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塑煉與混煉工藝

日期:2024-07-23 14:56
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塑煉與混煉工藝

橡膠受外力作用產(chǎn)生變形,當外力消除后橡膠仍能保持其形變的能力叫做可塑性。增加橡膠可塑性工藝過(guò)程稱(chēng)為塑煉。橡膠有可塑性才能在混煉時(shí)與各種配合劑均勻混合;在壓延加工時(shí)易于滲入紡織物中;在壓出、注壓時(shí)具有較好的流動(dòng)性。此外,塑煉還能使橡膠的性質(zhì)均勻,便于控制生產(chǎn)過(guò)程。但是,過(guò)渡塑煉會(huì )降低硫化膠的強度、彈性、耐磨等性能,因此塑煉操作需嚴加控制。橡膠可塑度通常以威廉氏可塑度、門(mén)尼粘度和德弗硬度等表示。

1、塑煉機理

橡膠經(jīng)塑煉以增加其可塑性,其實(shí)質(zhì)乃是使橡膠分子鏈斷裂 ,降低大分子長(cháng)度。斷裂作用既可發(fā)生于大分子主鏈,又可發(fā)生于側鏈。由于橡膠在塑煉時(shí),遭受到氧、電、熱、機械力和增塑劑等因素的作用,所以塑煉機理與這些因素密切相關(guān),其中起重要作用的則是氧和機械力,而且兩者相輔相成。通??蓪⑺軣拝^分為低溫塑煉和高溫塑煉,前者以機械降解作用為主,氧起到穩定游離基的作用;后者以自動(dòng)氧化降解作用為主,機械作用可強化橡膠與氧的接觸。生在大分子的中間部分。

塑煉時(shí),分子鏈愈長(cháng)愈容易切斷。順丁膠等之所以難以機械斷鏈,重要原因之一就是因為生膠中缺乏較高的分子量級分。當加入高分子量級分后,低溫塑煉時(shí)就能獲得顯著(zhù)的效果。
氧是塑煉中不可缺少的因素,缺氧時(shí),就無(wú)法獲得預期的效果。生膠塑煉過(guò)塑煉時(shí),設備與橡膠之間的摩擦顯然使得膠溫升高。熱對塑煉效果極為重要,而且在不同溫度范圍內的影響也不同。由于低溫塑煉時(shí),主要依靠機械力使分子鏈斷裂,所以在像章區域內(天然膠低于110℃)隨溫度升高,生膠粘度下降,塑煉時(shí)受到的作用力較小,以致塑煉效果反而下降。相反,高溫塑煉時(shí),主要是氧化裂解反應起主導作用,因而塑煉效果在高溫區(天然膠高于110℃)將隨溫度的升高而增大,所以溫度對塑煉起著(zhù)促進(jìn)作用。各種橡膠由于特性不同,對應于*低塑煉效果的溫度范圍也不一樣,但溫度對塑煉效果影響的曲線(xiàn)形狀是相似的。由前已知,不論低溫塑煉還是高溫塑煉,使用化學(xué)增塑劑皆能提高塑煉效果。接受劑型增塑劑,如苯醌和偶氮苯等,它們在低溫塑煉時(shí)起游離基接受劑作用,能使斷鏈的橡膠分子游離基穩定,進(jìn)而生成較短的分子;引發(fā)劑型增塑劑,如過(guò)氧化二苯甲酰和偶氮二異丁腈等,它們在高溫下分解成極不穩定的游離基,再引發(fā)橡膠分子生成大分子游離基,并進(jìn)而氧化斷裂。此外,如硫醇類(lèi)及二鄰苯甲酰胺基苯基二硫化物類(lèi)物質(zhì),它們既能使橡膠分子游離基穩定,又能在高溫下引發(fā)橡膠形成游離基加速自動(dòng)氧化斷裂,所以,這類(lèi)化學(xué)增塑劑稱(chēng)為混合型增塑劑或鏈轉移型增塑劑。
2、塑煉工藝

