李鸿·胶管胶带行业“十四五”开局运行态势分析及构建新发展格局大形势下的前景展望与发展建议

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开发高技术含量和差异化的特色产品，满足不同客户的需求。法律、法规日趋严格，环保法规不断完善，

胶管专业的发展必须适应这些要求，开发满足胶管需求性能的，可循环再利用的新型环保高分子材料

已成为发展趋势 ；随着汽车产业的国际化发展，汽车胶管设计逐步由逆向开发向正向开发发展，模拟

仿真技术将被大量应用于管路的结构设计、工艺设计验证。随着国家三包政策的逐步完善、整车厂的

技术要求不断提高，要求管路产品具备与整车同寿命，需要材料在高温条件下具备更为良好的耐撕裂

性能和动态疲劳性能。

国内和国外都相继出台法律法规和提倡新能源汽车，以期待解决和改善环境污染等问题。对于汽

车用胶管产品而言，开发并应用适应这种需求的高分子材料成为发展趋势，如满足耐生物燃油的橡胶

材料，满足废车回收指令的热塑性弹性体、满足节省燃油的轻量化需求的以塑代金、以塑代橡胶的材

料技术等，正向匹配设计开发技术的提升。随着汽车产业的国际化发展，汽车胶管设计逐步由逆向开

发向正向开发发展，模拟仿真技术将被大量应用于管路的结构设计、工艺设计验证 ；适应更为苛刻的

温度环境。耐极限环境温况逐渐提高，随着中国汽车工业的发展以及涡轮增压技术的全面推广，胶管

材料对极限温度的挑战越来越高。

4.2.3 液压胶管重点发展为新型工程机械配套的新产品

随着工程机械产品吨位越来越大，动力越来越足，对于液压胶管超高压力提出了要求，同时工作

时温度也不断提高，部分工程机械设计逐渐压缩空间，对胶管弯曲半径提出了更高的要求，需要我们

胶管减少弯曲半径，开发这类液压胶管就是瞄准了这部分市场需求。推广新型环保原材料、低排放、

低渗透、可循环材料利用及轻量化发展 ；无论合资品牌还是自主品牌的主机厂，对于汽车胶管的技术

标准及法规要求已接近站在同一高度，虽然胶管核心材料的供给已与国际同行达到同一供给平台，但

国际高端主机厂的产品标准对配方、装备、工艺及结构设计要求较高，国内大部分胶管企业仍不能满

足要求或只能勉强满足要求，积极推进新配方、新材料、新工艺、新技术的深入研究和学习，才能真

正在技术、环保方面达到并引领世界先进水平，为我国胶管专业实现绿色可持续发展提供强有力的保

障。

开发新型橡塑复合液压软管提升软管耐温、耐介质、耐疲劳老化等性能的液压软管，挖掘机等高

端设备用胶管的国产替代，开发性能达到耐高温 121 度和动态脉冲性能大于 100 万次的液压胶管。

智能胶管产品应在传统产品基本功能的基础上，增加智能感应芯片、预埋件等，实现自动化管理，

自动预警功能。

4.2.4 积极研发新技术、新设备，突破掌握一批达到国际先进水平的重大技术装备

努力将高端装备制造发展成为提升胶管胶带行业国际竞争力的强大动力和重要支柱，帮助胶管胶

带生产企业提高产品生产质量和稳定性，提高自动化程度和生产效率，并争取扭转高端装备仍主要依

赖进口的局面重点企业要比较成熟地导入射频技术、智能机器人、信息技术为载体的智能化制造，打

造智能化工厂，实现自动化制造、半成品物流自动化、输送自动化、成品检测与入库自动化、全自动

化智能化立体仓储系统，以及对整个体系进行综合管理的 MES 管理系统，实现从原材料、部件、成

型、硫化、检测、入库自动化、信息化、智能化生产。到“十四五”末，重点企业要基本实现从炼胶

到成品全过程的自动化、联动化、智能化，有效解决生产质量、性能、稳定性、安全性、节能环保以

及效率等各方面的问题。开发智能胶管胶带胶带产品及智能管理技术，实现产品的在线远程控制。到

“十四五”末，重点企业要基本实现从炼胶到成品全过程的自动化、联动化、智能化，有效解决生产质量、

性能、稳定性、安全性、节能环保以及效率等各方面的问题。

4.2.5 建设以国家需求和市场为导向、强化胶管胶带龙头企业为主体的创新平台

整合行业科技资源，融通行业的技术研发，组织瓶颈技术创新攻关，加快研究成果共享与转化，

优化胶管胶带产品产业链，对推动区域和行业整体升级，提高胶管胶带专业国内外际竞争能力和市场

占有率。重点企业的主要生产工艺装备基本实现智能化、连续化、自动化、数字化，试验检测设备实

现自动化、量化、数字化，接近世界先进水平。推动企业加快自动化、信息化、智能化的建设进程，

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大力发展智能制造，用信息技术改造传统产业，进行智慧工厂等智能制造试点示范项目试点。建立一

