了解與選擇橡膠配方中高效能添加劑

在配制和混煉橡膠時，使用粉末可隨時滿足性能參數和應用需求。粉末提供了橡膠混配最便宜的方法。然而，最低消耗原料并不總是意味著可以有最低的成本混配。

高效能添加劑往往為最終產品應用帶來價值和明顯的益處?？紤]到混配車間的研磨機配置（圖1），在沒有二次混煉情況下并在有限的時間內，在雙輥磨機上獲得硫化分散。添加劑提供的解決方案通過磨機實現加速分散。高效能添加劑的實益用途的其他例子包括減少生產時間、改善工作環境，且能為難處理的原料提供安全的方法。

圖 1、應用預分散硫化劑研磨機配置

但是混配商和工廠配料師應如何做，才能為其應用找到正確的高效能添加劑？面對這么多的選項，做出選擇是必須的。若要開始，必須首先仔細確定想要得到的結果。為特定的應用其最重要的是什么？一個系統方法是明確目標，例如更好的生產量和/或關鍵成分的精確控制，縮短混合周期以降低成本，而且可及時和完整分散、最小化空氣中粉塵、易于加工處理和混合、工人的安全和/或顏色控制等都是必要的。

在什么時候將高效能添加劑加入混配物中以利于混合反應？在某些情況下，例如評價新的配方，其目標是找出可能存在的問題，并考慮加入高效能添加劑來解決這些問題。然而，直到這些潛在的問題在混合生產線上獲得驗證，才能確認粉末可用于配方中，且要確定明確的安全問題。

當現有的過程需要改進時，許多額外的情況會出現。在混合生產線上的工廠經理和主管，以及運營商，通常可以識別阻礙運作和執行所需操作的問題。哪些問題可能會妨礙需盡快加工處理橡膠的過程？問題是，在配方中什么材料需要進行評估？

在檢討配方時，工廠配料技師可能會發現，例如，某特定成分并未有分散，因此需要一種分散添加劑。它必須是丸狀或片狀嗎？它需要是液體嗎？如果它是液體，干粉將會更好地起作用嗎？如果它是一種粉末，且它團聚嚴重，是否需要分開？這些是識別高效能添加劑實益用途的例子。

找到最好的添加劑解決辦法可能很困難。本文將幫助混配生產商為其應用過程了解并選擇精確的橡膠化學品或橡膠化學品與著色劑的預分散體。

使用高效能添加劑的原因

設計師和工廠配料技師有時可能對橡膠的經驗有限，往往依賴分析和聚合物混配服務提供商的資源。他們可能需要援助，以便于為其應用作出選擇。事實上，通常不會使用高效能添加劑，除非他們確實帶來價值，但近78%的所有配方需要某種添加劑。典型的配方始于基礎橡膠聚合物，但是可能會有10到20種附加成分發生相互影響，甚至影響到最終產品（表1）。

表 1、含十種配料的典型配方

混配復合物服務供應商應義不容辭地花時間在工廠車間，向工廠配料師和混合生產線操作工了解他們的目標和關注點，并幫助他們找到并實施適當的解決方案。一個回答問題和分享信息的交流過程是必不可少的?；旌瞎錾隙鄠€主題應予以強調，這包括：

● 挫折感：關注產品質量、開發周期時間、成本和環境問題。

● 配方：無論產品是輪胎、輸送帶、膠管、模制品、電氣產品（電線和電纜）或者是日用消費品，針對最終產品的關鍵特性要求并不十分清楚。

● 功能性成份：總是要質疑并需要了解原材料及其配方。原材料包括基礎聚合物、填料、交聯劑、加工助劑、增塑劑、潤滑劑、硫化劑、促進劑和活化劑、保護劑、著色劑、發泡劑和粘結劑。

● 組份的形態：不同形態類型，如固體（如厚片、膠條、珠子和微丸）；液體或糊劑，會影響到加工、混合效率和環境問題。

● 加工問題：混合設備的類型和大小，混合加工過程和容量利用率，目前所有不同的加工處理問題均要考慮。

● 制作：不同的制作方法，例如擠出、注塑成型、成型硫化，會影響配方要求和高效能添加劑的選擇。

● 財務考慮：高效能添加劑成本更高，但改進加工、縮短混合周期和增加的生產量超過了初始成本差異的補償。

性能改進、加工過程效率和全生產周期費用減少，是混配復合物服務供應商為其混配復合物客戶認同、評估并努力實施的目標。高效能添加劑的價格不會比粉劑更便宜（雖然只占配方成本的一小部分），但加工過程的改進和生產量的提高，會有助于降低整個生產周期成本，具體如表2所示。