生膠在塑煉前通常需進(jìn)行烘膠、切膠、選膠和破膠等處理。烘膠是為了使生膠硬度降低以便切膠,同時(shí)還能解除結晶。烘膠要求溫度不高,但時(shí)間長(cháng),故需注意不致影響橡膠的物理機械性能;例如天然膠烘膠溫度一般為50~60℃,時(shí)間則需長(cháng)達數十小時(shí)。生膠自烘房中取出后即切成10~20公斤左右的大塊,人工選除其雜質(zhì)后再用破膠機破膠以便塑煉。

按塑煉所用的設備類(lèi)型,塑煉可大致分為三種方法。
1、開(kāi)煉機塑煉


其優(yōu)點(diǎn)是塑煉膠料質(zhì)量好,收縮小,但生產(chǎn)效率低,勞動(dòng)強度大。此法適宜于膠料變化多和耗膠量少的工廠(chǎng)。


開(kāi)煉鋼機塑煉屬于低溫塑煉。因此,降低橡膠溫度以增大作用力是開(kāi)煉機塑煉的關(guān)鍵。與溫度和機械作用有關(guān)的設備特性和工藝條件都是影響塑煉效果的重要因素。

為了降低膠溫,開(kāi)煉鋼機的輥筒需進(jìn)行有效的冷卻,因此輥筒設有帶孔眼的水管,直接向輥筒表面噴水冷卻以降低輥筒需進(jìn)行有效的冷卻,這樣可以滿(mǎn)足各種膠料塑煉時(shí)對輥溫的基本要求。此外,采用冷卻膠片的方法也是有效的,例如使塑煉形成的膠片通過(guò)一較長(cháng)的運輸帶(或導輥)經(jīng)空氣自然冷卻后再返回輥上,以及薄通塑煉(縮小輥距,使膠片變薄,以利于冷卻)皆可。分段塑煉的目的也是為了降低膠溫,其操作是將全塑煉過(guò)程分成若干段,來(lái)完成,每段塑煉后生膠需充分停放冷卻。塑煉一般分為2~3段,每段停放冷卻4~8小時(shí)。膠溫隨塑煉時(shí)間的延長(cháng)而增高,若不能及時(shí)冷卻,則生膠可塑性?xún)H在塑煉初期顯著(zhù)提高,隨后則變化很少,這種現象是由于生膠溫度升高而軟化,分子易滑動(dòng)和機械降解效率降低所致。膠溫高還會(huì )產(chǎn)生假可塑性,一旦停放冷卻后,可塑性又降低。兩個(gè)輥筒的速比愈大則剪切作用愈強;因此,塑煉效果愈好??s小輥間距也可以增大機械剪切作用,提高塑煉效果。

2、密煉機塑煉(高溫、間斷)密煉機塑煉的生產(chǎn)能力大,勞動(dòng)強度較低、電力消耗少;但由于是密閉系統,所以清理較難,故僅適用于膠種變化少的場(chǎng)合。

密煉機的結構較復雜,生膠在密煉室內一方面在轉子與腔壁之間受剪應力和摩擦力作用,另一方面還受到上頂栓的外壓。密煉時(shí)生熱量極大,物料來(lái)不及冷卻,所以屬高溫塑煉,溫度通常高于120℃,甚至處于160~180℃之間。依據前述之高溫塑煉機理,生膠在密煉機中主要是借助于高溫下的強烈氧化斷鏈來(lái)提高橡膠的可塑性;因此,溫度是關(guān)鍵,密煉機的塑煉效果隨溫度的升高而增大。天然膠用此法塑煉時(shí),溫度一般不超過(guò)155℃,以110~120℃*好,溫度過(guò)高也會(huì )導致橡膠的物理機械性能下降。
3、螺桿機塑煉(高溫、邊續)
螺桿塑煉的特點(diǎn)是在高溫下進(jìn)行連續塑煉。在螺桿塑煉機中生膠一方面受到強烈的攪拌作用,另一方面由于生用受螺桿與機筒內壁的摩擦產(chǎn)生大量的熱,加速了氧化裂解。
用螺桿機塑煉時(shí),溫度條件很重要,實(shí)踐表明,機筒溫度以95~110℃為宜,機關(guān)溫度以80~90℃為宜。因為機筒溫度高于110℃,生膠的可塑料性也不會(huì )再有大的變化。機筒溫度超過(guò)120℃則排膠溫度太高而使膠片發(fā)粘,粘輥,不易補充加工。機筒溫度低于90℃時(shí),設備負荷增大,塑煉膠會(huì )出現夾生的現象。

