第4章 橡胶加工工艺实验
生胶塑炼工艺实验的主要目的是了解塑炼的目的、塑炼胶的要求、塑炼设备和塑炼机理，掌握天然橡胶的开炼机塑炼操作方法和工艺要求。
4.1 生胶的塑炼工艺
在橡胶加工过程中，对生胶的可塑性是有一定要求的。而有些生胶弹性很高、黏度很高、缺乏基本的、必需的工艺性能——良好的可塑性，为了满足工艺的要求，必须进行塑炼。
提高橡胶塑性的方法有物理增塑法、化学增塑法和机械增塑法三种。物理增塑法是在胶料中加入物理增塑剂，通过增大分子链之间距离，减小分子链之间的作用力来提高胶料流动性的方法；化学增塑法是在胶料中加入化学塑解剂，与橡胶大分子反应，使橡胶分子链断裂，分子量降低，黏度降低，提高流动性的方法；机械增塑法是通过机械剪切或发生热降解，使橡胶分子链断裂、平均分子量降低来提高胶料流动性的方法。其中机械增塑法增塑效果明显，可单独使用，物理增塑法和化学增塑法增塑效果不及机械法，且不能单独应用，一般和机械法同时使用。机械塑炼设备主要有开炼机、密炼机和螺杆塑炼机三种。根据塑炼工艺条件不同可分为低温机械塑炼和高温机械塑炼两种，开炼机塑炼属于低温塑炼，密炼机和螺杆机塑炼属于高温塑炼。
生胶机械塑炼的目的主要是使生胶的弹性减小，可塑性和流动性将有很大的提高，混炼时配合剂易于混入，配合剂在胶料中易于分散均匀，压延挤出速度快，收缩率小，半成品表面光滑，尺寸稳定，并改善胶料的黏着性和对骨架材料的渗透和结合作用，硫化时容易流动，充满模型，使制品获得清晰的花纹。
塑炼的程度要合适。胶料的可塑度偏低，混炼时配合剂不易混合分散，压延、挤出速度慢，收缩变形率大，半成品断面尺寸和断面几何形状不准确，表面不光滑；压延后胶布容易脱胶或露白，硫化时不易流动充满模型，造成产品产生缺胶或气孔等缺陷。若塑炼程度过大，压延、挤出半成品的挺性差，其硫化胶的力学强度、耐磨耗和耐老化性能降低，永久变形增大，使硫化胶物理机械性能受损。塑炼程度越大，损害程度越大。因此生胶的塑炼程度应根据胶料的加工性能要求和硫化胶性能要求综合确定。在确保加工性能要求的前提下，尽量减小塑炼程度。
不同的制品，不同的加工工艺过程，对塑炼胶的可塑度要求不一样。一般，涂胶、浸胶、刮胶、擦胶和海绵胶料所用的塑炼胶可塑度要求较高；而对硫化胶物理机械性能要求较高、半成品挺性好及模压硫化的胶料，其塑炼胶的可塑度要求较低；挤出胶料的可塑度要求介于以上两者之间。各种胶料的塑炼胶可塑度要求如表4-1所示。
表4-1 常用塑炼胶威氏可塑度要求
4.1.1 实验设备——开放式炼胶机
实验室内广泛使用6in（1in=2.54cm，下同）开放式炼胶机进行生胶塑炼。该机主要工作部分是安装在机架上的两个中空辊筒，后辊的轴承座在机架上并且前后位置固定，前辊的轴承座能前后移动，可借安全调距装置调节辊距适应操作要求。在辊筒上面设有橡胶板和急刹车装置以适应不同胶量的塑炼、混炼及一旦发生事故起立即刹车的作用。
机器的传动：它是由机箱内的减速电动机通过传动齿轮带动后辊回转，再通过一对速比齿轮带动前辊回转，使两个辊筒以不同速度相对回转，前辊转速为24r/min，前后两辊转速之比称为速比，一般速比为1∶1.4。
加热、冷却部分：辊筒内设有带孔眼的水管可以使冷却水流过并喷向辊筒内表面，降低辊温，冷却水流出辊筒经排水漏斗排出，当辊筒内水管通蒸气时，可用升高辊温（或用其他简易办法预热辊筒）。
4.1.2 塑炼机理