表 2、預分散體常常降低加工成本

高效能添加劑選擇概述

雖然配方中使用高效能添加劑幾乎有數以千計的可能性，高效能添加劑在生產應用中的主要問題有六個。這里提供的解決方案建議將在本文稍后面的“高效能添加劑的力量”一節中詳細論述。

制造型企業

● 由于不一致的稱重令廢料過高：考慮使用油處理、預混合的粉末，使清潔處理和稱量更容易、令加工過程和產品均勻性得到改善。它們被送到混配車間，并濕潤表面以便更快混合，使用多組分以便簡化稱量，與此同時，調整粉末的臨界比。

● 每個批次都有太多的成分要稱量：這些都是預先稱量并包裝好的多組分粉末混合包，是在一個低熔點投料袋中熱封好的。它們是依客戶配方和專門重量定制的，從而減少了勞動力并提高了配方精度。

● 健康、安全和環境問題：領先的混配復合物服務供應商以干凈、易于處理的固體形式，例如厚片、膠條、微丸和方塊等，提供單一和多組分分散體，以便在混煉中快速混合。

● 研磨硫化添加劑：考慮到單一和多組份分散體，可靈活適應定制要求，和/或設計用于快速混合添加劑的封裝技術。

● 成批的非分散粉末：確認粉末，并用配料的分散體代替。

● 周期時間太長：考慮用單一和多組分分散體替換粉末或添加劑，設計用于快速混合添加劑的封裝技術。這些分散體可靈活滿足定制要求。

正確選擇高效能添加劑以解決制造和加工過程的問題，例如上面所列的，有助于在復合混配過程中保持質量和一致性。他們往往是復合混配制造成功、有效和盈利的關鍵，因為他們：

● 確?；钚猿煞旨皶r并完全分散到該混合化合物中

● 縮短混合周期、增加機器產量和減少能源的使用

● 在運輸、工廠車間、混煉生產線上盡量減少空氣中粉塵

● 簡化處理不易干燥的粉末和原材料

● 為工人提供更安全的環境并減少的風險

● 改善和延長混合物保質期

應用高效能添加劑在財政方面的考慮和減少成本的機會包括：

● 減少勞動力需求：材料測量和清理過程少

● 減少混煉時間：材料快速混合

● 通過替代程序減少混合成本：生產制造前使用預混配料

● 減少過程中的損失：油處理和聚合物基材料更容易操作和稱量

● 改進產品和過程的一致性：預先稱量的材料確保每一批次的穩定性

使用高效能添加劑的驅動力

使用高效能添加劑的基礎和驅動力主要基于四個因素：包括與分布混合相對的分散混合；與化學分散相對的粉末；擬定的橡膠化學形態；以及重要的相容性。

分散混合與分布混合

要回答的第一個問題是為什么分散混合比分配混合重要（圖2）。分布混合確保顆粒物質遍布整個組合；分散混合分解成細小的顆粒團聚顆粒。適當的技術是用以確保團聚體仍然處于分離狀態。

圖2、色散與分布混合

左上圖闡明了共混體系中由于缺乏分散和分布的團聚體，這種化合物充斥著非均勻分布的團聚體；右上圖闡明了均勻分布，但由于差的分散性致使許多大的團聚體仍然存在；左下圖具有良好的分散性，但分布較差；右下圖則顯示出完美的分散與分布情形。

對于分布式混合，適當的流變至關重要，涉及傳送次要組份到整個混合物基質，以形成均勻的混合。高粘度增加了混合的時間或導致非均勻分布。不同混合組份的流變性越接近，最終混合的結果越好。

