橡胶混炼的技术创新及产业化应用

1、橡胶混炼的技术创新及产业化应用唐帆*，聂卫云，路丽珠（1.安徽世界村新材料有限公司，安徽 马鞍山 243000; 2.安徽世界村智能装备有限公司, 安徽 马鞍山 243000）摘要：橡胶混炼作为众多橡胶制品生产过程中最为重要的一个环节，其质量情况直接影响，甚至决定其半成品混炼胶的加工性能及成品橡胶制品的综合性能及使用寿命。本文简述橡胶混炼在橡胶工业中的重要地位及发展历程。从干法混炼与湿法混炼两个方面来详细阐述橡胶混炼的技术创新进展及产业化应用。其中干法混炼包括间歇式混炼与连续式混炼，而湿法混炼主要以研究为主，产业化应用较少。未来橡胶混炼必将朝着更加集成化连续化清洁化智能化方向发展。关键词：橡胶

2、混炼，技术创新，产业化，应用Technical innovation and industrial application of rubber mixingFan Tang*, Weiyun Nie, Lizhu Lu（1.Anhui GVG New Material Co., LTD, Anhui Maanshan 243000; 2.Anhui GVG Intelligent Equipment Co., LTD, Anhui Maanshan 243000）Abstract: Rubber mixing is the most important link in the producti

3、on process of many rubber products, and its quality directly affects and even determines the processing performance of semi-finished rubber compound and the comprehensive performance and service life of finished rubber products. In this paper, the important position and development course of rubber

4、mixing in rubber industry are described. The technological innovation progress and industrial application of rubber mixing were elaborated from two aspects of dry mixing and wet mixing. Dry mixing includes intermittent mixing and continuous mixing, while wet mixing mainly focuses on research and les

5、s industrial application. In the future, rubber mixing will be more integrated, continuous, clean and intelligent.Key words: rubber mixing, technological innovation, industrialization, application在我国，橡胶工业的发展速度与世界橡胶工业相比，优势十分显著。尤其以快速发展的汽车工业所带动的轮胎工业的迅猛发展，直接加速了橡胶加工相关技术创新及产业化应用。作为橡胶加工过程中第一道最为基本且关键的工序橡胶混炼

6、，属于橡胶工业技术的核心，也是能耗最大的工序，其质量情况直接影响，甚至决定其半成品混炼胶的加工性能及成品橡胶制品的综合性能及使用寿命1。橡胶混炼属于一种特别复杂的综合型加工工艺过程，是将生胶（天然橡胶和合成橡胶）与多种添加的配合剂相互之间进行均匀的混合后制成所需性能的混炼胶的过程。其与传统的物理化学物质诸如气体、液体、固体粉末等之间的简单的搅拌方式混合存在本质的区别。原因在于生胶与各种配合剂之间存在不相容的多相性，通过简单的混合相互之间难以形成均匀的分散体系。因此，需要借助于混炼设备的机械元件对其产生的剪切、挤压、翻搅等作用，以达到多种配合剂渗入高粘度生胶中形成均匀的复杂结构特性的分散体系-混

7、炼胶。鉴于橡胶制品所拥有的综合性能及使用寿命往往由混炼胶胶料的质量及加工性能所决定。而混炼胶胶料的质量及加工性能主要受到合理的配方体系、完善的加工方法及工艺条件及先进的混炼设备影响。借助于合理的配方体系与先进的混炼设备来确保配合剂与生胶之间依靠相互结合作用以达到一定的分散度；借助完善的加工方法及工艺条件来确保配合剂与生胶之间达到一定的分散度所需的时间更短、效率更高、速度更快、能耗更低、均匀性更好匀等。各种影响因素之间存在制约与矛盾的关系，因此需要针对其进行系统理论研究，深入探索其反应机理，并以此作为依据进行实践测试与验证2,3。1 橡胶混炼的发展历程自从单辊式炼胶机即螺杆塑炼机于1820年由英

8、国人Thomas Hancock发明，及紧接着于1826年在此基础上开发并投入使用的双辊式开炼机，标志着橡胶混炼生产拉开了序幕。第一项橡胶加工设备的专利由Edwin M.Chaffee于1839年获得，这属于现代双辊式开炼机的鼻祖机。自此之后橡胶材料的塑料与混炼主要依靠它来实现4。鉴于开炼机长期应用于橡胶材料的塑料与混炼，通过实践发现其本身存在产品稳定性差、产能低、劳动强度大、安全性及工作环境差等缺点。为了解决这一系列问题，英国人Fernley H.Banbury进行相应的设计与改造并于20世纪初期开发出世界上首台密炼机，称之为本伯里密炼机。其出现促使橡胶混炼效率、混炼胶质量得到大幅度提高，工

9、作环境与劳动强度得到很大的改善。在此之后，为了应对不同性能（如高硬度、高粘度等）的胶料混炼，对混炼设备进行着不断的改进与完善，陆续出现了螺旋啮合密炼机、联锁式转子密炼机、四棱转子密炼机等。密炼机发展至今已近百年，很多方面问题在实践中得到发现并完善，但唯一阻碍其发展的最重要的问题为其存在的间歇性操作5-7。为解决橡胶混炼间歇性操作问题，全球范围内正着手针对连续混炼设备与工艺进行系统化研究。世界上首台挤出机-手动活塞式压出机是在1795年由英国人Joseph Bramah设计并制造。然而在1854年R.A. Brooman和1879年英国人M.Gray申请并获得相关专利。在此后，挤出机进入了快速发