低温开炼机塑炼的机理可描述为：生胶在开放式炼胶机的两个以不同速度相对回转的辊筒上，胶料通过辊距时各部位速度不同，产生速度梯度，从而对胶料产生剪切作用。胶料直接受到机械剪切力的反复作用，橡胶的大分子在剪切力的作用下，沿着流动方向伸展，使其分子链上产生局部应力集中，致使分子链断裂。断裂的分子链成了活性自由基。活性自由基与周围的氧或其他自由基接受体结合而稳定，橡胶分子链稳定在断裂状态，形成了较短的分子，橡胶的平均分子量降低。根据橡胶平均分子量与胶料本体黏度的关系式（4-1）可知，胶料的本体黏度降低，从而流动性提高，可塑性增加，获得塑炼效果。
（4-1）
在机械塑炼中，由于生胶随着温度降低而黏度增大，作用到生胶的剪切力就增大，使生胶分子链断裂作用也就加强了，可塑度增加也就快。故在机械塑炼中一般采用较低的辊温进行塑炼。
4.1.3 操作步骤
（1）按照安全规程的规定，先检查两辊筒间有无异物，待正常后方可开机空转、加油、试紧急刹车装置等。如无异常现象即可进行实验。
（2）确定塑炼段数 根据工艺要求的可塑度，确定生胶是否分段塑炼，一般塑炼胶应达到的可塑性为威廉氏值0.30±0.05为宜。对于要求可塑度较大的塑炼胶，则生胶应采取分段塑炼法。每段时间不大于20min，塑炼胶片冷却，停放4～8h后，再进行下一段塑炼，通常情况下，二段天然橡胶可塑度达到0.4±0.05；三段天然橡胶可塑度达到0.5±0.05。
丁腈橡胶、氯丁橡胶等需经塑炼的合成橡胶，其可塑性较天然橡胶难获取，除采取低温、小辊距、小容量的操作条件外，也应采取分段塑炼法。
目前还有一些通常使用的合成橡胶（如软化丁苯橡胶、顺丁橡胶）不需经塑炼，薄通破料后即可与天然橡胶相混，掺合均匀投入混炼工序使用。
（3）确定投胶量 用6in开炼机塑炼时，装胶容量以1～2kg为宜。由于合成橡胶塑炼时生热较大，故其装胶量以比天然橡胶少20%为宜。
（4）塑炼步骤（以天然橡胶为例）
①控制及测量辊温。开机空转并根据辊温状态对辊筒进行预热（用蒸汽或其他方式）或降温（用自来水）、可用弓形表面温度计进行测量（或手试）。
②烘胶、切胶和破胶。天然橡胶在长期停放时黏度高，硬度大，不易塑炼。将天然胶用切胶机切成小块，放在烘箱里烘一段时间，温度50～70℃，烘胶时间以胶料完全变软为止。在烘透切胶之后，再进行破胶操作。在辊温为45℃、辊距为1.5mm条件下，于靠近大牙轮一端（以防损坏设备）连续将胶块投入（不宜中断，以防胶块弹出）。
③薄通。将辊距调为0.5mm。把破过胶的胶片在靠大牙轮一端加入，使之通过辊筒间隙，让胶片直接落于接料盘内。当辊筒上无堆积胶时，再将盘内胶片扭转90°重新投入辊筒间隙内继续薄通直至所规定的时间（或次数）为止。
④捣胶。将辊距放宽为1mm，使胶包辊后，从左向右割刀至辊筒右端再向下割，使胶落在接料盘上，至堆积胶料将消失时停止割刀。则割落的胶随着辊筒上的余胶被带入辊筒右方，然后再从辊筒右向左同样方式割胶，反复进行两次后割断打成卷。
⑤压光（下片）。将辊距放宽到2.5mm，再将胶卷垂直通过辊缝2～3次，然后在胶片上注明胶种、班组，冷却放置（如有必要则先涂隔离剂）。
天然橡胶可塑度为0.30±0.05时，通常使用的塑炼条件如表4-2所述。
表4-2 天然橡胶塑炼工艺条件
4.1.4 影响开炼机塑炼的因素
从上述开炼机塑炼机理可知：凡是影响胶温和机械作用力的有关设备特性和工艺条件都是影响塑炼效果的重要因素。这些因素有辊温、辊距、时间、速比、辊速、塑解剂和操作熟练程度等。其中辊速和速比取决于设备的特性，一般为不变因素，其他因素则均可改变。
（1）辊温 塑炼温度对可塑度的获得影响很大，温度越低，塑炼效果越明显。但辊温太低，生胶的黏度高，会使设备超负荷而受到损害，并增加操作危险性。实验表明，开炼机塑炼温度（T）的平方根与胶料可塑度（P）成如下反比关系。
（4-2）
