7 塑炼工艺

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering第二篇橡胶的加工工艺

胎面-挤出工艺带束层-压延工艺胎侧-挤出工艺胎体层-压延工艺钢丝圈-挤出工艺内衬层-压延工艺以轮胎的生产为例QUSTCollege of Polymer Science and Engineering轮胎的生产工艺

(仓库)QUSTCollege of Polymer Science and Engineering第七章塑炼工艺

§7.1 生胶的塑炼原理★§7.2 可塑性的测定方法§7.3 塑炼方法及影响因素★§7.4 常用橡胶的塑炼特性QUSTCollege of Polymer Science and Engineering§7.1 生胶的塑炼原理

塑炼的定义塑炼的要求

塑炼原理和影响因素

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering一．塑炼的定义

通过机械力、热、氧或加入某些化学物质等方式，使橡胶由强韧的高弹态转变为柔软的塑性态的过程。

塑炼的本质：分子量降低。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering二．塑炼的要求

满足后续工艺要求的前提下可塑度越低越好。（1）可塑度要适当；

（2）可塑度要均匀。

塑炼工艺主要针对天然橡胶而言。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering确定适当可塑度的依据

加工要求：混炼加工：门尼粘度≤60

压延擦胶：门尼粘度≤40发泡制品：门尼粘度更低

性能要求：不同制品的要求不一样。

如胎面胶和胎侧胶的要求不一样。

P326 表10-4

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering不同制品的可塑度

胶管外层胶：胶管内层胶：

0.30~0.350.25~0.30

胎面胶：胎侧胶：海绵胶：

0.22~0.240.350.50~0.60

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering可塑度不当易引起的问题

强度性能下降；胶料容易粘辊；半成品挺性不好；

胶料充模时容易流失。配合剂不易加入；

与骨架材料的粘合差；半成品收缩大；

流动性差，易有缺陷。

可塑度过高

可塑度过低

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering三．生胶的增塑方法

物理增塑法（辅助方法）增塑方法

开炼机塑炼密炼机塑炼螺杆塑炼机塑炼

100℃以下进行-低温机械塑炼

机械增塑法化学增塑法（辅助方法）100℃以上进行-高温机械塑炼

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering开炼机和密炼机

开炼机

密炼机

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering机械塑炼过程机理

低温塑炼-开炼机塑炼

机械力断链。

（氧作为自由基接受体）高温塑炼-密炼机塑炼

橡胶氧化断链（机械力起活化作用）。

（氧既为自由基引发体也为自由基接受体）

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering机械断链

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering四. 塑炼的影响因素

1. 机械力的作用2. 氧的作用3. 温度的作用4. 化学塑解剂

5. 静电作用

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering1. 机械力的作用

机械作用力与橡胶链断裂几率：

ρ—分子链断链的几率

K11e(EF0)/RTK1、K2—常数

E—分子链的化学键能；F0—作用于分子链上的力；δ—分子链断链时伸长长度；F0 δ—分子链断链时消耗的功；



F0MK2M2η—生胶的粘度

M—生胶的最高分子量；—生胶的平均分子量；γ—机械剪切速率。



QUSTCollege of Polymer Science and Engineering推论

有效作用力越大，断链的几率越大。提高温度，ρ下降。

（低温时机械力的作用表现更突出）。

提高剪切速率和高分子量可提高断链几率。塑炼后的分子量分布变窄。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering2. 氧的作用

实验证明，生胶结合0.03%的氧就能使分子量

减少50%；结合0.5%的氧，分子量由10万降到5000。

橡胶质量和丙酮抽出物（其中含有氧化合物）

的含量随着塑炼时间的延长，不断增加。

低温：橡胶大分子自由基终止剂；

高温：橡胶大分子自由基引发剂和终止剂。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering3. 温度的作用

低温区（<100℃）:

