CN117734052A - 一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于橡胶复合材料成型加工技术领域，公开了一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法及设备，利用失重式连续喂料设备和液体喂料泵，将橡胶复合材料的橡胶基体、填料、增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂等各组分连续在线喂入到由动力传动系统、喂料系统、挤压系统、温控系统以及物料前处理系统等组成的橡胶复合材料连续混炼设备中，在该设备中橡胶复合材料受到脉动正应力作用，其体积不断地被压缩释放，从而迫使橡胶复合材料的各组分能够快速在橡胶基体中分散和分布混合。本发明具有传质传热效率高、热机械历程短、混合分散效果好、剪切生热低、橡胶复合材料性能优异以及可连续化混炼等优势。

Description

一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法及设备

技术领域

本发明属于橡胶复合材料成型加工技术领域，尤其涉及一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法及设备。

背景技术

橡胶复合材料因独特的高弹性而被广泛应用于交通运输、航空航天、海洋装备、建筑行业、电子电器等领域，使得橡胶工业成为国民经济的基础产业。橡胶复合材料的混炼是极其复杂的物理化学变化过程。目前橡胶加工业普遍采用分阶段、分工序及分批次的间歇式混炼工艺，存在混炼周期长、劳动强度大、生产效率低、环境易污染、单位能耗大、批次均一性差等缺点。随着能源问题的日益突出和高性能橡胶制品的迫切需求，研发高效率、低能耗、连续性的橡胶混炼加工革新技术和装备迫在眉睫。目前国内外少许橡机制造企业通过串联组合现有间歇式混炼设备实现了橡胶混炼过程的部分工序连续混炼，但其本质仍然是以强剪切形变流场为主导的间歇式混炼方式，没有从混合混炼原理上进行颠覆性的创新。以剪切形变流场为主导的橡胶混炼设备为了获得纳米填料均匀分散分布的混炼胶不得不延长混炼时间、增加混炼工序，从而导致加工效率低、能耗高、橡胶分子链断链严重，然而过多的降低橡胶分子量会损害橡胶制品的物理机械性能。因此开发橡胶混炼新技术和装备，革新现有以剪切形变流场为主导的加工原理，突破现存橡胶混炼加工技术瓶颈，发展高性能橡胶复合材料高效连续混炼制备新技术和新装备。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前橡胶加工业普遍采用分阶段、分工序及分批次的间歇式混炼工艺，存在混炼周期长、劳动强度大、生产效率低、环境易污染、单位能耗大、批次均一性差等缺点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法及设备，利用失重式喂料技术实现橡胶复合材料各组分的连续加料，再利用混炼设备的脉动正应力作用实现橡胶复合材料的高效、低温、连续混炼，进而有效解决橡胶复合材料现有加工技术难点。

本发明是这样实现的，一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法，利用连续喂料技术将橡胶复合材料的基体胶、填料、增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂等各组分分成三组以上分别由一个或多个喂料口按照配比喂入连续混炼设备中；两个偏心拓扑螺杆在连续混炼设备中进行由内而外的异向旋转，两者彼此啮合，对橡胶复合材料施加脉动正应力作用，从而对橡胶复合材料进行塑化、混炼、输运和挤出；橡胶复合材料在脉动正应力作用下体积不断地被压缩释放，从而迫使橡胶复合材料的各组分能够快速在橡胶基体中分散和分布混合，可极大提高热质传递效率；拓扑螺杆的偏心旋转还能够极大弱化加工过程中的剪切作用力，避免过高的剪切生热，使橡胶复合材料处于低温混炼。

进一步，橡胶复合材料的配方组成包括：100份橡胶基体，10-70份填料，1-20份增塑剂，1-10份防老剂，0.5-5份硫化剂，1-15份促进剂。

进一步，橡胶复合材料的橡胶基体包括但不限于天然橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶等天然或合成橡胶中的一种或一种以上，形状为块状或颗粒状。

进一步，填料为炭黑、白炭黑、蒙脱土、石墨、碳酸钙、碳酸镁、玻璃纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等中的一种或一种以上，形状为粉状或纤维状；增塑剂包括但不限于环氧大豆油、石蜡、硬脂酸、树脂，形状为颗粒状、粉状或液体状；硫化剂包括但不限于硫磺或过氧化物，为粉状；防老剂包括但不限于防老剂RD、防老剂D、防老剂MB等，形状为粉末状或颗粒状；促进剂包括但不限于氧化锌、促进剂DZ、促进剂DM、促进剂TMTD等，形状为粉末状。