为了提高塑炼效果，应加强辊筒冷却，但靠冷却水降温，条件有限，塑炼一般在45～55℃范围内进行。也可参阅表4-3进行。
表4-3 橡胶塑炼常用辊温范围
（2）辊距 胶料通过开炼机辊距时受到的剪切速率如下式所示。
（4-3）
（4-4）
式中 γ—— 机械剪切速率，min-1；
f—— 速比；
V1—— 后辊表面旋转线速度，m/min；
V2—— 前辊表面旋转线速度，m/min；
e—— 辊筒辊距，m。
在相同的速比f下，辊距越小则两辊间速度梯度越大，生胶通过辊缝间时所受到摩擦、剪切、挤压的力越大，同时由于胶片薄易于冷却，变硬进而加大机械剪切力的作用，增强塑炼效果，所以一般采用0.5～1mm辊距。
（3）时间 除辊温和辊距之外，塑炼时间是显著影响生胶可塑度的重要因素之一。塑炼初期可塑度是随着时间延长而增加的，当达到一定值后随之下降，其原因是生胶经轧炼后温度升高而软化，分子之间容易滑动，不易被机械剪切力所破坏。为了提高塑炼效果，可以用分段塑炼。分段塑炼即将塑炼过程分成若干段来完成。每段塑炼后生胶要充分停放冷却，一般分为2～3段，每段停放冷却4～8h。
（4）容量 塑炼时装胶容量主要取决于开炼机的规格。装胶量不宜过多，否则在辊筒上堆积的胶料过多，导致散热困难，使生胶的热塑性提高，影响塑炼效果。在一定规格的开炼机上，一次炼胶的容量是根据实际经验确定的。因合成橡胶塑炼时生热较大，故装胶容量一般比天然橡胶少20%。
综上所述，生胶塑炼过程中应适当地控制好辊温、辊距、时间和一次塑炼容量。
4.2 生胶的混炼工艺1：开炼机混炼
为了使橡胶制品符合使用性能的要求，改善加工工艺性能，节约生胶，降低成本，必须在生胶中加入各种配合剂。在炼胶机上将各种配合剂加入生胶中制成混炼胶的工艺过程称为混炼。混炼的胶料质量对胶料进一步加工和成品质量具有决定性的影响。混炼不好，胶料会出现配合剂分散不好、不均，胶料可塑度过高或过低，焦烧、喷霜等现象，使压延、压出、硫化等工序不能正常进行，导致成品性能下降，故混炼是橡胶加工过程中的重要工序之一。
对混炼胶的质量要求主要有两个方面：一是胶料应具有良好的工艺加工性能；二是胶料能保证成品具有良好的使用性能。因此混炼时要求必须做到配合剂均匀混合并分散到生胶中，并达到一定的分散度；同时胶料的可塑度要适当而均匀，生成的结合橡胶尽可能多，胶料的物理机械性能要好。另外还要求混炼速度快，生产效率高，能耗低，力求降低胶料成本。
【实验目的】
橡胶混炼工艺实验主要内容是根据实验配方，准确称量生胶、各种配合剂的用量，借助于两个辊筒的挤压、剪切作用及人工割胶、翻炼将配合剂与生胶混合均匀并达到一定分散度，制备符合性能要求的混炼胶。该实验的目的是熟悉并掌握橡胶配合方法，熟练掌握开炼机混炼的操作方法、加料顺序，了解开炼机混炼的工艺条件及影响因素，培养独立进行混炼操作的能力。
【实验设备】
实验室常用开炼机的规格有XK-160（6in，ϕ160mm×320mm），又可分为一般式、电加热两种类型。开炼机主要由机座、温控系统、前后辊筒、紧急刹车装置、挡胶板、调节辊距大小的手轮、电机等部件组成。开炼机的结构示意图如图4-1所示。
图4-1 开炼机的结构示意图
HG/T 3—1615标准规定，实验室用开炼机的主要技术特征如下：
辊筒直径（外径） 150～155mm；
辊筒长度（两挡胶板间） 250～280mm；
前辊筒（慢辊）转速 （24±1）r/min；
辊筒速比 1.0∶1.4；
两辊筒间隙（可调） 0.2～8.0mm；
辊距允许偏差 ±10%或0.05mm，取其中较大者；
控温偏差 ±5℃。