合成膠塑煉較天然膠困難。為改進(jìn)合成膠塑煉工藝性能,*好在合成過(guò)程中注意控制和調節分子量大小和分子量分布,以便制得門(mén)尼粘度較低和工藝性能良好的品種,如軟丁苯和軟丁腈膠等。這些品種可直接用于混煉。順丁膠分子量較低,易冷流,塑煉效果不好,因此順丁膠和適宜門(mén)尼粘度也應在合成過(guò)種中獲得。氯丁膠門(mén)尼粘度低,一般不需塑煉,只要經(jīng)過(guò)3~5次薄通就可進(jìn)行混煉。硬丁腈膠門(mén)尼粘度為90~120,塑性低,工藝性能差,只有經(jīng)過(guò)充分塑煉才能進(jìn)行進(jìn)一步加工。但是,由于丁腈膠韌性大,塑煉生熱大、收縮劇烈,塑煉特別困難。欲提高丁腈膠的塑煉效果,應采用低溫薄通法,即盡可能降低塑煉溫度和強化機械作用力,加入增塑劑雖可提高丁腈膠的塑煉效果。但對混煉膠可塑度的提高不利,因此,不宜采用。丁基膠、乙丙膠的化學(xué)性質(zhì)穩定,因此缺乏塑煉效果,前者門(mén)尼粘度一般為38~75,可不經(jīng)塑煉而直接混煉,后者加工所必需的可塑性應在合成過(guò)程中獲得。


二. 混煉

1、混煉的目的

為了提高橡膠產(chǎn)品使用性能,改進(jìn)橡膠工藝性能和降低成本,必須在生膠中加入各種配合劑?;鞜捑褪峭ㄟ^(guò)機械作用使生膠與各種配合劑均勻混合的過(guò)程。
混煉**,膠料會(huì )出現配合劑分散不均,膠料可塑度過(guò)低或過(guò)高、焦燒、噴霜等到現象,使后續工序難以正常進(jìn)行,并導致成品性能下降??刂苹鞜捘z質(zhì)量對保持半成品和成品性能有著(zhù)重要意義。通常采用檢查項目有:①目測或顯微鏡觀(guān)察;②測定可塑度;③測定比重;④測定硬度;⑤溫室物理機械性能和進(jìn)行化學(xué)分析等。進(jìn)行這些檢驗的目的是為了判斷膠料中的配合劑分散是否良好,有無(wú)漏加和錯加,以及操作是否符合工藝要求等。
2、混煉理論
由于生膠粘度很高,為使各種配合劑均勻混入和分散,必須借助煉膠機的強烈機械作用進(jìn)行混煉。
各種配合劑,由于其表面性質(zhì)的不同,它們對橡膠的活性也各不一致。按表面特性,配合劑一般可分為二類(lèi):一類(lèi)具有親水性,如碳酸鹽、陶土、氧化鋅、鋅鋇白等;另一類(lèi)具有疏水性,如各種炭黑等。前者表面特性與生膠不同,因此不易被橡膠潤濕;后者表面特性與生膠相近,易被橡膠潤濕。為獲得良好混煉效果,對親水性配合劑的表面須加以化學(xué)改性,以提高它們與橡膠作用的活性,使用表面活性劑即可起到此種作用。表面活性劑大多為有機化合物,具有不對稱(chēng)的分子結構。其中常含有—OH、—NH2、—COOH、—NO2、—NO或—SH等極性基團,具有未飽和剩余化合價(jià),有親水性,能產(chǎn)生很強的水合作用;另外,它們分子結構中還有非極性長(cháng)鏈或苯環(huán)式烴基,具有疏水性。因而當表面活性劑起著(zhù)配合劑與橡膠之間的媒介作用,提高了配合劑在橡膠中的混煉效果。

