了解与选择橡胶配方中高效能添加剂

在配制和混炼橡胶时，使用粉末可随时满足性能参数和应用需求。粉末提供了橡胶混配最便宜的方法。然而，最低消耗原料并不总是意味着可以有最低的成本混配。

高效能添加剂往往为最终产品应用带来价值和明显的益处。考虑到混配车间的研磨机配置（图1），在没有二次混炼情况下并在有限的时间内，在双辊磨机上获得硫化分散。添加剂提供的解决方案通过磨机实现加速分散。高效能添加剂的实益用途的其他例子包括减少生产时间、改善工作环境，且能为难处理的原料提供安全的方法。

图 1、应用预分散硫化剂研磨机配置

但是混配商和工厂配料师应如何做，才能为其应用找到正确的高效能添加剂？面对这么多的选项，做出选择是必须的。若要开始，必须首先仔细确定想要得到的结果。为特定的应用其最重要的是什么？一个系统方法是明确目标，例如更好的生产量和/或关键成分的精确控制，缩短混合周期以降低成本，而且可及时和完整分散、最小化空气中粉尘、易于加工处理和混合、工人的安全和/或颜色控制等都是必要的。

在什么时候将高效能添加剂加入混配物中以利于混合反应？在某些情况下，例如评价新的配方，其目标是找出可能存在的问题，并考虑加入高效能添加剂来解决这些问题。然而，直到这些潜在的问题在混合生产线上获得验证，才能确认粉末可用于配方中，且要确定明确的安全问题。

当现有的过程需要改进时，许多额外的情况会出现。在混合生产线上的工厂经理和主管，以及运营商，通常可以识别阻碍运作和执行所需操作的问题。哪些问题可能会妨碍需尽快加工处理橡胶的过程？问题是，在配方中什么材料需要进行评估？

在检讨配方时，工厂配料技师可能会发现，例如，某特定成分并未有分散，因此需要一种分散添加剂。它必须是丸状或片状吗？它需要是液体吗？如果它是液体，干粉将会更好地起作用吗？如果它是一种粉末，且它团聚严重，是否需要分开？这些是识别高效能添加剂实益用途的例子。

找到最好的添加剂解决办法可能很困难。本文将帮助混配生产商为其应用过程了解并选择精确的橡胶化学品或橡胶化学品与着色剂的预分散体。

使用高效能添加剂的原因

设计师和工厂配料技师有时可能对橡胶的经验有限，往往依赖分析和聚合物混配服务提供商的资源。他们可能需要援助，以便于为其应用作出选择。事实上，通常不会使用高效能添加剂，除非他们确实带来价值，但近78%的所有配方需要某种添加剂。典型的配方始于基础橡胶聚合物，但是可能会有10到20种附加成分发生相互影响，甚至影响到最终产品（表1）。

表 1、含十种配料的典型配方

混配复合物服务供应商应义不容辞地花时间在工厂车间，向工厂配料师和混合生产线操作工了解他们的目标和关注点，并帮助他们找到并实施适当的解决方案。一个回答问题和分享信息的交流过程是必不可少的。混合工场上多个主题应予以强调，这包括：

● 挫折感：关注产品质量、开发周期时间、成本和环境问题。

● 配方：无论产品是轮胎、输送带、胶管、模制品、电气产品（电线和电缆）或者是日用消费品，针对最终产品的关键特性要求并不十分清楚。

● 功能性成份：总是要质疑并需要了解原材料及其配方。原材料包括基础聚合物、填料、交联剂、加工助剂、增塑剂、润滑剂、硫化剂、促进剂和活化剂、保护剂、着色剂、发泡剂和粘结剂。

● 组份的形态：不同形态类型，如固体（如厚片、胶条、珠子和微丸）；液体或糊剂，会影响到加工、混合效率和环境问题。

● 加工问题：混合设备的类型和大小，混合加工过程和容量利用率，目前所有不同的加工处理问题均要考虑。

● 制作：不同的制作方法，例如挤出、注塑成型、成型硫化，会影响配方要求和高效能添加剂的选择。

● 财务考虑：高效能添加剂成本更高，但改进加工、缩短混合周期和增加的生产量超过了初始成本差异的补偿。

性能改进、加工过程效率和全生产周期费用减少，是混配复合物服务供应商为其混配复合物客户认同、评估并努力实施的目标。高效能添加剂的价格不会比粉剂更便宜（虽然只占配方成本的一小部分），但加工过程的改进和生产量的提高，会有助于降低整个生产周期成本，具体如表2所示。

