橡胶基本加工工艺

橡胶基本加工工艺吴明生(青岛科技大学，高分子科学与工程学院)CollegeofPolymerScienceandEngineeringTel:0532-84022730Email:wumshqust.edu主要内容•第一章炼胶工艺•第二章压延工艺•第三章挤出工艺•第四章硫化工艺第一章炼胶工艺•第一节概述•第二节炼胶准备工艺•第三节炼胶工艺及理论•第四节混炼胶的质量检验第一节概述一、炼胶的内容及要求1、内容塑炼：使生胶有强韧的高弹状态转变为柔软而富有可塑性状态的加工工艺过程。混炼：将生胶与配合剂混合均匀，制备符合性能要求的混炼胶的工艺过程。2、要求①可塑度大小合适且均匀；②配合剂分散均匀并达一定分散度；③混炼胶的性能要符合要求；④时间短，能耗低。二、炼胶设备1、开炼机工作原理示意图：速比：f=V1/V2剪切速率：γ＝V2(f－1）/e四楼三楼二楼一楼炭黑斗炭黑秤密炼机流片机微机室双管气体输送油管路胶料秤油秤冷却小料秤密炼机炼胶工艺流程示意图2、密炼机组炭黑贮仓（1）上辅机上辅机炭黑自动称量与输送系统油料自动称量与输送系统小料自动称量系统胶料称量系统炭黑自动称量与输送系统（示意图）炭黑自动称量系统油料自动称量与输送系统通密炼机小料自动称量系统（投料口）小料自动称量系统胶料称量系统（2）密炼机GK400型密炼机二棱转子四棱转子密炼机控制中心（3）下辅机流片机（开炼机）胶料输送装置流片机（螺杆挤出机）冷却装置冷却槽（水冷）风冷叠放第二节炼胶准备工艺炼胶准备工艺生胶的塑炼原材料的质量检验原材料的补充加工油膏和母炼胶的制备称量配合一、生胶的塑炼1、塑炼的目的与要求塑炼是指通过机械应力、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。目的：(1)减小弹性，提高可塑性；(2)降低粘度；(3)改善流动性；(4)提高胶料溶解性和成型粘着性。要求：（1）可塑度要适当（2）塑炼均匀2、塑炼机理（1）橡胶增塑方法增塑方法物理增塑法机械增塑法化学增塑法开炼机塑炼螺杆塑炼机塑炼密炼机塑炼（2）塑炼机理理论依据：ηa=A*Mw3.4①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，使分子链断裂和变形，断裂的分子链由氧气终止活性稳定在断裂的状态，胶料反复通过辊距，平均分子量减小，胶料的黏度降低，流动性变好而被塑炼。机械力作用：使橡胶分子链断裂氧气作用：使分子链稳定在断裂的状态一般不加塑解剂。②密炼机塑炼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，使胶料温度升高，发生热氧化断链，使胶料的平均分子量减小，从而达到塑炼的目的。机械力作用：初期起剪切、摩擦，使胶料升温作用后期起搅拌，增加与氧接触面积作用氧气作用：既是大分子自由基引发剂，又是大分子自由基终止剂塑解剂作用：同氧气，增塑效果好，一般均加入。③螺杆机塑炼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。（3）影响因素①机械力：机械力增大，塑炼效果变好。②氧气：氧气是最好的塑解剂，分子链上结合0.3％的氧，可使橡胶分子量由10万降到5千。③温度：低温区（110℃），随着温度升高，塑炼效果下降；高温区（110℃），随着温度升高，塑炼效果提高。④静电的作用：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化学塑解剂终止型（低温塑解剂）：苯硫酚、五氯硫酚。引发型（高温塑解剂）：过氧化苯甲酰（BPO）、偶氮二异丁腈（AIBN）等。