进一步，施加在橡胶复合材料连续混炼过程中的脉动正应力大小随不同橡胶复合材料的橡胶基体粘度以及填料和增塑剂含量不同有所变化，最大压力范围为0.1～60MPa。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备，包括动力传动系统、喂料系统、挤压系统、温控系统以及物料前处理系统，挤压系统由两根螺杆和机筒所组成，其特征在于：螺杆外表面为连续变化的拓扑结构，由螺旋段和平直段所组成，横截面为偏心圆，机筒内部开设“∞”形光孔，其上开设有三级喂料口和一个脱挥口，两螺杆安装于机筒内孔中，且彼此啮合，异向旋转；动力传动系统由电机、联轴器和动力分配器所组成，其特征在于：电机通过联轴器将动力输入到动力分配器，动力分配器的输出轴有两根，两根输出轴所输出的转速相同、旋向相反，两根螺杆与动力分配器的两输出轴相连；喂料系统由第一喂料机、第二喂料机、第三喂料机、第四喂料机以及第五喂料机所组成，其特征在于第一喂料机、第二喂料机和第三喂料机的出料口位于机筒第一喂料口的上方，第五喂料机的出料口与机筒第二喂料口相连接，第四喂料机的出料口位于机筒第三喂料口的上方，温控系统由模温机、机筒内部温控介质流道、冷却水套和工业冷水机等组成，机筒内部开设流道，模温机与机筒内流道相连通，在机筒外周靠近挤出口位置安装有冷却水套，冷却水套与工业冷水机相连；物料前处理系统由破碎机和粉料混合机所组成，破碎机位于第一喂料机的前端工序，粉料混合机位于第三喂料机的前端工序。

进一步，电机与动力分配器通过联轴器进行连接；机筒通过法兰盘固定连接在动力分配器上；两根螺杆与动力分配器的两输出轴通过花键进行连接。

进一步，第一喂料机、第二喂料机、第三喂料机和第四喂料机均采用螺杆喂料机，且均为失重式喂料方式；第五喂料机为齿轮泵、隔膜泵或蠕动泵中的一种，也可采用失重式喂料方式。

进一步，螺杆转速范围为0～200转/分钟，温控系统控温范围为25～150℃，温控精度为±2℃。

进一步，工作过程包括以下步骤：

(1)将块状橡胶基体由破碎机破碎成颗粒状，再投入到第一喂料机的喂料斗内；将一种填料或填料的一部分投入到中第二喂料机的料斗中；将粉状或颗粒状增塑剂、硫化剂、防老剂、促进剂等组分由粉料混合机混匀后形成混合粉料，再将该混合粉料投入到第三喂料机的料斗中；将一种填料或填料的剩余部分投入到第四喂料机的料斗中；将液体组分投入到第五喂料机的储料仓中；

(2)设定第一螺杆和第二螺杆的转速，依次启动第一喂料机、第二喂料机、第三喂料机和第五喂料机，分别将橡胶基体、部分填料、增塑剂、硫化剂、防老剂、促进剂以及液体组分喂入机筒内，进行塑化、混炼和输运；

(3)待物料被输运至第三喂料口处时，再启动第四喂料机，将剩余填料喂入机筒内；在第一螺杆和第二螺杆的啮合转动下，物料不断受到螺杆与机筒之间以及两螺杆之间对其施加的脉动正应力作用，从而快速完成塑化、混合。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明提出的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法及设备，通过设置物料前处理系统和连续喂料系统能够实现橡胶复合材料所有组分按照配比连续在线加注到基于脉动正应力作用的挤出机，胶料在挤出机内两彼此啮合的拓扑螺杆的偏心转动下，体积不断地被压缩释放，从而迫使橡胶基体能够被快速塑化，其他各组分也能够高效在橡胶基体中分散和分布混合，避免了强剪切作用，降低了剪切生热，在螺杆的快速转动下，胶料被连续混炼、输送和挤出，进而实现了橡胶复合材料的一步法连续混炼。本发明方案具有热机械历程短、能耗低、传质传热效率高、混合分散效果好以及连续化和自动化生产的优点。本发明实现了橡胶复合材料从原材料到终炼胶一步法连续混炼，具有连续化、自动化、效率高、能耗低、混合分散效果好等优点。

第二，本发明通过创新的混炼方法和设备设计，有效解决了传统橡胶复合材料混炼过程中的效率低、热量控制不足等问题，提高了混炼效率和材料质量，具有显著的技术进步和实际应用价值。

