王進(jìn)文 (西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院,陜西咸陽712023) 編譯
0 前言
膠料混煉是橡膠制品生產(chǎn)過程中的第一步,也是最重要的一步。傳統(tǒng)的做法是用大規(guī)格密煉機(jī)對膠料進(jìn)行混煉。密煉機(jī)中有混煉室和2個轉(zhuǎn)子。在過去的90年里,密煉機(jī)混煉技術(shù)幾乎未發(fā)生大的變革。自從1914年用密煉機(jī)混煉橡膠獲得專利以來,對混煉技術(shù)的改進(jìn)主要集中在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)子間距的變化上。用密煉機(jī)進(jìn)行間歇式混煉時,按照特定的膠料配方和加料順序,將各種組分投入密煉機(jī)中。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是在膠料配方和加料順序發(fā)生變化時其靈活性很大。不連續(xù)混煉的缺點(diǎn)是各批次混煉膠間的質(zhì)量參差不齊,我們知道的所謂“第一批效應(yīng)”就是一個例子。密煉機(jī)剛起動時混煉室的溫度不高,致使頭一批膠料的混煉質(zhì)量較差。因此,常常要將第一批至第四批膠料報(bào)廢。不連續(xù)混煉的另一個缺點(diǎn)是,由于在密煉機(jī)混煉過程中膠料溫度升高,所以交聯(lián)劑要在另一個混煉步驟中加入,因而大大增加了成本。采用連續(xù)混煉就可將膠料組分穩(wěn)定地計(jì)量加入,且工藝條件恒定不變,因此,可消除膠料批次間的質(zhì)量差異。連續(xù)混煉可用多螺桿擠出機(jī)完成,如雙螺桿擠出機(jī)、行星式螺桿擠出機(jī)或環(huán)形擠出機(jī)。由于多螺桿擠出機(jī)的冷卻能力極強(qiáng),因此對各個加工單元的溫度可以加以控制。該工藝的其他優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、工藝控制簡便,并且,由于減少了粉塵、廢氣和反應(yīng)產(chǎn)物的排放量,從而降低了對環(huán)境的污染程度。在具備所有這些優(yōu)點(diǎn)的同時,填料分散和拉伸強(qiáng)度等膠料質(zhì)量和產(chǎn)品性能也高于或相當(dāng)于不連續(xù)混煉的膠料。
自從白炭黑填充膠料問世以來,這種膠料就成了制造具有低滾動阻力、良好路面防滑性和冬季行駛特性的轎車輪胎的膠料。該膠料的主要原材料是溶聚丁苯橡膠(L-SBR)、順丁橡膠(BR)、高活性白炭黑和作為偶聯(lián)劑的雙官能有機(jī)硅烷(如Si-69)。由于白炭黑表面上有硅醇基團(tuán)存在,粒子間的相互作用很強(qiáng),而且白炭黑和橡膠之間并不相容,所以在膠料中加入了硅烷。硅烷能與白炭黑反應(yīng),從而改善了填料的分散性能,使不相容的白炭黑相和橡膠相由共價(jià)鍵連結(jié)在一起。白炭黑填充膠料一般采用密煉機(jī)至少分三步進(jìn)行混煉,這是一種高能耗、高成本的工藝。密煉機(jī)起化學(xué)反應(yīng)器的作用,反應(yīng)在140°C~150°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,混煉時間3 min~4 min。為了保證達(dá)到所需的溫度,基礎(chǔ)膠料的混煉要分兩步進(jìn)行。在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生乙醇。交聯(lián)劑在第三步混煉時才可加入,最高溫度不能超過120°C。