温度升高，塑炼效果下降。

——机械力作用高温区（>1010℃）：

温度升高，塑炼效果提高。

——氧化作用

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering4. 化学塑解剂

自由基接受型塑解剂（低温塑解剂）：苯硫

酚、五氯硫酚等。

自由基引发型塑解剂（高温塑解剂）: BPO、

AIBN等。

混合型塑解剂：M、DM和2，2’-二苯甲酰

胺二苯基二硫化物。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering5. 静电作用

塑炼过程中，胶料摩擦产生静电。静电积累放电，使空气中的氧活化

变为原子态氧和臭氧，加速橡胶分子的氧化断链作用。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering§7.2 可塑度的测定方法

压缩法旋转扭力法压出法QUSTCollege of Polymer Science and Engineering1．威廉氏法（Williams）

试样：直径为16mm，高10mm的圆柱

温度：70±1℃负荷：5kg

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering测定方法

70℃预热3分钟，测高度h0;加负荷压缩3分钟测高度h1；除去负荷后恢复3分钟，测高度h2。

h0h1h2则可塑度为：P=(h0-h2)／(h0+h1)

h0=h2时，P=0，绝对弹性体、无塑性变形；h1=h2=0时，P=1，绝对塑性体、无弹性变形。P在0～1之间，P越大，可塑度越高。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering2. 华莱氏（Wallace）法

试样：直径为13mm，厚度为3mm的圆片

温度：100±1℃负荷：100±1N

方法：在100±1℃下施加100±1N的力，

持续15秒；用测厚计测出厚度变化，厚度每变化0.01mm即为一个华莱氏可塑度。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering3．德弗法

试样：直径10mm，高度10mm的圆柱；温度：80±1℃

方法：将试样在80±1℃下预热20分钟，在30秒

钟内将试样压缩到4mm所需要的负荷（g）。其数值一般在50～20000g之间。

数值越大，可塑度越低。

通常合成橡胶厂用来测生胶的初始可塑度。

剪切速率低：0.0025 to 1 S-1

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering二．旋转扭力法—门尼粘度

1.原理：

定温度、压力和时间下，产生一定变形所需的扭矩确定。2.试验方法

在100℃预热1min，转子以2r/min速度转动4min，所测的扭力值。3.表示方法:

L表示用大转子（D为38.1±0.03mm）

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering门尼粘度仪计Mooney viscometer

缺点：只反映胶料在低剪切速率（1S-1）

下的流变特性！

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering三．压出法

毛细管流变仪-capillary rheometer一定温度、压力、口型下，每分钟压出胶料的数量。

优点：剪切速率范围广，10 S-1~ 1000 S-1。工况与压出机口型相似。

缺点：压出法试样需要较多的胶料，且试样必须经较长时间预热。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering§7.3 塑炼方法及影响因素

准备工艺开炼机塑炼工艺密炼机塑炼工艺螺杆塑炼机塑炼工艺

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering一. 准备工艺

1．烘胶

NR：50－60℃×24－36h，冬季36－72h。CR：24－40℃×4－6h。

在烘胶房中进行，温度不宜过高，要均匀。2．切胶

用切胶机将生胶切成小块，NR每块10~20kg，CR每块不超过10kg。3．破胶

橡胶块需用破胶机破胶，以便塑炼。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering破胶机

切胶机

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering二．开炼机塑炼工艺

(一)开炼机塑炼的原理

摩擦力将胶料带入辊距中。辊筒线速度不同产生剪切力

开炼机

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering开炼机

工作原理示意图：

速比：f=V1/V2

剪切速率：γ＝V2(f－1）/e

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering（二）开炼机塑炼的工艺方法

1．薄通塑炼法2．包辊塑炼法a.一段塑炼b.分段塑炼3．爬高法4. 化学增塑塑炼法QUSTCollege of Polymer Science and Engineering薄通塑炼法

特点：辊距小（在1mm以下），胶料通

过辊距后不包辊而直接落到接胶盘，让胶料返回到辊距上方重新通过辊距，这样反复数次。

优点：散热快，冷却效果好，塑炼效果

大，可塑度均匀，能达到任意可塑度；

缺点：劳动强度大，生产效率低。

QUSTCollege of Polymer Science and EngineeringQUSTCollege of Polymer Science and Engineering包辊塑炼法

