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1、国家科学技术进步奖推荐书( 2013 年度)一、项目基本情况专业评审组： 序号：奖励类别： 编号： 项目名称项目名称全自动一次法节能炼胶新技术的开发与应用公布名全自动一次法节能炼胶新技术的开发与应用主要完成人主要完成单位推荐单位(盖章)或推荐专家山东省科学技术厅项目密级非密定密日期保密期限(年)定密机构(盖章)学科分类名称1有机高分子科学代码43050102化工机械与设备代码530313材料合成与加工工艺代码43035所属国民经济行业轮胎制造所属国家重点发展领域 制造业任务来源 B-部委计划；C-省、市、自治区计划2010年度中国石油和化学工业联合会科技项目 编号:H20100282009年度
2、山东省自主创新项目 编号:200910310020授权发明专利（项）8授权的其他知识产权（项）3项目起止时间起始：2006年4月1日完成：2010 年7月1日 国家科学技术奖励工作办公室制二、项目简介本项目所属领域为橡胶工业领域。轮胎是国家重要战略资源，约占橡胶总消费量的 60%。中国是世界轮胎生产大国和最大的产业集中地，中国轮胎的产量已居世界第一，同时轮胎使用量仅次于美国。在目前严峻的国际经济和技术壁垒形势下，提高我国整个轮胎行业整体技术水平，构成了行业可持续发展和实现制造业强国的战略问题。国内外橡胶轮胎行业基本上均采用间歇式高温多段次传统工艺进行炼胶。橡胶中加入功能材料采用混炼的方式使其分
3、散均匀化，为避免产生橡胶热分解和焦烧与后续加工产生喷霜，采用以160度为上限的反复高温多段混炼工艺。由于工艺技术上没有根本性的改变，其固有高温降解与均匀分散困难和高能耗问题，构成了行业产品性能有待提高和生产过程能耗高两大共性关键核心技术瓶颈。由于行业公认其为决定轮胎质量的最关键因素，世界各国对其严格保密与封锁，它成为衡量一个国家轮胎行业技术水平的代表性标志。本项目围绕该两项共性关键核心技术进行创新和开发，其主要创新点为：1.在分子水平上对橡胶-功能材料和功能材料-功能材料相互作用与理化特性进行了研究，发现了胶料结合胶含量与避免填料“有效体积”增大的作用机制，为低温混炼提供理论依据。2.开发了冷
4、态碎胶均匀混合技术，取代传统采用庞大烘胶房的烘胶工艺，为企业年产250万套高性能卡客车子午胎降低蒸汽能耗2.5万吨/年。3.开发了串联式连续混炼技术并研制双工位密炼机工业装置，实现恒温炼胶，提高了轮胎性能。开发了一次法多机自动开炼式低温混炼工艺技术，取代了原炼胶工艺。 4. 开发了输送导胶系统，配合开炼机使翻胶、导胶、送胶、加硫和控温完全自动化控制。开发了预分散助剂母胶粒开炼机自动投料技术及工艺设备，解决了配料精度和分散均匀性难题，同时实现了生产过程的环保化。通过上述开发与工程应用，本项目工艺技术与国内外工艺技术相比较为：在产品质量方面：混炼胶结合胶含量提高16%，轮胎耐磨性能较国内品牌提高2
5、0%，较国外品牌提高10%，滚动阻力降低20%，降低油耗4.5%。在耗能方面：综合平均能耗降低27。采用该工艺技术使现有吨三胶耗能降到870Kg,大大低于目前行业1100Kg标煤/吨三胶，与国际最先进米其林860Kg标煤/吨三胶基本持平，同时提高生产效率200%以上。本项目已获中国专利11项，其中国家发明专利8项。2010年获中国石化联合会科学技技术进步一等奖。公司已建成年炼胶能力10万吨的生产线，三年来获得直接经济效益10亿元。产品畅销160多个国家和地区，并与世界五百强美国卡特彼勒、美国固特异等国际著名公司建立了长期战略合作关系。国内为中国重汽、中国一汽等50多家汽车企业配套，提高了我国轮
