典型橡胶混炼全解析：工艺特点与性能影响大揭秘

橡胶的混炼就是将各种配合剂借助炼胶机机械力的作用， 将各种配合剂均匀地分散在橡胶中，以形成一个以橡胶为介质或者以橡胶与某些能和它相容的配合组分（配合剂、其它聚合物） 的混合物为介质， 以与橡胶不相容的配合剂（如粉体填料、氧化锌、颜料等） 为分散相的多相胶体分散体系的过程。对混炼工艺的具体技术要求是：配合剂分散均匀， 使配合剂特别是炭黑等补强性配合剂达到最好的分散度， 以保证胶料性能一致。混炼后得到的胶料称为“混炼胶”， 其质量对进一步加工和制品质量有重要影响。
    1· 天然橡胶的混炼
    天然橡胶是生胶塑炼的主要胶种， 用开炼机和密炼机进行塑炼均能获得良好效果。用开炼机塑炼时， 通常采用低温（40～50 ℃） 薄通（辊距0.5～1 mm） 塑炼法和分段塑炼法效果最好。用密炼机塑炼时， 温度宜在155 ℃以下， 时间约在13 min左右。塑炼时间增加， 塑炼胶的可塑性随之增大。但不要过炼， 否则可塑性变得过高而使物理机械性能下降。
    天然橡胶塑炼时常加入促进剂M 作塑解剂，来提高塑炼效果。促进剂M 对开炼机塑炼和密炼机塑炼都适用。天然橡胶塑炼后， 为使橡胶分子链得到松弛（俗称恢复疲劳） 和可塑性均匀， 需停放一定时间（4～8 h）， 才能供下道工序使用。目前国内使用的天然橡胶主要品种有： 国产烟片胶和标准胶， 进口烟片胶和马来西亚标准胶等。
    由于上述胶种的初始门尼粘度不同， 欲获得相同的可塑性， 所需的塑炼时间当然不同。其塑炼时间按长短排列的顺序为： 进口烟片胶＞国产烟片胶>国产标准胶>马来西亚标准胶。恒粘和低粘标准马来西亚橡胶、充油天然橡胶、轮胎橡胶、易操作橡胶的初始门尼粘度较低（一般小于65），可不经塑炼直接混炼。
    天然混炼胶（NR） 具有综合性好的物理机械性能， 在常温下具有很高的弹性， 弹回率可达50%～85%以上。天然胶还具有较高的机械强度，很好的耐屈挠疲劳性能， 滞后损失小， 多次变形下生热量低， 撕裂强度高， 耐磨性和耐寒性良好，以及良好的气密性、防水性、电绝缘性和绝热性。天然胶的耐碱性好， 对一般酸的抗耐性也较好，但不耐浓强酸， 并且天然胶还有很好的工艺加工性能。天然橡胶具有良好有混炼性能， 包辊性良好， 生胶强力和初粘性较高， 塑性、并用性及对配合剂的浸润性都较好， 胶料的塑性增加速度快而且生热量低。因此， 对配合剂的湿润性好， 吃粉快， 分散也比较容易； 混炼时间短， 混炼操作工艺易于掌握。但天然胶对混炼时间较敏感， 混炼时间过短， 混炼胶表面会呈现颗粒状， 造成压延挤出困难； 混炼时间过长， 又会导致过炼。开炼机混炼， 辊温在45～55 ℃之间， 前辊比后辊高5 ℃。密炼机混炼多采用一段混炼法， 排胶温度在120 ℃以下。
    2 ·丁苯橡胶的混炼
    丁苯橡胶（SBR） 又称聚苯乙烯丁二烯共聚物。其物理机构性能， 加工性能及制品的使用性能接近于天然橡胶， 有些性能如耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶更为优良， 可与天然橡胶及多种合成橡胶并用。