表 2、预分散体常常降低加工成本

高效能添加剂选择概述

虽然配方中使用高效能添加剂几乎有数以千计的可能性，高效能添加剂在生产应用中的主要问题有六个。这里提供的解决方案建议将在本文稍后面的“高效能添加剂的力量”一节中详细论述。

制造型企业

● 由于不一致的称重令废料过高：考虑使用油处理、预混合的粉末，使清洁处理和称量更容易、令加工过程和产品均匀性得到改善。它们被送到混配车间，并湿润表面以便更快混合，使用多组分以便简化称量，与此同时，调整粉末的临界比。

● 每个批次都有太多的成分要称量：这些都是预先称量并包装好的多组分粉末混合包，是在一个低熔点投料袋中热封好的。它们是依客户配方和专门重量定制的，从而减少了劳动力并提高了配方精度。

● 健康、安全和环境问题：领先的混配复合物服务供应商以干净、易于处理的固体形式，例如厚片、胶条、微丸和方块等，提供单一和多组分分散体，以便在混炼中快速混合。

● 研磨硫化添加剂：考虑到单一和多组份分散体，可灵活适应定制要求，和/或设计用于快速混合添加剂的封装技术。

● 成批的非分散粉末：确认粉末，并用配料的分散体代替。

● 周期时间太长：考虑用单一和多组分分散体替换粉末或添加剂，设计用于快速混合添加剂的封装技术。这些分散体可灵活满足定制要求。

正确选择高效能添加剂以解决制造和加工过程的问题，例如上面所列的，有助于在复合混配过程中保持质量和一致性。他们往往是复合混配制造成功、有效和盈利的关键，因为他们：

● 确保活性成分及时并完全分散到该混合化合物中

● 缩短混合周期、增加机器产量和减少能源的使用

● 在运输、工厂车间、混炼生产线上尽量减少空气中粉尘

● 简化处理不易干燥的粉末和原材料

● 为工人提供更安全的环境并减少的风险

● 改善和延长混合物保质期

应用高效能添加剂在财政方面的考虑和减少成本的机会包括：

● 减少劳动力需求：材料测量和清理过程少

● 减少混炼时间：材料快速混合

● 通过替代程序减少混合成本：生产制造前使用预混配料

● 减少过程中的损失：油处理和聚合物基材料更容易操作和称量

● 改进产品和过程的一致性：预先称量的材料确保每一批次的稳定性

使用高效能添加剂的驱动力

使用高效能添加剂的基础和驱动力主要基于四个因素：包括与分布混合相对的分散混合；与化学分散相对的粉末；拟定的橡胶化学形态；以及重要的相容性。

分散混合与分布混合

要回答的第一个问题是为什么分散混合比分配混合重要（图2）。分布混合确保颗粒物质遍布整个组合；分散混合分解成细小的颗粒团聚颗粒。适当的技术是用以确保团聚体仍然处于分离状态。

图2、色散与分布混合

左上图阐明了共混体系中由于缺乏分散和分布的团聚体，这种化合物充斥着非均匀分布的团聚体；右上图阐明了均匀分布，但由于差的分散性致使许多大的团聚体仍然存在；左下图具有良好的分散性，但分布较差；右下图则显示出完美的分散与分布情形。

对于分布式混合，适当的流变至关重要，涉及传送次要组份到整个混合物基质，以形成均匀的混合。高粘度增加了混合的时间或导致非均匀分布。不同混合组份的流变性越接近，最终混合的结果越好。