支受过高级培训、掌握丰富技术知识的员工队伍，满足智能制造中的系统维护、故障诊断、排除和沟

通协调的需要。

胶管胶带企业配置能够保证日常生产经营管理高效运作的硬件和基础软件设施，建立与公司生产

经营活动相匹配的内外部系统沟通平台 , 将生产经营活动产生的各种数据通过局域网和 ERP 系统实现

信息资源共享 , 实现办公系统和生产经营活动自动化。重点企业建成数字化车间，通过实施联网集中

控制、智能化管理、过程在线监测，确保各工序准确、均匀、质量稳定、生产安全、卫生环保，行业

完成两化融合的深度建设。推广智能化工厂，力争实现无人值守化高端工厂。推动胶管胶带企业加快

自动化、信息化、智能化的建设进程，大力发展智能制造，用信息技术改造传统产业，进行智慧工厂

等智能制造试点示范项目试点。重点企业要比较成熟地导入射频技术、智能机器人、信息技术为载体

的智能化制造，打造智能化工厂，实现自动化制造、半成品物流自动化、输送自动化、成品检测与入

库自动化、全自动化智能化立体仓储系统，以及对对整个体系进行综合管理的 MES 管理系统，实现从

原材料、部件、成型、硫化、检测、入库自动化、信息化、智能化生产。

疫情防控带来重大挑战，但也为人工智能技术的加速应用提供了全新场景和试验机会。在疫情防

控期间，依靠人工智能和大数据技术，数字政府和各类线上服务得到快速发展，在胶管胶带行业推动

复工复产方面，人工智能作为一种通用技术，在与各行各业结合的过程中，带来了工作效率和有效性

的提升。在信息化和智能化时代，胶管胶带行业需要更好地发挥人工智能、大数据等新兴技术在疫情

防控和复工复产方面的作用，把握新场景带来的新机遇。

4.2.6 抓住国内市场打造内循环经济体系的契机，提升我国胶管胶带产业的竞争力

推动胶管胶带行业转型升级，推动政府出台相关政策，支持需要重点发展的技术和产品项目，限

制技术含量不高或一般扩大产能的项目，禁止高耗能、高污染的项目，淘汰落后技术及装备，最大限

度的去除落后产能，鼓励企业注重创新发展、智能制造、绿色生产，摒弃落后的生产方式，加快转型

升级步伐。

优化产业链，优化产品结构和产业层次，形成优势明显的产业链。通过向上游延伸争取所用原材

料的话语权，通过向下游产业延伸尤其是向其应用领域的延伸，掌握胶管胶带的发展方向。有效衔接

产业链，与产业链上的优势企业建立长期稳定、互利共赢的合作关系，谋求更高层次的发展。

4.2.7 强化胶管胶带产品的绿色生产

加大行业节能降耗、减排治污防治力度，利用新技术、新工艺、新材料、新设备推动企业节能减排。

制定行业清洁生产技术评价体系，开展效能对标达标活动，研发、推广污染防治技术，大幅度提高行

业清洁生产水平。提高资源综合利用水平，提升能源利用效率，扩大新能源应用比例，加强水资源利

用，加强废弃物综合利用技术的研发与推广利用，提高大宗工业固体废物转化为再生资源的能力。论

证行业应用绿色原材料的可行性，通过使用环保的原材料从源头上遏制污染的产生，满足行业生产工

艺和技术的要求，带动行业实行绿色化，加速产业链升级。协助政府部门推进行业环境信用体系建设，

同时要积极通过各种途径反映企业环保方面的愿望和诉求，维护企业的合法权益。

4.2.8 坚决规范胶管胶带市场秩序

胶管胶带企业要加强行业自律，冷静分析市场，保持理性的经营理念，自觉维护行业正常、公平