提高混炼效率：通过脉动正应力作用，橡胶复合材料的各组分能够更快速地在橡胶基体中分散和混合，极大提高了热质传递效率，从而提高了混炼效率。

改善材料质量：由于减少了过高的强剪切作用力和剪切生热，橡胶复合材料能在较低温度下混炼，且降低了橡胶分子链的断裂，有助于保持材料的质量和稳定性。

节能降耗：通过优化混炼过程，本发明方法提供了一种节能且高效的橡胶复合材料生产方式。

广泛的材料适用性：本发明适用于各种天然或合成橡胶，提供了广泛的材料选择和应用范围。

操作便利性：连续喂料技术的应用使得操作更为简便，有助于在工业生产中的应用和推广。

第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：目前国内外在橡胶复合材料混炼领域，都是利用密炼机加开炼机串联、密炼机加密炼机串联以及密炼机加挤出机串联的方式，先将橡胶复合材料的各组分按照比例称量好投入到密炼机中进行预混，再将预混之后的胶料分别用开炼机、密炼机或挤出机进行终练，以达到连续混炼的目的，这些技术都至少需要两步以上的混炼工艺才能完成给对胶料的最终混炼，且具有设备投资大、成本高、能耗高、效率低、胶料温升高等缺点。本项目提出的发明方案可实现橡胶复合材料所有组分的连续在线加料、连续混炼和挤出，可一步法实现橡胶复合材料的连续混炼，填补了国内外业内空白。

第四，本发明提出的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法相对于现有技术，带来了以下显著的技术进步：

1.优化混炼效率与质量：

通过利用偏心拓扑螺杆产生的脉动正应力，该方法能够更高效地实现橡胶复合材料的均匀混炼。这种脉动正应力作用促进了橡胶基体与填料、增塑剂等其他组分的快速、均匀分散，提高了混炼质量。

2.减少剪切热生成：

由于拓扑螺杆的偏心旋转弱化了加工过程中的剪切作用力，因此减少了剪切生热，使橡胶复合材料能够在较低温度下混炼。这不仅有助于保持橡胶的本质特性，而且减少了能耗。

3.改善材料性能：

由于混炼过程中较低的温度、弱化的剪切作用力和改进的混炼均匀性，最终制得的橡胶复合材料具有更优的物理和化学性质，如改善的弹性、耐磨性和抗老化性能。

4.提高生产效率：

利用连续喂料技术和持续的混炼过程，本发明的方法可提高生产效率。与传统的批次混炼方法相比，这种连续处理方式能够在较短的时间内处理更多的材料。

5.适应性强：

该方法能够根据不同橡胶复合材料的特性(如粘度、填料和增塑剂含量)调整脉动正应力的大小，从而具有更好的适应性，能够处理多种不同类型的橡胶复合材料。

6.环境友好：

由于在较低温度下进行混炼，减少了能源消耗和热量排放，使得该方法更为环境友好。

本发明提出的技术方案在橡胶复合材料混炼工艺上带来了显著的改进，不仅提高了混炼效率和材料性能，还降低了能耗和环境影响，表现出明显的技术创新和实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备的结构原理图；

图2是本发明实施例提供的橡胶复合材料连续混炼设备挤压系统横截面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的脉动正应力原理图；

图中：1、第一喂料机；2、第二喂料机；3、颗粒状橡胶储料仓；4、第一填料储料仓；5、破碎机；6、块状橡胶储料仓；7、粉料混合机；8、第二填料储料仓；9、混合粉料储料仓；10、第四喂料机；11、第三喂料机；12、液体储料仓；13、第五喂料机；14、第一喂料口；15、第一料斗；16、第二喂料口；17、第三喂料口；18、第二料斗；19、脱挥口；20、工业冷水机；21、电机；22、动力减速分配器；23、模温机；24、机筒；25、第一螺杆；26、第二螺杆；27、冷却水套；28、模头；29、挤出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法及设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例的两个具体应用实施例为：

实施例1:汽车轮胎制造

在汽车轮胎制造行业中，该方法能有效提高橡胶复合材料的均匀性和质量，进而制造出高性能的轮胎产品。

原料准备：使用连续喂料技术，将橡胶基体、填料、增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂等原料分别按照配比喂入混炼设备中。