表活性劑還起到穩定劑的作用,它們能穩定已分散的配合劑粒子在膠料中的分散狀態(tài),不致聚集基結團,從而提高了膠料的穩定性。

判斷一種生膠混煉性能的優(yōu)劣,常以炭黑被混煉到均勻分散所需時(shí)間來(lái)衡量。生膠分子量分布的寬窄對混煉性能有著(zhù)重要的影響。影響炭黑在橡膠中分散的因素除橡膠本身外,還有炭黑粒子的大小,結構和表面活性等有關(guān),因而炭黑粒子愈細,在橡膠中的分散就愈困難,高結構炭黑的空隙大,在混煉鋼初期形成的包容膠濃度低而粘度大,在隨后的混煉中產(chǎn)生較大的剪應力,因而更易分散。

3、混煉工藝目前,混煉工藝按其使用的設備,一般可分為以下兩種:開(kāi)放式煉機混煉和密煉機混煉。

1)開(kāi)放式煉膠機混煉
在煉膠機上先將橡膠壓軟,然后按一定順序加入各種配合劑,經(jīng)多次反復搗膠壓煉,采用小輥距薄通法,使橡膠與配合劑互相混合以得到均勻的混煉膠。

加料順序對混煉操作和膠料的質(zhì)量都有很大的影響,不同的膠料,根據所用原材料的特殊性點(diǎn),采用一定的加料順序。通常加料順序為:生膠(或塑煉膠)——小料(促進(jìn)劑、活性劑、防老劑等)——液體軟化劑——補強劑、填充劑——硫黃。

生產(chǎn)中,常把個(gè)別配合劑與橡膠混煉以做成母煉膠,如促進(jìn)劑母煉膠,或把軟化劑配成膏狀,再用母煉膠按比例配料,然后進(jìn)行混煉。這樣可以提高混煉的均勻性,減少粉劑飛揚,提高生產(chǎn)效率。開(kāi)放式煉膠機混煉的缺點(diǎn)是粉劑飛揚大、勞動(dòng)強度大、生產(chǎn)效率低,生產(chǎn)規模也比較??;優(yōu)點(diǎn)是適合混煉的膠料品種多或制造特殊膠料。

2)密煉機混煉密煉機混煉一般要和壓片機配合使用,先把生膠配合劑按一定順序投入密煉機的混煉室內,使之相互混合均勻后,排膠于壓片機上壓成片,并使膠料溫度降低(不高于100℃),然后再加入硫化劑和需低溫加入的配合劑,通過(guò)搗膠裝置或人工搗膠反復壓煉,以混煉均勻,經(jīng)密煉機和壓片機一次混煉鋼就得到均勻的混煉膠的方法叫做一段混煉法。

