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1、用行星式螺杆挤出机连续混炼白炭黑填充胶料王进文 (西北橡胶塑料研究设计院,陕西咸阳712023) 编译0 前言胶料混炼是橡胶制品生产过程中的第一步,也是最重要的一步。传统的做法是用大规格密炼机对胶料进行混炼。密炼机中有混炼室和2个转子。在过去的90年里,密炼机混炼技术几乎未发生大的变革。自从1914年用密炼机混炼橡胶获得专利以来,对混炼技术的改进主要集中在转子结构或转子间距的变化上。用密炼机进行间歇式混炼时,按照特定的胶料配方和加料顺序,将各种组分投入密炼机中。该工艺的优点是在胶料配方和加料顺序发生变化时其
2、灵活性很大。不连续混炼的缺点是各批次混炼胶间的质量参差不齐,我们知道的所谓“第一批效应”就是一个例子。密炼机刚起动时混炼室的温度不高,致使头一批胶料的混炼质量较差。因此,常常要将第一批至第四批胶料报废。不连续混炼的另一个缺点是,由于在密炼机混炼过程中胶料温度升高,所以交联剂要在另一个混炼步骤中加入,因而大大增加了成本。采用连续混炼就可将胶料组分稳定地计量加入,且工艺条件恒定不变,因此,可消除胶料批次间的质量差异。连续混炼可用多螺杆挤出机完成,如双螺杆挤出机、行星式螺杆挤出机或环形挤出机。由于多螺杆挤出机的冷
3、却能力极强,因此对各个加工单元的温度可以加以控制。该工艺的其他优点是节能、工艺控制简便,并且,由于减少了粉尘、废气和反应产物的排放量,从而降低了对环境的污染程度。在具备所有这些优点的同时,填料分散和拉伸强度等胶料质量和产品性能也高于或相当于不连续混炼的胶料。自从白炭黑填充胶料问世以来,这种胶料就成了制造具有低滚动阻力、良好路面防滑性和冬季行驶特性的轿车轮胎的胶料。该胶料的主要原材料是溶聚丁苯橡胶(L-SBR)、顺丁橡胶(BR)、高活性白炭黑和作为偶联剂的双官能有机硅烷(如Si-69)。由于白炭黑表面上有硅醇
4、基团存在,粒子间的相互作用很强,而且白炭黑和橡胶之间并不相容,所以在胶料中加入了硅烷。硅烷能与白炭黑反应,从而改善了填料的分散性能,使不相容的白炭黑相和橡胶相由共价键连结在一起。白炭黑填充胶料一般采用密炼机至少分三步进行混炼,这是一种高能耗、高成本的工艺。密炼机起化学反应器的作用,反应在140°C~150°C的温度范围内进行,混炼时间3min~4min。为了保证达到所需的温度,基础胶料的混炼要分两步进行。在反应过程中会产生乙醇。交联剂在第三步混炼时才可加入,最高温度不能超过120°C。在固定特异公司的专利[
5、1]中描述了白炭黑填充胶料的连续混炼方法,其中提出了用单螺杆和双螺杆及其组合形式连续混炼的概念。Pirell(皮列里)发明的胶料连续混炼系统(CCM)也可用于白炭黑填充胶料的连续生产。由于混炼时所需的反应时间较长,不同阶段需采用不同的加工温度,所以Pirell的连续混炼系统由两台双螺杆挤出机和一个过渡贮料仓组成。第一台挤出机的工作温度范围为150°C~200°C,在该挤出机中完成反应过程。混炼好的基础胶料造粒后暂时存放在过渡贮料仓中。交联剂在第二台挤出机上加入,其最高加工温度为120°C。在固特异和Pire
6、ll所描述的连续生产工艺中,所用的原材料都是颗粒橡胶和散粒状白炭黑。1 行星式螺杆挤出机行星式螺杆挤出机现在主要用于涂料、热塑性塑料及化工产品的混合,用于医药和食品行业。行星式螺杆挤出机(图1)的加工部分主要由中心旋转螺杆、机筒和沿圆周分布的行星式螺杆组成。中心旋转螺杆和机筒的温度可以控制,在温度可控的加料段加入计量好的原材料。由中心旋转螺杆驱动,并将扭矩依次分配给行星式螺杆。行星式螺杆沿带有45°螺纹的机筒滚动。由于行星系统采用的是螺旋啮合方式,胶料可以向外旋出,并在旋转部分的出口处同时排料,这样就确保了
7、混炼挤出机具有最佳的自清洁功能。如果采用开放式停止环,除少量残余胶料外,几乎所有胶料都从旋转部分旋出,这能带来诸多便利,例如,可以方便地更换不同颜色的胶料。由于机筒和中心螺杆机构的壁极薄(图2),所以对接触面上的温度可以进行精确控制。再加上高压水加热,并改进了冷却通道的结构,能精确地控制温度,从而对热传递产生决定性的影响。因此,该系统愈来愈受到人们的认可。机筒采用的是模块结构,几个机筒用法兰连接在一起。中心螺杆延伸至整个加工长度,每个模块可以配置不同数量的行星螺杆。通过中层挡胶环将各个机筒段连接在一起。行星
8、螺杆沿这些挡胶环旋转。通过改变行星螺杆的配置和挡胶环直径,就可以调节胶料熔体的留驻时间和升压。如图3所示,行星螺杆可具有不同的螺纹结构。可以相对于中心螺杆的沟槽或分散环的直径调节自由截面面积(图4)。2 研究目的该项研究的目的是以粒状橡胶/填料复合胶料(RFC)为原料,开发和优化由行星式螺杆挤出机连续混炼白炭黑填充胶料的工艺。所用的橡胶/填料复合胶料(RFC)是一种实验产品,RFC中含有完全硅烷化的炭黑。研究表明