混炼过程：在连续混炼设备中，两个偏心拓扑螺杆进行由内而外的异向旋转，彼此啮合，对橡胶复合材料施加脉动正应力，实现塑化、混炼、输运和挤出。

材料品质控制：脉动正应力作用下，橡胶复合材料体积不断地被压缩释放，促使各组分快速分散混合，同时降低剪切生热，保持低温混炼。

实施例2:工业输送带生产

适用于工业输送带的制造，特别是在需要高耐磨性和长期稳定性的应用场景中，这种混炼方法提供了优异的材料性能。

连续供料：同样采用连续喂料技术，将不同的橡胶复合材料组分按比例连续输入混炼设备。

脉动混炼：通过偏心拓扑螺杆的异向旋转，实现脉动正应力作用，有效混合橡胶复合材料，同时保持较低的加工温度。

质量优化：该方法确保了橡胶复合材料在工业输送带制造过程中的均匀性和稳定性，提升了最终产品的质量和耐用性。

针对现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案为：

传统混炼效率低下：在传统的橡胶复合材料混炼过程中，各组分的混合通常不均匀，导致混炼效率低下。本发明通过连续喂料技术和脉动正应力的应用，改善了混合均匀性。

热量控制不足：传统混炼方法中，高剪切力易导致过高的生热，影响橡胶复合材料的质量。本发明通过拓扑螺杆的偏心旋转设计，弱化了加工过程中的剪切力，从而降低了生热。

物料输运效率不足：以往的方法在物料的输运和挤出方面存在局限。本发明的设计优化了物料在混炼过程中的输运和挤出效率。

本发明实施例提供的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法，利用连续喂料技术将橡胶复合材料的基体胶、填料、增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂等各组分分成三组以上分别由一个或多个喂料口按照配比喂入连续混炼设备中；两个偏心拓扑螺杆在连续混炼设备中进行由内而外的异向旋转，两者彼此啮合，对橡胶复合材料施加脉动正应力作用，从而对橡胶复合材料进行塑化、混炼、输运和挤出；橡胶复合材料在脉动正应力作用下体积不断地被压缩释放，从而迫使橡胶复合材料的各组分能够快速在橡胶基体中分散和分布混合，提高热质传递效率；拓扑螺杆的偏心旋转还能够极大弱化加工过程中的剪切作用力，避免过高的剪切生热，使橡胶复合材料处于低温混炼。

橡胶复合材料的配方组成包括：100份橡胶基体，10-70份填料，1-20份增塑剂，1-10份防老剂，0.5-5份硫化剂，1-15份促进剂。

橡胶复合材料的橡胶基体包括但不限于天然橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶等天然或合成橡胶中的一种或一种以上，形状为块状或颗粒状。

填料为炭黑、白炭黑、蒙脱土、石墨、碳酸钙、碳酸镁、玻璃纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等中的一种或一种以上，形状为粉状或纤维状；增塑剂包括但不限于环氧大豆油、石蜡、硬脂酸、树脂，形状为颗粒状、粉状或液体状；硫化剂包括但不限于硫磺或过氧化物，为粉状；防老剂包括但不限于防老剂RD、防老剂D、防老剂MB等，形状为粉末状或颗粒状；促进剂包括但不限于氧化锌、促进剂DZ、促进剂DM、促进剂TMTD等，形状为粉末状。

施加在橡胶复合材料连续混炼过程中的脉动正应力大小随不同橡胶复合材料的橡胶基体粘度以及填料和增塑剂含量不同有所变化，最大压力范围为0.1～60MPa。

如图1所示，本发明实施例提供的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备，包括动力传动系统、喂料系统、挤压系统、温控系统以及物料前处理系统等。动力传动系统主要由电机21、联轴器、动力减速分配器22所组成；温控系统主要由模温机23、机筒内部温控介质流道、冷却水套27和工业冷水机20等组成；挤压系统主要由第一螺杆25、第二螺杆26和机筒24所组成；喂料系统主要由第一喂料机1、第二喂料机2、第三喂料机11、第四喂料机10以及第五喂料机13所组成。电机21通过联轴器与动力减速分配器22的输入轴相连；动力减速分配器22具有两个输出轴，异向旋转，分别与第一螺杆25和第二螺杆26通过花键连接；机筒24与动力减速分配器22之间通过法兰盘固定连接；第一螺杆25和第二螺杆26安装于机筒24的内腔中；机筒24内部开设流道，模温机23与机筒内流道相连通，在机筒24外周靠近挤出口29位置安装有冷却水套27，冷却水套27与工业冷水机20相连；模头28与机筒24之间通过法兰盘固定连接；机筒24上分别开设有第一喂料口14、第二喂料口16和第三喂料口17，第一喂料口14处固定安装喂第一料斗15，第三喂料口17处固定安装有第二料斗18；第一喂料机1、第二喂料机2、第三喂料机11、第四喂料机10、第五喂料机13位于机筒24的上方，其中第一喂料机1、第二喂料机2和第三喂料机11的出口处于第一料斗15的正上方，第五喂料机13的出料管与机筒第二喂料口16相连接，第四喂料机10的出料口处于第二料斗的正上方；颗粒状橡胶储料仓3、第一填料储料仓4、第二填料储料仓8和混合粉料储料仓9分别位于第一喂料机1、第二喂料机2、第四喂料机10和第三喂料机11的料斗正上方，液体储料仓12的出口与第五喂料机13的进料口相连接。

