橡胶塑炼与混炼DOC.docx

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生胶的塑炼工艺

一生胶的塑炼原理1

一．塑炼的定义1

二．塑炼的目的和要求1

三．生胶的增塑方法和原理1

塑炼方法及影响因素4

一．准备工艺4

二．开炼机塑炼工艺4

三．密炼机塑炼工艺5

四．螺杆塑炼机塑炼工艺6

五．塑炼后的补充加工7

常用橡胶的塑炼特性7

一．橡胶塑炼难易的原因7

二．几种常用橡胶的塑炼特性7

混炼工艺9

混炼前的准备9

一．原材料与配合剂的质量检验9

二．配合剂的补充加工9

三．油膏和母炼胶的制造9

四．称量配合9

混炼工艺10

一．混炼胶的结构10

二．开炼机的混炼工艺10

三．密炼机的混炼工艺11

四．混炼胶后胶料的补充加工与处理13

混炼胶的质量检查13

一．胶料的快检13

二．物理机械性能测定13

三．配合剂的分散度检查13

四．胶料硫化特性的检查14

生胶的塑炼工艺

生胶的塑炼原理

一．塑炼的定义

通过机械应力、热、氧或加入某些化学试剂等方式，使橡胶由强韧的高弹性状态转变为柔软的塑性状态的过程。

塑性（可塑性）：

橡胶在发生变形后，不能恢复其原来状态，或者说保持其变形状态的性质。

二．塑炼的目的和要求

1．塑炼的目的

减小弹性，提高可塑性；降低粘度；改善流动性；提高胶料溶解性和成型粘着性。

2．塑炼胶的质量要求

（1）可塑度要适当

应满足加工工艺要求，在此基础上应具有最小的可塑性。

过度塑炼会降低硫化胶的强度、弹性、耐磨性等，而且会增加动力消耗。

塑炼程度：

根据混炼胶工艺性能和制品性能的要求来确定。

如：

供胶、浸胶、刮胶、擦胶和制造海绵等用途的胶料，要求的可塑度较大，生胶的塑炼程度要高些。

供模压用的胶料，则要求可塑性宜小。

一般：

胶管外层胶可塑度：

0.3~0.35；

胶管内层胶：

0.25~0.3；

胎面胶：

0.22~0.24；

胎侧胶0.35左右；

海绵胶0.5~0.6

（2）塑炼均匀

三．生胶的增塑方法和原理

（一）增塑方法

（二）塑炼原理

生胶的分子量与可塑性有着密切的关系。

分子量越小，可塑性就越大。

生胶经过机械塑炼后，分子量降低，粘度下降，可塑性增大。

由此可见，生胶在塑炼过程中，可塑性的提高是通过分子量的降低来实现的。

η0—聚合物熔体的最大粘度；A—特性常数；MW—聚合物的重均分子量

1．机械塑炼过程机理

在低温下：

在机械力作用下首先切断橡胶大分子链生成大分子自由基。

（机械力引发橡胶大分子的断链，氧作为自由基接受体，起着阻断自由基的作用。

）

在高温下：

机械力切断橡胶大分子生成自由基的几率减少。

橡胶大分子在机械力的活化作用下，氧引发橡胶大分子的断链。

（机械力起到应力活化作用，氧作为自由基引发体，引发橡胶大分子的断链。

）

链终止：

橡胶氢过氧化物不稳定，分解生成较小的大分子，连锁反应终止。

2．影响塑炼的因素：

（1）机械力的作用

根据理论分析，机械力对橡胶分子的断链作用，可表示为：

式中ρ—分子链断链的几率；K1、K2—常数；E—分子链的化学键能；F0—作用于分子链上的力；δ—分子链断链时伸长长度；F0δ—分子链断链时消耗的机械功；

低温塑炼要求尽可能地降低辊温和胶温。

