胶料混炼工艺及注意事项

（一）混炼的目的及原理

为了提高橡胶制品使用性能，改进橡胶加工性能和降低成本，要在生胶中加入各种配合剂。欲使各种配合剂完全均匀地分散于生胶中很难，必须借助于强烈的机械作用迫使配合剂分散。将各种配合剂混入生胶中，制成质量均匀的混炼胶的工艺过程称为混炼。

混炼是橡胶加工过程中最易影响质量的工序之一。混炼不良，胶料会出现配合剂分散不均，胶料可塑度过低或过高、焦烧、喷霜等现象，使后续工序难以正常进行，并导致成品性能下降。

混炼过程实际上是各类配合剂在生胶中分散的过程。这一过程依赖生胶与配合剂之间的润湿能力和外加的机械作用。前者由配合剂的表面张力、极性、粒子形状、大小等因素决定；后者则是混炼工艺过程提供的。在粒状配合剂与生胶的混炼过程中，以炭黑为例，经过了炭黑粒子被生胶润湿、混合、分散等过程。混炼初期生胶润湿炭黑，渗入炭黑聚集体的空隙中，形成炭黑浓度很高的炭黑-生胶团块，分布在不含炭黑的生胶介质中。当炭黑所有空隙都充满生胶时，可看作炭黑已被混合，但尚未分散。依靠随后的机械作用，这些炭黑-生胶团块在很大的剪切力下被搓开，逐渐变小，直至达到充分分散。

混炼时，胶料中所使用的生胶及配合剂都应达到所要求的技术指标。例如，塑炼胶需具有均匀一定的可塑度，固体及粉状配合剂必须具有一定的粒子大小、均匀程度及纯度等。对技术性能不符合要求的必须先进行补充加工，使之符合要求后才能投入使用，如固体配合剂的粉碎、干燥和筛选，含水超标的液体配合剂的蒸发脱水等。为了使配合剂易于分散于胶料中，防止结团，减少粉状配合剂在混炼过程中的飞扬，常在混炼前将某些配合剂以较大剂量预先与生胶进行简单的混合，制成母炼胶，然后再进行混炼。

（二）混炼工艺

混炼分间隙式和连续式两种方法，开炼机和密炼机均属于间隙式混炼。混炼工艺的发展方向是高速和连续化。

1.开炼机混炼开炼机混炼是橡胶工业中最古老的混炼方法之一，虽然生产效率低，劳动强度大，但灵活性强，交换品种方便。

开炼机混炼可分为包辊、吃粉和翻炼三个阶段。先将生胶、塑炼胶、并用胶等投入开炼机的两辊缝隙中，辊距控制在3～4mm，经辊压3～4min后，一般便能均匀连续地包于前辊，形成光滑无隙的包辊胶（图11-10）。然后，将胶全部取下，辊距调宽至10～11mm，再把胶投入轧炼1min左右。根据包辊胶的多少割下部分余胶，使包辊胶的上端保持一定的堆积胶，然后按顺序添加各种配合剂。开炼机混炼时，橡胶在两辊筒间的堆积对混炼过程的进行起着重要的作用，而单靠辊筒间产生的剪切力对胶料的摩擦挤压作用，不会使配合剂混入整个胶层。吃粉时，当胶料进入堆积胶的上层时，由于受到阻力而拥挤，折叠起来形成波纹及打折现象。配合剂便进入波纹部分被卷入辊距并被混入橡胶中，但粉料（配合剂）不能达到包辊胶的全部纵深，因此混炼时要进行割刀操作，将辊筒表面因剪切作用小产生的呆滞胶层割下，使胶片折叠翻转，改变胶料受力方向，最终达到均匀混合的目的。

图11-10　胶料正常包辊状态

用开炼机混炼应注意以下几个工艺因素：

（1）辊筒的转速和速比：转速一般控制在16～18r/min，过小时混炼效果低，过大则操作不安全。混炼适宜的速比为1：（1.1～1.2），速比过小起不到有效的剪切作用，将不利于配合剂的分散；速比过大则由于橡胶分子间摩擦增大，生热加快，易于焦烧。