特点：胶片包前辊，反复过辊塑炼，直至达到



规定的可塑度要求为止。优点：劳动强度低。

缺点：散热慢，塑炼时间长，效率低，最终获得的可塑度也较低。不适于可塑度要求高的。分段塑炼：先将胶料包辊塑炼一定时间，然后下片冷却4～8小时，再进行第二次塑炼。

目的：消除由于温度升高引起的假可塑度，提高由于分子断链而产生的真可塑度。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering爬高法

又称循环法，用一输送带将塑炼过的胶料输

送过一段距离后返回到开炼机上，综合了包辊塑炼和薄通塑炼的优点。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering化学增塑塑炼法

采用化学塑解剂增加塑炼效果，

提高塑炼生产效率并节约能耗。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering（三）开炼机塑炼的影响因素

1．装胶容量2．辊距3．辊速和速比4．辊温5．塑炼时间6．化学塑解剂

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering1. 装胶容量

装胶容量取决于开炼机的规格。

容量大，散热困难，胶温升高，降低塑炼效果；

容量过小则降低生产效率。

合理的容量根据经验公式计算

Q=K·D·L

Q：装胶容量；

K：经验系数，一般为0.0065～0.0085 L/cm2D：辊筒直径，cm；

L：辊筒的有效工作长度，cm。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering2. 辊距

辊距越小，机械塑炼效果越明显。薄通时实际使用辊距一般为0.5－1mm。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering3. 辊速和速比

辊距一定，提高开炼机的辊速或速比会增大胶

料的机械剪切作用，从而提高机械塑炼效果。

开炼机的速比一般在1.15－1.27之间。速比过大，升温加快,又会降低塑炼效果。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering4. 辊温

辊温低，塑炼效果好。辊温过低容易造成

设备超负荷而受到损害。

塑炼温度与生胶胶种有关，NR通常控制前

辊温度在45－55℃，后辊温度在40－50℃为宜。

NR包热辊；多数合成胶包后辊。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering5. 塑炼时间

在塑炼过程的最初10－15min，胶料的

门尼粘度迅速降低，此后渐趋缓慢。

此为分段塑炼时间的依据。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering6. 化学塑解剂

使用塑解剂能提高塑炼效果，缩短塑炼时

间。

使用化学塑解剂时，适当提高温度会提高

塑炼效果，塑炼温度以70－75℃为宜。

塑解剂的用量，在NR中一般为生胶重量的

0.1－0.3%，合成橡胶则应增大到2－3%。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering二棱转子四棱转子三．密炼机塑炼工艺QUSTCollege of Polymer Science and Engineering（一）密炼机的工作原理

物料从加料斗加入密炼室后，加料门关闭，压料装臵的上顶栓降落，对物料加压。

物料在上顶栓压力及摩擦力的作用下，被带入两个具有螺旋棱、有速比的、相对回转的两转子的间隙中，致使物料在由转子与转子，转子与密炼室壁、上顶栓、下顶栓组成的密闭系统内，受到不断变化和反复进行的剪切、撕拉、搅拌和摩擦的强烈捏炼作用，从而达到塑炼的目的。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering物料在密炼室中主要受到几种作用

1．转子间及转子与混炼室内壁间的作用；2．转子棱间的搅拌作用；3．转子轴向的往复切割作用。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering（二）密炼机塑炼的工艺方法

塑炼法QUSTCollege of Polymer Science and Engineering（三）影响密炼机塑炼的因素

优点：自动化程度高，生产效率高，节能，劳

动强度低；

缺点：温度高，冷却困难，易过炼，出料为无定形状，需要配备相应的压片机。

1．温度2．转速3．时间

4．上顶栓压力5．装胶容量6．化学塑解剂

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering1. 温度

属高温塑炼，生胶断链以高温氧化为主；可在短时间内获得所需要的可塑度；一般密炼机塑炼NR的排胶温度控制在140～

160℃，合成胶应适当降低。

温度过高会导致橡胶物理机械性能下降。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering2. 转速

转速快，塑炼效率高。

转速从25转提高到75转，塑炼时间从30min

缩短到10min。

转速的提高必然会加速胶料生热升温，因此

必须加强冷却，防止过炼。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering3. 时间

用密炼机塑炼，胶料的可塑度随塑炼时间

的增加而增加。

使用塑解剂进行塑炼时，塑炼效果会提高，

塑炼时间可缩短30%~50%。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering4. 上顶栓压力

