑炼，天然橡胶则可以使用机械的方法塑炼。

2 展望

2.1 低温一次法炼胶工艺[4]

近年来，密炼机混炼技术迎来了新的突破，2011年6月29日，在中国橡胶工业协会轮胎分会举办的强化密炼机下辅机混炼技术研讨会上，三角集团有限公司、软控股份有限公司、益阳橡塑机械集团有限公司、特拓（青岛）轮胎技术有限公司、广州华工百川科技股份有限公司等企业开发的低温一次法炼胶工艺受到轮胎企业的广泛关注，并被重点推广。它的技术特点就是将传统的多段混炼改为一次法炼胶，胶料先经过密炼机高温混炼，然后下辅机使胶料迅速冷却降温，通过开炼机连续低温混炼，完成加硫、补充混炼和压片，最终得到终炼胶。所谓低温混炼是指密炼机排胶以后，胶料在下辅机上的低温混炼，也就是通过强化下辅机混炼来实现一次性完成胶料混炼。

一次法炼胶工艺完成一车胶料的混炼时间大约4～5 min，由于它不需要进行多次混炼，这就大大减少了胶料冷却、压片、停放与升温再次混炼等无用功的消耗，因此它与一段混炼法、多段混炼法相比，大大提高了胶料的混炼效率、降低了胶料混炼的单位能耗，还提高了胶料质量（胶料高温混炼的时间减少）。既然一次法炼胶能够起到提效、节能与提质的作用，为什么到现在才出现呢？这主要是过去受到了设备条件的限制，下辅机无法对胶料进行快速冷却和有效混炼。近年来，一些轮胎企业和设备厂家认识到在现有机械装备进步的条件下，充分发挥密炼机下辅机对胶料补充混炼的作用，可以减少混炼段数甚至一次性完成胶料的混炼，一次法炼胶工艺才得以实现。

一次法炼胶工艺技术的实现，是炼胶工艺的一次重大突破与进步，但目前它的发展才刚起步不久，还存在着一些问题。密炼机一车料的混炼时间控制在4～5 min，而下辅机的炼胶时间大大超出了4～5 min（主要是因为冷却速度不够快），因此为了配合密炼机的混炼速度，目前的做法主要是通过下辅机采用了多台开炼机并联或串联来完成后续的炼胶任务，这不仅使下辅机占地面积增大，还增加了一定能耗和人工成本等。因此，我认为近期的发展应该要尽可能的改善这些问题，进一步完善一次法炼胶工艺技术。这可以通过以下几个方面来进行改善：

（1）提高下辅机的冷却速度，只有这样才能够使胶料更快的达到最佳混炼状态，缩短下辅机的混炼时间。可以选用较大型号的开炼机，开炼机的辊温调节最好是采用钻孔辊温调节的冷却方式，大胆的采用喷雾冷却等方式对胶片进行更有效的冷却。

（2）提高开炼机的线速度，只有速度提高，能耗才能够降低。当然要实施提速必须要解决好开炼机的冷却问题，因为速度提高了胶料的生热速度也会提高，而且开炼机还必须需要实现自动控制，因为速度高了不可能进行人工操作，人工操作不安全。

（3）采用硫磺母炼胶的加硫方式。一方面一般的加硫方式容易出现硫磺飞扬、落盘、不易分散等问题，另一方面开炼机要提速，要实现自动控制，那加硫就不可能人工操作了，所以采用硫磺母炼胶的加硫方式是最好的解决办法，可以使硫磺快速分散均匀，简化加硫过程，缩短混炼时间。

（4）开炼机混炼时应该采用更小的辊距。辊距调小，剪切力增大，有利于胶料的补充混炼和分散，这需要开炼机能够带负荷调距，因为开始时胶料温度比较高，胶料黏度比较小，这时调小辊距起不到很好的作用。随着胶料温度下降，胶料黏度增大，这时需要调小辊距来增加对胶料的剪切力。

2.2 其他方面的一些展望

（1） 从长期来看，混炼设备是为工艺而服务，要考虑工艺上的问题来改进设备，使工艺达到要求。例如，为了降低轮胎的滚动阻力，在高性能子午线轮胎胎面中采用了高填充量的白炭黑。众所周知，白炭黑与橡胶之间缺乏较强的相互作用，为了增强它们之间的相互作用，需要用硅烷偶联剂对白炭黑进行改性。白炭黑与硅烷偶联剂之间的硅烷反应必须要求在一定的温度条件下进行，温度太低，它们起不到反应作用，温度太高，容易引胶料焦烧。所以为了满足配方工艺上的要求，混炼设备必须在温度控制方面做得更好，才能更好的保证胶料的质量。

（2） 智能混炼。目前，在功率控制下密炼机的智能混炼基本上能够实现，我希望在下辅机混炼也能够实现。根据我过去所做的一些工作，建议大家对密炼机下辅机混炼的控制，组合使用温度控制法和瞬时功率控制法来控制。一方面可以保证胶料的加硫温度和混炼温度，另一方面通过瞬时功率与胶料黏度成正比的关系，可以很好地反映出胶料的黏度情况，使混炼过程始终处于最佳状态。另外，我们还可以根据开炼机上所用的参数（如时间、温度、速度、辊距、功率等）进行预测胶料的门尼黏度和分散度，使胶料的质量更有保证。

（3）机械手。在全自动的条件下，应该考虑适当位置上增加机械手来完善混炼操作过程，比如在上辅机，炭黑投料到炭黑罐中很多时候还是人工操作，如果采用机械手会方便很多，当然有些工厂实现了管道输送的那就不需要了。又比如密炼机的生胶称量与运转，也主要是人工进行，如改为机械手，不仅可减轻劳动强度，还可以减少质量事故的发生机率（人工容易用错料）。

（4）完善密炼工艺的环保问题。密炼工艺当中，最主要环保问题就是炭黑的飞扬，尤其是在混炼当中，当上顶栓压下时，虽然很多密炼机都做了密封工作，但还是飞扬很大，如果能够使混炼在负压状态下进行，那么我想飞扬问题应该会得到比较好的解决，这值得我们去思考。

[1] 张海，禤文权，邹明清. 强化密炼机下辅机的剪切分散和混炼作用. 轮胎工业，2011，31（10）：621～623.

[2] 张海，禤文权. 强化密炼机下辅机混炼的理论基础和工艺技术实践思考. 中国橡胶，2011，27（16）：17～21.

[3] 张海 等.密炼机中橡胶混炼的流变理论及应用. 橡胶工业，2001，48（5）：293～299.

[4] 张海. 强化密炼机下辅机混炼技术的进展. 第十二届全国橡胶工业信息发布会暨第四届中日橡胶技术交流会论文集.

TQ330.43

1009-797X(2016)03-0027-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.03.006

张海（1935-），男，教授，1960年毕业于华南工学院（现华南理工大学）橡皮工学专业，毕业后一直留校任教，曾编辑两本教材，发表专业论文40篇以上，主要研究方向为橡胶加工工艺，包括密炼机智能控制及聚氨酯绿色轮胎，共获得发明专利40多项，橡胶学会终身委员，近期从事农产品深加工工作。

2015-06-15