CN102825674A - 一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置及方法 - Google Patents

一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置及方法涉及橡胶复合材料的加工装置和技术工艺领域。整个装置由一套密炼机组和1~10套螺杆挤出机组组合搭配而成；其中每一套螺杆挤出机组由1台螺杆挤出机或2~10台通过机头侧向首尾对接的螺杆挤出机串联而成。采用多阶螺杆挤出机的连续挤出代替密炼机的多段混炼，利用了螺杆挤出机比密炼机更好的控温性，使经密炼机一次混炼后的胶料能够在螺杆挤出机中处于恒定的温度下进行硅烷偶联剂对白炭黑表面的原位改性处理，生产效率明显提高，更有利于胶料在后续生产工艺中的成型加工。

Description

一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置及方法
技术领域：
本发明涉及橡胶复合材料的加工装置和技术工艺领域，具体涉及一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置及方法。
背景技术：
白炭黑与炭黑一样，是橡胶材料最重要的补强填料之一。近年来，随着“绿色轮胎”的出现和推广，白炭黑补强的橡胶材料引起了学术和工业界的广泛重视。与目前所广泛使用的炭黑补强橡胶材料相比，采用白炭黑补强的橡胶材料具有更加优异的动态性能，能够降低油耗并提高轮胎的抗湿滑性能。不同于炭黑的非极性石墨化微晶表面，白炭黑表面具有很强的极性和氢键形成能力，导致其与非极性的烃类橡胶之间的相互作用非常弱。因此，橡胶工业中往往使用硅烷偶联剂对白炭黑表面进行有机化改性，偶联剂通过硅烷化反应与白炭黑表面结合，在降低填料-填料相互作用的同时增加填料与橡胶基体间的相互作用，从而实现白炭黑补强胶料动态性能的改善。
密炼机是目前橡胶加工工艺中十分简便和高效的混炼系统，随着近期国内新型“绿色轮胎”工业化量产的实现，完全采用高用量白炭黑填充橡胶胶料的密炼机混炼技术已非实验性操作。然而，这一密炼机混炼过程却由于白炭黑与硅烷偶联剂的硅烷化反应而变得十分复杂。一方面，硅烷偶联剂与白炭黑间的硅烷化反应需要在较高且相对稳定的反应温度下进行，以确保硅烷化反应有高的反应效率；另一方面，硅烷化反应需要较长的反应时间以保证白炭黑表面的充分改性。对于密炼机混炼技术，要同时实现上述两方面的工艺要求是十分困难的。这是因为未充分改性的白炭黑混炼胶的加工粘度过大，而大型密炼机的传散热效果不佳，大容量胶料在密炼机较大的剪切力作用下，会导致胶料温度迅速上升而使得温度难以有效控制，在这种情况下，若保持较长的混炼时间必然会导致胶料过度氧化降解的发生。为了避免这一状况，工业生产中常采用密炼机多段混炼（6~8段）工艺，即通过高温下短时间的混炼来防止胶料温升过快，通过多次混炼以达到充分硅烷化反应的目的。但是，这种多段混炼的方法不仅加大了工艺控制难度，而且由于每一段混炼时胶料的升降温过程而大大延长了整个胶料的混炼时间，生产效率低下。
因此，为高填充白炭黑补强胶料寻找一种更加简单且高效的新型混炼加工工艺对整个橡胶工业的发展意义重大。
发明内容：
本发明提供一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置及方法。
考虑到在聚合物加工装备中，螺杆挤出机的连续化程度高，传散热的效果好，温度可控性强，故提出了一种采用密炼+螺杆挤出机原位混炼改性的工艺方法。又考虑到胶料在螺杆挤出机中的停留时间较短而可能不能满足原位反应时间需要的事实，故提出了串联螺杆挤出机的思路。
本发明所提出的面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置，整个装置由一组密炼机组和1~10套螺杆挤出机组组合搭配而成；其中每一套螺杆挤出机组由1台螺杆挤出机或2~10台通过机头侧向首尾对接的螺杆挤出机串联而成。整套装置组成及排列如图1所示。
为避免混炼胶在螺杆挤出过程中因剪切过大而造成焦烧，本发明所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机或异向平行双螺杆挤出机。螺杆的长径比为10~40，直径为100~300 mm。所选螺杆挤出机组的套数和串联螺杆挤出机的台数根据密炼机的容积和螺杆挤出机的参数进行匹配。
一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出方法，将质量分数为100 份的生胶、60~100份的白炭黑、2~12份偶联剂、防老剂、增塑剂和硫化促进剂经密炼机混炼3~5分钟后排料，排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并同时被分割为多条尺寸相同的连续胶条，其中胶条的数量与串联的螺杆挤出机组的套数相同，最后将胶条喂入与之对应的螺杆挤出机组中并被连续挤出为混炼胶胶条，挤出温度为140~160oC，胶料在每一套串联螺杆挤出机组中的停留时间与密炼机排料时间保持一致。
本发明所述生胶为天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）和顺丁橡胶（BR）的一种或多种并用。
本发明提出的面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置及方法与单一使用密炼机的多段混炼工艺相比具有以下优势：
（1）采用多阶螺杆挤出机的连续挤出代替密炼机的多段混炼，利用了螺杆挤出机比密炼机更好的控温性，使经密炼机一次混炼后的胶料能够在螺杆挤出机中处于恒定的温度下进行硅烷偶联剂对白炭黑表面的原位改性处理；
（2）本发明提出的连续挤出装置和加工方法使得对高填充白炭黑胶料连续高效的混炼加工成为可能。采用密炼机多段混炼工艺完成对高填充白炭黑胶料的混炼至少需要25~30分钟，而采用本发明所述的加工方法仅需3~5分钟，生产效率明显提高。
（3）在相同的白炭黑填充量下，采用本发明提出的加工方法得到的白炭黑混炼胶的门尼粘度值不高于密炼机多段混炼法制备的胶料所能达到的最低门尼粘度值，因而更有利于胶料在后续生产工艺中的成型加工。
附图说明
图1 面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置图
（1. 密炼机组； 2. 切割后的胶条； 3. 串联的螺杆挤出机组）
具体实施方式
实施例1：
