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生膠的塑煉工藝
11.1 生膠的塑煉原理 一．塑煉的定義通過(guò)機(jī)械應(yīng)力、熱、氧或加入某些化學(xué)試劑等方式，使橡膠由強(qiáng)韌的高彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳浀乃苄誀顟B(tài)的過(guò)程。塑性（可塑性）：橡膠在發(fā)生變形后，不能恢復(fù)其原來(lái)狀態(tài)，或者說(shuō)保持其變形狀態(tài)的性質(zhì)。二．塑煉的目的和要求1．塑煉的目的減小彈性，提高可塑性；降低粘度；改善流動(dòng)性；提高膠料溶解性和成型粘著性。2．塑煉膠的質(zhì)量要求（1）可塑度要適當(dāng)應(yīng)滿足加工工藝要求，在此基礎(chǔ)上應(yīng)具有最小的可塑性。過(guò)度塑煉會(huì)降低硫化膠的強(qiáng)度、彈性、耐磨性等，而且會(huì)增加動(dòng)力消耗。塑煉程度：根據(jù)混煉膠工藝性能和制品性能的要求來(lái)確定。如：供膠、浸膠、刮膠、擦膠和制造海綿等用途的膠料，要求的可塑度較大，生膠的塑煉程度要高些。供模壓用的膠料，則要求可塑性宜小。一般：膠管外層膠可塑度：0.3~0.35；膠管內(nèi)層膠： 0.25~0.3；胎面膠： 0.22~0.24；胎側(cè)膠 0.35左右；海綿膠 0.5~0.6（2）塑煉均勻三．生膠的增塑方法和原理（一）增塑方法（二）塑煉原理生膠的分子量與可塑性有著密切的關(guān)系。分子量越小，可塑性就越大。生膠經(jīng)過(guò)機(jī)械塑煉后，分子量降低，粘度下降，可塑性增大。由此可見(jiàn)，生膠在塑煉過(guò)程中，可塑性的提高是通過(guò)分子量的降低來(lái)實(shí)現(xiàn)的。0—聚合物熔體的最大粘度；A—特性常數(shù)；MW—聚合物的重均分子量1．機(jī)械塑煉過(guò)程機(jī)理在低溫下：在機(jī)械力作用下首先切斷橡膠大分子鏈生成大分子自由基。（機(jī)械力引發(fā)橡膠大分子的斷鏈，氧作為自由基接受體，起著阻斷自由基的作用。）在高溫下：機(jī)械力切斷橡膠大分子生成自由基的幾率減少。橡膠大分子在機(jī)械力的活化作用下，氧引發(fā)橡膠大分子的斷鏈。（機(jī)械力起到應(yīng)力活化作用，氧作為自由基引發(fā)體，引發(fā)橡膠大分子的斷鏈。）鏈終止：橡膠氫過(guò)氧化物不穩(wěn)定，分解生成較小的大分子，連鎖反應(yīng)終止。2．影響塑煉的因素：（1）機(jī)械力的作用根據(jù)理論分析，機(jī)械力對(duì)橡膠分子的斷鏈作用，可表示為：式中 ρ—分子鏈斷鏈的幾率；K1、K2—常數(shù)；E—分子鏈的化學(xué)鍵能；F0—作用于分子鏈上的力；δ—分子鏈斷鏈時(shí)伸長(zhǎng)長(zhǎng)度；F0 δ—分子鏈斷鏈時(shí)消耗的機(jī)械功；低溫塑煉要求盡可能地降低輥溫和膠溫。（2）氧的作用實(shí)驗(yàn)證明，生膠結(jié)合0.03%的氧就能使分子量減少50%；結(jié)合0.5%的氧，分子量由10萬(wàn)降到5000。生膠塑煉時(shí)，隨著塑煉時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠質(zhì)量和丙酮抽出物（其中含有氧化合物）的含量不斷增加，可見(jiàn)氧在塑煉過(guò)程中與橡膠分子起了某種加成作用，參與了橡膠的化學(xué)反應(yīng)。（3）溫度的作用存在雙重影響：低溫區(qū)（110℃），隨著溫度升高，塑煉效果提高?！醯难趸饔茫?）