第一螺杆25和第二螺杆26为外表面连续变化的拓扑结构，其横截面为圆形，且与螺杆轴线存在一定偏心量e，如图1和2所示，第一螺杆25和第二螺杆26结构由螺旋段和平直段所组成，其中平直段结构设置于螺旋段结构之间，螺旋段螺距沿挤出方向逐渐减小。第一螺杆25和第二螺杆26的结构相同，螺旋旋向相反，两者彼此啮合，安装于定子内腔中，且两螺杆的旋转方向相反。

机筒24内腔为“∞”形光孔，如图2所示，内腔表面为光滑结构，内壁面与螺杆之间存在最小间隙δ1和最大间隙δ2。

本发明实施例提供的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备的详细工作原理可以从以下几个关键组件的功能和相互作用中理解：

动力传动系统组成：由电机21、联轴器、和动力减速分配器22组成。功能：电机21提供动力，通过联轴器将动力传递到动力减速分配器22。减速分配器进一步调节动力输出，确保螺杆以适当的速度和扭矩旋转。

温控系统组成：由模温机23、机筒内部温控介质流道、冷却水套27和工业冷水机20等组成。功能：模温机23和机筒内流道共同工作以控制机筒24的温度。冷却水套27和工业冷水机20帮助冷却过程，确保混炼过程中温度的稳定性。

挤压系统组成：由第一螺杆25、第二螺杆26和机筒24组成。功能：两个螺杆在机筒内偏心旋转，啮合互动，对橡胶复合材料施加周期性的脉动正应力。螺旋段的螺距沿挤出方向减小，有助于物料的传动。

喂料系统组成：由多个喂料机(第一至第五喂料机)组成。功能：不同喂料机负责将不同的原料(如橡胶基体、填料、增塑剂等)按照设定比例和顺序输送到混炼腔中。

机筒与螺杆的设计特点：两个螺杆具有外表面连续变化的拓扑结构，与螺杆轴线存在偏心量e，以及“∞”形光孔的机筒内腔设计。功能：这种设计使得螺杆与机筒之间的间隙在δ1和δ2之间周期性变化，从而在混炼腔内对橡胶复合材料施加周期性的脉动正应力。

混炼过程在工作时，通过电机21和动力减速分配器22的协同作用，第一螺杆25和第二螺杆26在机筒24内部绕自身轴线偏心旋转。这种旋转使得螺杆与机筒之间的间隙周期性变化，从而对物料施加脉动正应力。这种脉动正应力有助于提高橡胶复合材料各组分的混合分散效果，同时避免了过强的剪切作用，减少了生热以及对橡胶分子链的破坏，确保了混炼过程的温和性和效率。

工作时，电机21通过联轴器和动力减速分配器22带动第一螺杆25和第二螺杆26在机筒24的内腔中分别绕两螺杆的轴线作偏心转动，则两螺杆与机筒24内腔之间的间隙就会在δ1和δ2之间周期性变化，且螺旋段螺距由喂料口向挤出方向不断减小，则两螺杆与机筒24所组成的混合腔室中的橡胶复合材料就会受到周期性变化的脉动正应力作用，如图3所示，避免了螺杆对物料的强剪切作用，使橡胶复合材料的混炼过程温和，且能够提升物料的传质传热效率和混合分散效果，降低混炼过程中的剪切生热。

橡胶复合材料的配方组成包括：100份橡胶基体，10-70份填料，1-20份增塑剂，1-10份防老剂，0.5-5份硫化剂，1-15份促进剂。

橡胶复合材料的橡胶基体包括但不限于天然橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶等天然或合成橡胶中的一种或一种以上，形状为块状或颗粒状。