实验中所使用的开炼机如图4-2所示，其主要工作部分为两个平行安装且相对回转的空心辊筒，每个辊筒的两边轴颈上都装有辊筒轴承，辊筒轴承则装在机架上。机架用螺栓固定在机座上，其上部与横梁相连接。前辊轴承可借助于调距装置的作用，在机架上作水平移动，以调节前后辊之间的距离（辊距），控制胶片的厚度。后辊轴承则由螺栓固定于机架上以减少炼胶时后辊轴承的晃动。
图4-2 橡胶开炼机
后辊筒的一端通过传动装置（电动机、减速机、驱动齿轮）使后辊筒转动，后辊筒另一端装有速比齿轮，它与前辊上的速比齿轮啮合，使前后辊筒同时相对回转。辊筒上方左右两侧设有挡胶板，以防止胶料自辊筒表面落入轴承中。为防止胶料及配合剂落地，辊筒下方装有接料盘。
横梁上方装有安全拉杆，以便发生事故时，按动安全拉杆，自动切断电动机电源，通过制动器而紧急刹车。为了调节炼胶过程中辊筒的温度，通过进水管把水导入辊筒内腔，溢流从辊筒头端的喇叭口进入，从收集室排出。
【工作原理】
开炼机混炼的工作原理是利用两个平行排列的中空辊筒，以不同的线速度相对回转。加胶包辊后，在辊距上方留有一定量的堆积胶，堆积胶拥挤、皱塞产生许多缝隙，配合剂颗粒进入到缝隙中，被橡胶包住，形成配合剂团块。团块随胶料一起通过辊距时，由于辊筒线速度不同产生速度梯度，形成剪切力，橡胶分子链在剪切力的作用下被拉伸，产生弹性变形，同时配合剂团块也会受到剪切力作用而破碎成小团块，胶料通过辊距后，由于流道变宽，被拉伸的橡胶分子链恢复卷曲状态，将破碎的配合剂团块包住，使配合剂团块稳定在破碎的状态，配合剂团块变小。胶料再次通过辊距时，配合剂团块进一步减小，胶料多次通过辊距后，配合剂在胶料中逐渐分散开来。采取左右割刀、薄通、打三角包等翻胶操作，配合剂在胶料中进一步分散均匀，从而制得配合剂分散均匀并达到一定分散度的混炼胶。见图4-3。
图4-3 胶料在开炼机上的包辊状态
【实验步骤】
（1）根据实验配方，准确称量生胶和除液体软化剂以外的各种配合剂的量，观察生胶和各种配合剂的颜色与形态。
（2）检查开炼机辊筒及接料盘上有无杂物，如有先清除杂物，然后启动开炼机。
（3）检查刹车装置是否完好、有效、灵敏；开动机器，检查设备运转是否正常，通热水预热辊筒至规定的温度（由胶种确定）。
（4）将辊距调至规定大小（根据炼胶量确定），调整并固定挡胶板的位置。
（5）将塑炼好的生胶沿辊筒的一侧放入开炼机辊缝中，采用捣胶、打卷、打三角包等方法使胶均匀连续地包于前辊，在辊距上方留适量的堆积胶，经过2～3min的辊压、翻炼，形成光滑无隙的包辊胶。
（6）按下列加料顺序依次沿辊筒轴线方向均匀加入各种配合剂，当堆积胶或辊筒表面上还有明显的游离粉料时，不应切割胶料，应将从间隙散落的配合剂小心收集并重新混入胶料中。每次加料后，待其全部吃进去后，左右3/4割刀各两次，两次割刀间隔20s；
做3/4割刀时规定：切割包辊胶宽度的3/4，同时割刀保持在这个位置，直至积胶全部通过辊筒间隙。
加料顺序：小料（固体软化剂、活化剂、促进剂、防老剂、防焦剂等）→大料（炭黑、填充剂等）→液体软化剂→硫黄和超速级促进剂。
（7）割断并取下胶料，将辊距调整到0.5mm，加入胶料薄通，并打三角包，薄通5遍。
（8）按试样要求，将胶料压成所需厚度，下片称量质量并放置于平整、干燥的存胶板上（记好压延方向、配方编号）待用。混炼后的胶料质量与所有原材料总质量之差不应超过+0.5%或不应低于-1.5%。
（9）关机，清洗机台。
（10）开炼机每批混炼工艺实验报表，应记录：开始混炼时辊筒温度、辊筒转速、辊距、混炼时间、加料顺序、混炼胶质量与原材料总质量的差值及开炼机类型、操作者姓名、日期。
【影响因素】