10、展阶段，主要体现在控制方式由手动逐渐被电动所替代，并在19世纪80年代为制造充气轮胎部件而发明了首台螺杆挤出机，首次将以往仅仅应用于塑料加工的设备应用于橡胶加工中，标志着进入现代单螺杆挤出机新阶段。基于挤出机及20世纪50年代首次使用的法向应力泵，这大大促进了Kenics静态混合机-挤出机之类的连续混炼装置的发展。现今连续混炼设备可以应用于橡胶颗粒或橡胶粉的连续混炼，但需特定的粒状或粉状胶料，这大大限制了连续混炼设备的推广与应用8,9。2 橡胶混炼的技术创新进展橡胶混炼属于各种橡胶制品生产过程中非常重要的一个环节，与橡胶原材料一同决定了橡胶制品产品质量的好坏。从原材料的状态来看，橡胶混炼可分为

11、干法混炼和湿法混炼10。现今传统的橡胶混炼工艺通常主要采用干法混炼。2.1 干法混炼的创新技术进展干法混炼指借助于开炼机、密炼机或连续混炼机本身机械元件运转所产生的高剪切、挤压、翻搅等作用来实现固态生胶、各种固态粉末状配合剂等相互之间均匀混合分散其中而形成均匀的复杂结构特性的分散体系-混炼胶的过程。从混炼工艺与装备上来看，干法混炼可分为以开炼机或密炼机为代表的间歇式混炼和以单/双转子连续混炼机或传递式连续混炼机或螺杆挤出机等为代表的连续化混炼。2.1.1 间歇式混炼最早出现的开炼机及伴随着橡胶制品的生产过程中对于混炼胶的质量的要求的提升而出现的密炼机，它们有一个共同的特点就是无法实现连续化混炼

12、，故都属于间歇式混炼，其流程主要包括生胶与配合剂的添加混炼-卸料三个步骤11。开炼机从出现至今已有两百年的历史，其从设备结构、驱动方式及性能等都得到了迅猛发展。现今最具代表国际先进水平的开炼机主要以捷克Buzuluk公司和德国Harburg Freudenberger公司所制造的开炼机为代表。在我国，有关开炼机的设计与制造始于1955年，其制造相关技术方向主要沿用前苏联的开炼机制造技术，历经六十五年的创新发展，其在产品结构与性能、产量与类型都得到很大的提高，现今国产开炼机已成系列，可以完成部分规格型号的定制化设计与制造，其最具代表性的为大连橡塑机械有限公司的开炼机，其中除满足国内橡胶工业的需要

13、外，其余的已出口国外12-14。基于开炼机长期使用过程中出现诸如工作环境差、劳动强度大、能耗高、产品性能参差不齐等缺点的基础上15，逐步发展起来的密闭式混炼机称之为密炼机。在橡胶混炼过程中，相比于传统的开炼机，其具备诸如操作简单且劳动强度低、短时间可完成且效率高、全密闭式工作环境极佳且不易造成原料损耗等一些列优势。但鉴于开炼机具有的特有的特性即对于橡胶混炼的全过程可做到随时观察其变化，这对于橡胶制品的配方及橡胶混炼工艺的优化等工作可以做到及时观察与调整，因此开炼机至今仍未完全被密炼机取代。作为橡胶混炼最为典型的机械设备-密炼机，其从出现至今仍在不断完善与发展中。橡胶胶料在密炼机中以周向和轴向流

14、程两大类，在流动的过程中，胶料会受到混炼元件-转子之间、其与密炼室内壁之间及其与卸料门或压砣之间的剪切、挤压、翻搅等作用后得到所需的混炼胶产品。间歇式密炼机的发展经历了很多个发展阶段，主要分为1）无压砣-压砣；2）翻转式卸料-卸料门卸料；3）摆动式卸料门-滑动式卸料门；4）无凸棱转子-二凸棱转子-四凸棱转子等，其中最为重大的发展为密炼机的混炼元件-转子由切线型到啮合型的转变。根据转子转速可将密炼机分为低速（20rpm）、中速（3040rpm）及高速（60rpm以上）三类。密炼机的发展方向主要以高速、高压、高效能机械设备为主。现今国内外主流密炼机为F 系列切线型转子密炼机（美国法勒尔公司开发）、

15、GK 型密炼机-GK-N系列切线型转子密炼机和GK-E系列啮合型转子密炼机（德国W&P公司开发）、K型啮合型转子密炼机（英国Francis Shaw公司开发）三种类型。我国密炼机主要制造厂家为大连橡塑机械有限公司和益阳橡胶塑料机械集团有限公司，主要引进国外先进密炼机生产技术并结合国内实际应用消化吸收结合自主创新16,17。与此同时，国内科研机构针对销钉转子及混炼室、翻转式密炼机等系列也在研究开发中。为提升橡胶混炼后得到的混炼胶本身所具有的物理化学性能、流变参数等均匀性，美国法勒尔公司一直致力于同步（ST）转子密炼机的研究与开发，主要原理为将密炼机转子的速比由传统的1.16：1转变成1：1，以达