靜電作用塑煉過(guò)程中，膠料受到強(qiáng)烈的摩擦作用產(chǎn)生靜電。靜電積累產(chǎn)生放電現(xiàn)象，使空氣中的氧活化變?yōu)樵討B(tài)氧和臭氧，加速橡膠分子的氧化斷鏈作用。（5）化學(xué)塑解劑a．接受型塑解劑（低溫塑解劑）：苯硫酚、五氯硫酚等。b．引發(fā)型塑解劑（高溫塑解劑）：過(guò)氧化苯甲酰（BPO）、偶氮二異丁腈（AIBN）等。c．混合型塑解劑（鏈轉(zhuǎn)移型塑解劑）：促進(jìn)劑M、DM和2，2’-二苯甲酰胺二苯基二硫化物等?！?1.2 可塑性的測(cè)定方法生膠和混煉膠可塑度的測(cè)定通常有三種方法：壓縮法、旋轉(zhuǎn)扭力法和壓出法。它們均需在恒溫下進(jìn)行，因?yàn)榭伤芏入S溫度變化而變化。一．壓縮法這種類(lèi)型的測(cè)定方法常用的有：威廉氏法、華萊氏快速可塑度法和德弗可塑度法三種。1．威廉氏法（Williams）在恒溫、定負(fù)荷下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后根據(jù)試樣高度的變化來(lái)評(píng)定可塑度。將Φ=16mm，h0=10mm的圓柱試樣在T=70±1℃或100±1℃下預(yù)熱3min，壓縮3min，除去負(fù)荷取出試樣在室溫下恢復(fù)3min，測(cè)量試樣高度的壓縮變形量及去掉負(fù)荷后的變形量，計(jì)算可塑度P。h0 —試樣原始高度，mm；h1—試樣壓縮3min后的高度，mm；h2—恢復(fù)3min后的高度，mm如果試樣為絕對(duì)流體，即h1=h2=0，P=1；若試樣為絕對(duì)彈性體，即h2=h0，P=0；生膠和混煉膠為粘彈體，它們的可塑度在0~1之間，數(shù)值越大表示可塑性越大。2．華萊氏（Wallace）快速可塑度法其原理與Williams法相同，以定溫、定負(fù)荷、定時(shí)間下膠片厚度的變化表示可塑度。該法操作方便，多用于工業(yè)生產(chǎn)中作快速檢驗(yàn)。3．德弗法以在定溫和定時(shí)間內(nèi)試樣壓縮至規(guī)定高度時(shí)所需負(fù)荷值來(lái)表示。二．旋轉(zhuǎn)扭力法—門(mén)尼（Mooney）粘度法原理是：在一定溫度、時(shí)間和壓力下，根據(jù)試樣在活動(dòng)面（轉(zhuǎn)子）與固定面（模腔）之間變形時(shí)所受扭力來(lái)確定膠料可塑度。試驗(yàn)時(shí)，將試樣按要求放入模腔里，在100℃下預(yù)熱1min，使轉(zhuǎn)子在2r/min速度轉(zhuǎn)動(dòng)4min，所測(cè)的扭力值即為門(mén)尼粘度，一般用 表示，L表示用大轉(zhuǎn)子（直徑為38.1±0.03mm）。門(mén)尼粘度法比壓縮法迅速簡(jiǎn)便，且表示的動(dòng)態(tài)流動(dòng)性更接近于工藝實(shí)際情況。三．壓出法用毛細(xì)管流變儀來(lái)測(cè)定。在一定溫度、壓力、口型下，于一定時(shí)間內(nèi)用毛細(xì)管流變儀測(cè)定膠料的壓出速度，以每分鐘壓出的毫克數(shù)表示可塑度。優(yōu)點(diǎn)：此法與壓出機(jī)口型的工作狀況相似，可更具體地了解混煉膠可塑性對(duì)壓出性能的影響。缺點(diǎn)：壓出法試樣需要較多的膠料，且試樣必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱?！?1.3 塑煉方法及影響因素一．準(zhǔn)備工藝1．烘膠NR烘膠溫度一般在50~60℃，時(shí)間為24~36h，冬季加熱時(shí)間為36~72h。CR烘膠溫度一般在24~40℃，時(shí)間為4~6h。