橡胶在密炼机内混炼过程的分析

 

摘要： 通过橡胶混炼过程功率曲线分析、并把流变理论试验应用在混炼过程的两个重要阶段：即加入粉粒状填料之前及其全部混入胶料之后直到排料为止，证明密炼机转子的轴扭矩和密炼室中的物料粘度是成正比的(近似成线性关系)。

 

关键词 密炼机；橡胶混炼过程；流变学

 

混炼是橡胶加工的一个重要过程。混炼工艺是否合理，不仅影响混炼质量效率及能耗，而

且，混炼胶料的质量，还将影响后续加工过程，如压延、挤出和硫化等，更影响半成品的质量，最终，还将影响制品的性能。目前橡胶混炼的主要设备是密炼机，对密炼机混炼工艺的改进，长期以来，主要是凭经验和技艺，自从橡胶混炼过程理论…和密炼流变分析  J的发展，密炼机的混炼理论才进入一个新的阶段，成为人们分析和解决混炼过程诸多问题的有力手段]，但也有人认为，混炼过程十分复杂，上述理论尚无法直接定量应用。本文通过混炼过程的功率曲线，结合橡胶混炼过程理论和密炼流变分析讨论橡胶混炼的基本过程，即橡胶与粉粒状填料的混合过程。并辅以试验进行说明。

 

1： 试验部分

 

橡胶粘度与扭矩关系：

(1)使用PLE一651型Brabender塑化仪进行，转子为三角形，转速90r／min，填充系数0．7。

(2)使用上海轻工模具厂生产的1L实验用密炼机，转速40r／min，填充系数0．6。将橡胶塑炼到不同时间再排胶，记录其扭矩、温度和能量值。将橡胶与填料混炼到不同时间再排胶，记录其扭矩、温度和能量值。此处的橡胶等原材料均为工业品。性能测试，按有关标准测试方法。

 

2： 密炼流变分析

 

从混炼工艺的角度来看，对密炼的流变分析，不管是Bergen、Bolen、Colwell、Funt；还

是FyBep和~y,'BadlbHOB等学者，对密炼机多只考虑转子凸棱峰顶与混炼室壁之间的高剪切区；或补充考虑转子凸棱根部及凸棱前面整个镰刀形的剪切区。有的只考虑拖曳流，或既考虑拖曳流，也考虑压力流。不管是牛顿性流体，还是非牛顿性流体，亦不管是等间隙，还是渐变间隙，其密炼机转子扭矩T或转子轴功率P与混炼室内物料的粘度或切应力r的关系，多

以下式表示(推导过程从略)：

P=rlV L／h0=4徊L／hd                         (1)

P=[2 Q La(口+1)／h (口+1)]×[3(口一1)+(口+1) 口]  (2)

P=2rrZT=2rrRZrS                                (3)

 

式中：V为转子线速度，Z为转子速度，L、h n、h、a、R、S 分别为密炼机几何尺寸有关的参数。也就是说密炼机转子轴功率P或者转子扭矩T均与混炼室内物料粘度成正比。

从混炼工艺的角度来看。胶料与粉粒状填料混合过程，大致可分为粉碎、浸润混入、分散

和单纯混合等四个阶段ll J。而塑化及橡胶分子主链断裂，则贯穿各个阶段。对用密炼机混炼来说。胶料的粘度大小，则决定着混入和分散能否进行及进行速度的快慢。从各个阶段来看，粉碎和粉粒状填料未完全混入胶料前，就很难说密炼机转子轴功率或转子扭矩与物料粘度成正比。这也与密炼过程流变分析时，对物料假设的等温与不可压缩的液体性质相差太远。因此，也不难理解：有人认为密炼机内混炼太复杂，对密炼的流变分析理论不能直接应用；如还考虑到：实际混拣过程中，可能出现的摩擦打滑等因素，混炼过程是很复杂的。也有人认为：胶料是粘弹性体…，在进入高剪切区时，既有剪切变形，也有拉伸变形，在大变形时，拉伸的胶料还会断裂。还有人认为：在有粉粒状填料的条件下，当胶料粒子断裂到一定的 细度时，混炼就完成了，而不必分为四个混炼阶段。可见，各家说法是不一的。