16、到转子之间同步。为方便密炼机实际应用中各个部位零配件的拆卸、更换与安装等日常维护保养，德国W&P公司针对其拥有的GK-N和GK-E系列密炼机中料斗、机座和混炼区三个部位进行功能独立设计研究，其中这三个功能独立部分都可以进行正向和反向安装。为适应密炼机实际混炼过程中原料本身特性及粒径大小等因素要求，意大利的Pomini公司针对啮合式转子密炼机设计一种可调节机构，并研制出可调啮合间隙（VIC）密炼机，可通过该机构调节转子之间的距离，以保证原料收到混炼元件最佳的机械剪切、挤压、翻搅等作用而达到最佳混炼效果18-20。无论开炼机还是密炼机都属于间歇式混炼设备，虽二者在长期应用中其结构及性能等各方面不断

17、得到优化，但始终无法解决间歇式混炼所固有的缺陷-得到混炼胶产品的质量不均匀即在该二者设备间歇式混炼中，各个物料之间经历不同的流动轨迹，在给定时间内，而受到不同的应变历程，虽密炼机中物料在其中停留时间一致，但其所受到的切边速率不一致，以至于在不同剪切区域的停留时间也不完全相同。同时为确保工业化生产对于混炼胶生产能力的要求，间歇混炼设备需不断加大胶料容纳能力，而为保证大量的胶料尽可能混炼均匀，需增加混炼元件-转子的转速，进而转子的高速运转致使胶料内部温度急剧升高，易于致使胶料出现焦烧现象21。为解决这一问题，传统方法往往需要进行多次混炼来完成，这就大大增加混炼的复杂性，无法从根源上得以解决。并且间

18、歇式混炼还需要外加诸如压片等成型设备，保证得到的混炼胶所需固定形状而便于包装或使用。为真正克服间歇式混炼这一缺陷，急需一种更为简单、混炼效果更佳的连续化混炼技术予以替代其在橡胶工业中的地位意义重大。2.1.2连续式混炼虽间歇式混炼中密炼机的生产效率已经达到很高水平即达到3-5min/混炼周期，但其因无法连续化工作致使每个批次混炼胶料的差异性及混炼质量的不稳定性等问题无法得以彻底解决。然而连续式混炼因其本身兼具高效率、高稳定且低能耗等优势而成为橡胶行业一直以来重点研究与发展的方向。尤其粉末状橡胶材料的生产技术革新，这更加推动了橡胶连续式混炼进一步的探索与发展22。全球最早研究橡胶混炼的企业之一-

19、美国Farrel 公司，该公司于1964年设计并制造出世界上首台FCM双转子连续混炼机，这极大地促进了橡胶连续式混炼逐渐成为广大科研工作关注并研究的焦点。然而鉴于连续式混炼受限原材料的状态（粉状或粒状材料）、粉状或粒状材料生产技术及连续计量系统的精度等，这使得连续式混炼始终难以进行工业化生产，一定程度上阻碍了连续式混炼技术的研究与发展。然而伴随着粉状或粒状原材料及相关应用技术、连续计量系统研究的发展与成熟，连续式混炼的受关注度越来越高。连续式混炼所涉及的相关设备的设计方向分为密炼挤出组合式连续混炼机、基于挤出机发展而来的连续混炼机及转子螺杆组合式连续混炼机三种类型23-25。（1）密炼挤出组合

20、式连续混炼机顾名思义，密炼挤出组合式连续混炼机指在设备结构上兼具传统密炼机的转子结构和传统挤出机的螺杆结构，在功能上兼具传统密炼机的停留混炼（分散、混合、剪切等）功能和传统挤出机的输送排料功能，属于二者组合后的结合体。该类型的设备具有包括前苏联的连续混炼机、新型混炼捏合机及法雷尔的MVX连续混炼机三种代表性的机型。前苏联的连续混炼机主要核心作用部件由一根螺杆与一对圆筒形转子构成，转子平行位于螺杆的中上部。该设计依靠隔胶块将其分为三个功能区域：1）前段部分螺杆对原材料起到输送与预先混合的功能即将料斗中加入的原材料输送至转子区域且在输送的过程中对其预先进行初步混合；2）中段部分螺杆与转子重叠属于输

21、送和核心混炼功能，物料可在转子间得到一定时间的充分混炼均匀并借助螺杆来输送；3）后段部分借助于螺杆输送再混及至机头挤出。该螺杆可用于沿着轴向往复运动及正反向回转。该设备适用于颗粒状或流动性好的原材料的混炼挤出。新型混炼捏合机主要核心作用部件是由一对转子和一对螺杆构成，其中一对转子位于混炼室的内部，一对螺杆位于混炼室的底部且转子位于螺杆上部，二者平行、方向一致分布且同向旋转。该设计主要分为两个功能区域：1）预选混合好的原材料进入混炼室首先经过双转子的捏合混炼段混炼作用；2）经混炼后的物料进入双螺杆段旋转进行进一步再混炼且输送从排料口排出。该设备适用于硅橡胶的混炼，尤其适用于其中的添加剂与母炼胶的