    丁苯橡胶在混炼时配合剂分散困难， 电能消耗大， 生热大， 胶料质量受温度的影响较大， 所以在制造丁苯橡胶胶料时， 应针对其特点而规定混炼条件。在开炼机混炼时， 较适宜的方法是将配方中的炭黑制成母炼胶直接加入， 掺用丁苯橡胶的胶料， 在未加配合剂以前， 要求丁苯橡胶和天然橡胶先混合均匀后再加入。由于丁苯橡胶对配合剂的湿润性比天然橡胶差， 故混炼时间较天然橡胶延长。以22 in （55.9 cm） 开炼机混炼胎面胶为例， 若采用炭黑母炼胶， 混炼时间为25～30 min。不采用炭黑母炼胶， 其混炼时间可适当延长。辊温不宜过高， 一般前辊55 ℃以下， 后辊50 ℃以下为宜。胶料温度在55～60 ℃左右。容量的选择视丁苯橡胶的掺用量而定， 掺30%的丁苯橡胶，其容量与天然橡胶相同； 掺50%的丁苯橡胶， 其容量可适当减少。
    丁苯橡胶混炼时生热大， 升温快， 因此混炼温度应比天然橡胶适当低些。配合剂在丁苯橡胶中较难混合分散， 故混炼时间要比天然橡胶长。用开炼机混炼包辊性较好， 但易包冷辊， 因此前辊温度应比后辊温度低5～10 ℃。需增加薄通次数和进行补充加工， 以利配合剂的均匀分散， 用密炼机混炼应采用两段混炼， 容量应小些。混炼时间过长， 可塑度变化不大， 但会产生凝胶， 影响物理机械性能。排胶温度要低于130 ℃。
    3· 顺丁橡胶的混炼
    顺丁橡胶内聚强度低， 粘附性自粘性较弱，在混炼过程中， 生胶呈破碎状， 配合剂分散不良，易发生脱辊。顺丁胶在开炼机上混炼不易压合成片， 且容易脱辊， 故宜采用小辊矩、低辊温（40～50 ℃） 混炼。为使配合剂均匀分散， 需进行补充加工， 用密炼机混炼时， 容量可增加10%， 混炼温度也可稍高， 以利于配合剂分散， 排胶温度一般在130～140 ℃， 采用两段混炼有利于分散均匀， 也可采用逆混法混炼。这样能节省40%的炼胶时间。炭黑含量大或采用高结构细粒子炭黑时， 必须采用两段混炼才能分散均匀， 也可采用逆混法混炼。
    顺丁橡胶的工艺性能与其它合成橡胶有很大区别， 在一般加工温度范围内（50～140 ℃） 基本上不产生力化学降解和热氧化降解， 与炭黑混合时会形成坚硬的结构， 生胶及胶料内聚强度低，粘附性和自粘性较弱， 在混炼过程中生胶呈破碎状， 配合剂分散不良易发生脱辊， 所以一般需与天然橡胶和丁苯橡胶等并用。顺丁橡胶品种不同，混炼特性也不同， 高顺式类型的混炼特性较好，包括有较好的包辊性和分散性， 开炼时的辊温宜低于天然橡胶， 以40～50 ℃较为理想。中顺式要求温度更低一些。低顺式顺丁橡胶因无法结晶故加工性能较好。顺丁橡胶的硫磺用量要低于其它二烯类橡胶。这是因为硫磺在顺丁橡胶中的迁移较快， 易产生喷霜现象。顺丁橡胶应以两段混炼法为主。采用两段混炼， 能明显改善胶料工艺性能和硫化胶的物理机械性能。采用一段混炼时，输送带覆盖胶可塑度为0.33； 采用两段混炼时为0.38， 当可塑度为0.2～0.25 时就会产生脱辊现象。用两段法制备的胶料， 其硫化胶拉伸强度也有所提高。软化剂应在炭黑分散后加入， 这样能提高硫化胶的拉伸强度和定伸应力。在密炼机中先将顺丁橡胶与丁苯橡胶混合， 然后加入其它配合剂，并不能明显改善胶料和硫化胶性能。若将生胶和炭黑同时兑入， 然后加软化剂， 则可提高定伸应力和拉伸强度。
    4 ·丁基橡胶的混炼