上顶栓必须加压，以增加转子对胶料的

剪切作用。

压力过小，不能压紧胶料；

但压力过大，又会造成设备负荷过大。上顶栓压力一般为0.5～0.8MPa。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering5. 装胶容量

各种规格密炼机的装胶容量为密炼室容积的

48%－62%。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering6. 化学塑解剂

密炼机塑炼温度高，采用化学塑解剂增塑法合理有效，不仅能充分地发挥塑解剂的增塑效果，而且在同样条件下会降低排胶温度，提高塑炼胶质量。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering四．螺杆塑炼机塑炼工艺

(一)螺杆塑炼机工作原理

在螺杆塑炼机中，生胶一方面受到螺杆的强烈的机械搅拌作用，另一方面，由于生胶受螺杆与机身内壁的摩擦产生大量的热，温度高达150－180℃，从而加速氧化裂解，获得塑炼效果。

优点：能连续生产，生产能力大，适用于大型轮胎厂。缺点：排胶温度高，塑炼胶的热可塑性大，质量不均，

排胶不规则。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering单螺杆塑炼机

双螺杆塑炼机

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering（二）影响螺杆塑炼机塑炼的因素

1．塑炼温度：若温度偏低，设备负荷偏大，塑炼胶可塑度偏低，且不均匀若温度太高，易使大分子链过度氧化降解而损害胶料质量。2．喂料速度：速度过快，胶料在机筒内的停留时间短，出现夹生现象。速度太慢，不仅降低生产效率，而且容易过炼。3．排胶孔隙大小：孔隙小，排胶速度和排胶量减小，胶料可塑度偏大，生产效率降低。反之，生产能力提高，但塑炼胶的可塑度偏低且不均匀。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering五．塑炼后的补充加工

1．压片或造粒：塑炼后的胶料要压成8～10mm的胶片以增加散热面积，便于堆放管理和称量操作。2．冷却与干燥;压片或造粒的塑炼胶应立即浸涂或喷洒隔离剂隔离，防止粘结，再用冷风吹干，降低含水量。

3．停放:干燥后的胶片按规定堆放4~8h以上才能供下道工序使用。4．质量检验：可塑度检验，可塑度偏低，要补充混炼，偏高，可少量掺混。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering§6.4 常用橡胶的塑炼特性

一．NR塑炼容易的原因

（1）甲基和双键的共轭效应使键能降低，易断裂；（2）分子量大，易断链；

（3）大分子断链后生成的自由基稳定性高；（4）大分子氧化生成的氢过氧化物分解导致大分子链断裂破坏。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering二．几种常用橡胶的塑炼特性

1．NR

NR容易进行塑炼。

NR用开炼机塑炼，通常采用低温40~50℃），薄通塑炼效果好。用密炼机塑炼时，温度宜在155℃以下。

NR塑炼时，常加入化学塑解剂来提高塑炼效果。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering2.SBR：软丁苯一般不需塑炼。

速比大，辊距小、辊温低时效果好。辊温一般在45℃以下，薄通法效果好，温度高容易产生凝胶，使粘度增大。3.BR：分子量低，有冷流性，缺乏塑炼效果；用密炼机高温塑炼时，粘度显著下降，但无凝胶产生。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering4.CR：易结晶、变硬，塑炼前应烘胶；

对温度敏感，通用型CR的塑炼温度40℃以下。5.IIR：具有冷流性，缺乏塑炼效果。

开炼机时应采用低辊温、小辊距；塑炼时注意清洁；

用密炼机在120℃以上塑炼时效果较好。

QUSTCollege of Polymer Science and Engineering6. NBR

NBR的塑炼应采用开炼机在低温（40℃以下）、小辊距（1mm左右）、低容量（约为NR容量的1/2~1/3）。一般不宜用密炼机进行塑炼，NBR很易生成凝胶。

7.EPM(EPDM)：

化学性质稳定，缺乏塑炼效果。一般在合成中控制可塑度；生胶薄通5～6次可以包辊加料。

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