混合型（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。3、塑炼准备工艺（1）烘胶NR一般在50~60℃，时间为24~36h，冬季加热时间为36~72h。CR一般在24~40℃，时间为4~6h。烘胶在烘胶房中进行，温度不宜过高，否则会影响橡胶的物理机械性能。要均匀。（2）切胶用切胶机将生胶切成小块，每块重量视胶种而异,NR每块10~20kg，CR每块不超过10kg。（3）破胶橡胶块需用破胶机破胶，以便塑炼。4、塑炼工艺方法（1）开炼机塑炼的工艺方法①包辊塑炼法（胶片包辊，反复过辊塑炼）优点：劳动强度低。缺点：散热慢，效率低，最终可塑度较低。a.一段塑炼b.分段塑炼：先包辊塑炼一定时间，然后下片，冷却4～8小时，再进行第二次塑炼，提高真可塑度。②薄通塑炼法（辊距在1mm以下，胶料不包辊）优点：散热快，冷却效果好，塑炼效果好，可塑度均匀，能达到任意可塑度；缺点：劳动强度大，生产效率低。③爬高法又称循环法，用一输送带将塑炼过的胶料输送过一段距离后返回到开炼机上，综合了包辊塑炼和薄通塑炼的优点。（2）密炼机塑炼工艺方法工艺方法一次塑炼法分段塑炼法化学增塑塑炼法时间长，效率低，胶料的可塑度低，可塑度不均匀。效率高，可塑度高，均匀性好，但管理不方便效率最高，可塑度高，时间短，但均匀性欠佳。5、塑炼补充工艺（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)质量检验二、原材料的质量检验1、生胶的检验元素组成、杂质含量、门尼黏度、挥发份含量、含水率等。2、配合剂的检验固体配合剂的粒度、纯度、酸碱度、吸油值、金属离子含量、熔点、分解温度、挥发份含量等；液体配合剂的苯胺点、倾点、闪点、沸点、含水率、挥发份含量等。三、配合剂的补充加工粉碎、筛选、干燥、母胶和油膏的制备等。四、称量配合手工称量、全自动称量第三节、炼胶工艺及理论一、炼胶理论1、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多分散体系。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。分散相尺寸、分布均匀性及连续相的平均分子量和分布构成混炼胶的微观结构，进而决定硫化胶的性能。混炼胶的微观结构受配方、加工工艺强烈影响，配方不同，加工工艺不同，混炼胶的结构不同，硫化胶的性能也不同。提高配合剂分散性，保持较高的平均分子量是提高硫化胶力学性能的两个主要措施。2、炭黑橡胶混炼过程a－加入配合剂，落下上顶栓；b－上顶栓稳定c－功率最低值d－功率二次峰值e－排料f—过炼及温度平坦混炼时的容积、功率、温度变化曲线混炼过程：（1）湿润（2）分散（3）捏炼混炼时间/min3、混炼机理（1）吃粉开炼机吃粉：返回胶与堆积胶拥挤产生狭缝，配合剂进入狭缝，被胶料包围。过程慢，时间长。密炼机吃粉：返回胶与上顶栓的包围。过程快，时间短。（2）分散必要条件：①有速比②有流道变化分散过程：胶料和配合剂团块破碎胶料弹性收缩简单混合配合剂分散配合剂小团块与橡胶混合（3）分散均匀开炼机采用翻炼、薄通打三角包；密炼机利用转子突棱的混合作用。4、结合橡胶的作用结合橡胶的生成有利于混炼过程中炭黑附聚体的破碎和均匀分散，防止已分散炭黑的再聚结，保持稳定。在炭黑橡胶团块破碎之前生成过多的结合橡胶，不利于炭黑团块的破碎，分散性变差；混炼后期生成更多的结合橡胶，有利于提高橡胶的强度。5、表面活性剂的作用（1）提高橡胶在固体配合剂表面的湿润性，提高分散效果；（2）使配合剂稳定的分散在胶料中，防止配合剂重新聚结。如防止炭黑、氧化锌的聚结。