影响开炼机混炼效果的因素主要有胶料的包辊性、装胶容量、辊温、辊距、辊筒的速比、加料顺序、加料方式及混炼时间等。
（1）胶料的包辊性
胶料的包辊性好坏会影响混炼时吃粉快慢、配合剂分散程度，如果包辊性太差，甚至无法混炼。胶料的包辊性与生胶的性质（如格林强度、断裂拉伸比、最大松弛时间等）、辊温和剪切速率有关。格林强度高、断裂拉伸比大、最大松弛时间长的生胶包辊性好，如NR；格林强度低、断裂拉伸比小、最大松弛时间短的生胶包辊性差，如BR。影响生胶这些性质的因素都会影响生胶的包辊性，如加入补强剂，提高胶料的格林强度，增大松弛时间，会明显改善BR的包辊性；胶料中过多加入液体软化剂，降低格林强度，缩短松弛时间，包辊性变差，甚至脱辊。辊温在胶料玻璃化转变温度（Tg）以下，无法包辊，在黏流温度（Tf）以上，胶料粘辊，也不能混炼，只有在Tg～ Tf之间某一温度范围内，胶料才有良好的包辊性，适于混炼。如采取减小辊距、增大速比或提高辊筒转速等方法增大剪切速率，可提高胶料的断裂拉伸比、延长最大松弛时间，因而也能改善胶料的包辊性。
（2）装胶容量
装胶容量过大，增加了堆积胶量，使堆积胶在辊缝上方自行打转，失去了起折纹夹粉作用，影响配合剂的吃入和分散效果，延长混炼时间，胶料的物性下降，同时会增大能耗，增加炼胶机的负荷，易使设备损坏。如果装胶量过少，堆积胶没有或太少，吃粉困难，生产效率太低。因此，开炼机混炼时装胶量要合适。可根据经验用下列公式计算装胶容量：
（4-5）
式中 Q—— 装胶量，kg；
K—— 装料系数，K取0.0065～0.0085L/cm2；
D—— 滚筒直径，cm；
L—— 辊筒工作部分的长度，cm；
ρ—— 胶料的密度，g/cm3。
当炼胶量较少时，为了保证辊距上方留有适量的堆积胶，可通过调整挡胶板的距离来实现。
（3）辊距
胶料通过辊距时受到的剪切变形速率，与辊距、辊筒转速和速比之间的关系如式（4-3）所示。
减小辊距，剪切变形速率增大，橡胶分子链和配合剂团块受到的剪切作用增大，配合剂团块容易破碎，因此有利于配合剂的分散，但橡胶分子链受剪切断裂的机会也增大，容易使分子链过度断裂，造成过炼，橡胶分子量降得过低，使胶料的物理机械性能降低。辊距过大，剪切作用太小，配合剂不易分散，给混炼操作带来困难。因此开炼机混炼时，辊距要合适。合适的辊距大小与装胶量有关。天然橡胶与合成橡胶并用，并用比例相等时，总胶量可按天然橡胶来定辊距；合成橡胶大于天然橡胶比例时，总胶量可按合成橡胶定辊距。
（4）速比与辊速
速比和辊速增大，对混炼效果的影响与减小辊距的规律一致，会加快配合剂的分散，但对橡胶分子链剪切也加剧，易过炼，使胶料物性降低，使胶料升温加快，能耗增加。速比过小，配合剂不易分散，生产效率低。开炼机混炼的辊筒速比一般在1.15～1.27范围内。
（5）辊温
随辊温升高，胶料的黏度降低，有利于胶料在固体配合剂表面的湿润，吃粉加快；但配合剂团块在柔软的胶料中受到的剪切作用会减弱，不容易破碎，不利于配合剂的分散，结合橡胶的生成量也会减少。因此开炼机混炼时辊筒的温度要合适。由于温度对不同胶料包辊性的影响不同，因此不同胶料混炼时辊温也应不同。NR包热辊，前辊温度要高于后辊；而大多数合成橡胶包冷辊，前辊温度要低于后辊。常用的橡胶开炼机混炼时辊温如表4-4所示。
表4-4 不同橡胶开炼机混炼时辊温 单位：℃
（6）加料顺序