（2）氧的作用

实验证明，生胶结合0.03%的氧就能使分子量减少50%；结合0.5%的氧，分子量由10万降到5000。

生胶塑炼时，随着塑炼时间的延长，橡胶质量和丙酮抽出物（其中含有氧化合物）的含量不断增加，可见氧在塑炼过程中与橡胶分子起了某种加成作用，参与了橡胶的化学反应。

（3）温度的作用

存在双重影响：

低温区（<110℃），随着温度升高，塑炼效果下降。

——机械力作用

高温区（>110℃），随着温度升高，塑炼效果提高。

——氧的氧化作用

（4）静电作用

塑炼过程中，胶料受到强烈的摩擦作用产生静电。

静电积累产生放电现象，使空气中的氧活化变为原子态氧和臭氧，加速橡胶分子的氧化断链作用。

（5）化学塑解剂

a．接受型塑解剂（低温塑解剂）：

苯硫酚、五氯硫酚等。

b．引发型塑解剂（高温塑解剂）：

过氧化苯甲酰（BPO）、偶氮二异丁腈（AIBN）等。

c．混合型塑解剂（链转移型塑解剂）：

促进剂M、DM和2，2’-二苯甲酰胺二苯基二硫化物等。

塑炼方法及影响因素

一．准备工艺

切胶

用切胶机将生胶切成小块，每块重量视胶种而异。

二．开炼机塑炼工艺

（一）开炼机塑炼的原理

开炼机的两个辊筒以不同的转速相对回转，胶料放到两辊筒间的上方，在摩擦力的作用下被辊筒带入辊距中。

由于辊筒表面的旋转线速度不同，使胶料通过辊距时的速度不同而受到摩擦剪切作用和挤压作用，胶料反复通过辊距而被塑炼。

（二）开炼机塑炼的工艺方法

薄通塑炼法

辊距在1mm以下，胶料通过辊距后不包辊而直接落到接胶盘，让胶料返回到辊距上方重新通过辊距，这样反复数次。

优点：

胶料散热快，冷却效果较好，塑炼胶可塑度均匀，质量高，能达到任意的塑炼程度。

（三）开炼机塑炼的影响因素

1．装胶容量

装胶容量取决于开炼机的规格，容量大，散热困难，胶温升高，降低塑炼效果；容量过小则降低生产效率。

合理的容量根据经验公式计算：

Q—塑炼容量，L；K—经验系数，取值一般为0.0065~0.0085，L/cm3；D—辊筒直径，cm；L—辊筒工作部分长度，cm

合成橡胶塑炼时生热大，装胶容量应比天然橡胶少。

2．辊距

辊距越小，机械塑炼效果越明显。

薄通时实际使用辊距一般为0.5~1mm。

3．辊速和速比

辊距一定，提高开炼机的辊速或速比会增大胶料的机械剪切作用，从而提高机械塑炼效果。

开炼机的速比一般在1.15~1.27之间。

速比过大，升温加快。

4．辊温

辊温低，塑炼效果好。

辊温过低容易造成设备超负荷而受到损害。

塑炼温度与生胶胶种有关，天然橡胶通常控制前辊温度在45~55℃，后辊温度在40~50℃为宜。

5．塑炼时间

在塑炼过程的最初10~15min，胶料的门尼粘度迅速降低，此后渐趋缓慢。

三．密炼机塑炼工艺

优点：

自动化程度高，生产效率高，节能，劳动强度低；

缺点：

温度高，冷却困难，易过炼，出料为无定形状，需要配备相应的压片机。

（一）密炼机的工作原理

物料从加料斗加入密炼室后，加料门关闭，压料装置的上顶栓降落，对物料加压。

物料在上顶栓压力及摩擦力的作用下，被带入两个具有螺旋棱、有速比的、相对回转的两转子的间隙中，致使物料在由转子与转子，转子与密炼室壁、上顶栓、下顶栓组成的捏炼系统内，受到不断变化和反复进行的剪切、撕拉、搅拌和摩擦的强烈捏炼作用，从而达到塑炼的目的。