二、混炼工艺（一）开炼机混炼工艺1、工艺过程（1）包辊影响因素：生胶的性质（格林强度、断裂拉伸比、最大松弛时间等）辊筒的温度：破碎不包辊包辊脱辊粘辊剪切速率：增大能改善包辊擤（2）吃粉影响因素：胶料的黏度(低易吃粉）辊筒温度（高易吃粉）配合剂粒径和结构性（粒径大，结构性低易吃粉）堆积胶的量（合适易吃粉）加料方式（摆动加料易吃粉）（3）翻炼（捣胶）切割翻炼薄通，打三角包2、加料顺序（1）加料顺序遵循的一般原则：a.用量少，作用的先加；b.在胶料中难分散的先加；c.临界温度低，化学活性大，对温度敏感的应在混炼降温后加；d.硫黄与促进剂分开加；e.软化剂与补强填充剂分开加。（2)特殊情况：硬质胶（硫黄30～50份）先加硫黄后加促进剂；海绵胶：软化剂用量多，先加一部分，或放在最后加；内胎胶：滤胶后再加硫黄。（3）一般加料顺序：生胶或塑炼胶固体软化剂促进剂、活性剂、防老剂、防焦剂补强填充剂液体软化剂硫黄超速促进剂3、开炼机混炼特点（1）优点混炼胶质量好，配合剂分散性好；变换配方容易，易清洗；适合特种橡胶或特种配合时炼胶（2）缺点质量波动大，过程难控制；混炼时间长，效率低；劳动强度大，操作不安全；配合剂易飞扬，造成质量损失，污染环境（二）密炼机混炼工艺1、工艺过程（1）吃粉（2）分散（3）捏炼2、工艺方法（1）一段混炼法：适用：粘度低、填充量少、生热低的胶料，如以NR为主的胶料。优点：胶料管理方便，节省停放面积。缺点：可塑度低，不易分散均匀，混炼周期长，易焦烧和过炼。具体方法：传统一段混炼法：按顺序加料。采用慢速或变速密炼分段投胶一段混炼法：分批投加生胶。（2）分段混炼法两段混炼法：传统两段混炼法：快速母炼，再慢速终炼，排胶加硫黄分段投胶两段混炼法：快速母炼(80%)，慢速终炼(20%)，排胶加硫黄。三段混炼：一段快速母炼，二段慢速，三段慢速终炼加硫四段混炼：一段快速母炼，二、三段慢速，四段慢速终炼加硫（3）逆混（倒混）炼法:先把除硫黄、促进剂之外的配合剂全部加入密炼机，再加生胶。适用于生胶挺性差的BR、EPR、IIR和高炭黑、高油配合的胶料。3、过程控制控制方法：（1）时间控制法：胶料性能最佳的混炼时间为标准，计时排胶；（2）温度控制法：胶料性能最佳的排胶温度为标准，测温排胶；（3）混炼效应控制法：综合时间、温度，确定最佳混炼效应；（4）能量控制法：测转子所消耗的功，由功率积分仪测转子瞬时功率；（5）智能控制法：由PLC单片机自动控制排胶过程。4、密炼机混炼的特点（1）优点效率高，质量波动小；自动化程度高，劳动强度低，操作安全；配合剂飞扬损失小，环境无言轻；适合大规模生产。（2）缺点胶料的质量差，配合剂分散性差；变换配方不方便，清洗机台困难；第四节混炼胶的质量检验一、混炼胶快检内容：（1）外观：目测，表面光洁程度、断面有无气孔（2）可塑度反映胶料的流动性。具体方法有：威廉氏法、华莱氏法、德弗法，门尼粘度法、毛细管流变仪法等。（3）密度测定反映：配合剂少加、多加或漏加；配合剂的分散均匀性。（4）硬度测定反映配合剂的分散均匀性。（5）硫化特性用硫化仪高温下快速检测硫化特性。二、常规的物理机械性能检测拉伸强度、撕裂强度、定伸应力、伸长率、永久变形和硬度等；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1.目测（ASTMA法、定性检验法）借助10倍放大镜或低倍双目显微镜观测胶料表面，与标准战片对照，粗略判断胶料中炭黑的分散度等级（1～5级）；2.显微镜测定（ASTMB法、定量检验法）利用灯光显微镜、电子显微镜来观察胶料切片，计算胶料中炭黑分散度，能真实地反映混炼胶的分散程度。3、专用仪器法炭黑分散度仪：利用光学原理，直观观察炭黑分散状况；表面粗糙度仪：用探针扫描断面，统计峰的数目与平均峰高，计算分散度。4、密度法测不同部位胶料的密度。5、硬度法测不同部位胶料的硬度。