22、相互之间的融合作用。法雷尔的MVX连续混炼机主要核心作用部件是一对相对旋转的三角形转子、一根单螺杆和一个气动压砣构成，其中一对相对旋转的三角形转子位于混炼室内部，一根单螺杆位于混炼室低端，一个气动压砣位于混炼室上端加料口，一对相对旋转的三角形转子与一根单螺杆呈现垂直分布。该设计主要分为两个功能区域：1）物料通过加料口进入混炼室内，首先经过一对相对旋转的三角形转子的剪切混炼作用，上端一个气动压砣，一方面给物料混炼流动提供所需的压力，另一方面防止物料从加料口上端溢出；2）依靠混炼室上端加料口与下端排料口的压力差实现混炼室内的胶料进入底端单螺杆段进而再混炼并输送从排料口排出。该设备适用于粉末状或粒状

23、的橡胶原材料的混炼加工26。（2）转子螺杆组合式连续混炼机顾名思义，转子螺杆组合式连续混炼机实现了挤出机核心元件-螺杆与密炼机核心元件-转子二者之间的相互融合，形成一种特有的整体性结构形式，该结构形式兼具了挤出机螺杆的输送挤出及密炼机转子的强剪切混炼双重功能。该类型的设备具有包括FCM连续混炼机和双轴连续混炼机两种代表性的机型。FCM连续混炼机属于美国法雷尔公司开发的最早的世界上真正意义上的连续混炼机，其与传统密炼挤出组合式连续混炼机根本性的区别在于：传统密炼挤出组合式连续混炼机将混炼与输送挤出分开在两种设备元件上进行，属于选混炼再挤出排出工艺；而该FCM连续混炼机则物料的混炼与挤出排料集中在

24、一种设备元件上同步完成。其主要核心作用部件是两个转子外形类似挤出机的螺杆，其位于混炼室内部，呈现相对旋转运动。该设计主要分为三个功能区域并集中在一种设备元件上：1）最前端为喂料段，类似螺杆的螺纹结构，负责将加料口中的物料输送至下段作用；2）中后部为混炼段，类似密炼机中的转子结构，负责对输送的物料进行分散混合与强剪切混炼作用；3）最末端为挤出段，类似螺杆的螺纹结构，负责将混炼好的物料输送并挤出至卸料口排出。该设备具有较强的混炼能力，尤其混炼高填充物料效果更为显著，特别适用于混炼高温高剪切速率及温度敏感且低剪切速率物料27。双轴连续混炼机主要核心作用部件是一对双转子和一对双螺杆构成，其中前段双转子

25、位于主混炼室依靠中间连接部分与后段类似于螺杆挤出机的螺旋结构相连接，后段混炼部分与出料口相连。为达到不同类型物料所要求的不同的混炼效果，可依据混炼工艺来灵活改变前混炼段转子和后混炼段螺杆的结构实现。（3）基于挤出机技术平台发展而来的连续混炼机该类连续混炼机在螺杆挤出机的基础上发展而来，尤其二十一世纪初的螺杆挤出机的快速发展，这极大地推动了此类连续混炼胶的发展。此类连续混炼胶具备以下共同特点：1）多数具备大长径比的核心元件-转子；2）核心元件-转子被划分为几个功能段，分别承担各自的混炼任务；因此该类连续混炼机可以保证物料之间具有充足的混炼时间和高效的分散与混合效果。该类型的设备具有包括BussK

26、neader连续混合机、双转子连续混炼机和CCM连续混炼机三种代表性的机型。BussKneader连续混合机属于一家瑞士企业研发的具有特殊结构的类似单螺杆挤出机。其主要核心作用部件是一个含有螺片的单螺杆和混炼销钉构成，其中单螺杆位于混炼室内部，混炼销钉位于混炼室的机筒内壁上，混炼销钉与单螺杆上的螺片一一相对应并相对运动。该设备主要依靠机筒内壁上的混炼销钉与单螺杆上的螺片之间发生相对运动而对物料产生剪切混炼作用，以促使物料均匀分散。该设备兼具精确的温度控制和高效的纵向混合能力而适用于混炼高填充和高粘度物料或液态和易于降解的物料28,29。双转子连续混炼机主要核心作用部件是一对具有多种螺纹及转子结

27、构的螺杆构成，其中加料段类似一对非啮合的矩形螺纹的双螺杆，起到对物料的输送及预混合作用；混炼段类似一对密炼机的转子且表面设有两对旋转方向相对且螺旋角不等的螺棱（前端为正向输送螺棱，后端为反向输送螺棱），起到对物料的挤压、混炼、塑化等作用；出料段类似一对椭圆形转子，起到促使物料从出料口排出，依靠控制出料口的开口大小来来确保物料在混炼室内的停留时间。该设备适用于混炼流动性好的粒状或粉状或液态物料。CCM连续混炼机由意大利倍耐力公司的米兰Bicoca研发中心于2003年开发投入使用，其主要核心作用部件是两台双螺杆挤出机串联并辅以成套配料、输送及投料装置构成，其中配料装置负责针对橡胶制品配方中的配料进

28、行严格的精确计量；输送及投料装置负责将计量后的配方料输送至混炼室；第一台双螺杆挤出机负责未加硫前的混炼工作，第二台双螺杆挤出机负责加硫后的胶料的进一步混炼工作。与传统混炼方法相比，其具备以下特点：1）设备占地面积小；2）采用多套气力输送装置，实现了自动化送料、计量及加料程序，省去人力成本；3）混炼产品质量优异且成本较低，混炼能力达到250kq/h30。2.2湿法混炼的创新技术进展传统的橡胶混炼一般以干法混炼为主。在长期的研究与生产过程中，发现干法混炼存在以下缺陷：1）能耗非常高即能耗占橡胶整体加工能耗的一半以上；2）胶料的批次与批次之间无论胶料的质量还是性能方面都存在很大的差异性；3）混炼过程