烘膠溫度不宜過(guò)高，否則會(huì)影響橡膠的物理機(jī)械性能。2．切膠用切膠機(jī)將生膠切成小塊，每塊重量視膠種而異，NR每塊10~20kg，CR每塊不超過(guò)10kg。3．破膠橡膠塊需用破膠機(jī)破膠，以便塑煉。破膠輥距一般為2~3mm，輥溫控制在45℃以下。二．開(kāi)煉機(jī)塑煉工藝（一）開(kāi)煉機(jī)塑煉的原理開(kāi)煉機(jī)的兩個(gè)輥筒以不同的轉(zhuǎn)速相對(duì)回轉(zhuǎn)，膠料放到兩輥筒間的上方，在摩擦力的作用下被輥筒帶入輥距中。由于輥筒表面的旋轉(zhuǎn)線速度不同，使膠料通過(guò)輥距時(shí)的速度不同而受到摩擦剪切作用和擠壓作用，膠料反復(fù)通過(guò)輥距而被塑煉。（二）開(kāi)煉機(jī)塑煉的工藝方法1．包輥塑煉法把膠片包在前輥上，讓其自然地反復(fù)過(guò)輥塑煉，直至達(dá)到規(guī)定的可塑度要求為止。缺點(diǎn)：塑煉時(shí)間長(zhǎng)，效率低，最終獲得的可塑度也較低。又分為：一段塑煉：塑煉時(shí)間長(zhǎng)，效率低，不適用于可塑度要求較高的生膠塑煉。 分段塑煉：包輥塑煉10~15min，下片、冷卻、停放4~8h后，再進(jìn)行下一次塑煉，直至達(dá)到要求的可塑度為止。通常分為兩段塑煉和三段塑煉，具體依可塑度要求而定。2．薄通塑煉法輥距在1 mm以下，膠料通過(guò)輥距后不包輥而直接落到接膠盤(pán)，讓膠料返回到輥距上方重新通過(guò)輥距，這樣反復(fù)數(shù)次。優(yōu)點(diǎn)：膠料散熱快，冷卻效果較好，塑煉膠可塑度均勻，質(zhì)量高，能達(dá)到任意的塑煉程度。3．化學(xué)增塑塑煉法采用化學(xué)塑解劑增加塑煉效果，提高塑煉生產(chǎn)效率并節(jié)約能耗?；瘜W(xué)塑解劑應(yīng)以母膠的形式使用，并應(yīng)適當(dāng)提高開(kāi)煉機(jī)的輥溫。（三）開(kāi)煉機(jī)塑煉的影響因素1．裝膠容量裝膠容量取決于開(kāi)煉機(jī)的規(guī)格，容量大，散熱困難，膠溫升高，降低塑煉效果；容量過(guò)小則降低生產(chǎn)效率。合理的容量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：Q—塑煉容量，L；K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值一般為0.0065~0.0085，L/cm3；D—輥筒直徑，cm；L—輥筒工作部分長(zhǎng)度，cm合成橡膠塑煉時(shí)生熱大，裝膠容量應(yīng)比NR少。2．輥距輥距越小，機(jī)械塑煉效果越明顯。薄通時(shí)實(shí)際使用輥距一般為0.5~1mm。3．輥速和速比輥距一定，提高開(kāi)煉機(jī)的輥速或速比會(huì)增大膠料的機(jī)械剪切作用，從而提高機(jī)械塑煉效果。開(kāi)煉機(jī)的速比一般在1.15~1.27之間。速比過(guò)大，升溫加快。4．輥溫輥溫低，塑煉效果好。輥溫過(guò)低容易造成設(shè)備超負(fù)荷而受到損害。塑煉溫度與生膠膠種有關(guān)，NR通?？刂魄拜仠囟仍?5~55℃，后輥溫度在40~50℃為宜。5．塑煉時(shí)間在塑煉過(guò)程的最初10~15min，膠料的門(mén)尼粘度迅速降低，此后漸趨緩慢。6．化學(xué)塑解劑使用塑解劑能提高塑煉效果，縮短塑煉時(shí)間，減小彈性復(fù)原。使用化學(xué)塑解劑時(shí)，適當(dāng)提高溫度會(huì)提高塑煉效果，塑煉溫度一般以70~75℃為宜。塑解劑的用量，在NR中一般為生膠重量的0.1~0.3%，合成橡膠則應(yīng)增大到2~3%。三．