 

 

3： 混炼过程功率曲线

 

橡胶与粉粒状填料的混炼，功率曲线图形见图I，开始投入生胶，上顶栓下压到位，经过一段时间，功率下降较慢了，提起上顶栓，加入粉粒状填料后，再将上顶栓下压到位，这时，功率迅速上升，出现一峰值后，功率曲线先下降很快，到一定时间后，下降又缓慢了，最后，到排胶时，混炼结束。

 

4： 试验设计与结果

 

从图l可以看成两段，开始投入生胶到粉粒状填料投入前为一段，这段密炼室中只有生胶。从投入粉粒状填料到最终排料为另一段，在这一段密炼室中，从有生胶和粉粒状填料两种

到有粉粒状填料、未混生胶及混有粉粒状填料的胶料等三种，最后又全部为已混有粉粒状填料胶料的一种物料。

 

试验设计：

■为生胶通过不同时间塑炼后排料，记录密炼机转子扭矩测定塑炼胶的门尼粘度值。
②为粉粒状填料全部混入生胶后通过不同时间排料，记录密炼机转子扭矩测定}昆炼胶

的门尼粘度值。

其结果见图2和图3。

图2中圆点为lL实验密炼机测定值，“×”为Brabender塑化仪测定值。图3是用lL实

验密炼机，烟片胶与半补强炭黑进行混炼的试验结果。

 

 

5 试验结果分析与讨论

 

从图2和图3的试验结果来看，天然烟片胶和半补强炭黑混炼胶，转子扭矩和胶料门尼粘

度值存在近似的直线关系。如从图1混炼过程功率曲线来看，投入生胶后，功率从第一个峰值

下降，到提起上顶栓以前，和粉粒状填料全部混入后，到提起上顶栓排胶前，密炼机转子的轴扭矩和密炼室中的物料的粘度之间，也应存在近似的正比关系。可见在上述混炼过程的两段范围内，密炼的流变分析理论，基本上是适用的。天然橡胶不是牛顿流体，而是粘弹性流体，在混炼过程中，除有粘性拉伸、压缩和剪切变形外，还在不同阶段存在不同程度的弹性变形，由此。本不应该存在前述的线性关系，如何解释呢?在试验所代表的那两段范围内，粘弹性物料，虽然既具有粘性，也具有弹性，但它们是一对矛盾的两个方面，当粘性是这一对矛盾的主要方面时，它就代表这一物体的主要属性。本试验所代表的的范围内，粘性恰恰是主要方面。 Nakajima认为：在混炼条件下应视橡胶为粘弹性的固体，处于弹性状态。这对常温或稍高温度下的某些合成橡胶来说，可能是适用的。而对天然橡胶，则是不完全适用的。对密炼机有实际工作经验的人来说，在生胶粘度较大，温度较低，投入粉粒状填料较多时，常会遇到胶料分成一定大小的胶团，外层粘有粉粒状填料而又无力混入，这时，密炼机不形成尖峰负荷，如不采取措施，可保持半小时，甚至更长时间，俗称“压散”现象。这种状态，可以认为是较典型的弹性体属性。如应用Palmgrem的橡胶混炼理论，则说明粉粒状填料加入前，胶料的粘度决定着混入与分散能否顺利进行，决定着整个混炼进程。这也说明：当粉碎胶料的力小于其聚集力时，继续进行混炼，对分散是无作用的；还能说明，密炼机负荷变化不明显，是由于胶料粘度过大，粉粒状填料无力混入的结果。 到此，可以认为：在整个混炼过程的两个主要阶段，密炼流变学分析理论的主要论断，即密炼机转子的轴扭矩和密炼室中的物料的粘度基本上成正比的关系是可以应用的。再结合Palmgrem的橡胶混炼理论和混炼过程的功率曲线，就使得密炼机混炼橡胶的过程有了明确的理论解释。