混炼时加料顺序不当，轻则影响配合剂分散不均，重则导致焦烧、脱辊或过炼，加料顺序是关系到混炼胶质量的重要因素之一，因此加料必须有一个合理的顺序。加料顺序的确定一般遵循用量小、作用大、难分散的配合剂先加，用量多、易分散的配合剂后加，对温度敏感的配合剂后加，硫化剂与促进剂分开加等原则。因此开炼机混炼时，最先加入生胶、再生胶、母炼胶等包辊，如果配方中有固体软化剂如石蜡，可在胶料包辊后加入，再加入小料如活化剂（氧化锌、硬脂酸）、促进剂、防老剂、防焦剂等，再次加炭黑、填充剂，加完炭黑和填充剂后，再加液体软化剂，如果炭黑和液体软化剂用量均较大时，两者可交替加入，最后加硫化剂。如果配方中有超速级促进剂，应在后期和硫化剂一起加。配方中如有白炭黑，因白炭黑表面吸附性很强，粒子之间易形成氢键，难分散，应在小料之前加入，而且要分批加入。对NBR，由于硫黄与其相容性差，难分散，因此要在小料之前加，将小料中的促进剂放到最后加。
（7）加料方式
加料方式不同也会影响吃粉速度和分散效果。如果配合剂连续加在某一固定位置，其他部位胶料不吃粉，相当于减少了吃粉面积，吃粉时间延长，吃粉慢，配合剂由吃入位置分散到其他地方需要的时间延长，因此也不利于配合剂的分散。加料时应将配合剂沿辊筒轴线方向均匀撒在堆积胶上，使堆积胶上都覆盖有配合剂，这样会缩短吃粉时间，也有利于配合剂在胶料中的分散，缩短混炼时间，减小对橡胶分子链的剪切破坏。
【参考标准】
GB/T 6038—2006；ISO/DIS 2393—1989。
思考题
（1）说明开炼机混炼的加料顺序。
（2）影响开炼机混炼的因素有哪些？
（3）如何鉴定混炼胶的质量？
4.3 生胶的混炼工艺2：密炼机混炼
密炼机混炼是到目前为止制造炭黑混炼胶的最理想的混炼方式，由于自动化程度高、生产效率高、劳动强度低、操作安全、药品飞扬损失少、污染环境小，且胶料中炭黑的分散度高、混炼胶质量均匀，已成为现代混炼工艺主要而普遍的方式，在现代化大规模生产中有着广泛的应用。
【实验目的】
本实验的主要目的是了解密炼机的结构，熟练掌握密炼机混炼的操作方法和加料顺序，熟悉密炼机混炼的工艺条件，了解影响密炼机混炼效果的因素，制备符合性能要求的炭黑混炼胶或母炼胶。
【实验设备】
（1）密炼机的结构
密炼机可分为两种基本类型：切线型转子密炼机和啮合型转子密炼机。对于切线型转子密炼机，剪切应力-应变集中发生在转子顶端和混炼室内壁之间，并且转子以不同速度运转，以协助对胶料进行捏压、混炼操作。对于啮合型转子密炼机，其转子以相同速度运转，但由于转子凸棱的设计以及啮合运动，使转子间产生摩擦。因此，剪切应力应变集中发生在转子之间。
密炼机一般由密炼室、两个相对回转的转子、上顶栓、下顶栓、测温系统、加热和冷却系统、排气系统、安全装置、排料装置和记录装置组成。转子的表面有螺旋状凸棱，凸棱的数目有二棱、四棱、六棱等，转子的断面几何形状有三角形、圆筒形或椭圆形三种。测温系统是由热电偶组成，主要用来测定混炼过程中密炼室内温度的变化；加热和冷却系统主要是为了控制转子和混炼室内腔壁表面的温度。密炼机结构示意图如图4-4所示。
图4-4 密炼机结构示意图
（2）密炼机的主要技术特征
①本伯里（Banbury）切向式密炼机技术特征
转子形式 非啮合转子或切向式转子
混炼室容积/L 1.57
额定混炼容量/L 1.17±0.04
转子转速（快转子）/（r/min） 77±10或110±10
转子摩擦比 1.125∶1
转子间隙/mm 新 2.38±1.13
旧 ≤3.70
功率（快转子）/kW 0.13
上顶栓混炼时压力/MPa 0.5～0.8
②啮合式密炼机技术特征（ISO 2393）
额定容量/L 1.000
转子转速/（r/min） 55
转子速比 1∶1
转子间隙/mm 新 2.45～2.50
旧 5
功率/kW 0.227
上顶栓混炼时压力/MPa 0.3