填料为炭黑、白炭黑、蒙脱土、石墨、碳酸钙、碳酸镁、玻璃纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等中的一种或一种以上，形状为粉状或纤维状；增塑剂包括但不限于环氧大豆油、石蜡、硬脂酸、树脂等，形状为颗粒状、粉状或液体状；所属硫化剂包括但不限于硫磺或过氧化物，为粉状；防老剂包括但不限于防老剂RD、防老剂D、防老剂MB等，形状为粉末状或颗粒状；促进剂包括但不限于氧化锌、促进剂DZ、促进剂DM、促进剂TMTD等，形状为粉末状。

施加在橡胶复合材料连续混炼过程中的脉动正应力大小随不同橡胶复合材料的橡胶基体粘度以及填料和增塑剂含量不同有所变化，最大压力范围为0.1～60MPa。

第一螺杆25和第二螺杆26的转速范围为0-200rpm，最优转速范围为40-70rpm。

温控系统沿可控制机筒24的温度范围为25～150℃，温控精度为±2℃。

储存于储料仓6中的块状橡胶需经过破碎机5破碎成小颗粒状，再利用第一喂料机1往机筒24内喂料。

对于含有两种及以上填料的橡胶复合材料，将其中一种填料由第二喂料机2通过第一料斗15经第一喂料口14喂入机筒24内；另外一种填料由第四喂料机10通过第二料斗18经第三喂料口17喂入机筒24内。

橡胶复合材料的原材料中还含有除了填料之外的多种粉料组分，利用粉料混合机7对增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂以及剩余的填料等多种粉料进行预混和形成混合粉料，再利用第三喂料机11将混合粉料喂入机筒24内。

对于含有一种填料且填料含量较多的橡胶复合材料，将其中一半填料由第二喂料机2通过第一料斗15经第一喂料口14喂入机筒24内；另外一半填料由第四喂料机10通过第二料斗18经第三喂料口17喂入机筒24内。

第一喂料机1、第二喂料机2、第三喂料机11和第四喂料机10均采用螺杆喂料机，且均为失重式喂料方式；第五喂料机为齿轮泵、隔膜泵或蠕动泵等液体喂料机中的一种，也可采用失重式喂料方式，用以实现对橡胶复合材料所有组分的在线精确配混。

本发明提供的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备的工作过程为：将储料仓6中的块状橡胶放入破碎机5中破碎成颗粒状，再将颗粒状橡胶放入储料仓3中进行储存；将一种填料或填料的一部分放入储料仓4中进行储存；将另一种填料或填料的剩余部分放入储料仓8中进行储存；将增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂以及剩余填料等多种粉料或颗粒料放入粉料混合机7中进行混合均匀，再将混匀之后的混合粉料放入储料仓9中进行储存；将液体组分放入储料仓12中进行储存。设定好机筒24上温控装置的温度，设定好第一螺杆25和第二螺杆26的转速，再将颗粒状橡胶储料仓3、第一填料储料仓4、第二填料储料仓8以及混合粉料储料仓9中的物料投入到各个失重式喂料机的料斗内。启动连续混炼设备的主机，再依次启动第一喂料机1、第二喂料机2、第三喂料机11和第五喂料机13，分别将橡胶基体、部分填料、增塑剂、硫化剂、防老剂、促进剂以及液体组分喂入机筒24内，进行塑化、混炼和输运，待物料被输运至第三喂料口17处时，再启动第四喂料机10，将剩余填料喂入机筒24内。在两螺杆的捏合转动下，物料不断受到螺杆与机筒24之间以及两螺杆之间对其施加的脉动正应力作用，驱动其做速度梯度矢量向流动方向趋近的正位移输运，从而快速完成塑化、混合，大量填料、增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂等也在橡胶基体中快速分散。最后物料在螺杆的挤压推送作用下从模头28的挤出口29处挤出成型，制备得到橡胶复合材料。

本实施例中选取的橡胶复合材料配方为：天然橡胶100份，炭黑40份，氧化锌5份，硬脂酸4份，液体石蜡10份，促进剂(DM)2份，防老剂(4010)3份，硫磺2份。

橡胶复合材料的连续混炼步骤如下：

步骤1：将块状橡胶储料仓6中的5000g块状天然橡胶放入破碎机5中破碎成颗粒状，再将颗粒状天然橡胶由储料仓3投入到第一喂料机1的料斗中；

步骤2：将1000g炭黑由第一填料储料仓4投入到第二喂料机2的料斗中；将氧化锌、硬脂酸、促进剂(DM)、防老剂(4010)和硫磺等多种粉料共800g放入粉料混合机7中进行混合均匀，再将混匀之后的混合粉料由混合粉料储料仓9投入到第三喂料机11的料斗中；