的市场竞争次序，采取符合市场规律的营销模式，依托高品质的的产品质量、及时有效的售后服务和

不断创新的技术开展竞争，赢得市场。行业重点企业要带头树立品牌意识，从转型升级和供给侧改革

入手，用品牌、质量、服务赢得市场。通过提升产品质量和效能获得市场和用户的认可。自觉抵制非

理性营销行为，做好经营风险防控，不重蹈价格战覆辙，保持自身合理的利润空间，珍惜、善待市场，

共同维护好公平有序的营商环境，促进行业健康可持续发展。政府部门应通过严查、严打积极协助企

业清理行业恶性竞争的三流企业，严禁侵权、假冒事件的发生。

4.3 实施“双碳”目标胶管胶带行业面临的挑战

李鸿·胶管胶带行业“十四五”开局运行态势分析及构建新发展格局大形势下的前景展望与发展建议

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就胶管胶带行业而言，“双碳”目标的推进，面临着来自路径选择、产品结构调整。随着“双碳”

目标的提出与推进，“十四五”时期成为践行既定目标的关键时期。

4.3.1 胶管胶带产业产品能耗、物耗高

与产业链其它产业相比，作为国民经济配套产业的胶管胶带属于传统“三高一低”（高投入、高能

耗、高污染、低效益）产业，实现“双碳”目标时间更紧、幅度更大、困难更多、任务异常艰巨，在

产业链中还处于中低端，存在生产管理粗放、高碳燃料用量大、产品能耗物耗高。

4.3.2 胶管胶带产品传统配方面临多环芳烃和短链氯化石蜡的禁用风险

多环芳烃（PAHs）是一类含有近一万种化合物，在胶管胶带生产中会使用一些含有 PAHs 的油类

作为添加油。这些添加油与橡胶介质结合在一起，并最终驻留在胶管胶带产品中。多环芳烃具有致癌性，

不仅对胶管胶带生产工人造成伤害，也会在胶管胶带产品使用过程中摩擦被加热分解成苯系物等致癌

物质，这些物质大多在离地面 1 米的空气中漂浮，对儿童造成直接危害。

短链氯化石蜡（SCCP）在我国阻燃输送带配方中作为阻燃剂广泛使用，作为一种潜在的持久性有

机污染物，短链氯化石蜡具有持久性、生物富集性、长距离迁移、高毒性等特点，会对生态环境和人

体健康造成威胁，目前许多国家已经对短链氯化石蜡（SCCP）禁用，我国行将签署禁用短链氯化石蜡

斯德哥尔摩公约，2017 年 5 月，在第八次《斯德哥尔摩公约》缔约方大会上，通过了关于增列短链氯

化石蜡进入附件 A 的决议。修正案于 2018 年 12 月 18 日生效。截至到 2021 年 7 月，全球 184 个缔约

方中有 167 个缔约方通过该项决议。其中包括欧盟、日本等。目前，没有缔约方申请特定豁免用途。

4.3.3 胶管胶带产品普遍附加值低

胶管胶带产品进行产业结构转型升级面临自主创新不足、关键技术“卡脖子”、能源资源利用效率

低、各类生产要素成本上升等挑战，短期内实现碳排放与经济增长脱钩压力巨大。

企业将进入前所未有的转型期，也面临着前所未有的转型压力。从企业内部来看，如何实行低碳

或零碳，成为了企业进行技术革新或是上新项目时的重要选项。从企业外部来看，经济结构、能源结构、

产业结构将发生深远的变化。

4.4 实施“双碳”目标胶管胶带行业带来历史性的发展机遇

尽管从战术角度看，实现“双碳”目标对胶管胶带行业挑战巨大，但从战略角度看，实现“双碳”