（2）混炼温度：提高混炼温度有利于胶料的塑性流动及其对配合剂表面的湿润，加速吃粉过程，但温度过高胶料容易发生脱辊和焦烧现象，不同温度下胶料在辊筒上的包辊状态见表11-3，故开炼机混炼时应保持辊温在Ⅱ区的范围。不同生胶，其包辊性能好的Ⅱ区温度范围不同，如顺丁橡胶混炼时辊温不宜超过50℃，有些合成橡胶还更低些，在40℃左右。

表11-3　不同温度下胶料在辊筒上的包辊状态

（3）混炼时间：混炼时间依辊筒转速、容量及配方而定。在保证混炼均匀的前提下，可适当缩短混炼时间，以提高生产效率。天然橡胶混炼时间一般在20～30min，合成橡胶混炼时间稍长。

（4）加料顺序，加料顺序是影响开炼机质量的一个重要因素。加料顺序不当会导致分散不均匀、脱辊、过炼、焦烧等不良后果。加料顺序应根据配合剂的特性及用量多少来考虑。一般配合剂量少，难分散的宜先加，固体配合剂先加，硫黄和促进剂分开加。用开炼机混炼，常用的加料顺序为：

生胶（塑炼胶、并用胶等）→固体软化剂→促进剂、活性剂、防老剂→补强、填充剂→液体软化剂→硫黄→促进剂

2.密炼机混炼密炼机的基本构造如图11-11所示。密炼机的工作部分为密炼室，由机体的腔壁，两个转子和上下顶栓组成。下顶栓在密炼室下方，炼胶时将密炼室的下面关闭，排胶时下顶栓才启开。室内的两个转子以不同速度相对回转；转子是空心的，可以通蒸汽或冷却水调节温度；转子表面有特殊的突棱以增加对橡胶的充分捏炼，其断面呈椭圆形。转子的转速比开炼机辊筒转速高，在转子每一个断面，其表面各点与转子轴心距离不等，产生不同的线速度，转子之间速比按两转子表面到中心线的线速度之比计算，在1：（0.91～1.47）范围；两转子表面间缝隙在4～166mm间变化，转子棱峰与室壁间隙在2～83mm间变化，使物料无法随转子表面等速旋转，而是随时变换速度和方向，从间隙小的地方向间隙大的地方湍流；在转子凸棱作用下，物料同时沿转子螺槽作轴向运动，从转子两端向中间捣翻，受到充分混合。在凸棱峰顶与室壁间隙处剪切作用最大。

图11-11　密炼机的基本构造

1-风筒　2-加料斗　3-密炼室　4-转子　5-气缸　6-底座　7-下顶栓　8-上顶栓

采用密炼机混炼时，先是提起上顶栓，从装料口加入胶料与配合剂，经上顶栓加压，压入密炼室中，胶料被带入转子突棱和室壁间的间隙中，由于两转子速度差所产生的剪切力将帮助配合剂混入橡胶中，而且转子突棱上各点至轴心的距离不等造成的不等线速度和剪切力又使配合剂与胶料进一步混合。此外，由于转子突棱呈不同角度的螺纹状，故胶料不仅随转子做圆周运动，而且还有轴向运动，使胶料得以从转子两端向转子中部翻滚，代替了开炼机的人工翻胶，最终使配合剂与生胶得到充分的混合。

密炼机混炼的操作方法可分为一段混炼法和分段混炼法。

（1）一段混炼法：一段混炼法是指混炼操作在密炼机中一次完成，胶料无须中间压片和停放。其优点是胶料管理方便，节省车间停放面积；但混炼胶的可塑度较低，混炼周期较长，容易出现焦烧现象，填料不易分散均匀。一段混炼法又分为传统法和分段投胶法两种混炼方式。

①传统一段混炼法。按照通常的加料顺序采用分批逐步加料，每次加料后要放下上顶栓加压或浮动混炼一定时间，然后再提起上顶栓投加下一批物料。通常的加料顺序为：(www.xing528.com)