    丁基橡胶在生产中进行混炼时， 一般都采用引料法（即待引胶料包辊之后再加入生橡胶和配合剂） 和薄通法（即将配方中的一半生橡胶用冷辊及小辊距反复薄通， 待其包辊后再加入另一半生橡胶）。混炼胶的温度一般控制在40～60 ℃ （前辊温度应比后辊温度低10～15 ℃）； 速比不宜超过1∶1.25， 否则空气易于卷入胶料中引起制品起泡。配合剂应分批少量加入， 在配合剂完全吃净混入之后才能切割。丁基橡胶采用密炼机混炼时， 可采用一段混炼和二段混炼以及逆混法。装胶容量可比天然橡胶稍大一些（大5%～10%）； 混炼过程中， 尽可能在初期就加入补强填充剂， 以产生最大的剪切力和较好的混炼效果； 混炼时间比天然橡胶长30%～50%； 混炼的温度通常控制在： 一段混炼排胶温度121 ℃以下， 二段混炼排胶温度为155 ℃左右。高填充胶料在密炼机混炼时易出现压散现象， 即粒化现象。其处理方法是增大装胶容量或者采用逆混法。为了改善丁基橡胶的混炼效果， 提高结合橡胶的比例， 可对混炼胶胶料进行“热处理”， 即将“热处理” 剂（如对二亚硝基苯） 1.0～1.5 份加入丁基橡胶之中， 并使之均匀，然后在高温下进行处理。丁基橡胶的混炼胶的“热处理” 分为动态和静态两种， 前者是在密炼机上与第一段混炼同时进行， 工艺温度为120～200 ℃；后者是直接置于蒸汽或热空气中2～4 h。
    丁基橡胶的内聚强度低， 自粘性差， 包辊性差。另外， 其饱和度高， 与其它橡胶在工艺上不相容， 在没有专用混炼设备时混炼加工前后必须彻底清洗机台， 以免混入其它生胶， 影响胶料质量。丁基橡胶混炼时， 配合剂分散困难。开炼机混炼时， 采用引料法（即待引料胶包辊后再加生胶和配合剂） 或薄法， 将配方中一半生胶以小辊矩反复薄通， 待包辊后再加入另一半。用密炼机混炼时， 装胶容量比天然橡胶大10%～20%， 混炼温度在150 ℃为好， 当填料多时也可采用两段混炼法和逆混炼法。丁基橡胶易包冷辊， 因此后辊温度比前辊应高10 ℃左右。丁基橡胶的冷流性较大， 配合剂分散困难， 不易包辊， 橡胶制品在开炼机混炼时可用引料法（即从前次炼好的同样胶料上取一小块包于辊筒上， 然后加入丁基橡胶和配合剂） 或用薄通法（即将配方中一半生胶以小辊距反复薄通， 待包辊后再加入另一半）。
    5 ·氯丁橡胶的混炼
    氯丁橡胶均以乳液聚合法生产， 生产工艺流程多为单釜间歇聚合。聚合温度多控制在40～60 ℃，转化率则在90%左右。聚合温度、最终转化率过高或聚合过程中进入空气均会导致产品质量下降。生产中用硫磺－秋兰姆（四烷基甲氨基硫羰二硫化物） 体系调节相对分子质量。硫磺－秋兰姆体系的主要缺点在于硫键不够稳定， 这是影响贮存性的重要原因之一。若用硫醇调节相对分子质量则可改善此种性能。氯丁橡胶与一般合成橡胶不同，它不用硫磺硫化， 而是用氧化锌、氧化镁等硫化。
    氯丁橡胶的加工性能取决于未硫化胶的粘弹行为， 而其粘弹行为与氯丁胶的品种及温度有关。由于混炼一般是在弹性状态下进行， 以利用胶料弹性态的剪切力作用使填料分散良好。因此氯丁胶混炼时为避免高温的影响， 应尽早加入填料，以便在弹性态下达到一定程度的混入。用开炼机混炼时， G 型氯丁橡胶对温度变化敏感， 辊温超过70 ℃时便严重粘辊， 并呈粘流态， 配合剂不易分散。用密炼机混炼时其容量要适当缩小， 一般填充系数以0.6 为宜， 一般分两段混炼， 以尽量降低混炼温度。排胶温度要低于100 ℃。