整套装置由1套容积为100升的密炼机组（包括密炼机、大口锥形双螺杆挤出机和压延/切割机）和10套异向平行双螺杆挤出机组组成，其中，每套异向平行双螺杆挤出机组由1台异向平行双螺杆挤出机组成。每台挤出机组单个螺杆的直径为100 mm，长径比为40。
加工流程如下所述：首先将质量分数为100份的丁苯橡胶（SSBR5025）、60份白炭黑（VN3）、2份硅烷偶联剂（Si69）、3份氧化锌、2份硬脂酸、2份防老剂4010NA、37份芳烃油、2份促进剂CZ和2份促进剂D置于上述密炼机中混炼5分钟后排料，排料量为70kg/车。排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并同时被分割为10条尺寸相同的连续胶条，分割后的胶条分别向所对应的异向平行双螺杆挤出机组输送胶料。胶料在每套异向平行双螺杆挤出机组中的停留时间（即原位改性热处理时间）为5分钟，螺杆转速为80转/分钟，机筒温度为140oC。最终胶料被连续挤出为混炼胶胶条。
经密炼机6段混炼后的混炼胶门尼粘度值为79，经本发明所述连续挤出的混炼胶的门尼粘度值为67。
实施例2：
整套装置由1套容积为400升的密炼机组和7套异向平行双螺杆挤出机组组成，其中，每套异向平行双螺杆挤出机组由6台异向平行双螺杆挤出机侧向首尾串联而成组成。每台挤出机组单个螺杆的直径为350 mm，长径比为10。
加工流程如下所述：首先将质量分数为100份的天然橡胶（云标1#）、100份白炭黑（VN3）、12份硅烷偶联剂（Si69）、5份氧化锌、2份硬脂酸、2份防老剂（4010NA）、15份芳烃油、0.5份促进剂（CZ）和2份促进剂D置于上述密炼机中混炼3分钟后排料，排料量为350kg/车。排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并同时被分割为7条尺寸相同的连续胶条，分割后的胶条分别向所对应的异向平行双螺杆挤出机组输送胶料。胶料在每套异向平行双螺杆挤出机组中的停留时间（即原位改性热处理时间）为3分钟，螺杆转速为50转/分钟，机筒温度为160oC。最终胶料被连续挤出为混炼胶胶条。
经密炼机8段混炼后的混炼胶门尼粘度值为88，经本发明所述连续挤出的混炼胶的门尼粘度值为75。
实施例3：
整套装置由1套容积为400升的密炼机组和5套异向平行双螺杆挤出机组组成，其中，每套异向平行双螺杆挤出机组由3台异向平行双螺杆挤出机侧向首尾串联而成组成。每台挤出机组单个螺杆的直径为300mm，长径比为20。
加工流程如下所述：首先将质量分数为90份的丁苯橡胶（SSBR502）、10份顺丁橡胶（BR9000）、70份白炭黑（VN3）、5份硅烷偶联剂（Si69）、5份氧化锌、2份硬脂酸、2份防老剂（4010NA）、15份芳烃油、0.5份促进剂（CZ）和2份促进剂D置于上述密炼机中混炼5分钟后排料，排料量为350kg/车。排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并同时被分割为5条尺寸相同的连续胶条，分割后的胶条分别向所对应的异向平行双螺杆挤出机组输送胶料。胶料在每套异向平行双螺杆挤出机组中的停留时间（即原位改性热处理时间）为5分钟，螺杆转速为60转/分钟，机筒温度为150oC。最终胶料被连续挤出为混炼胶胶条。
经密炼机7段混炼后的混炼胶门尼粘度值为75，经本发明所述连续挤出的混炼胶的门尼粘度值为65。
实施例4：
整套装置由1套容积为100升的密炼机组和1套单螺杆挤出机组组成，其中，每套单螺杆挤出机组由6台单螺杆挤出机侧向首尾串联而成组成。每台挤出机组单个螺杆的直径为200mm，长径比为15。
加工流程如下所述：首先将质量分数为80份的丁苯橡胶（SSBR5025）、10份天然橡胶（云标1#）、10份顺丁橡胶（BR9000）、80份白炭黑（VN3）、8份硅烷偶联剂（Si69）、5份氧化锌、2份硬脂酸、2份防老剂（4010NA）、15份芳烃油、0.5份促进剂（CZ）和2份促进剂D置于上述密炼机中混炼3分钟后排料，排料量为70kg/车。排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并向所对应的单螺杆挤出机组输送胶料。胶料在每套单螺杆挤出机组中的停留时间（即原位改性热处理时间）为3分钟，螺杆转速为60转/分钟，机筒温度为160oC。最终胶料被连续挤出为混炼胶胶条。
经密炼机8段混炼后的混炼胶门尼粘度值为83，经本发明所述连续挤出的混炼胶的门尼粘度值为76。
实施例5：
整套装置由1套容积为400升的密炼机组和2套单螺杆挤出机组组成，其中，每套单螺杆挤出机组由4台单螺杆挤出机侧向首尾串联而成组成。每台挤出机组单个螺杆的直径为250mm，长径比为20。
加工流程如下所述：首先将质量分数为80份的丁苯橡胶（SSBR5025）、20份天然橡胶（云标1#）、70份白炭黑（VN3）、7份硅烷偶联剂（Si69）、5份氧化锌、2份硬脂酸、2份防老剂（4010NA）、15份芳烃油、0.5份促进剂（CZ）和2份促进剂D置于上述密炼机中混炼3分钟后排料，排料量为350kg/车。排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并同时被分割为2条尺寸相同的连续胶条，分割后的胶条分别向所对应的单螺杆挤出机组输送胶料。胶料在每套单螺杆挤出机组中的停留时间（即原位改性热处理时间）为3分钟，螺杆转速为55转/分钟，机筒温度为140oC。最终胶料被连续挤出为混炼胶胶条。
经密炼机7段混炼后的混炼胶门尼粘度值为72，经本发明所述连续挤出的混炼胶的门尼粘度值为66。
实施例6：
整套装置由1套容积为100升的密炼机组和1套单螺杆挤出机组组成，其中，每套单螺杆挤出机组由6台单螺杆挤出机侧向首尾串联而成组成。每台挤出机组单个螺杆的直径为300mm，长径比为18。
加工流程如下所述：首先将质量分数为100份顺丁橡胶（BR9000）、60份白炭黑（VN3）、4份硅烷偶联剂（Si69）、5份氧化锌、2份硬脂酸、2份防老剂（4010NA）、15份芳烃油、0.5份促进剂（CZ）和2份促进剂D置于上述密炼机中混炼5分钟后排料，排料量为350kg/车。排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并向所对应的单螺杆挤出机组输送胶料。胶料在每套单螺杆挤出机组中的停留时间（即原位改性热处理时间）为5分钟，螺杆转速为45转/分钟，机筒温度为150oC。最终胶料被连续挤出为混炼胶胶条。
经密炼机6段混炼后的混炼胶门尼粘度值为75，经本发明所述连续挤出的混炼胶的门尼粘度值为69。