目标的机遇大于挑战。因此，我们在战略上要倍加珍惜这一历史性机遇，系统思考、科学布局 ；在战

术上要踏踏实实地科学践行绿色发展之路，以期抢占胶管胶带低碳科技制高点。

实施“双碳”目标将加速胶管胶带行业产业结构的调整与优化。一是驱动相关的技术升级与模式

创新 ；二是导致高能耗产业及产能的扩张受到抑制 ；三是促使数字经济、高科技产业及服务业成为发

展重点。

4.4.1 倒逼产业转型升级，提高经济增长质量

实施“双碳”目标将推动胶管胶带初级制造业向绿色低碳转型升级，并将大大增加绿色发展相关

新技术的研发投资。

例如，我们在“十四五”规划提出的远距离物料输送用环境友好的节能输送带取代依赖修路和有

撒漏的高能耗汽车输送，就可以提到议程上了。另外，载人输送带在城市等人员密集流动场合使用也

会被接受。

4.4.2 加速胶管胶带行业的能源转型和能源革命进程

通过大幅提升能源利用效率和大力发展非化石能源，逐步摆脱对化石能源的依赖，以更低的能源

消耗和更清洁的能源，支撑胶管胶带产品的绿色发展，在倒逼能源清洁转型的同时保障能源安全供应。

4.4.3 加快高耗能胶管胶带产品和企业去产能和重组整合步伐

高能耗、高排放产品和企业，产能扩张力度将受到较为严格的碳排放限制，产能退出和压减速度

加快。而且胶管胶带行业内技术、设施更为先进的龙头企业有望进一步占据竞争优势，兼并重组整合

趋势加强。

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

4.4.4 新增大量绿色投资需求，改善投资结构

为实现“双碳”目标，高耗能、高排放胶管胶带产品和企业为降低排放，需要新增大量清洁能源设备、

低碳排放设备等技术改造投资 ；为实现快速降低碳排放，需要新增大量绿色、低碳、零碳等技术投资。

例如，倒逼带传动与汽车、工程机械、农业机械等配套的传动效率提高及使用说明与其大修同步，可

以扩大传动带的市场领域。

4.4.5 有利于打破“碳壁垒”，推动胶管胶带产品出口

未来，在碳减排倒逼下，为满足本国环保团体要求并保护本国产业，部分国家或将碳减排与贸易

联系在一起，动用“碳壁垒”。胶管胶带产品实施“双碳”目标，可打破“贸易壁垒”，消除出口产品

被征收碳税的潜在风险。

4.5 “十四五”期间胶管胶带行业在实施“双碳”目标的建议

现阶段我国胶管胶带领域主要面临传统产能严重过剩的风险，而高端产品技术难以突破，未来碳

中和政策压力将推动现代胶管胶带高端化、清洁化、市场化路线。区域协调发展面临新挑战。我国地

区经济发展差异大，不同地区资源禀赋、产业优势和经济发展水平的差异性，造成不同区域胶管胶

带产品绿色低碳发展的成本有着显著差异。“双碳”将给不同地区、不同人群带来不同程度的影响。

“十四五”期间可以从多方面推动“双碳”目标的实现。一是从管理方面构建节能模式 ；二是通过科

研投入，促进技术进步，以达到节能减碳模式。三是通过政策倾斜促进节能减排。各方面采取的措施

需要从成本、性价比、安全性等方面把握，促使企业自动走绿色节能道路。为此，我谨提出如下 11

个方面的建议。

4.5.1 提升胶管胶带产品的价值链

通过优化产业结构，一方面不断提升工艺技术水平，降能减排，减少碳排放相关成本 ；另一方面，

向下延伸产业链，提升产品附加值，降低单位产值的能耗成本。因此这将利好具有技术优势及拥有全

产业链、可以获得产品高附加值的胶管胶带企业。以新工艺、新技术，聚焦核心技术攻关，把产品创

新作为产业结构调整的龙头，提升产品价值链。

4.5.2 推进存量产能的效益最大化

“十四五”期间，要根据资源禀赋特点，全面对标找差、追求极致效率，推进存量产能的效益最大

化。突破核心关键技术，加快低碳技术开发与应用等多种方式处理好发展与减排的关系、整体与局部

的关系以及短期与中长期的关系。

4.5.3 提高胶管胶带产品原料低碳化比例

加快产业结构调整，淘汰高耗低效产能，推进产业提质升级。大力发展发展高端产品，不断提高

原料低碳化比例。加快油转化、电气化步伐，推进能源结构低碳化。

4.5.4 协同作战实施“双碳”目标

协同作战，协同降碳将是今后一段时期企业间绕不开的话题。在实施路径协同方面，要积极开展

多能互补、发挥减污降碳协同效应。在科技创新协同方面，要加强产业链协同创新、推动绿色化数字

化转型。实现“双碳”目标需要统筹各方力量，付出艰苦卓绝的努力。实施“双碳”目标不是哪一个

企业、哪一个行业能够单独完成的艰巨任务，需要全社会、产业链上下游企业共同努力。

4.5.5 坚决控制出厂产品有害物质超标

制作胶管胶带产品的一些原料中，会含有大量的镉、铅、汞、铬等元素，导致有害物质超标。这

些元素一般以化合物形式存在，因此企业要加强监测化合物、粘合剂和防霉剂的使用，以控制相关元

素的含量。

4.5.6 加强原料管控

原料采购建立入库检机制应对有害物质限量要求，其检测依据相应国家标准执行。包括：镉、铅、汞、

六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚含量的检测按照《电子电气产品六种限用物质的检测方法》（GB/T

26125）中规定的方法进行 ；PAHs 含量的检测按照《汽车材料中多环芳烃的检测方法》（QC/T1131-

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2020）中规定的方法进行 ；SCCP 按照 SN/T 3814 进行测定。

针对采购的原材料，生产前可以对通过 X 射线荧光光谱分析法进行监测，以确保批量原材料的安

全性并且避免原材料的交叉污染。而对于特殊的原材料，如最常出现问题的氧化锌产品，应做重点监测。

4.5.7 加紧研发推出限用、禁用材料的替代品

对胶管胶带产品生产中使用一些限用、禁用材料，企业应有紧迫感加紧替代品的研究采用，例如 :