想象一下，在不分散催化劑粒子情況下，由于分散性差的區域會過硫化和燒焦，拉伸試棒將會斷裂。理想情況下，混合力爭完全地分散。沒有高效能添加劑，多次混合可能是必要的，但會增加額外的成本，這是值得的嗎？這些處理方案的目標應被確定，“對于客戶的操作，究景多少費用最為合適”？目標始終是混合更快和更有效，這就需要通過使用添加劑以減少恰當分散所需的時間。

粉末與化學分散

圖3表現出某些化學分散體系的效率做得好。它說明了雙輥磨干粉硫化方式可能效率低下。它必須打掃粉末并將其返回到滾子壓區直到混合完成。完成時間是兩分鐘，并且要求兩次清掃。配方中分散添加劑的引入大大降減了混合時間。

化學分散好處包括可快速混合，且沒有粘結在輥筒中，粉末也沒有掉進磨盤中，混合時間可以大大減少。

準備好的橡膠化學形態

不同的形態類型，如固體（厚片、膠條、珠子和微丸），液體或糊狀物會對加工處理、混合效率以及環境問題產生影響。這些形態在本文“高效能添加劑的力量”一節中有詳細討論。

相容性的重要性

當使用高效能添加劑時，其與基礎化合物的相容性是非常重要的。如上所述，選擇一種添加劑的波及面，包括積極和消極的，都需深入了解，這是合適的添加劑解決方案的范圍要求?；炫湮锷a商更喜歡和使用與眾不同的粘合劑。某些人有腈類的化合物，因此他們會選擇腈類粘合劑。而其他人使用三元乙丙橡膠，所以他們會選擇三元乙丙橡膠。SBR一向是通用型粘合劑，這是歸因于其成本低廉，但如今許多其他粘合劑被用于提高相容性和延長產品使用期。

高效能添加劑的力量

這些驅動力的解決方案見諸于專有的高效能添加劑，生產率提高的預分散化學品、色母粒產品和色母料。可用的添加劑及其形態初步回顧如下。

預稱重材料

關鍵混合物組份，比如硫化系統，往往是預稱重和由第三方供應商提供。使用低熔點投料袋，并直接加入密煉機中。

收益包括：

● 改進了產品均勻性和過程控制

● “環境友好”包

● 直接勞動減少

● 工作量下降，產品降級或廢料將減少

抑制粉塵的粉末

粉末通常用油或增塑劑潤濕，這種抑制粉塵的粉末可減少粉塵。液體的選擇應取決于預期應用。達成混合過程的合理混合時間需要相容的液體。不相容的液體可能會滲出并導致制造問題和不能接受的最終產品。標準考量也是重要的，比如最終產品是一種醫療器材、FDA或NSF監管的產品。

使用預處理粉末，抑制粉塵減少直接材料接觸，也減少危害品和過程中損失的物料吸入到集塵器中。而且工廠的外排流，諸如包裝殘留物和受污染的覆蓋物也會相應減少。

封裝材料

封裝材料的組成取決于相容性和監管機構的約束。因為這些產品是在低到中等強度的設備中混合，因此其基本粉末組份中的粒子大小和聚集體尤為重要。

圖3、聚合物綁定粉末提高攪拌效率

聚合物封裝粉末產品完全無灰塵，不會粘附到包裝或加工處理設備。因此，極大地減少過程中損失，并且產品的形態是“環境友好”的。重新集結的可能被消除。此外，他們還與化合物，而不是攪拌設備表面具有親和力?；旌显O備表面的析出現象也被排除，且混合效率可持續保持。恰當的加工處理，混合時間將可以大大減少，磨盤或密煉機料口廢屑也可以被排除（圖 3）。

被吸收的“液體”（干燥液粉）

低熔點固體或粘稠液體很難處理和混合。通常情況下，材料必須進行加熱處理，這樣會產生安全隱患。在攪拌混合過程中添加液體潤滑化合物并減少剪切輸入。因此，他們必須緩慢加入以維持有效的混合。這種材料經常被吸收到高比表面積載體上。最終產品處理類似“涂油的”粉末。

利益包括：

● 改善操作

● 更準確的稱重和加料

● 減少包裝損失

● 改善混合

分塊的“固體”

較低熔點的固體，如增粘樹脂，通常以桶式包裝供應。由于其低熔點，材料是一個大塊狀。若要處理這些材料，他們必須被打破或粉碎成小顆粒，以便于稱重和混合。除非粒子被分塊，不然他們將重新聚集。分配劑通常是粘土、沉淀二氧化硅或硅藻土。此形態的主要好處是改進處理過程，進而降低勞動成本和減少健康與安全問題。