密煉機(jī)塑煉工藝優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高，節(jié)能，勞動(dòng)強(qiáng)度低；缺點(diǎn)：溫度高，冷卻困難，易過(guò)煉，出料為無(wú)定形狀，需要配備相應(yīng)的壓片機(jī)。（一）密煉機(jī)的工作原理物料從加料斗加入密煉室后，加料門(mén)關(guān)閉，壓料裝置的上頂栓降落，對(duì)物料加壓。物料在上頂栓壓力及摩擦力的作用下，被帶入兩個(gè)具有螺旋棱、有速比的、相對(duì)回轉(zhuǎn)的兩轉(zhuǎn)子的間隙中，致使物料在由轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與密煉室壁、上頂栓、下頂栓組成的捏煉系統(tǒng)內(nèi)，受到不斷變化和反復(fù)進(jìn)行的剪切、撕拉、攪拌和摩擦的強(qiáng)烈捏煉作用，從而達(dá)到塑煉的目的。物料在密煉室中主要受到幾種作用：1．轉(zhuǎn)子間及轉(zhuǎn)子與混煉室內(nèi)壁間的作用；2．轉(zhuǎn)子棱間的攪拌作用；3．轉(zhuǎn)子軸向的往復(fù)切割作用。（二）密煉機(jī)塑煉的工藝方法密煉機(jī)塑煉的工藝方法有一次塑煉法、分段塑煉法和化學(xué)增塑塑煉法三種。（三）影響密煉機(jī)塑煉的因素1．溫度密煉機(jī)塑煉屬高溫塑煉，生膠在密煉機(jī)內(nèi)受高溫及劇烈的機(jī)械剪切作用，以高溫氧化為主，可在短時(shí)間內(nèi)獲得所需要的可塑度，一般密煉機(jī)的塑煉溫度為120℃以上，有的甚至可達(dá)到160℃，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致橡膠物理機(jī)械性能下降。一般NR塑煉時(shí)的溫度不超過(guò)155℃為宜。采用密煉機(jī)塑煉合成橡膠，以免產(chǎn)生凝膠。溫度范圍要視膠種具體特性而定。對(duì)于SBR，溫度應(yīng)控制在155℃以下，以免產(chǎn)生凝膠。使用塑解劑時(shí)，塑煉溫度可控制在160℃。2．轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速快，塑煉效率高。轉(zhuǎn)速?gòu)?5轉(zhuǎn)提高到75轉(zhuǎn)，塑煉時(shí)間從30min縮短到10min。轉(zhuǎn)速的提高必然會(huì)加速膠料生熱升溫，因此必須加強(qiáng)冷卻。3．時(shí)間用密煉機(jī)塑煉，膠料的可塑度隨塑煉時(shí)間的增加而增加。使用塑解劑進(jìn)行塑煉時(shí)，塑煉效果會(huì)提高，塑煉時(shí)間可縮短30%~50%。4．上頂栓壓力上頂栓必須加壓，以增加轉(zhuǎn)子對(duì)膠料的剪切作用。壓力過(guò)小，不能壓緊膠料，但壓力過(guò)大，又會(huì)造成設(shè)備負(fù)荷過(guò)大。上頂栓壓力一般為0.5~0.8MPa。5．裝膠容量各種規(guī)格密煉機(jī)的裝膠容量為密煉室容積的48%~62%。6．化學(xué)塑解劑密煉機(jī)塑煉溫度高，采用化學(xué)塑解劑增塑法合理有效，不僅能充分地發(fā)揮塑解劑的增塑效果，而且在同樣條件下會(huì)降低排膠溫度，提高塑煉膠質(zhì)量。四．螺桿塑煉機(jī)塑煉工藝(一)螺桿塑煉機(jī)工作原理在螺桿塑煉機(jī)中，生膠一方面受到螺桿的強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用，另一方面，由于生膠受螺桿與機(jī)身內(nèi)壁的摩擦產(chǎn)生大量的熱，溫度高達(dá)150~180℃，從而加速氧化裂解，獲得塑煉效果。