6、胎制造业的国际竞争能力，充分显示了科学技术是第一生产力的作用。本项目解决了制约我国轮胎行业发展的共性难题，实现了决定轮胎及橡胶制品最终品质炼胶工艺的技术突破, 提高了我国轮胎制造业的国际竞争能力，有力地促进了我国轮胎行业技术水平跨越式进步，为推动我国轮胎行业整体技术水平的提升做出应有的贡献。三、主要科技创新（一）立项背景：轮胎是国家重要战略资源，约占橡胶总消费量的 60%。中国是世界轮胎生产大国和最大的产业集中地，中国轮胎的产量已居世界第一。对于这一我国传统产业制造行业和轮胎使用量仅次于美国的消费大国而言，由于产品质量、能耗成本和生产效率等诸多问题，无法成为轮胎制造强国。特别是在目前严峻的国际
7、经济和技术壁垒形势下，提高我国整个轮胎行业整体技术水平，构成了行业可持续发展和实现制造业强国的战略问题。轮胎制造主要由炼胶工艺和加工工艺两大部分组成。对于加工工艺而言，多年来我国通过引进和消化已达到或接近国标先进水平。而对炼胶工艺而言，轮胎不同的部位对胶料各有特殊要求，特别是轮胎胎面是直接与地面接触，胎面胶体现了整个轮胎应具有耐磨耐刺扎、抗冲击耐撕裂、抗湿滑和低生热与低滚动阻力，因此行业公认其为决定轮胎质量的最关键因素，各国对其严格保密与封锁，它成为一个国家轮胎行业技术水平的代表性标志。（二）主要技术内容及创新点：就国内外橡胶轮胎行业一般而言，基本上均采用高温多段的传统工艺进行炼胶。橡胶中加入
8、功能材料采用混炼的方式使其分散均匀化，为避免产生橡胶热分解和焦烧与后续加工产生喷霜，采用以160度为上限的反复高温多段混炼工艺。由于工艺上未产生根本性的改变，其固有的间歇式多段次生产高温降解与能耗高和均匀分散技术与效能发挥技术缺陷，构成了行业产品性能有待提高和生产过程能耗高两大共性关键核心技术瓶颈。总体研究思路：深入研究应用基础理论，开发新炼胶工艺技术与装备和创新集成控制技术，解决产品性能和生产能耗的行业共性关键核心技术难题，实现大规模产业化，以提升我国轮胎行业整体技术水平。传统炼胶生产流程图 全自动一次法节能炼胶生产流程图本项目技术系统主要由冷态碎胶均匀混合系统、串联式连续密炼机混炼系统、开
9、炼机串、并联总成专用下辅机系统、输送导胶系统和精确添加智能控制系统五大部分构成，将炼胶工艺的混炼过程与最终加硫终炼过程一次性完成。 创新点1 对混炼机理进行了深入研究，在分子水平上对橡胶-功能材料和功能材料-功能材料相互作用与理化特性进行了研究，发现了胶料结合胶含量和避免填料“有效体积”增大的作用机制，为低温混炼提供理论依据。学科分类：有机高分子科学4305010 化工过程动态学5302710 （附件一、二、三）支撑材料：发明专利ZL200610171068.1 ZL200810139112.X ZL200810238512.6橡胶经硫化交联后本身的特性决定了轮胎的刚性与强度和抗冲击耐撕裂性等
10、，但为获得轮胎的低滚动阻力和低生热、抗湿滑性能和耐磨性能则必须填加功能材料（填料、硫磺和橡胶助剂等）。目前橡胶的使用范围已基本确定，因而橡胶-功能材料和功能材料-功能材料相互作用与功能成为决定轮胎性能优越的关键核心问题，它直接决定了轮胎及橡胶制品的最终品质。国际上通常采用WHF温度-频率转换定律判定轮胎胶料性能。理想材料应在50-70之间具有低的tan值，以获得低滚动阻力与耐磨性；-20-0高的tan值，以获得高抗滑和湿抓着性能。胶料tan（粘性模量G /弹性模量G），主要取决于功能材料的分散技术和橡胶与功能材料之间的微观结构与相互作用关系。G值随着填料加量的增大呈现增大规律，而G则由“填充网
