[01201205]高性能橡胶制品的混炼胶制备技术装备及工业化应用

1、课题来源及背景 本课题来源于国家自然科学基金项目“块状橡胶连续混炼机理和方法的研究”（51175274）和“聚合物共混物的混炼成型理论与方法的研究”（50375075）。 2、研究的目的与意义 我国是橡胶生产、消费大国,所以实现高效率、低耗能地大规模生产高质量橡胶制品是我国现阶段亟待解决的重要问题。 在橡胶产品的生产过程中,混炼工序是必不可少的,也是十分重要的。混炼胶的质量直接关系到橡胶产品的使用性能。在实际的生产中,混炼工序一直以来是耗能大户,约占橡胶制品生产过程总能耗的40%左右。比如：F270密炼机的装机容量约为1000kW,而F370密炼机装机容量超过2300kW,近似于一个小发电厂所产生的电量。在国家倡导节能减排的今天,降低混炼过程中的能耗势在必行。但是从目前来看,橡胶企业仍然采用传统的密炼机作为混炼的主要设备。因此,针对这个现状,青岛科技大学研制了高性能橡胶制品混炼技术,提出了降低混炼过程能耗的有效解决方案,可用于载重子午胎、工程子午胎、半钢子午胎以及其它高分子制品的配方、工艺条件和各项性能的研究,以及对在高分子材料加工过程中的主要设备之一--密炼机技术参数、性能和转子构型等进行实验的一种综合性的、先进的混炼设备。 可主要应用于载重子午胎、半钢子午胎、工程子午胎等轮胎行业和管、带、鞋等橡胶制品行业中的塑炼和混炼,塑料工业中的混合,橡塑共混,沥青、废橡胶（动态脱硫）等高分子材料加工行业,这对提高橡胶制品的品质,提升我国橡胶行业的国际竞争力和影响力,具有重要意义。 3、主要论点与论据 （1）研究橡胶在混炼过程中的物理、化学变化及各种影响因素之间的相互关系,建立相关的物理数学模型及混炼理论,确定橡胶混炼的方案。 （2）重点研究橡胶等聚合物共混物材料连续混炼加工机理及相关数学模型,研发出高剪切、高分散混炼用的新型转子,设计高效、低能耗、强剪切、分散分布效果优异（相当于密炼机）的新型的、适合不同胶料配方的橡胶等高弹性聚合物共混的实验用的混炼设备。 （3）研发炭黑及各种配合剂成分配比一致的自动供给技术与装备,研发出炭黑及其它配料的自动供料装备,主要研究如何保证各种物料供给速度,以实现各种物料的配比要求。 （4）研究设计新型橡胶混炼的智能化控制系统软件;用工控一体机对整个混炼机组成系统的参数进行设置,将工艺工程参数（如工艺配方、混炼过程的程式、过程参数）输入工业计算机,实现混炼过程各受测控参数的采集、运算、比较、处理、存储、显示、打印、记录输出等;用可编程序控制器,实现对混炼机操作过程的智能化监控。参数调节及在线控制：对转子转速、机筒内压力和温度、冷却水温度采用闭环控制,可根据不同配方、不同工艺条件和炼胶不同阶段实现设定、调节和控制;在线检测系统：可对混炼机的主要参数（功率消耗、转子转速、机筒内压力与温度、冷却水温度、混炼时间、能耗等）进行在线控制。采用板式换热智能温度控制系统,可与计算机通讯,在计算机上可进行设定、调节和控制。 5)在该试验机台上进行相关实验,并对其结构进行不断完善,寻找最佳结构参数和工艺条件,实现橡胶混炼的最佳加工;建立起其相应的数学模型和混炼理论。 4、创见与创新 1)采用不同构型的同步转子及变间隙同步转子技术（同步二棱、三棱、四棱、六棱同步转子或变间隙同步转子）,有利于胶料的混合与分散,可根据用户需要进行选配; 2)可对密炼机的主要参数（功率消耗、转子转速、上顶栓压力、混炼室压力、混炼室温度、冷却水温度、混炼时间能耗等）进行在线检测,以及数据的自动采集、处理、计算、对比、存储、显示、记录和打印。 3)研制了智能化控制软件,可根据不同配方、不同工艺要求,调整上顶栓压力、冷却水温度、转子转速等主要参数,以降低混炼过程的能耗并获得最佳混炼效果。 4)采用了智能排料控制方法,包括功率曲线,时间、温度、能量、时间-温度,时间-能量,温度-能量七种控制方法,及时排料,节省了能耗。 5、社会经济效益、存在的问题 （1）经济效益 a.节约能耗,以270L密炼机为例,其混炼胶单位能耗约为0.4～0.7KWh/kg;而本设备如果经等比例放大,其单位能耗约为0.2～0.3 KWh/kg。可见采用节能混炼技术,混炼胶的单位能耗至少降低40％。如果以每年1000万吨的混炼胶来计算,单位能耗降低0.2KWh/kg,每年就至少可为国家节约20亿度电。 b.节约设备投资,同规格实验密炼机从德国进口需要18万欧元（约180万元人民币）。因此,按目前轮胎厂和橡胶厂需求量来说,其经济效益也是相当可观的。 （2）社会经济效益 a.节约外汇,该实验机台的研制成功,达到了国际二十一世纪初同期的先进水平,因此可以代替进口,节约外汇。