想象一下，在不分散催化剂粒子情况下，由于分散性差的区域会过硫化和烧焦，拉伸试棒将会断裂。理想情况下，混合力争完全地分散。没有高效能添加剂，多次混合可能是必要的，但会增加额外的成本，这是值得的吗？这些处理方案的目标应被确定，“对于客户的操作，究景多少费用最为合适”？目标始终是混合更快和更有效，这就需要通过使用添加剂以减少恰当分散所需的时间。

粉末与化学分散

图3表现出某些化学分散体系的效率做得好。它说明了双辊磨干粉硫化方式可能效率低下。它必须打扫粉末并将其返回到滚子压区直到混合完成。完成时间是两分钟，并且要求两次清扫。配方中分散添加剂的引入大大降减了混合时间。

化学分散好处包括可快速混合，且没有粘结在辊筒中，粉末也没有掉进磨盘中，混合时间可以大大减少。

准备好的橡胶化学形态

不同的形态类型，如固体（厚片、胶条、珠子和微丸），液体或糊状物会对加工处理、混合效率以及环境问题产生影响。这些形态在本文“高效能添加剂的力量”一节中有详细讨论。

相容性的重要性

当使用高效能添加剂时，其与基础化合物的相容性是非常重要的。如上所述，选择一种添加剂的波及面，包括积极和消极的，都需深入了解，这是合适的添加剂解决方案的范围要求。混配物生产商更喜欢和使用与众不同的粘合剂。某些人有腈类的化合物，因此他们会选择腈类粘合剂。而其他人使用三元乙丙橡胶，所以他们会选择三元乙丙橡胶。SBR一向是通用型粘合剂，这是归因于其成本低廉，但如今许多其他粘合剂被用于提高相容性和延长产品使用期。

高效能添加剂的力量

这些驱动力的解决方案见诸于专有的高效能添加剂，生产率提高的预分散化学品、色母粒产品和色母料。可用的添加剂及其形态初步回顾如下。

预称重材料

关键混合物组份，比如硫化系统，往往是预称重和由第三方供应商提供。使用低熔点投料袋，并直接加入密炼机中。

收益包括：

● 改进了产品均匀性和过程控制

● “环境友好”包

● 直接劳动减少

● 工作量下降，产品降级或废料将减少

抑制粉尘的粉末

粉末通常用油或增塑剂润湿，这种抑制粉尘的粉末可减少粉尘。液体的选择应取决于预期应用。达成混合过程的合理混合时间需要相容的液体。不相容的液体可能会渗出并导致制造问题和不能接受的最终产品。标准考量也是重要的，比如最终产品是一种医疗器材、FDA或NSF监管的产品。

使用预处理粉末，抑制粉尘减少直接材料接触，也减少危害品和过程中损失的物料吸入到集尘器中。而且工厂的外排流，诸如包装残留物和受污染的覆盖物也会相应减少。

封装材料

封装材料的组成取决于相容性和监管机构的约束。因为这些产品是在低到中等强度的设备中混合，因此其基本粉末组份中的粒子大小和聚集体尤为重要。

图3、聚合物绑定粉末提高搅拌效率

聚合物封装粉末产品完全无灰尘，不会粘附到包装或加工处理设备。因此，极大地减少过程中损失，并且产品的形态是“环境友好”的。重新集结的可能被消除。此外，他们还与化合物，而不是搅拌设备表面具有亲和力。混合设备表面的析出现象也被排除，且混合效率可持续保持。恰当的加工处理，混合时间将可以大大减少，磨盘或密炼机料口废屑也可以被排除（图 3）。

被吸收的“液体”（干燥液粉）

低熔点固体或粘稠液体很难处理和混合。通常情况下，材料必须进行加热处理，这样会产生安全隐患。在搅拌混合过程中添加液体润滑化合物并减少剪切输入。因此，他们必须缓慢加入以维持有效的混合。这种材料经常被吸收到高比表面积载体上。最终产品处理类似“涂油的”粉末。

利益包括：

● 改善操作

● 更准确的称重和加料

● 减少包装损失

● 改善混合

分块的“固体”