实验室用小型密炼机如图4-5所示。
图4-5 实验室用小型密炼机
【密炼机混炼工作原理】
密炼机工作时，两转子相对回转，将来自加料口的物料夹住带入转子缝隙受到转子的挤压和剪切，穿过转子间隙后碰到下顶拴尖棱被分成两部分，分别沿前后室壁与转子之间缝隙再回到转子间隙上方。在绕转子流动的一周中，物料处处受到剪切和摩擦作用，使胶料的温度急剧上升，黏度降低，增加了橡胶在配合剂表面的湿润性，使橡胶与配合剂表面充分接触。配合剂团块随胶料一起通过转子与转子间隙、转子与上、下顶拴、密炼室内壁的间隙，受到剪切而破碎，被拉伸变形的橡胶包围，稳定在破碎状态。同时，转子上的凸棱使胶料沿转子的轴向运动，起到搅拌混合作用，使配合剂在胶料中混合均匀。配合剂如此反复剪切破碎，胶料反复产生变形和恢复变形，转子凸棱的不断搅拌，使配合剂在胶料中分散均匀，并达到一定的分散度。由于密炼机混炼时胶料受到的剪切作用比开炼机大得多，炼胶温度高，使得密炼机炼胶的效率大大高于开炼机。
【操作方法】
（1）按照密炼机密炼室的容量和合适的填充系数（0.6～0.7），计算一次炼胶量和实际配方。
（2）根据实际配方，准确称量配方中各种原材料的用量，将生胶、小料（ZnO、SA、促进剂、防老剂、固体软化剂等）、补强剂或填充剂、液体软化剂、硫黄分别放置，在置物架上按顺序排好。
（3）打开密炼机电源开关及加热开关，给密炼机预热，同时检查风压、水压、电压是否符合工艺要求，检查测温系统、计时装置、功率系统指示和记录是否正常。
（4）密炼机预热好后，稳定一段时间，准备炼胶。
（5）提起上顶栓，将已切成小块的生胶从加料口投入密炼机，落下上顶栓，炼胶1min。
（6）提起上顶栓，加入小料，落下上顶栓混炼1.5min。
（7）提起上顶栓，加入炭黑或填料，落下上顶栓混炼3min。
（8）提起上顶栓，加入液体软化剂，落下上顶栓混炼1.5min。
（9）排胶，用热电偶温度计测胶料的温度，记录密炼室初始温度、混炼结束时密炼室温度及排胶温度，最大功率、转子的转速。
（10）将开炼机的辊距调到3.8mm，打开电源开关，使开炼机运转，打开循环水阀门，再将从密炼机排出的胶料投到开炼机上包辊，待胶料温度降到110℃以下，加入硫黄，待硫黄全被吃进去，左右割刀各二次，胶料表面比较光滑，割下胶料。
（11）将开炼机辊距调到0.5mm，投入胶料薄通，打三角包，薄通5遍，将辊距调到2.4mm左右，投入胶料包辊，待表面光滑无气泡，下片，称量胶料的总质量，放在平整、洁净金属表面上冷却至室温，贴上标签注明胶料配方编号和混炼日期，停放待用。
密炼机每批混炼工艺实验报表，应记录：开始混炼时温度、混炼时间、转子转速、上顶栓压力、排胶温度、功率消耗、混炼胶质量与原材料总质量的差值及密炼机类型。
注意：开始混炼实验时，可先混炼一个与实验胶料配方相同的胶料调整密炼机的工作状态，再正式混炼；对同一批混炼胶料，密炼机的控制条件和混炼时间应保持相同。
【影响密炼机混炼效果的因素】
密炼机混炼胶料的质量好坏，除了加料顺序外，还主要取决于混炼温度、装料容量、转子转速、混炼时间、上顶栓压力和转子的类型等。
（1）装料容量
即混炼容量，容量不足会降低对胶料的剪切作用和捏炼作用，甚至出现胶料打滑和转子空转现象，导致混炼效果不良。反之，容量过大，胶料翻转困难，使上顶栓位置不当，使一部分胶料在加料口颈处发生滞留，从而使胶料混合不均匀，混炼时间长，并容易导致设备超负荷，能耗大。因此，混炼容量应适当，通常取密闭室总有效容积的60%～80%为宜。密炼机混炼时装料容量可用下列经验公式计算：
（4-6）
式中 Q—— 装料容量，kg；