生胶、塑炼胶、并用生胶和再生胶→固体软化剂（硬脂酸）→防老剂、促进剂、氧化锌→补强填充剂→液体软化剂→硫黄（或排料至开炼机加硫）

为控制混炼温度不至过分升高，一段混炼通常采用慢速密炼机，其炼胶周期约需10～12min，高填充配方需要14～16min。慢速密炼机一段混炼排胶温度控制在130℃以下，通常排料至开炼机压片加硫黄。

②分段投胶一段混炼法（又称母胶法）。具体操作分为以下两种方法：第一种是混炼开始时，先向密炼机中投入60%～80%的生胶和所有配合剂（硫黄除外），在70～120℃下混炼至总混炼时间的70%～80%，制成母胶，然后再投入其余生胶和硫化剂，混炼约1～2min排料，然后压片、冷却、停放，混炼操作结束。第二次投入的生胶温度低，可使机内胶料温度暂时降低15～20℃，可提高填料的机械剪切分散混合效果，避免发生焦烧，能在混入热胶料的同时使部分炭黑从母胶中迁移至后加入的生胶中，这样密炼室装填系数可提高15%～30%，从而提高混炼生产效率和硫化胶性能。

（2）分段混炼法：分段混炼法是将胶料的混炼过程分为几个阶段完成，在两个操作阶段之间胶料要经过出片、冷却和停放；主要是两段混炼法，也有分三段和四段混炼的。

对于多数合成胶配方和子午线轮胎的胎面胶胶料因高补强性炭黑配用量较大，胶料硬度较大，混炼生热量多，升温快，一段混炼法不能满足胶料的混炼质量和性能要求，必须采用分段法，通常分两段混炼法混炼。

第一段混炼采用快速密炼机（40r/min、60r/min或更高），将生胶与炭黑、其他配合剂混合制成母胶，故又称为母炼。经出片、冷却和停放一定时间之后，再投入中速或慢速密炼机进行第二段混炼，此时加入硫黄和促进剂，并排料至开炼机补充混炼和出片，最后完成配方全部组分的混炼，故又称第二段混炼为终炼。

另外一种是分段投胶两段混炼法，母炼时，在70%～80%的总混炼时间内，将80%左右的生胶和全部配合剂按常规方法混炼制成高炭黑含量的母炼胶，经出片、冷却和停放后，再投入密炼机进行第二段混炼，在60～120℃下将其余20%左右的生胶加入母胶中混炼，使高浓度炭黑母胶迅速“稀释”分散1～2 min，混炼均匀后排料。用以上两种分段混炼法制备的胶料性能比较见表11-4。

表11-4　两种分段混炼法制备的硫化胶性能比较

对于一些胶料品种繁多，或配方中有增黏剂等在胶料中混合分散困难的配方，工艺上还可采用三段或四段混炼法。

密炼机混炼的主要工艺条件和影响因素如下：

（1）混炼容量：混炼容量就是每一次混炼时的胶料容积。容量过小会降低机械的剪切和捏炼效果，甚至会出现胶料在密炼室内滑动和转子空转现象，导致混炼效果不良；容量过大胶料没有充分的翻动回转空间，会破坏转子凸棱后面胶料形成紊流的条件，并会使上顶栓位置不当，造成部分胶料在加料口颈部发生滞留，以上都会导致混炼均匀度下降，且易使设备超负荷。适宜的容量通常取密炼室有效容积的75%（即密炼室的装填系数为0.70～0.80）。

（2）加料顺序：混炼时，胶料配方中的各种组分投加的先后次序不仅影响混炼质量，而且关系到混炼操作是否顺利。通常是先将作为混炼胶母体的各种生胶混炼均匀，表面活性剂、固体软化剂和小料（防老剂、活性剂、促进剂）应在填料之前投加，液体软化剂则放在填料之后投加，硫黄和促进剂最后投加。对温度敏感性大的应降温后投加。其中生胶、炭黑、液体软化剂三者的投加顺序和时间特别重要。一般是先加生胶再加炭黑，混炼至炭黑基本分散以后，再投加液体软化剂，这样有利于配合剂分散，液体软化剂加入时间过早会降低胶料黏度和机械剪切效果，使配合剂分散不均匀；但若投加过晚，如等炭黑完全分散以后再加，液体软化剂会附于金属表面，使物料滑动，降低机械剪切效果。