物料在密炼室中主要受到几种作用：

1．转子间及转子与混炼室内壁间的作用；

2．转子棱间的搅拌作用；

3．转子轴向的往复切割作用。

（二）密炼机塑炼的工艺方法

密炼机塑炼的工艺方法有一次塑炼法、分段塑炼法和化学增塑塑炼法三种。

（三）影响密炼机塑炼的因素

1．温度

密炼机塑炼属高温塑炼，生胶在密炼机内受高温及剧烈的机械剪切作用，以高温氧化为主，可在短时间内获得所需要的可塑度，一般密炼机的塑炼温度为120℃以上，有的甚至可达到160℃，但温度过高会导致橡胶物理机械性能下降。

一般天然橡胶塑炼时的温度不超过155℃为宜。

采用密炼机塑炼合成橡胶，以免产生凝胶。

温度范围要视胶种具体特性而定。

对于SBR，温度应控制在155℃以下，以免产生凝胶。

使用塑解剂时，塑炼温度可控制在160℃。

2．转速

转速快，塑炼效率高。

转速从25转提高到75转，塑炼时间从30min缩短到10min。

转速的提高必然会加速胶料生热升温，因此必须加强冷却。

3．时间

用密炼机塑炼，胶料的可塑度随塑炼时间的增加而增加。

使用塑解剂进行塑炼时，塑炼效果会提高，塑炼时间可缩短30%~50%。

4．上顶栓压力

上顶栓必须加压，以增加转子对胶料的剪切作用。

压力过小，不能压紧胶料，但压力过大，又会造成设备负荷过大。

上顶栓压力一般为0.5~0.8MPa。

5．装胶容量

各种规格密炼机的装胶容量为密炼室容积的48%~62%。

6．化学塑解剂

密炼机塑炼温度高，采用化学塑解剂增塑法合理有效，不仅能充分地发挥塑解剂的增塑效果，而且在同样条件下会降低排胶温度，提高塑炼胶质量。

四．螺杆塑炼机塑炼工艺

（一）螺杆塑炼机工作原理

在螺杆塑炼机中，生胶一方面受到螺杆的强烈的机械搅拌作用，另一方面，由于生胶受螺杆与机身内壁的摩擦产生大量的热，温度高达150~180℃，从而加速氧化裂解，获得塑炼效果。