29、中易产生大量的粉尘等污染物，生产环境较差等。因此橡胶行业始终急需探索一种节能、混炼环境更好、混炼均匀性更佳的橡胶混炼方式，由此湿法混炼因兼具以上优势而应运而生。所谓湿法混炼，属于现代橡胶工业中的重要方法，主要指将预先制得的炭黑或白炭黑等补强填料液体分散体系与橡胶（天然橡胶或合成橡胶）胶乳进行机械搅拌充分均匀混合进行液体融合，再依次经过凝聚（共沉淀）-脱水-干燥等工序共沉淀形成橡胶混炼胶的方法。2.2.1 湿法混炼技术国外研究现状湿法混炼技术最早追溯到由德国PKU公司于十九世纪初发明的以粉末橡胶作为原材料的湿法混炼技术。而湿法混炼技术的概念还是由美国卡博特公司于2001年正式提出，并且推出以炭黑

30、填料与天然橡胶作为主要原材料并借助于连续液相混炼工艺生产母炼胶技术即首先粒状炭黑填料制成水浆后，依靠高压形成射流的方式加入装有橡胶胶乳的凝聚反应器中充分搅拌混合均匀凝聚（共沉淀）后出料，最后依次进行脱水、干燥等程序制成CEC母炼胶材料。相比于传统的干法混炼方法，该种湿法混炼方法最大限度提升炭黑填料在胶乳中的分散程度，因此，获得产品的综合性能（耐磨性、耐屈挠疲劳性、低声热、低滚阻等）得到显著提高，同时大大简化混炼工艺、降低生产成本及改善生产环境。该技术获得相关专利保护，在其形成产业化后被法国米其林公司所买断。在此之后，世界范围内（美国、日本、法国、韩国等）陆续出现有关湿法混炼技术的多项专利，但其

31、相关技术均未得到产业化应用31,32。美国卡博特公司于2007年将该技术在中国申请相关专利，法国米其林公司在20122020年期间在中国与美国申请了有关湿法混炼技术领域（产品混炼制造技术及其应用等）的多项相关专利布局。佩兰瓦达纳罗等33研究了采用稀酸溶液预先将白炭黑、炭黑等填料进行包覆改性后与浓缩胶乳或胶乳进行搅拌混合并凝固后制备出混炼胶的工艺。通过研究结果可以看出：1）酸化包覆改性过程中，白炭黑、炭黑等填料均匀分散到稀酸溶液中十分困难；2）因稀酸溶液等大量化工原料的加入，导致其未均匀分散至胶乳中而仅依靠轻微搅拌即可发生凝固；3）稀酸溶液调节的pH值范围很小，操作起来十分困难。Jaiphuep

32、hae等34研究天然胶乳与白炭黑进行湿法混炼工艺即首先将二者按照一定比例搅拌均匀混合，然后借助于喷雾干燥法对混合絮凝后的混炼胶进行干燥处理得到所需材料。与传统干燥方式得到的同等材料相比较，发现喷雾干燥法干燥处理得到的材料力学性能更佳优异。其原因在于依靠扫描电子显微镜（SEM）观察发现混炼胶中白炭黑的分散更佳均匀，几乎观察不到其聚集体存在。日本普利司通公司35则研究一种新型改进方法用于制备炭黑/天然胶乳湿法混炼胶，其中在前期原料的预处理方面：一方面采用十六烷基三甲基溴化铵改性炭黑用于增加其表面积，这样保证所得材料的耐磨性且防止其生热过高；另一方面借助于碱性蛋白酶针对天然胶乳中存在的酰胺键进行分解

33、，其目的是减轻天然胶乳中存在的酰胺基中的氢自身相互缠绕结合来改善得到的混炼胶材料的加工性能。在工艺的优化改进方面：借助于胶体磨、高剪切混合器、高压均化器等促使炭黑浆料均匀分散到天然胶乳中。2.2.2 湿法混炼技术国内研究现状在我国，湿法混炼技术的研究与开发起步相对较晚，并在不断摸索中进行研究。当今世界汽车工业的发展及环境保护意识的增强，这对于轮胎等橡胶制品的性能及生产环境等提出了更高的要求即需低能耗、低滚阻、高环保、耐磨、耐湿滑的“绿色轮胎”越来越受到广泛的关注。经过试验发现白炭黑的加入可以一定程度上制备出接近上述特点的以低能耗、低污染为代表的“绿色轮胎”，但传统的混炼工艺难以满足白炭黑均匀分

34、散到橡胶中，同时该混炼工艺存在粉尘污染大、能耗高等缺点，而湿法混炼技术能够在一定程度上得以解决上述缺点36。故采用湿法混炼技术替代传统混炼工艺应用于白炭黑、炭黑等填料与橡胶混炼中已成为广大科研工作者关注的热点。在国家的政策支撑方面：国家科技部于2014年将橡胶湿法混炼及其项目分别列入新材料领域项目指南和“十三五”国家科技支撑项目计划。同时“湿法混炼共沉橡胶新材料技术与推广论坛”于2014年5月由中国化工学会化工新材料委员会与轮胎工程技术研究中心联合在云南西双版纳召开，针对进一步推动湿法混炼新技术、新材料的发展与应用进行了广泛深入交流与现场参观考察37。关于湿法混炼橡胶新技术于2014年8月进入