（3）上顶栓压力：上顶栓的作用主要是将胶料限制在密炼室内的主要工作区，并对其造成局部的压力作用，防止在金属表面滑动而降低混炼效果，并限制胶料进入加料口颈部而发生滞留，造成混炼不均匀；混炼结束时，上顶栓基本保持在底线处，只有当转子推移的大块胶料从上顶栓下面通过时才偶尔抬起，瞬时显示出压力的作用，这时上顶栓只起到捣捶的作用。当转速和容量提高时，上顶栓压力应随之提高，混炼过程中胶料的生热升温速度也会加快。对钢丝帘布胶类硬胶料混炼，上顶栓压力不要低于0.55MPa。混炼过程中若上顶栓没有明显的上下浮动，这可能是上顶栓压力过大或是胶料容量过小；如果上顶栓上下浮动的距离过大，浮动次数过于频繁，这说明上顶栓压力不足。正常情况下，上顶栓应该能够上下浮动，浮动距离以50mm为佳。

一般情况下，低速密炼机压力在0.5～0.6MPa，中、高速密炼机可达0.6～0.8MPa，最高达到1.0MPa。

（4）混炼温度：密炼机混炼时胶料的温度难以准确测定，但与排胶温度相关性甚好，故用排胶温度表征混炼温度，具有可比性。因机械摩擦剪切作用剧烈，生热升温速度快，密炼室密闭散热条件差，胶料的导热性不好，故胶料温度比开炼机混炼时高得多。

混炼温度高有利于生胶的塑性流动和对配合剂粒子表面的湿润、吃粉，但不利于配合剂的剪切、破碎与分散混合。另外温度过高易使胶料产生焦烧和过炼现象，降低混炼胶质量，故密炼机混炼过程中必须严格控制排胶温度在限定值以下；但温度过低又不利于混合吃粉，还会出现胶料压散现象，使混炼操作困难。密炼机一段混炼法和分段混炼法的终炼排胶温度范围在100～130℃，投加不溶性硫黄时的排胶温度控制在90～95℃；分段混炼的第一段混炼（母炼）排胶温度在145～155℃。随着密炼机转速、容量和上顶栓压力的加大，必须进行有效的冷却，才能严格控制排料温度。新的冷却方法是采用40～50℃的常温循环水冷却，不仅混炼周期短，也节省能耗。

（5）转速：提高转子速度是强化密炼机混炼过程的最有效的措施之一。在转子凸棱顶面与密炼室内表面间隙处是对物料最主要的剪切区，该处的胶料受到的机械剪切变形速度最大，转速增加一倍，混炼周期大约缩短30%～50%，对于制造软质胶料效果更显著。转速高，胶料的生热大升温较快，会降低胶料黏度和机械剪切效果，为适应工艺的要求，可选用双速、多速或变速密炼机混炼，以便根据胶料配方特性和混炼工艺的要求随时变换速度，求得混炼速度和分散效果之间的适当平衡。例如，变速密炼机一段直混法的混炼周期可分为以下几个操作阶段：

①0～70s，以7.4m/s的旋转线速度进行塑炼，然后降低到4～6m/s；

②70s时投加炭黑及其他填料混炼；

②110s时投加硫黄，速度减至3.6m/s；

④240s时排料，转速恢复到7.4m/s。变速密炼机直混过程中的温度变化曲线如图11-13所示。

图11-13　变速密炼机直混过程中的温度变化曲线

（6）混炼时间：密炼机对胶料的机械剪切和搅混作用比开炼机剧烈得多；同样条件下完成混炼过程所需的时间短得多，并且随密炼机转速和上顶栓压力增大而缩短。对一定的配方的胶料，混炼方法、工艺条件和质量要求一定时，所需的混炼时间也基本一定，具体通过试验确定。混炼时间过短，配合剂分散不均匀，胶料可塑度不均匀；时间过长，有的会产生过炼现象，且会降低混炼胶质量。在保证胶料质量的前提下，适当缩短混炼时间，有利于提高生产效率和节约能源。