各种胶管胶带产品广泛使用的高锌氧化锌，全部或部分用低锌及无锌硫化活性剂取代，大幅减低

耐高温输送覆盖胶氧化锌添加份数，用非钴粘合剂取代钢丝绳芯输送带生产中使用的钴盐，研发高效

低毒阻燃剂取代氯化石蜡、三氧化二锑，等等。

4.5.8 有序稳妥推进“双碳”工作

充分学习理解和用好新政策，及时与政府及有关管理部分沟通，反映推进“双碳”工作遇到和充

分的新问题和新情况。要牢固树立发展是第一要务的理念，有序稳妥推进“双碳”工作，避免激进和

一刀切的做法，保持经济持续健康发展。同时，通过加强低碳清洁能源技术创新，加快能源体制机制

改革，提高能源利用效率，努力实现低碳能源的规模化，降低低碳能源使用成本，加大超低排放和节

能改造力度，加快向低碳、清洁化转型。

4.5.9 树立胶管胶带产品全生命周期低碳运营的理念

从胶管胶带企业的角度看，企业核心竞争力将发生改变，低碳制造和低碳产品成为企业赢得竞争

优势的必备能力。同时，企业的发展理念及业态也将发生改变，必须进行产品全生命周期的低碳运营，

不仅要考虑产品使用过程中的碳排放，也要考虑产品生产过程中的碳排放，还要考虑产品全生命周期

中所用能源的碳排放。未来碳配额管理将是企业有效运营的基础，高碳的企业必须花费大量资金来购

买碳排放额度，甚至可能因此失去参与竞争的资格。预计未来低碳将成为国际上新的经济准则和贸易

壁垒，高碳输出的企业将被直接拒之门外。

例如，输送带产品要成为低碳制造和低碳产品，除了考虑产品生产过程中的碳排放，重要的是使

用过程中的碳排放，一条输送带线要衡量其全生命周期为用户输送了几百万吨物料消耗用户多少千瓦

电力，因此市场机会是青睐“技术＋低碳”的企业。

4.5.10 实施“双碳”目标要产业链上下游联动与内部联动相结合

从产业内部看，必须通过产业链上下游联动来实现减碳，包括输送带、胶管、传动带的设计、采

购、生产、使用、回收及服务等各个环节，即全产业链条和产品全生命周期的降碳脱碳。从产业外部看，

必须通过跨行业、跨领域协同来实现脱碳。在此过程中，以碳交易为核心的低碳政策法规体系，将为

胶管胶带行业低碳和脱碳转型提供最直接的驱动力和根本的保障。

具体来说，在内部联动方面，实现产业全生命周期减碳的措施可归纳为 ：一是生产减碳，包括能

效提升、工艺创新、燃料 / 原料替代和绿色能源使用等。二是使用减碳，包括节能增效和提高运行效

率等，特别是应当提高低碳 / 零碳产品的使用强度，以稀释其生产过程付出的能耗和排放代价。同时

应尽可能延长产品的使用寿命，过去这主要是为了降低成本，而未来则是为了减少生产来降低碳排放。

三是回收减碳，包括提升材料的回收与再利用效率、发展循环经济等。材料的回收与再利用意味着可

以少生产原材料，这将有效减少原材料生产从矿产开采到加工应用全过程的碳排放。四是供应链减碳，

包括材料替换和工艺创新等，前者将从源头上解决上游产业链的碳排放问题，后者将有效降低零部件

生产过程中的碳排放。

例如，旧输送带的回收与再利用，就会显著降低输送带产业整体的碳排放。

4.5.11 加快胶管胶带专业的能耗限额及产品绿色设计规范标准制修订，为实施“双碳”目

标提供标准保障