优点：

能连续生产，生产能力大，适用于大型轮胎厂。

缺点：

排胶温度高，塑炼胶的热可塑性大，质量不均，排胶不规则。

（二）影响螺杆塑炼机塑炼的因素

1．塑炼温度

若温度偏低，设备负荷偏大，塑炼胶可塑度偏低，且不均匀若温度太高，易使大分子链过度氧化降解而损害胶料质量。

因此，塑炼温度必须控制在适当的范围内。

天然橡胶塑炼温度一般控制在机尾60℃以下，机身80~90℃，机头90~100℃，排胶温度180℃以下。

2．喂料速度

喂料速度要适当而均匀。

速度过快，胶料在机筒内的停留时间短，塑炼不均匀，出现夹生现象。

速度太慢，不仅降低生产效率。

3．排胶孔隙大小

排胶孔隙大小依胶料塑炼程度要求而定。

孔隙小，排胶速度和排胶量减小，胶料可塑度偏大，生产效率降低。

反之，出胶孔隙加大，排胶量大，生产能力提高，但塑炼胶的可塑度偏低且不均匀。

五．塑炼后的补充加工

1．压片或造粒

2．冷却与干燥

3．停放

干燥后的胶片按规定堆放4~8h以上才能恭下道工序使用。

4．质量检验

常用橡胶的塑炼特性

一．橡胶塑炼难易的原因

1．天然橡胶塑炼容易的原因：

（1）大分子中存在甲基和双键的共轭效应，键能降低，易断裂；

（2）分子量大，易断链；

（3）大分子断链后生成的自由基稳定性高；

（4）大分子氧化生成的氢过氧化物分解导致大分子链断裂破坏。

二．几种常用橡胶的塑炼特性

1．NR（天然橡胶）

NR比较容易进行塑炼，品种不同塑炼特性不同。

烟片胶初始门尼粘度较高（一般在95~120之间），必须进行塑炼加工才能获得适当的可塑性。

SMR系列的NR其初始门尼粘度较低（一般在40~75之间），一般不需要塑炼。

NR用开炼机塑炼，通常采用低温（40~50℃），薄通塑炼效果好。

用密炼机塑炼时，温度宜在155℃以下。

NR塑炼时，常加入化学塑解剂来提高塑炼效果。

2．SBR（丁苯橡胶）

软SBR的初始门尼粘度一般在54~64之间，不需进行塑炼。

SBR采用机械塑炼效果不大，比较有效的方法时采用高温塑炼法，以130~140℃温度最好，温度过高易生成凝胶。

3．BR（顺丁橡胶）

BR一般不需要进行塑炼。

4．CR（氯丁橡胶）

CR的初始门尼粘度都较低，一般不需要进行塑炼。

但在储存过程中其可塑性会下降，因此CR仍需经过塑炼加工，才能获得所要求的可塑性。

CR宜采用开炼机进行塑炼，低温薄通塑炼效果最好。

5．IIR（丁基橡胶）

门尼粘度在38~75之间的品种一般不需要塑炼。

IIR采用机械塑炼效果不大，但用密炼机在120℃以上，并且加入塑解剂进行高温塑炼则可取得较好的塑炼效果。

6．NBR（丁腈橡胶）

NBR的塑炼应采用开炼机在低温（40℃以下）、小辊距（1mm左右）、低容量（约为NR容量的1/2~1/3）。

一般不宜用开炼机进行塑炼，NBR很易生成凝胶。

混炼工艺

混炼：

通过适当的加工将配合剂与生胶均匀混合在一起，制成质量均一的混合物的工艺过程。

混炼胶的质量要求：

（1）胶料应具有良好的加工工艺性能；

（2）保证成品具有良好的使用性能。

混炼前的准备

一．原材料与配合剂的质量检验

通常对配合剂检验的内容主要有：

纯度、粒度及分布、机械杂质、灰分及挥发分含量、酸碱度等。

具体依配合剂类型不同而异。

二．配合剂的补充加工

（一）粉碎

块状和粗粒状配合剂必须经过粉碎或磨细处理才能使用。

（二）筛选

粉末状固体软化剂粒度及粒度分布达不到规定标准的，或已经发生配合剂结团及含有机械杂质的必须经过筛选加工，去掉其中的机械杂质、较大颗粒与结团。

三．称量配合

要求称量配合操作做到：

精密、准确、不漏、不错。

称量配合的操作方式有两种：

（1）手工操作；

（2）机械化自动称量配合。

混炼工艺

一．混炼胶的结构

混炼胶是由粒状配合剂（如炭黑、促进剂、填充剂等）分散于生胶中组成的分散体系。

在分散体系中，生胶的分散呈连续状态，称为分散质，粒状配合剂为分散相。

混炼胶不同于一般的胶体分散体系：

（1）橡胶的粘度很高，胶料的热力学不稳定性在一般情况下不太显著；

（2）某些组分（如再生胶、增塑剂等）与橡胶能互容，从而构成了混炼胶的复合分散介质；