K—— 填充系数，通常取0.6～0.8；
V—— 密闭室的总有效容积，L；
ρ—— 胶料的密度，g/cm3。
填充系数K的选取与确定应根据生胶种类和配方特点、设备特征与磨损程度、上顶栓压力来确定。NR及含胶率高的配方，K应适当加大，取0.7～0.8；合成橡胶及含胶率低的配方，K应适当减小，取0.6～0.7；磨损程度大的旧设备，K应加大；新设备要小些；啮合型转子密炼机的K应小于剪切型转子密炼机；上顶栓压力增大，K也应相应增大。另外逆混法的K必须尽可能大。
（2）加料顺序
密炼机混炼中，生胶、炭黑和液体软化剂的投加顺序与混炼时间特别重要，一般都是生胶先加，再加炭黑，混炼至炭黑在胶料中基本分散后再加入液体软化剂，这样有利于混炼，提高混炼效果，缩短混炼时间。液体软化剂过早加入或过晚加入，均对混炼不利，易造成分散不均匀，混炼时间延长，能耗增加。液体软化剂的加入时间可由系数K确定。硫黄和超速促进剂通常在混炼的后期加入，或排料到压片机上加，减少焦烧危险。小料（固体软化剂、活化剂、促进剂、防老剂、防焦剂等）通常在生胶后、炭黑前加入。
（3）上顶栓压力
密炼机混炼时，密炼室内的物料都要受到上顶栓从加料口施加的压力，以增加机械摩擦剪切作用，提高胶料的混合分散效果，促进胶料的流动变形和混合吃粉，缩短混炼时间。上顶栓的作用主要是将胶料限制在密炼室内的主要工作区，并对其造成局部的压力作用，防止在金属表面滑动而降低混炼效果，并限制胶料进入加料口颈部而发生滞留，造成混炼不均匀。
上顶栓压力过大、过小均不利于混炼。上顶栓压力过小，上顶栓会在胶料的作用下上下浮动，起不到限制约束胶料的作用，不利于配合剂在胶料中的分散。上顶栓压力过大，压力直接施加在密炼机上，会增加密炼机的负荷，同时不利于胶料的翻转，减弱混炼效果。一般情况下，慢速密炼机上顶栓压力在0.5～0.6MPa，中、快速密炼机上顶栓压力可达0.6～0.8MPa，最高达到1.0MPa。
（4）混炼温度
密炼机混炼时胶料的温度难以准确测定，但与排胶温度相关性很好，故通常用排胶温度表征混炼温度，具有可比性。密炼机混炼温度比开炼机混炼温度要高很多，温度高有利于生胶的流动和对配合剂粒子表面的湿润、吃粉，但不利于配合剂的剪切、破碎和分散混合。温度过高易使胶料产生焦烧和过炼现象，降低混炼胶的质量和物理机械性能。因此密炼机混炼过程中必须严格控制排胶温度在规定限度以下。如果混炼温度过低，不利于混合吃粉，还会出现胶料压散现象，使混炼操作困难。密炼机一段和分段混炼法的终炼排胶温度范围应控制在100～130℃以下，加硫黄时排胶温度控制在90～95℃，分段混炼的第一段混炼排胶温度在145～155℃。随密炼机转速、容量和上顶栓压力增大，排胶温度会升高，需要用40～50℃的循环水冷却，不仅能缩短混炼时间，降低能耗，还能提高混炼胶的物理机械性能。
（5）转子转速
提高转子的转速是强化密炼机混炼过程的最有效的措施之一。转速增加一倍，混炼时间缩短一半。但转速高，胶料的生热升温加快，又会降低胶料的黏度和机械剪切效果，还会由于升温过高加快橡胶分子链的热降解，导致过炼或焦烧。为适应工艺要求，可选用双速、多速或变速密炼机进行混炼。
（6）混炼时间
密炼机混炼时间比开炼机混炼时间短得多，并随着转速和上顶栓压力的增大而缩短。每个配方胶料混炼时都有一个最佳混炼时间。时间短，配合剂分散不均匀；时间过长，会加大橡胶的热降解，产生过炼现象，且会降低混炼胶的质量。通常在保证胶料质量的前提下，适当缩短混炼时间，有利于提高生产效率、节约能耗，提高胶料的物理机械性能。
【参考标准】
GB 6038—93；ISO/DIS 2393—1989。