时不我待，当务之急是尽快建立完善的支撑胶管胶带的“双碳”目标的标准体系，我们正在制修

订中国橡胶工业协会团体标准“输送带单位产品能源消耗限额”和“绿色产品设计规范 输送带”，两

项实施“双碳”目标所急需的重要的标准。由浙江双箭橡胶股份有限公司主持修订的“输送带单位产

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

品能源消耗限额”已进入调研论证阶段，按照 GB/T12723《单位产品能源消耗编制通则》的规定，在《输

送带单位产品能源消耗限额》中确定三个能源消耗值即限定值、准入值和先进值的单位及其指标，即

将产生征求意见稿。由无锡宝通科技股份有限公司主持新研制的“绿色产品设计规范 输送带”也进

入实质编制阶段。

2021 年 4 月 1 日国家发展改革委召开国家能耗限额标准推进工作会，对加快推进能耗限额标准制

修订提出工作要求。会议强调 ：编制和实施能耗限额标准是《节约能源法》的法律规定，各行业协会

要加快推动有关能耗限额标准制修订工作，为实现碳达峰、碳中和及能耗双控目标提供有力支撑。《输

送带单位产品能源消耗限额》的编制工作组认真学习领会今年的政府工作报告 ：“2021 年单位国内生

产总值能耗降低 3% 左右”的要求，同时按照国家“十四五规划”：“十四五”时期总目标是能耗降低

13.5%, 及“十四五”时期二氧化碳排放降低 18% 的规划进行论证 , 认真考虑到有关因素的影响，一

是环保要求对能耗有新挑战、二是智能化改造打破原能耗统计路线、三是混炼胶外购外加工问题、四

是化工园区内企业等新情况与新问题。

当前，胶管胶带行业目前正处于产业结构调整的重要时期，能否适应双循环格局的“双新”形势

和实施“双碳”战略，满足胶管胶带行业下游市场领域多样化的迫切需要，是引领胶管胶带行业高质

量发展的关键。在中国经济发展红利中蓬勃壮大的胶管胶带产业，在生产能力、制造技术、质控营销

等方面都取得了长足进步，产业的国际地位不断上升，已经慢慢地从追随者演变为追赶者的角色，只

要把握双循环格局的“双新”和实施“双碳”战略的机遇，就能够延续高质量发展、实现建设胶管胶

带世界强国的宏图伟业！

邹涛 等·活络模激光清洗技术的开发应用及发展方向

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0 前言

活络模传统清洗方式对环境造成的客观影响，随着国家“碳达峰、碳达标”战略目标实施计划的

推进，迫切需要发展激光清洗技术而替代活络模传统的清洗方式。纵观国内外市场活络模线上、线下

激光清洗设备开发应用的实际情况，通过简单、实效、造价、服务等维度给予评估，均存在这样或那

样的问题，详情参见表 1。优先开发国产线下激光清洗设备并推广应用，进一步攻克线上激光自动化

清洗技术难关，以满足轮胎企业模具清洗的迫切需求，是本文着重研究方向。

表 1 活络模主要激光清洗设备应用特性评估表

清洗类别 设备类型 代表性产品 应用特点

线上

手持式激

光清洗机

德国 Cleanlaser

公司 CL300

①手持清洗灵活方便 ；

②极端高温环境下线上清洗无法长时间连续作业，劳动强度大 ；