有些膠料如氯丁膠料,順丁膠料經(jīng)密煉機混煉后,于壓片機下片冷卻,并停放一定時(shí)間,再次回到密煉機上進(jìn)行混煉,然后再在壓片機上加入硫化劑,超促進(jìn)劑等,并使其均勻分散,得到均勻的混煉膠,這種混煉方法叫做二段混煉。密煉機的加料順序一般為:生膠——小料(包括促進(jìn)劑、活性劑、防老劑等)——填料、補強劑——液體增塑劑。
要得到質(zhì)量好的混煉膠,應根據膠料性質(zhì)來(lái)決定合適的容量,加料順序以及混煉的時(shí)間、溫度、上頂栓的壓力等工藝條件。有些膠料采用密煉機混煉,可把塑煉和混煉工藝合并進(jìn)行。經(jīng)驗證明,天然膠采用密煉機進(jìn)行一段混煉效果較好。此法簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序,縮短生產(chǎn)周期,提高效率。但如在配方中使用大量難于在橡膠中均勻分散的配合劑時(shí),則不宜采用此法,仍需用塑煉膠進(jìn)行混煉,以免發(fā)生混煉不均現象。密煉機混煉與開(kāi)放式煉膠機混煉相比,機械化程度高,勞動(dòng)強度小,混煉時(shí)間短,生產(chǎn)效率高,此外,因混煉室為密閉的,減少了粉劑的飛揚。

除上述兩種混煉方法外,目前還有一種新的螺桿混煉機(傳遞式混煉機)混煉法,其特點(diǎn)是連續混煉,生產(chǎn)效率高??墒够鞜捙c壓延、壓出聯(lián)動(dòng)力,便于實(shí)現自動(dòng)化。

3)、幾種橡膠的混煉特性
a、天然膠
天然膠受機械捏煉時(shí),塑性增加很快,發(fā)熱量比合成膠小,配合劑易于分散。加料順序對配合劑分散程度的影響不像合成膠那樣顯著(zhù),但混煉時(shí)間長(cháng),對膠料性能的影響比合成膠大。采用開(kāi)放式煉膠機混煉時(shí),輥溫一般為50~60℃左右)。用密煉機時(shí)多采用一段混煉法。

b、丁苯膠

混煉時(shí)生熱大,升溫快,混煉溫度應比天然膠低。丁苯膠對粉劑的濕潤能力較差,故粉劑難于分散,所以混煉時(shí)間要比天然膠長(cháng),采用開(kāi)放式煉膠機混煉時(shí)需加薄通次數。用密煉機混煉,可采用二段混煉法,硫化劑,超促進(jìn)劑在**段的壓片機中加入,由于丁苯膠在高溫下容易結聚,因此密煉機混煉時(shí)需注意控制溫度一般排膠溫度不宜超過(guò)130℃。
c、氯丁膠
氯丁膠的物理狀態(tài)隨溫度而變化。通用型氯丁膠在常溫下至70℃時(shí)為彈性態(tài),容易包輥,混煉時(shí)配合劑易于分散,溫度升高到70~94℃呈粒狀,并出現粘輥現象而不能進(jìn)行塑煉、混煉、壓延等工藝;溫度繼續升高而呈塑性態(tài)時(shí),顯得非常柔軟而沒(méi)有彈性,配合劑也很難均勻分散。采用開(kāi)放式煉膠機混煉時(shí),輥溫一般在40~50℃范圍內,溫度高則易粘輥。加料時(shí)先加入氧化鎂后加入氧化鋅,這可避免焦燒。當氯丁膠中摻入10%的天然膠或順丁膠時(shí),能改善工藝性能。用密煉機混煉時(shí),可采用二段混煉,操作更**。氧化鋅在**段混煉的壓片機上加入。氯丁膠混煉時(shí),溫度高則容易出現粘輥和焦燒的毛病。因此,操作時(shí)須嚴格控制溫度和時(shí)間。


d、兩種或兩種以上橡膠并用

若配方中采用兩種或兩種以上和橡膠,其混煉方法有兩種:一種是橡膠各自塑煉,使其可塑性相近,然后相互混均,再加各種配合劑,使之分散均勻。此法簡(jiǎn)便;另一種方法是各種橡膠分別加入配合劑混煉,然后把各膠料再相互混煉均勻。后者能提高混煉的均勻程度。
 

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