在固定特異公司的專利[1]中描述了白炭黑填充膠料的連續(xù)混煉方法,其中提出了用單螺桿和雙螺桿及其組合形式連續(xù)混煉的概念。Pirell(皮列里)發(fā)明的膠料連續(xù)混煉系統(tǒng)(CCM)也可用于白炭黑填充膠料的連續(xù)生產(chǎn)。由于混煉時所需的反應(yīng)時間較長,不同階段需采用不同的加工溫度,所以Pirell的連續(xù)混煉系統(tǒng)由兩臺雙螺桿擠出機(jī)和一個過渡貯料倉組成。第一臺擠出機(jī)的工作溫度范圍為150°C~200°C,在該擠出機(jī)中完成反應(yīng)過程。混煉好的基礎(chǔ)膠料造粒后暫時存放在過渡貯料倉中。交聯(lián)劑在第二臺擠出機(jī)上加入,其最高加工溫度為120°C。在固特異和Pirell所描述的連續(xù)生產(chǎn)工藝中,所用的原材料都是顆粒橡膠和散粒狀白炭黑。
1 行星式螺桿擠出機(jī)
行星式螺桿擠出機(jī)現(xiàn)在主要用于涂料、熱塑性塑料及化工產(chǎn)品的混合,用于醫(yī)藥和食品行業(yè)。行星式螺桿擠出機(jī)(圖1)的加工部分主要由中心旋轉(zhuǎn)螺桿、機(jī)筒和沿圓周分布的行星式螺桿組成。中心旋轉(zhuǎn)螺桿和機(jī)筒的溫度可以控制,在溫度可控的加料段加入計(jì)量好的原材料。由中心旋轉(zhuǎn)螺桿驅(qū)動,并將扭矩依次分配給行星式螺桿。行星式螺桿沿帶有45°螺紋的機(jī)筒滾動。由于行星系統(tǒng)采用的是螺旋嚙合方式,膠料可以向外旋出,并在旋轉(zhuǎn)部分的出口處同時排料,這樣就確保了混煉擠出機(jī)具有最佳的自清潔功能。如果采用開放式停止環(huán),除少量殘余膠料外,幾乎所有膠料都從旋轉(zhuǎn)部分旋出,這能帶來諸多便利,例如,可以方便地更換不同顏色的膠料。由于機(jī)筒和中心螺桿機(jī)構(gòu)的壁極薄(圖2),所以對接觸面上的溫度可以進(jìn)行精確控制。再加上高壓水加熱,并改進(jìn)了冷卻通道的結(jié)構(gòu),能精確地控制溫度,從而對熱傳遞產(chǎn)生決定性的影響。因此,該系統(tǒng)愈來愈受到人們的認(rèn)可。
機(jī)筒采用的是模塊結(jié)構(gòu),幾個機(jī)筒用法蘭連接在一起。中心螺桿延伸至整個加工長度,每個模塊可以配置不同數(shù)量的行星螺桿。通過中層擋膠環(huán)將各個機(jī)筒段連接在一起。行星螺桿沿這些擋膠環(huán)旋轉(zhuǎn)。通過改變行星螺桿的配置和擋膠環(huán)直徑,就可以調(diào)節(jié)膠料熔體的留駐時間和升壓。如圖3所示,行星螺桿可具有不同的螺紋結(jié)構(gòu)?？梢韵鄬τ谥行穆輻U的溝槽或分散環(huán)的直徑調(diào)節(jié)自由截面面積(圖4)。
2 研究目的
該項(xiàng)研究的目的是以粒狀橡膠/填料復(fù)合膠料(RFC)為原料,開發(fā)和優(yōu)化由行星式螺桿擠出機(jī)連續(xù)混煉白炭黑填充膠料的工藝。所用的橡膠/填料復(fù)合膠料(RFC)是一種實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品,RFC中含有完全硅烷化的炭黑。研究表明,采用冷卻效率極高的行星式螺桿擠出機(jī)混煉時,可將交聯(lián)劑直接加入擠出機(jī)中,所以,混煉可以一步連續(xù)完成?；鞜掃^程中未超過最高膠料溫度(120°C)。對膠料性能、硫化膠性能及能耗進(jìn)行的比較表明,連續(xù)混煉工藝具有極大的潛力。
3 材料及加工條件
采用兩種E-SBR/白炭黑/硅烷RFC。RFC中還含有4份鋅皂作為混煉過程中的加工助劑。鋅皂能降低膠料的門尼粘度。RFC粒子的粒徑范圍為0.5 mm~1.5 mm(圖5)。RFC的組成及研究用的膠料配方分別示于表1和表2。
RFC對比膠料在帶有嚙合轉(zhuǎn)子的1.5 L實(shí)室密煉機(jī)中混煉,加料順序見表3。
行星式螺桿擠出機(jī)(Entex Rust& Mitschke)的參數(shù)及行星螺桿的配置見表4和表5。圖6示出了加工工藝框圖。
通過重力計(jì)量系統(tǒng)將RFC和其他組分,包括活化劑、防老劑、抗臭氧劑以及交聯(lián)劑加入到行星式螺桿擠出機(jī)中。為了減少計(jì)量設(shè)備,將膠料組分制成了預(yù)混料。預(yù)混料1由RFC1212、ZnO、硬脂酸、6PPD和蠟組成。交聯(lián)劑DPG、CBS和S制成預(yù)混料2。將軟化油加熱到60°C,之后注入介于喂料段和第1個機(jī)筒之間的螺桿機(jī)筒部分。