聚合物基礎分散劑

確定分散質量的關鍵因素是原材料質量、分散系配方、加工設備和混合過程。聚合物基粘結劑體系（連續相）應該是在加工溫度具足夠的粘度，確保剪切輸入充分，以達到好的解聚與均勻分散。在加工溫度下，預分散體必須足夠柔軟，以達到在最終化合物中具有良好的分布混合。

以聚合物基分散體替換粉末所獲得的好處包括：

●  改善材料操作過程

● 減少混合時間（混合是分布的而不是分散的）。

● 使用多組分分散時可改進產品和過程的一致性

● 加工材料的收縮減少

● 廢棄和/或降級的產品量下降

● 改善環境條件（直接接觸和間接接觸機會均可減少）

漿料分散體

化學品或色漿分散劑通常用于極低粘度的化合物中，以實現良好的分散和分布混合。如所述的所有以前的系統所存在的一樣，漿料分散體受到相同的約束。液體的選擇和多組分的局限性是重要的。漿料分散體范圍可以從可泵送并計量的低粘度產品，到被擠出成條狀的高粘性產品。

利益包括：

● 在低粘度化合物中改進分散并更快速分布

● 改進多組分糊狀分散體均勻度

● 減少返工、降級和報廢

著色橡膠化合物

顏色通常涉及染料或顏料。染料是可溶性材料，價格昂貴、使用非常低的荷量仍會從橡膠化合物中“滲出”或移出；顏料是不溶性微粒，用作材料的著色。由于染料的遷移問題，顏料幾乎完全用于橡膠化合物的著色應用。

顏料選擇

選擇一個顏料系統的最佳時機是在化合物開發的早期階段。不幸的是，顏色著色往往是事后的想法。選擇最佳的顏料以滿足特定的應用，要求選出最符合成本效益和最佳著色性能，并達成分散性和相容性最理想的平衡至關重要。顏料選擇需要徹底了解產品的最終應用要求。

需要回答的問題包括：

● 什么是所期望的顏色，如何鑒定它是相配的？

● 產品是應用于戶外還是室內？對紫外線存在有什么要求？

● 在產品制造過程中將使用多高的加工溫度，將會接觸該溫度多長時間？

● 這是一個食品接觸應用嗎？

● 它要求“無重金屬”嗎？

● 這種產品的預期壽命是多久？一天還是20年？

● 成本約束要求如何？

顏色擴散系統

一旦選擇了顏料，下一個重要選擇是引入著色劑到該化合物的分配系統。干顏料、固體分散體和糊料分散體是最常見的類型。深思熟慮的分配系統是獲得最低的總生產成本的關鍵。這筆費用不僅包含原材料的采購成本，而且還要權衡時間，加工資源和報廢成本。雖然干顏料初始原料成本低，但在獲得最大著色強度所需分散的難度會更大，往往要求濃縮色料。色母粒消除了這種問題，也消除了干顏料所帶來的其他問題。幾種形態都可應用，包括厚片、立方體、顆粒和糊料。

結論

粉末提供橡膠混煉的最便宜方法。當它們不帶來價值，或者不提供可量化的好處，則不需要高效能添加劑。然而，正如本文所述，最便宜的原料并不總是意味著轉化成最低的最終化合物成本。高效能添加劑的實益用途的例子包括當加工難處理的原材料時，可減少生產時間、改善工作環境和提供安全的生產方式。

在使用添加劑時應實現的目標包括潔凈度、分散性、色彩控制、易于加工處理和工人的安全，以及結合容易和關鍵成分能精確控制。為達到這些目標，對于每個應用都有多項高效能添加劑類型供考慮和評估，包括預先稱量的材料、粉塵抑制粉末、封裝、吸收的液體，分塊的固體、聚合物基分散體、糊料分散體和顏料分散體。

使用高效能添加劑帶來的好處是降低成本和制造實惠，這包括勞動力、混合時間和加工過程中的損失均會減少，而且廢料更少，生產量提高，產品和生產過程的一致性也得到改善。