35、国家科技部发布的国家科技支撑计划项目立项，其目标为分别建成天然橡胶与合成橡胶的万吨级示范性生产线并进行推广应用。在高校的研究方面：作为中国湿法混炼技术开发的带头人之一-华南理工大学王炼石教授，其团队针对湿法混炼的相关基本原理、炭黑及白炭黑的表面处理方法、相关配方的配合技术及加工工艺等方面进行了大量系统的试验研究及讨论分析，在国内外著名的期刊中发表了很多文章，这为广大科研工作者的后续研究起到了极其重要的推动作用。青岛科技大学将废旧轮胎进行热裂解后得到的炭黑进行一定改性，然后将改性后的炭黑与天然橡胶胶乳进行湿法混炼制备混炼胶。鉴于热解炭黑的表面可能含有一定量的碳质沉淀物，使得其表面性能发生了较大的

36、变化，同时将其应用于湿法混炼制备混炼胶会呈现特殊性质。国内其他诸如青北京化工大学、四川大学等著名高校也针对其相关的研究成果得以推出38。在科研机构及企业的研究方面：国家橡胶与轮胎工程技术研究中心于2011年联合国内著名科研院校及重点企业成立湿法混炼技术专题研究组，专门对其相关技术及应用进行系统研究与开发，目前已将相关成果进行专利保护。上海双钱轮胎公司、杭州中策等轮胎企业针对湿法混炼相关的生产技术及其在橡胶制品中的应用进行系统研究及应用技术经验的积累。李再琴等39,40采用比较湿法混炼与干法混炼得到的白炭黑母胶的门尼粘度、门尼焦烧时间及硫化胶的密度邵尔A硬度、定伸应力等性能的变化，研究其在全钢载

37、重子午线轮胎胎面胶中的应用，发现湿法混炼白炭黑母胶胎面胶的轮胎的耐久性试验结果为累计行驶92.68h胎冠爆，而干法则累计行驶93.02h胎冠爆相差不大，均符合国家标准要求。汪传生等41将雾化干燥法混炼与传统湿法混炼及干法混炼制备纳米氧化锌（ZnO）/天然橡胶复合材料的硫化特性、物理性能、溶胀性能、耐老化性能、导热性能及微观结构进行比较，发现雾化干燥法混炼得到的产品分散均匀且无明显团聚，交联网络均匀且密度大，综合性能更好，通过缩短硫化时间及减少氧化锌的用量，则得到的硫化胶性能稳定。王凯等42为解决在湿法混炼工艺中所存在的共沉淀絮凝混炼胶加工困难的问题，提出“聚酯滚珠增塑橡胶”概念，设计并制备辐射

38、交联聚酯粒子，并研究其对于在湿法混炼工艺中所存在的共沉淀絮凝混炼胶加工性能及其产品的综合性能的影响。通过研究结果可以看出粒径在200纳米左右的辐射交联聚酯粒子的加入，促使在湿法混炼工艺中得到的共沉淀絮凝混炼胶的门尼粘度降低24%，加工所消耗的能耗降低10%，提高了产品的硫化效率和力学性能等。分析原理在于辐射交联聚酯粒子对在湿法混炼工艺中的共沉淀絮凝混炼胶起到润滑作用，可以有效帮助橡胶分子链解缠绕而加速相互之间的均匀分散。怡维怡橡胶研究院有限公司由著名国家橡胶与轮胎工程技术研究中心首席科学家王梦蛟教授领衔成立，于2013年开始针对合成橡胶湿法混炼技术进行系统研究与开发，并依据研究该技术中的物料之

39、间的混炼反应特性要求对相应的混炼设备进行优化设计，同时针对材料、工艺、设备及产业链方面进行了全面系统规划，申请了多项国家专利。1）优化设计高效分散装置及工艺，极大改善诸如炭黑、白炭黑等填充剂在水介质中的分散程度；2）针对湿法混炼后续脱水进行研究，促使炭黑与弹性体形成的复合材料实现了连续化脱水操作，大大简化脱水步骤并解决了脱水困难的问题；3）将炭黑、白炭黑生产及水分散系统形成与湿法混炼技术相结合形成一体化生产工艺，这样使得其具备以下优势：a.可借助于炭黑生产产生的二氧化碳和热量，一方面借助于二氧化碳絮凝沉降湿法混炼得到的混炼胶，另一方面借助于前者所产生的热量来干燥湿法混炼得到的混炼胶；b. 大大

40、简化工艺流程及相应设备，实现了二氧化碳与热量的循环利用，降低能耗且减少污染43。海南天然橡胶产业集团股份有限公司金联加工分公司与海南大学合作研究采用乳液湿法混炼共沉淀法制备纳米白炭黑/天然橡胶复合材料，也就是说将纳米白炭黑粒子加入天然橡胶乳胶中借助于搅拌均匀后，加入乙酸搅拌均匀静置凝固制备该复合材料，并且针对该制备工艺及得到的产品的物理性能进行系统研究。根据研究的结果可以看出制备物理性能最佳的纳米白炭黑/天然橡胶复合材料所需的偶联剂TESPT和天然橡胶乳胶的质量分数分别为10%和20%，而纳米白炭黑用量为2030质量份。2.2.3 湿法混炼橡胶技术优势在我国大力推行节能减排、循环经济的前提下，