4 表征
將混煉好的膠料置于雙輥開煉機(jī)上制成4 mm厚的膠片,于165°C下在電熱平板上硫化成2 mm和6 mm厚的試片。生膠性能(門尼粘度)及化膠性能(如拉伸強(qiáng)度)用標(biāo)準(zhǔn)方法測試。用頂部照明顯微分散指數(shù)分析系統(tǒng)(DIAS)分析填料的分散狀況。
5 結(jié)果與討論
由密煉機(jī)混煉的膠料參數(shù)見表6,由表6數(shù)據(jù)可見,單位能耗較高。
在膠料的連續(xù)生產(chǎn)過程中,交聯(lián)劑通常在膠料擠出前不久加入,與用密煉機(jī)不連續(xù)混煉時的方法差不多。在本研究中,交聯(lián)劑及其他所有組分都在喂料段加入。
圖7示出了擠出機(jī)在填充程度恒定的情況下單位能耗和門尼粘度隨產(chǎn)量的變化情況。由圖可見,隨擠出量的增加,單位能耗下降,門尼粘度升高。這是因?yàn)閿D出量增加后,為了將15 kg/h產(chǎn)量的恒定填充度70 L/min調(diào)高到140 L/min,可提高旋轉(zhuǎn)速度。旋轉(zhuǎn)速度提高,膠料的溫度上升,從而降低了膠料粘度和剪切應(yīng)力。圖8示出了各段機(jī)筒處的可調(diào)節(jié)膠料溫度以及出口處膠料溫度隨產(chǎn)量的變化情況。當(dāng)產(chǎn)量為15 kg/h時,測得的出口處的恒定溫度為75°C。如果擠出量提高,膠料溫度會線性升高。在機(jī)筒1和機(jī)筒2處測得的溫度相同。在機(jī)筒3的出口處測得的溫度較低。當(dāng)擠出量為40kg/h時,膠料溫度達(dá)到最高許可溫度(120°C)。
表7中列出了采用間歇式和連續(xù)式方法混煉的白炭黑填充膠料的能耗、交聯(lián)密度(S’max-S’min)及硫化膠性能(如拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和硬度)的比較。與間歇式混煉方法相比,用行星式螺桿擠出機(jī)連續(xù)混煉能耗降低65%,混煉制得的膠料經(jīng)硫化后的性能,如拉伸強(qiáng)度和硬度與間歇法的相同。擠出量僅對填料分散和焦燒時間有輕微影響(圖9)。連續(xù)混煉膠料的性能值與間歇法混煉膠料的相當(dāng)。在整個擠出量范圍內(nèi)焦燒時間和交聯(lián)密度(S’max-S’min)都沒有變化,這證明在喂料段將交聯(lián)劑與其他組分一同加入是可行的,這是因?yàn)樾行锹輻U擠出機(jī)具有很強(qiáng)的冷卻能力。
6 結(jié)論[2]
以粒狀橡膠/填料復(fù)合膠料(RFC)為原料,研究了用行星式螺桿擠出機(jī)連續(xù)混煉白炭黑填充膠料。用一段混煉法混煉了白炭黑填充膠料(所用RFC為E-SBR/白炭黑/硅烷)。由于行星式螺桿擠出機(jī)具有較強(qiáng)的冷卻能力,所以可將交聯(lián)劑在喂料段同其他膠料組分一同加入。膠料無焦燒跡象。膠料性能,如填料分散和交聯(lián)密度(S’max-S’min),硫化膠性能,如拉伸強(qiáng)度和硬度都與用密煉機(jī)混煉的膠料相當(dāng)。連續(xù)混煉法可將能耗降低到原來的1/3。與對比膠料相比,連續(xù)混煉膠料的門尼粘度較高這一問題在進(jìn)一步的研究中將通過優(yōu)化工藝參數(shù),以及采用充油的白炭黑填充RFC來解決。
參考文獻(xiàn):
[1] V. Eswaran,C. Kiehl,F. Magnus.Continuous mixingof silica loaded elastomeric compounds [ P]. US5711904,1998-01-27.
[2] S. Luther,M. Bogun.Continuous mixing of silica filledrubber mixtures with a planetary roller extruder[J].kautschuk Gummi Kunststoffe, 2005, 58 (7-8): 371-375.