11、络的分散构型与稳定性”和“打开与重建能力部分与保持不变部分的比例”两者决定，因此调整该决定因素是控制tan值的有效方法；而硫磺的均匀分散和量控技术决定了硫化程度分布，从而决定了轮胎力学性能；橡胶助剂则有助于填料与硫磺功能的发挥。由于橡胶、白炭黑、炭黑分别以C=C、Si-OH、-COOH为主要官能团，而硫为 S8皇冠状结构，采用分子动力模拟的方法，研究橡胶-功能材料和功能材料-功能材料相互作用与微观结构；研究填充网络的分散构型与稳定性和打开与重建性能；在可选择的化合物范围内研究橡胶助剂的完善功能机制。分子动力学模拟采用OPLS-AA/AMBER力场为基础的全原子力场，模拟条件在 NPT系综下运用
12、leap-frog算法求解，时间步长为1fs，截断半径为1.2 nm；相互作用采用particle mesh Ewald方法计算在包含7308个原子周期性边界条件矩形盒中以最速下降法进行能量最小化。（GROMACS 3.3.3软件包完成）模拟结果表明：在代表氢键类型的分子间氢键的强度和构型研究中，由于胺基属“一重氢键”结合能最低，所以该氢键最不稳定而容易发生断裂；而酰胺基属“三重氢键”，依靠其接近“共价键”的结合能而稳定性极强。表面改性枝接酰胺基的填料与橡胶稳定结合，极有效地增强了聚合体结合胶份额，避免了填料聚集包裹橡胶所产生的填料“有效体积”增大，并使填料分散均匀；为高温混炼改善胶料性能的原
13、工艺改为低温混炼新工艺提供了理论依据；采用控制填料表面改性枝接酰胺基与胺基的比例来控制“打开与重建能力部分与保持不变部分比例”，从而有效控制胶料tan；硫磺的均匀分散和量控原理类同上述，而有效橡胶助剂的添加有助于完善填料和硫磺功能的发挥。与其配套开发与集成创新了自动控制技术与工艺设备。模拟聚合体结合胶 模拟分散形貌 原工艺分散扫描 新工艺分散扫描子口护胶胎面胶胎肩垫胶内衬胶 上图为调整后四种胶料的硫化程度分布成品实测胶料滞后性能对比 成品实测胶料动态弹性模量对比上述测试结果表明，通过控制填料表面接枝酰胺基（邻苯二甲酰亚胺类改性）和胺基（3-甲胺基-1,2-丙二醇类改性）比例，使结合胶含量提高、
14、填料有效体积减少；微观分散提高二个级别；-20-0tan值高于传统工艺、50-70tan值低于传统工艺，低滚动阻力和低生热、抗湿滑性能和耐磨性能显著提高，轮胎硫化后硫化程度分布均匀。创新点2 开发了冷态碎胶均匀混合技术，取代传统橡胶烘胶工艺，为企业年产250万套高性能卡客车子午胎降低蒸汽能耗2.5万吨/年。学科分类：化工机械与设备53031 有机化学工程 53037 （附件四、五、六）支撑材料：发明专利ZL200710116413.6 ZL200710116414.0 ZL200710116416.X传统的炼胶工艺，为了得到较好的炼胶质量和较高的炼胶效率，需要对胶块进行预先破碎。首先用大量的蒸汽来维持烘胶房常年在70左右高温，将常温原胶经过50 -72小时加热到表面70 、胶芯温度达35 以上，然后投入密炼机混炼，此过程消耗大量的蒸汽能源。原胶属于含有结晶体的大块橡胶，未烘前具有很大的硬度，同时又具有较强的弹性和塑性，极大的增加了破碎的难度，本项目开发冷态碎胶均匀混合技术并开发设计与制造了一种复合结构的转动滚刀，并在转动滚刀两侧的机体上固定长条形的左固定刀、右固定刀，共同完成胶料的冷态破碎。该装置成功解决了冷态破碎的问题，同时满足工艺流程中对批次混合的需求。本项目发明的冷态碎胶技术，取代传统橡胶烘胶工艺，降低蒸汽能耗