步骤3：将另外1000g炭黑粉料由第二填料储料仓8投入到第四喂料机10的料斗中；将500g液体石蜡放入液体储料仓12中；

步骤4：沿挤出方向依次设定好机筒24上的温度为40℃、45℃、45℃、40℃、40℃、50℃，设定第一螺杆25和第二螺杆26的转速为50rpm；

步骤5：启动连续混炼设备的主机，再依次启动第一喂料机1、第二喂料机2、第三喂料机11和第五喂料机13，分别将天然橡胶，一半炭黑，氧化锌、硬脂酸、促进剂(DM)、防老剂(4010)、硫磺等混合粉料以及石蜡等喂入机筒24内，进行塑化、混炼和输运；

步骤6：待物料被输运至第三喂料口17处时，再启动第四喂料机10，将剩余炭黑粉料喂入机筒24内。在两螺杆的啮合转动下，物料不断受到螺杆与机筒之间以及两螺杆之间对其施加的脉动正应力作用，驱动其做速度梯度矢量向流动方向趋近的正位移输运，从而快速完成塑化、混合，大量粉料也在天然橡胶基体中快速分散；图3是本发明的实施例中脉动正应力原理图；

步骤7：物料在螺杆的挤压推送作用下从模头28的挤出口29处挤出，整个混炼过程所用时间仅为3min，最后将制得的物料进行模压、交联成型，制得天然橡胶复合材料，材料性能见表1。

对比例：本对比例运用密炼机加开炼机制备橡胶复合材料进行对比，橡胶复合材料的配方与实施例相同，包括以下步骤：

步骤1：称取500g天然橡胶，200g炭黑，25g氧化锌、20g硬脂酸、10g促进剂(DM)、15g防老剂(4010)、10g硫磺，50g石蜡；

步骤2：设定密炼机转速为30rpm，温度为40℃，启动密炼机对天然橡胶胶料进行塑炼3min；

步骤3：按照顺序依次将一半炭黑、氧化锌、硬脂酸、防老剂(4010)、石蜡和混合粉料加入到密炼机内，混炼8min后再将另一半炭黑加入到密炼机中，再混炼10min后排出物料；

步骤4：设定开炼机转速为35rpm，温度为30℃，启动开炼机对从密炼机排出的物料继续进行混炼，并加入硫化剂和促进剂，混炼10min；

步骤5：待胶料混合均匀后，对物料进行薄通3min，最后将制得的物料进行模压、交联成型，制得天然橡胶复合材料，材料性能见表1。

表1实施例和对比例所制备天然橡胶复合材料的性能

编号	硫化时间/分：秒	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/％	分子量/g/mol
					实施例	9：25	29.6	781.7	173000
对比例1	13：35	24.7	618.4	138000

由表1中可以看出，本发明技术相比传统混炼工艺密炼机加开炼机混炼工艺所制备的天然橡胶复合材料的硫化时间缩短30％，拉伸强度提升16.6％，断裂伸长率提升20.9％，分子量提升25.4％。由此可以看出，相比传统混炼技术效率明显提升，且所制备的橡胶复合材料具有更优异的性能。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法，其特征在于，利用连续喂料技术将橡胶复合材料的基体胶、填料、增塑剂、防老剂、硫化剂、促进剂各组分分成三组以上分别由一个或多个喂料口按照配比喂入连续混炼设备中；

两个偏心拓扑螺杆在连续混炼设备中进行由内而外的异向旋转，两者彼此啮合，对橡胶复合材料施加脉动正应力作用；

橡胶复合材料在脉动正应力作用下体积不断地被压缩释放，从而迫使橡胶复合材料的各组分能够快速在橡胶基体中分散和分布混合；

拓扑螺杆的偏心旋转还能够极大弱化加工过程中的剪切作用力，避免过高的剪切生热，使橡胶复合材料处于低温混炼。

2.如权利要求1所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法，其特征在于，橡胶复合材料的配方组成包括：100份橡胶基体，10-70份填料，1-20份增塑剂，1-10份防老剂，0.5-5份硫化剂，1-15份促进剂。