（3）粒状配合剂（如炭黑合促进剂等）与橡胶在接触界面上产生了一定的物理和化学结合，这对胶料和硫化胶的性能起着重要的影响。

因此，可以认为混炼胶是一种具有复杂结构特性的胶态分散体。

炭黑与橡胶混炼后形成的补强结构，对胶料和硫化胶的力学性能和流变性能等都有较大的影响。

1．炭黑网络结构

炭黑与橡胶混炼时，形成炭黑—橡胶聚集体，聚集体在剪切力的作用下逐步分散。

当混炼胶中炭黑的用量较高时，炭黑通过链状结构相互连结，构成炭黑网络。

炭黑网络结构的体现：

（a）Payne效应；（b）混炼胶比纯胶具有较高的导电性。

2．吸留橡胶结构

混炼时，形成吸留橡胶。

在混炼过程中，受剪切力的作用，吸留橡胶的一部分或大部分被重新释放出来。

但是，吸留橡胶多少都会部分地保留在炭黑聚集体中，成为混炼胶填料的一部分。

3．炭黑结合橡胶

炭黑结合橡胶对胶料的性能影响很大，可提高硫化胶的模量、耐磨性以及减少滞后生热等。

4．可溶胶

结合橡胶在混炼胶中只占一小部分。

而大部分橡胶未与炭黑结合，称为可溶胶。

这两部分橡胶对混炼胶的物理性能都有贡献。

二．开炼机的混炼工艺

（一）开炼机混炼原理

开炼机混炼过程一般包括包辊、吃粉和翻炼三个阶段。

1．包辊

图1-3橡胶在开炼机中的几种状态

1—橡胶不易进入辊缝；2—紧包前辊；3—脱辊成袋囊状；4—呈粘流包辊

2．吃粉

在胶料包辊，加入配合剂之前，要使辊距上端保留适当的堆积胶，适量的堆积胶是吃粉的必要条件。

3．翻炼

周向：

混炼最均匀；轴向：

不均匀；径向：

均匀性最差

（二）开炼机混炼的影响因素

（1）装胶容量

装胶容量需依据开炼机的规格及胶料配方特性合理确定。

容量过大，使混炼分散效果降低，混炼温度升高，容易产生焦烧现象而影响胶料质量；容量过小会降低生产效率。

式中V—装胶容量，L；D—辊筒直径，cm；L—辊筒长度；

（2）辊距

辊距一般取4~8mm为宜。

辊距减小，剪切效果增大，但生热大。

（3）混炼温度

辊温过低，胶料硬度太大，容易损坏设备。

辊温提高有利于降低胶料的粘度，加快混炼吃粉速度，但温度太高，容易使胶料产生脱辊现象和焦烧现象，难以操作。

辊温一般通过冷却的方法保持在50~60℃之间。

但在混炼含有高熔点配合剂（高熔点古马隆树脂等）的胶料时，需要适当提高辊温；而混炼顺丁胶时，辊温不得超过50℃。

（4）混炼时间

应适当掌握配合剂的混入和分散时间，避免混炼时间过长，否则容易产生过炼现象。

（5）辊速和速比

辊速控制在16~18r/min内。

辊速快，操作不安全且温度控制困难；辊速慢，混炼效率低。

速比一般为1：

1.1~1：

1.2。

生热高的胶料应选择速比在1：

1.15以下的开炼机。

（6）加料顺序

一般的加料原则是：

用量少、难分散的配合剂先加；用量大、易分散的后加；为了防止焦烧，硫黄和超速促进剂一般最后加入。

通常采用的加料顺序如下：

塑炼胶、再生胶、母炼胶→促进剂、活性剂、防老剂→补强、填充剂→液体软化剂→硫黄、超速促进剂

三．密炼机的混炼工艺

优点：

混炼容量大，混炼时间短，效率高；投料、捏炼、加压和排料操作易于机械化、自动化，劳动强度低，操作安全性大，配合剂损失、粉尘飞扬状况得到改善，胶料质量和环境卫生条件好。

缺点：

混炼时温度较高，对温度敏感的胶料易发生焦烧，需要对排胶进行补充加工。

（一）密炼机混炼工艺操作方法

1．一段混炼法

（1）传统一段混炼法

把塑炼胶和各种配合剂逐步分次加入，每次加料后，放下上顶栓，加压程度视具体情况而定。

传统一段混炼法的混炼程序一般为：

橡胶（生胶、塑炼胶、再生胶等）→硬脂酸→促进剂、活性剂、防老剂→补强填充剂→液体软化剂→排胶→压片机加硫黄和超速促进剂→下片→冷却、停放

（2）分段投胶一段混炼法

分批加入生胶，以强化炭黑的分散，达到改善合提高胶料的工艺性能及硫化较的物理机械性能。

具体操作：

投入60%~80%生胶和配合剂（硫化剂和超促进剂除外），在70~120℃混炼温度下，混炼到总混炼时间的70~80%，再把其余生胶并同硫化剂和超促进剂一起投入，再混炼1~2min后，排胶下片。