Claims (5)

1.一种面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出装置，其特征在于：整个装置由一套密炼机组和1~10套螺杆挤出机组组合搭配而成；其中每一套螺杆挤出机组由1台螺杆挤出机或2~10台通过机头侧向首尾对接的螺杆挤出机串联而成。
2.根据权利要求1所述装置，其特征是：所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机或异向平行双螺杆挤出机。
3.根据权利要求1所述装置，其特征是：所述螺杆挤出机中螺杆的长径比为10~40，直径为100~300 mm。
4.应用权利要求1所述装置的面向高填充白炭黑原位改性混炼的连续挤出方法，其特征在于：将质量分数为100 份生胶、60~100份白炭黑、2~12份硅烷偶联剂、防老剂、增塑剂和硫化促进剂经密炼机混炼3~5分钟后排料，排出的混炼胶首先通过密炼机组的大口锥形双螺杆挤出机挤出胶料，然后经过密炼机组的压延机出片并同时被分割为多条尺寸相同的连续胶条，其中胶条的数量与串联的螺杆挤出机组的套数相同，最后将胶条喂入与之对应的螺杆挤出机组中并被连续挤出为混炼胶胶条，挤出温度为140~160oC，胶料在每一套串联螺杆挤出机组中的停留时间与密炼机排料时间保持一致。
5.根据权利要求4的方法，其特征是：生胶为天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶的一种或多种并用。
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