    氯丁橡胶在使用开炼机混炼时的缺点是生热大， 比较容易粘辊， 易焦烧， 配合剂分散较慢，因此混炼温度不宜过高， 容量宜小， 辊筒速比也不宜大。由于对温度的敏感性强， 通用型氯丁橡胶在常温到71 ℃时， 便呈现粒状态， 此时生胶内聚力减弱， 不仅严重粘辊， 配合剂分散也会很困难。非硫调节型氯丁橡胶的弹性状态温度在79 ℃以下， 所以混炼工艺性能比硫磺调节型好， 粘辊倾向和焦烧倾向较小。用开炼机混炼时， 为避免粘辊， 辊温一般控制在40～50 ℃以下（前辊比后辊温度低5～10 ℃）， 并且在生胶捏炼时， 辊距要逐渐由大到小调节。混炼时先加入吸酸剂氧化镁，以防焦烧， 最后加入氧化锌。为了减少混炼生热，炭黑和液体软化剂可分批次交替加入。硬脂酸和石蜡等操作助剂可分散的逐渐加入， 这样既可帮助分散， 又可防止粘辊。硫磺调节型氯丁橡胶在开炼机的混炼时间一般比天然橡胶长30%~50%，非硫磺调节型混炼时间可比硫磺调节型短20%左右。为了避免氯丁橡胶在开炼机混炼时的升温过快， 速比小于1∶1.2 以下， 冷却效果会好些。减少炼胶容量也是保障操作安全， 分散良好的办法。目前， 国内硫磺调节型氯丁橡胶的炼胶容量比天然橡胶应少20％～30%， 方可正常操作。由于氯丁橡胶易焦烧， 故在使用密炼机混炼时通常采用二段混炼法。混炼温度应较低（排料温度一般控制在100 ℃以下）， 装胶容量比天然橡胶低（容量系数一般取0.50～0.55）， 氧化锌在第二段混炼时的压片机上加入。针对氯丁橡胶混炼易焦烧难分散的问题， 利拿密炼机采用国内最先进的四菱双转子同向运转， 结合密炼机上顶栓呈“X” 曲线运动， 分散效果好， 时间短， 可有效降低氯丁橡胶在混炼加工时的焦烧现象。
    6 ·乙丙橡胶的混炼
    乙丙橡胶也可用普通炼胶设备加工， 但因乙丙橡胶塑炼效果特别差， 缺乏粘性， 橡胶不易包辊， 一般先采用窄辊距， 待形成连续片状后再放宽辊距进行混炼加工。辊温为前辊50～60 ℃， 后辊60～70 ℃为宜。三元乙丙橡胶的加料顺序一般为： 生胶包辊—1 ／ 2 炭黑—1 ／ 2 炭黑—硬脂酸—氧化锌（或氧化镁） —促进剂—交联剂—薄通、下片。乙丙橡胶混炼时不易发生过炼， 配合剂分散均匀， 但自粘性差。乙丙橡胶用开炼机混炼， 一般先采用小辊矩使其连续包辊后， 再逐步放宽辊矩，加入配合剂， 辊温在60～70 ℃之间。采用密炼机混炼宜采用高温， 混炼温度在150～160 ℃有助于填充剂和软化剂的分散及力学性能的提高。装胶容量可比其它胶料高10%～15%。
    7 ·丁腈橡胶的混炼
    丁腈橡胶混炼工艺性能差， 混炼时发热量大，易脱辊， 对粉状配合剂的湿润能力差， 配合剂难于分散。炭黑用量大时， 会使胶料升温快而易于焦烧。丁腈橡胶在开炼机上混炼时， 应采用低温、小容量、小辊距慢加料的操作方法， 以促进配合剂的均匀分散。若用密炼机混炼， 应加强混炼室冷却， 炭黑和酯类软化剂要分批交替加入， 排胶温度不得高于130 ℃。硫磺在丁腈胶中的溶解度比较低， 混合分散困难， 应在混炼开始时加入。丁腈橡胶中丙烯腈含量有42%～46%、36%～41%、31%～35%、25%～30%、18%～24%等5 种。丙烯腈含量越多， 耐油性越好， 但耐寒性则相应下降。
    8· 硅橡胶的混炼
    硅橡胶分热硫化型（ 高温硫化硅胶HTV） 、室温硫化型（RTV）， 其中室温硫化型又分缩聚反应型和加成反应型。