優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力大，適用于大型輪胎注塑加工加工。缺點(diǎn)：排膠溫度高，塑煉膠的熱可塑性大，質(zhì)量不均，排膠不規(guī)則。（二）影響螺桿塑煉機(jī)塑煉的因素1．塑煉溫度若溫度偏低，設(shè)備負(fù)荷偏大，塑煉膠可塑度偏低，且不均勻若溫度太高，易使大分子鏈過(guò)度氧化降解而損害膠料質(zhì)量。因此，塑煉溫度必須控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。NR塑煉溫度一般控制在機(jī)尾60℃以下，機(jī)身80~90℃，機(jī)頭90~100℃，排膠溫度180℃以下。2．喂料速度喂料速度要適當(dāng)而均勻。速度過(guò)快，膠料在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間短，塑煉不均勻，出現(xiàn)夾生現(xiàn)象。速度太慢，不僅降低生產(chǎn)效率。3．排膠孔隙大小排膠孔隙大小依膠料塑煉程度要求而定?？紫缎?，排膠速度和排膠量減小，膠料可塑度偏大，生產(chǎn)效率降低。反之，出膠孔隙加大，排膠量大，生產(chǎn)能力提高，但塑煉膠的可塑度偏低且不均勻。五．塑煉后的補(bǔ)充加工1．壓片或造粒2．冷卻與干燥3．停放干燥后的膠片按規(guī)定堆放4~8h以上才能恭下道工序使用。4．質(zhì)量檢驗(yàn)§11.4 常用橡膠的塑煉特性一．橡膠塑煉難易的原因1．NR塑煉容易的原因：（1）大分子中存在甲基和雙鍵的共軛效應(yīng)，鍵能降低，易斷裂；（2）分子量大，易斷鏈；（3）大分子斷鏈后生成的自由基穩(wěn)定性高；（4）大分子氧化生成的氫過(guò)氧化物分解導(dǎo)致大分子鏈斷裂破壞。二．幾種常用橡膠的塑煉特性1．NRNR比較容易進(jìn)行塑煉，品種不同塑煉特性不同。煙片膠初始門(mén)尼粘度較高（一般在95~120之間），必須進(jìn)行塑煉加工才能獲得適當(dāng)?shù)目伤苄浴MR系列的NR其初始門(mén)尼粘度較低（一般在40~75之間），一般不需要塑煉。NR用開(kāi)煉機(jī)塑煉，通常采用低溫（40~50℃），薄通塑煉效果好。用密煉機(jī)塑煉時(shí)，溫度宜在155℃以下。NR塑煉時(shí)，常加入化學(xué)塑解劑來(lái)提高塑煉效果。2．SBR軟SBR的初始門(mén)尼粘度一般在54~64之間，不需進(jìn)行塑煉。SBR采用機(jī)械塑煉效果不大，比較有效的方法時(shí)采用高溫塑煉法，以130~140℃溫度最好，溫度過(guò)高易生成凝膠。3．BRBR一般不需要進(jìn)行塑煉。4．CRCR的初始門(mén)尼粘度都較低，一般不需要進(jìn)行塑煉。但在儲(chǔ)存過(guò)程中其可塑性會(huì)下降，因此CR仍需經(jīng)過(guò)塑煉加工，才能獲得所要求的可塑性。CR宜采用開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行塑煉，低溫薄通塑煉效果最好。5．IIR門(mén)尼粘度在38~75之間的品種一般不需要塑煉。IIR采用機(jī)械塑煉效果不大，但用密煉機(jī)在120℃以上，并且加入塑解劑進(jìn)行高溫塑煉則可取得較好的塑煉效果。6．NBRNBR的塑煉應(yīng)采用開(kāi)煉機(jī)在低溫（40℃以下）、小輥距（1mm左右）、低容量（約為NR容量的1/2~1/3）。一般不宜用開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行塑煉，NBR很易生成凝膠。