较低熔点的固体，如增粘树脂，通常以桶式包装供应。由于其低熔点，材料是一个大块状。若要处理这些材料，他们必须被打破或粉碎成小颗粒，以便于称重和混合。除非粒子被分块，不然他们将重新聚集。分配剂通常是粘土、沉淀二氧化硅或硅藻土。此形态的主要好处是改进处理过程，进而降低劳动成本和减少健康与安全问题。

聚合物基础分散剂

确定分散质量的关键因素是原材料质量、分散系配方、加工设备和混合过程。聚合物基粘结剂体系（连续相）应该是在加工温度具足够的粘度，确保剪切输入充分，以达到好的解聚与均匀分散。在加工温度下，预分散体必须足够柔软，以达到在最终化合物中具有良好的分布混合。

以聚合物基分散体替换粉末所获得的好处包括：

●  改善材料操作过程

● 减少混合时间（混合是分布的而不是分散的）。

● 使用多组分分散时可改进产品和过程的一致性

● 加工材料的收缩减少

● 废弃和/或降级的产品量下降

● 改善环境条件（直接接触和间接接触机会均可减少）

浆料分散体

化学品或色浆分散剂通常用于极低粘度的化合物中，以实现良好的分散和分布混合。如所述的所有以前的系统所存在的一样，浆料分散体受到相同的约束。液体的选择和多组分的局限性是重要的。浆料分散体范围可以从可泵送并计量的低粘度产品，到被挤出成条状的高粘性产品。

利益包括：

● 在低粘度化合物中改进分散并更快速分布

● 改进多组分糊状分散体均匀度

● 减少返工、降级和报废

着色橡胶化合物

颜色通常涉及染料或颜料。染料是可溶性材料，价格昂贵、使用非常低的荷量仍会从橡胶化合物中“渗出”或移出；颜料是不溶性微粒，用作材料的着色。由于染料的迁移问题，颜料几乎完全用于橡胶化合物的着色应用。

颜料选择

选择一个颜料系统的最佳时机是在化合物开发的早期阶段。不幸的是，颜色着色往往是事后的想法。选择最佳的颜料以满足特定的应用，要求选出最符合成本效益和最佳着色性能，并达成分散性和相容性最理想的平衡至关重要。颜料选择需要彻底了解产品的最终应用要求。

需要回答的问题包括：

● 什么是所期望的颜色，如何鉴定它是相配的？

● 产品是应用于户外还是室内？对紫外线存在有什么要求？

● 在产品制造过程中将使用多高的加工温度，将会接触该温度多长时间？

● 这是一个食品接触应用吗？

● 它要求“无重金属”吗？

● 这种产品的预期寿命是多久？一天还是20年？

● 成本约束要求如何？

颜色扩散系统

一旦选择了颜料，下一个重要选择是引入着色剂到该化合物的分配系统。干颜料、固体分散体和糊料分散体是最常见的类型。深思熟虑的分配系统是获得最低的总生产成本的关键。这笔费用不仅包含原材料的采购成本，而且还要权衡时间，加工资源和报废成本。虽然干颜料初始原料成本低，但在获得最大着色强度所需分散的难度会更大，往往要求浓缩色料。色母粒消除了这种问题，也消除了干颜料所带来的其他问题。几种形态都可应用，包括厚片、立方体、颗粒和糊料。

结论

粉末提供橡胶混炼的最便宜方法。当它们不带来价值，或者不提供可量化的好处，则不需要高效能添加剂。然而，正如本文所述，最便宜的原料并不总是意味着转化成最低的最终化合物成本。高效能添加剂的实益用途的例子包括当加工难处理的原材料时，可减少生产时间、改善工作环境和提供安全的生产方式。

在使用添加剂时应实现的目标包括洁净度、分散性、色彩控制、易于加工处理和工人的安全，以及结合容易和关键成分能精确控制。为达到这些目标，对于每个应用都有多项高效能添加剂类型供考虑和评估，包括预先称量的材料、粉尘抑制粉末、封装、吸收的液体，分块的固体、聚合物基分散体、糊料分散体和颜料分散体。

使用高效能添加剂带来的好处是降低成本和制造实惠，这包括劳动力、混合时间和加工过程中的损失均会减少，而且废料更少，生产量提高，产品和生产过程的一致性也得到改善。