    硅橡胶不经塑炼即可混炼， 一般均采用开炼机操作。混炼中要保持低辊温（不超过50 ℃），短时间。生胶加入时先包前（慢） 辊， 混炼吃粉时转包后辊， 所以宜两面操作。包辊后即可加入配合剂， 待混合均匀， 胶料全部包辊及表面光滑即可。硅橡胶质地柔软， 混炼切割时要用腻子刀。混炼后的胶料要经过一定时间（＞24 h） 停放， 以利于配合剂分散， 使用前必须经过回炼。混炼胶宜随炼随用， 时间过久， 硫化胶性能会降低。
    9· 氟橡胶的混炼
    氟橡胶门尼粘度高、刚性大， 磨擦生热大，一般混炼加工比较困难。开炼机混炼氟橡胶时，要小辊距， 少容量， 辊温控制在50～60 ℃。混炼开始， 先使辊筒冷却， 加入生胶薄通10 次左右，形成均匀的包辊胶， 调节辊矩保持少量堆积胶，然后加入配合剂， 混炼时间通常不做严格规定，但要求尽可能快速。氟橡胶较难采用密炼机混炼，但啮合型密炼机冷却系统较强， 可以混炼氟橡胶。混炼的胶料要应停放24 h 后才能使用， 使用前必须经过回炼， 使配合剂分散均匀， 提高胶料的流动性和自粘性。
    10 ·丙烯酸酯橡胶的混炼
    聚丙烯酸脂橡胶门尼粘度较低， 可不塑炼直接进行混炼。开炼机混炼时易粘辊， 同时包前后辊造成操作困难。因此， 辊温较低（30～50 ℃）有利防粘辊， 也有利配合剂分散。因该胶包快速辊或高温辊， 故前辊温度高些。辊距在2～3 mm左右， 薄通1～2 次， 加配合剂， 混炼中配合剂分散良好。密炼机混炼时无粘辊之虞， 且能缩短混炼周期， 但宜采低速混炼。
    ACM 胶料不需塑炼， 直接进行混炼。混炼时有可能粘辊或脱辊。应避免辊温过高， 可开足冷却水。装胶量不可过高， 为额定量的一半左右较合适。把辊距打到最小位置， 把硬脂酸压在辊筒上， 然后调到正常炼胶辊距。加入生胶， 包辊并保持适当积胶； 加入防老剂等小料； 加入炭黑等填料， 把落入接料盘的填料等重新加到辊筒上，直到完全混入胶中。填料加完后， 可把胶割下翻炼， 打包卷。如果粘辊不好割下， 可停车割下，以后就不会粘辊了。胶料割下后薄通5～10 次， 尽量混合均匀。薄通完成后， 如果辊温和胶温都不太高， 把辊距调到合适位置， 使辊筒上有适量积胶， 再加入硫化剂。硫化剂加完后， 薄通打包，尽量混合均匀。加硫化剂时， 如果辊温过高， 胶料易焦烧（提前自硫化）。但如果辊温过低， 又不利于硫化剂硬脂酸钠、钾等融化分散。一般控制温度在40～70 ℃左右为宜。加入硫化剂混合均匀后，出片冷却。混炼胶存放1～24 h 后， 返炼一次， 即可使用。加有硬脂酸钠、钾的胶料存放期可在一个月左右。而加有硬脂酸钠、钾又加有0.5 份3 号硫化剂的胶料在3 天内用完为宜， 否则可能焦烧。胶料在硫化时装模要快， 以防胶料在高温模具中提前硫化， 造成缺胶或产生气泡、裂口。特别是组合模操作更应注意。装模完成后， 加压时可慢些， 以防加压太快胶料未充满模腔而被压出模外造成缺胶。加压后快速排气1～2 次。胶料在混炼时， 储存时或硫化操作时如果发生焦烧现象， 会使硫化胶在搭头部分产生裂口， 或在胶中间留下较大气泡， 严重时会在胶面出现流痕， 表面粗糙不平， 还会影响骨架粘结。用硅烷偶联剂处理白炭黑时， 可在混炼时加完白炭后再加硅烷， 也可把硅烷加入白炭中后再混炼。
    11· 结束语
    只要更多了解常用典型橡胶的独特性能， 充分利用其混炼的工艺特点， 更好地解决废橡胶的回收再生利用问题， 降低橡胶的生胶价格， 典型橡胶应用领域和需求量将会取得更大的发展。