41、橡胶混炼工序作为橡胶工业中能耗占比最高的工序与这一方面存在一定程度的违背，因此急需开发出一种新的节能混炼工艺应用于橡胶制品的加工中并加以推广，这对于我国橡胶工业的发展起到十分积极的推动作用。湿法混炼橡胶技术很大程度简化混炼的工序与设备，容易实现连续化混炼，减少生产成本，降低劳动强度，改善劳动环境，与传统混炼工艺相比节能效果十分明显，属于橡胶工业绿色制造、节能减排的重要措施。例如中国橡胶工业协会-材料研究检测中心针对多个企业提供的湿法混炼得到的混炼胶（白炭黑含量5060份）进行小试混炼能耗检测，结果可以看出相比于干法混炼得到的混炼胶能耗平均降低约30%。华南轮胎公司的湿法混炼得到的混炼胶（白炭黑

42、含量30份）借助于F370和GK270混炼，其能耗平均降低约20%。所谓绿色轮胎即实现低滚阻、低油耗、低二氧化碳排放的轮胎，为实现这一目标，需在其中加入大量的白炭黑来部分替代炭黑作为橡胶填充剂密不可分。然而白炭黑本身具有颗粒粒径极小而易发生飞扬与团聚，采用传统混炼工艺难以将其均匀的分散于橡胶中，而湿法混炼由于其在液态条件下进行配合相应混炼方法实现了这一目标，满足绿色轮胎大量添加白炭黑的需求。例如杭州中策与广州华南轮胎应用湿法混炼技术最终得到的绿色轮胎产品滚阻约下降1015%，节省油耗约为25%，生热下降约为810%。中国橡胶工业协会-材料研究检测中心针对多个企业提供的湿法混炼得到的混炼胶与干法

43、混炼得到的混炼胶进行检测对比发现，拉伸强度提升约20%，弹性约提升1020%，生热约降低2030%，门尼粘度约下降810个门尼值，其他诸如耐撕裂、耐切割等性能均有一定程度提升，磨耗性能略有下降。其原因在于湿法混炼工艺促使炭黑、白炭黑等填充剂在橡胶中分散更加均匀及湿法橡胶未经塑炼分子量高。3 橡胶混炼的产业化应用橡胶混炼的产业化应用主要在橡胶制品前段的各种橡胶配方的均匀混炼工序，也分为干法混炼的产业化应用和湿法混炼的产业化应用两大类。3.1 干法混炼的产业化应用干法混炼的产业化应用主要在橡胶制品的日常生产过程中，依据橡胶制品生产所需混炼胶的综合性能及生产过程的具体要求，将设计出的开炼机、密炼机、

44、螺杆挤出机、连续混炼机等混炼设备进行分段混炼并有序组合。意大利倍耐力公司依据市场与战略定位需要，借助于“微型工厂”的概念为基础，于2002年设计并推出的模块化综合自动化系统（MIRS），该系统采用三个工序替代传统十四道甚至更多工序，这三个工序主要包括部件制备、成型与硫化，属于低温连续混炼成型系统，主要由两台双螺杆挤出机和一台鼓式硫化机组成，第一台双螺杆挤出机主要用于各种配方物质的均匀混炼，第二台双螺杆挤出机将硫化体系的加入并与前段物料实现均匀混炼，鼓式硫化机用于轮胎的硫化成型44。在我国，传统干法混炼的产业化应用多数采用多台密炼机进行串联进行多段高温混炼，主要以高温氧化裂解为主、机械剪切为辅，

45、包括一段混炼法、二段混炼法、三段混炼法等。其中一段混炼法指一次性完成所有配合剂与橡胶的均匀混炼的过程，通常适用于针对焦烧性能好、活性配合剂含量少且硫化速度较慢的物料。该法特别需要注意各种配合剂的加入顺序、各个阶段的混炼温度与时间的控制等。二段混炼法与一段混炼法的区别在于将硫化剂、促进剂等配合剂与其他配合剂分开来加入，第二段混炼设备常用慢速密炼机、捏炼机或开炼机且在较低温度下进行。二段混炼为保证各种配合剂之间具有更好的分散性和湿润性，进而提高混炼胶的综合性能并减少其由高温引起的焦烧倾向。三段混炼法相比二段混炼法区别在于混炼胶料冷却停放一段时间后进一步补充混炼，目的为解决炭黑等填充剂的分散均匀性问

46、题。其缺点在于因需多次高温加热与冷却而造成能耗损失大、低效率、时间很长且生产成本较高等。鉴于需添加大量白炭黑用于制备低滚阻的绿色轮胎需求越来越大，传统多段混炼方法难以满足该混炼胶料的要求，因此需在此基础上进行大胆创新，开发出新的高效混炼工艺。国内推出的低温一次法混炼工艺在此基础上应运而生，该方法就是将各种配合剂与胶料置于密炼机中进行高温混炼后，在中间的开炼机加硫化体系并进行初步冷却后，依靠全自动化中央输送系统对称地分配到下阶段的多台开炼机上依次进行连续低温均匀混炼，直接得到最终所需的混炼胶。该混炼方法的原理在于最大程度增强了混炼设备的混炼元件对混合胶料的机械剪切作用，最大程度弱化其对混合胶料的