3.如权利要求1所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法，其特征在于，橡胶复合材料的橡胶基体包括但不限于天然橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶天然或合成橡胶中的一种或一种以上，形状为块状或颗粒状。

4.如权利要求1所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法，其特征在于，填料为炭黑、白炭黑、蒙脱土、石墨、碳酸钙、碳酸镁、玻璃纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或一种以上，形状为粉状或纤维状；增塑剂包括但不限于环氧大豆油、石蜡、硬脂酸、树脂，形状为颗粒状、粉状或液体状；硫化剂包括但不限于硫磺或过氧化物，为粉状；防老剂包括但不限于防老剂RD、防老剂D、防老剂MB，形状为粉末状或颗粒状；促进剂包括但不限于氧化锌、促进剂DZ、促进剂DM、促进剂TMTD，形状为粉末状。

5.如权利要求1所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法，其特征在于，施加在橡胶复合材料连续混炼过程中的脉动正应力大小随不同橡胶复合材料的橡胶基体粘度以及填料和增塑剂含量不同有所变化，最大压力范围为0.1～60MPa。

6.一种实现如权利要求1～5任意一项所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼方法的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备，其特征在于，包括动力传动系统、喂料系统、挤压系统、温控系统以及物料前处理系统；

挤压系统由两根螺杆和机筒所组成，螺杆外表面为连续变化的拓扑结构，由螺旋段和平直段所组成，横截面为偏心圆，机筒内部开设“∞”形光孔，其上开设有三级喂料口和一个脱挥口，两螺杆安装于机筒内孔中，且彼此啮合，异向旋转；

动力传动系统由电机、联轴器和动力分配器所组成，电机通过联轴器将动力输入到动力分配器，动力分配器的输出轴有两根，两根输出轴所输出的转速相同、旋向相反，两根螺杆与动力分配器的两输出轴相连；

喂料系统由第一喂料机、第二喂料机、第三喂料机、第四喂料机以及第五喂料机所组成，第一喂料机、第二喂料机和第三喂料机的出料口位于机筒第一喂料口的上方，第五喂料机的出料口与机筒第二喂料口相连接，第四喂料机的出料口位于机筒第三喂料口的上方；

温控系统由模温机、机筒内部温控介质流道、冷却水套和工业冷水机组成，机筒内部开设流道，模温机与机筒内流道相连通，在机筒外周靠近挤出口位置安装有冷却水套，冷却水套与工业冷水机相连；

物料前处理系统由破碎机和粉料混合机所组成，破碎机位于第一喂料机的前端工序，粉料混合机位于第三喂料机的前端工序。

7.如权利要求6所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备，其特征在于，电机与动力分配器通过联轴器进行连接；机筒通过法兰盘固定连接在动力分配器上；两根螺杆与动力分配器的两输出轴通过花键进行连接。

8.如权利要求6所述的脉动正应力作用的橡胶复合料连续混炼设备，其特征在于，第一喂料机、第二喂料机、第三喂料机和第四喂料机均采用螺杆喂料机，且均为失重式喂料方式；第五喂料机为齿轮泵、隔膜泵或蠕动泵中的一种，也可采用失重式喂料方式。

9.如权利要求6所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备，其特征在于，螺杆转速范围为0～200转/分钟，温控系统控温范围为25～150℃，温控精度为±2℃。

10.如权利要求6所述的脉动正应力作用的橡胶复合材料连续混炼设备，其特征在于，工作过程包括以下步骤：

(1)将块状橡胶基体由破碎机破碎成颗粒状，再投入到第一喂料机的喂料斗内；将一种填料或填料的一部分投入到中第二喂料机的料斗中；将粉状或颗粒状增塑剂、硫化剂、防老剂、促进剂组分由粉料混合机混匀后形成混合粉料，再将该混合粉料投入到第三喂料机的料斗中；将一种填料或填料的剩余部分投入到第四喂料机的料斗中；将液体组分投入到第五喂料机的储料仓中；

(2)设定第一螺杆和第二螺杆的转速，依次启动第一喂料机、第二喂料机、第三喂料机和第五喂料机，分别将橡胶基体、部分填料、增塑剂、硫化剂、防老剂、促进剂以及液体组分喂入机筒内，进行塑化、混炼和输运；

(3)待物料被输运至第三喂料口处时，再启动第四喂料机，将剩余填料喂入机筒内；在第一螺杆和第二螺杆的捏合转动下，物料不断受到螺杆与机筒之间以及两螺杆之间对其施加的脉动正应力作用，从而快速完成塑化、混合。