2．两段混炼

（1）传统两段混炼法

用高速高压密炼机进行第一段的粗混炼，使橡胶与配合剂混炼制成母胶，下片后经停放一段时间后，再送入低速密炼机加硫黄和促进剂进行混炼，再经压片机补充加工胶片。

（2）分段投胶两段混炼法

第一段混炼时，把80%左右的生胶投入进行与传统两段混炼法一样的混炼，制备母胶。

在第二段混炼时将剩余20%左右的生胶投入母胶中混炼，均匀后排胶。

3．逆混（倒混）炼法

先把除硫黄和促进剂以外的所有其它配合剂全部装入密炼机中，然后再投入生胶进行混炼。

优点：

充分利用装料容积，改善分散性，缩短混炼时间。

适用于生胶挺性差和高炭黑合高油量配合胶料的混炼，如BR、EPDM等。

（二）密炼机混炼的影响因素

（1）装胶容量

混炼容量必须适当，通常取密炼室总有效容积的60~70%。

合理的容量或装填系数应根据生胶种类、配方特点，设备特征与磨损程度以及上顶栓压力来确定。

（2）上顶栓压力

上顶栓压力控制在0.3~0.6MPa。

随着容量和转速的提高，上顶栓的压力需适当加大，上顶栓压力提高会加速混炼过程中胶料生热，并增加功率消耗。

（3）转子转速和混炼时间

转子转速快，剪切速率大，混炼时间缩短。

转速增加一倍，混炼周期大约缩短30%~50%。

如20r/min密炼机混炼一车料需要10~12min，改用40r/min密炼机只需要4~5min，如用60~80r/min密炼机，则混炼时间可缩短至1~1.5min。

常用的转速范围在40~60r/min。

延长混炼时间能提高配合剂在胶料中的分散度，但会降低生产效率，混炼时间过长，会使硫化胶的物理机械性能受损。

在保证质量的前提下，尽可能地缩短混炼时间。

（4）混炼温度

混炼温度高有利于生胶的塑性流动和变形，有利于混合吃粉，但不利于配合剂粒子的破碎与分散混合。

混炼温度过高还会加速橡胶的热氧老化，使硫化胶的物理机械性能下降。

温度太低会出现胶料压散现象。

通常用混炼机的排胶温度来表征混炼温度。

一般采用的排胶温度低于130℃。

（5）加料顺序

生胶→活性剂、固体软化剂、防老剂、普通促进剂→炭黑→液体软化剂→硫磺和超速促进剂

分配系数K为生胶与炭黑的最佳混炼时间tc同炭黑母胶与液体软化剂的最佳混炼时间tm之比。

四．混炼胶后胶料的补充加工与处理

1．压片与冷却

压片后立即浸涂隔离剂液进行冷却与隔离，并经进一步吹风干燥，使胶片温度降低到50℃以下。

2．停放与管理

一般需要停放4~8小时以上才能使用。

停放的目的是：

a．使胶料进行松弛，减小收缩；

b．使配合剂继续扩散，促使胶料进一步均匀；

c．使橡胶与炭黑进一步相互作用，生成更多的结合橡胶。

在储存期间注意胶料的通风和散热，以防焦烧。

混炼胶的质量检查

一．胶料的快检

混炼胶质量的传统快检项目有：

可塑度、密度、硬度。

（一）可塑度测定

（二）密度测定

反映：

配合剂少加、多加或漏加；配合剂的分散不均。

（三）硬度

二．物理机械性能测定

常规的物理机械性能检测项目：

拉伸强度、伸长率和硬度等；根据胶料的不同性能要求选择专门性能项目进行测试，如胎面胶测定磨耗性能等。

三．配合剂的分散度检查

目测：

借助10倍放大镜或低倍双目显微镜观测胶料表面，粗略判断胶料的分散程度；

显微镜测定：

利用光学显微镜、电子显微镜来观察胶料切片，能真实地反映混炼胶的分散程度。

四．胶料硫化特性的检查

近年来，广泛采用各种类型的仪器来进行胶料质量的检验，如硫化仪。