47、高温氧化裂解作用，实际操作上在于增强下辅机对于整个混炼过程的作用，真正实现了橡胶混炼的全流程全自动化控制45。大连橡胶塑料机械股份有限公司基于市场需求，创新性开发设计出辊筒最高线速度达70m/min的开炼机，这为实现低温一次法炼胶系统的高速、高效的混炼橡胶起到了极大的推动作用。石繁章等46也针对低温一次法炼胶系统中开炼机的配置及作用进行研究。益阳橡胶塑料机械集团有限公司47,48基于一次法炼胶设备技术上要求，创新性开发出国内首套由GE320E和GE590T两台密炼机组成的串联式密炼机新产品，为橡胶混炼的生产效率提升约4555%，极大提升橡胶混炼产品的均匀性。李汉青等49针对一步法炼胶技术（SS

48、M）和自动生胶准备技术（ARP）在轮胎工业中的绿色生产技术的研究，并提升其质量的控制水平，奠定了高性能且规模化轮胎生产基础。3.2 湿法混炼的产业化应用湿法混炼的产业化应用起步较晚，大多基本处理小试中试阶段，近几年逐步开始工业化生产与推广。国内首条万吨级白炭黑/天然橡胶湿法混炼连续化生产线于2015年由北京万向新元科技股份有限公司、勐腊曼庄橡胶公司、株洲安宝麟锋新材料有限公司、北京万汇一方科技发展有限公司在云南西双版纳共同建成并且通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。其主要开发了基于动态比值控制液相连续供料混合的非酸絮凝剂快速絮凝新技术、新型橡胶螺杆挤出连续脱水造粒一体机、微波连续化

49、浅层干燥新技术及新装置等，并将其集成一体化。该方法可适用于生产白炭黑（1090份）与橡胶的连续化湿法混炼。混炼产品经第三方检测机构检测及华南轮胎、八一轮胎等著名轮胎企业生产轮胎产品应用验证，结构可以看出混炼胶中白炭黑的分散度、混炼胶的强度、生热、弹性及滚阻等性能得到显著提升；使用该混炼胶生产轮胎产品的高速耐久性能得到提升，其生热、滚阻得到显著降低50,51。中策橡胶集团有限公司借助于液-液高速混合的原理，在其海南天然橡胶生产基地成功开发了一种白炭黑水分散体系与天然橡胶胶乳之间的高速混合达到均匀分散制备出白炭黑/天然橡胶混炼胶的方法。该方法主要包括1）白炭黑水分散体系的制备即将白炭黑、硅烷偶联剂

50、等相关配合剂依靠搅拌的方式均匀分散至水介质中；2）将上述制备的白炭黑水分散体系与天然橡胶胶乳依靠高速搅拌混合达到二者的均匀分散；3）将上述混合体系中加入絮凝剂进行凝固（共沉淀）；4）依次进行压滤、洗涤、脱水、烘干等步骤即可完成。相比于传统混炼工艺，其得到的最终产品诸如力学性能方面显著提升，而生热、滞后损失等方面显著降低。该工艺现已应用于该公司的轮胎日常生产，白炭黑/天然橡胶混炼胶年产3001500吨，折合可年产全钢载重子午线轮胎3万9万条52。国内首个轮胎用合成橡胶连续液相混炼新技术开发及应用示范项目于2017年由怡维怡橡胶研究院有限公司、软控股份有限公司、益凯新材料有限公司和赛轮金宇集团股份

51、有限公司共同完成开发并通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。其主要开发了分散效率高效、快速凝聚的连续液相混炼工艺及相关装置，突出体现白炭黑在合成橡胶中的分散效果进而增强白炭黑在合成橡胶中填充与补强作用。该材料应用于轮胎胎面生产的轮胎产品经世界权威汽车测试认证机构IDIADA的认证，其中轮胎抗湿滑性能达到欧盟标签法规A级标准，滚动阻力指数达到欧盟标签法规B级标准，相比于传统干法混炼生产的国际一线品牌绿色轮胎，其抗湿滑性能提高10%以上、滚动阻力降低13%以上、耐磨性能提高30%以上，同时其混炼工段节能20%以上53-55。4 结语橡胶混炼作为众多橡胶制品生产过程中最为重要的一个环节，其

52、主要是根据橡胶制品的多方面性能的市场需求及混炼工艺与设备的技术创新发展为基础，历经由干法混炼发展到湿法混炼，而其中干法混炼由间歇式混炼发展到连续式混炼。其中混炼的相关设备也历经开炼机、密炼机、挤出机、连续混炼机的发展过程。混炼的工艺技术由起初的单一混炼设备进行橡胶混炼发展到后续的多种混炼设备的组合式混炼工艺。到目前，国内外的橡胶混炼主要以干法混炼为主。鉴于橡胶工业朝着绿色、节能、高效、连续化、自动化方向发展，这必将引导橡胶混炼工艺与装备朝着更加集成化连续化清洁化智能化方向发展，橡胶混炼方法与设备的应用必将以原材料相互之间的性能关系及橡胶制品的实际需求作为依据，根据实际生产情况进行选择并优化设计

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