③清洗效果差，存在清洗死角，“ 花斑 ” 现象严重 ；

④高温环境下激光清洗机故障率高，清洗头寿命短 ；

⑤线上手持清洗为开放式清洗，对操作者和周边人员存在激光辐射危害 ；

⑥清洗烟尘弥散在生产车间，影响职工职业健康 ；

⑦清洗机价格和维修成本居高不下，维保不及时，设备闲置率高。

自动化激

光清洗机

德国 4JET

公司 TMCS

①自动化清洗，清洗效果一致性好 ；

②活络模在线一体化清洗，存在清洗死角，污垢积累严重 ；

③高温环境下激光清洗机故障率高、寿命较短 ；

④自动清洗机有激光防护罩，对操作者和周边人员提供激光辐射安全防护 ；

⑤清洗烟尘可收集处理，保护职工职业健康 ；

⑥清洗机价格和维修成本居高不下，维保不及时 ；

⑦自动清洗机不能适应各类型硫化机不同规格模具的清洗要求，在线高温环境下，光学系

统及运动部件无法保证长期连续稳定工作，该自动化激光清洗机已停止销售并退出市场。

备注 线上激光清洗无需拆模，硫化机生产效率较高。

线下

手持式激

光清洗机

德国 Cleanlaser

公司 CL500

①手持清洗无法长时间精细化稳定作业，劳动强度大 ；

②其余特点与线上手持激光清洗机①、③、④、⑤、⑥、⑦相同。

自动化激

光清洗机

德国 4JET

公司 STMCS

①活络模线下组合一体化清洗，存在清洗死角 ；

②其余特点与线上自动化激光清洗机①、④、⑤、⑥相同。

备注 线下激光清洗，需要拆模，影响硫化机利用率。

说明

由于手持激光清洗机清洗轮胎模具存在的固有缺点，与进口手持激光清洗机一样，大多数手持激光清洗机在轮胎企业被

闲置停用。可满足模具清洗质量要求的线下自动化模具激光清洗设备只能从国外高价进口，而线上自动化激光清洗技术

有待攻关突破。

活络模激光清洗技术的开发

应用及发展方向

邹涛 1

，杨和逸 2

，仇连波 3

（1. 万力轮胎股份有限公司，广东 广州 511400 ；

2. 南京集萃激光智能制造有限公司，江苏 南京 211800 ；

3. 合肥万力轮胎有限公司，安徽 合肥 231137）

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

1 活络模清洗方式存在的主要问题及分析

1.1 活络模传统清洗方式存在的问题与分析

1.1.1 活络模传统清洗方式简介

活络模传统清洗方式主要分为线上干冰清洗和线下砂洗两大类。

（1）线上干冰清洗

线上干冰清洗又称在线冷喷 , 其原理（见图 1）是通过压缩空气将粒状干冰（CO2）高速喷射到模

具表面，利用温差（模具 180℃左右，干冰 -78℃ ）的物理反应使胶垢脆化及松脱，将污垢快速彻底

的从金属表面剥落，达到清洁型腔表面并在较短时间恢复生产的目的。干冰清洗具体清洗过程包括 ：

低温冷冻剥离、吹扫剥离、冲击剥离。

由于干冰清洗技术的特性与优势，为提高硫化机生产效率与产品外观质量，活络模线上干冰清洗

方式在轮胎企业获得普遍应用。

图 1 干冰清洗原理示意图

（2）线下砂洗

线下砂洗按清洗设备自动化程度，分为手动砂洗与自动化砂洗两种。按砂料的种类一般分为玻璃

珠、金刚砂、不锈钢丸砂洗三种。

a. 手动砂洗

手动砂洗机（见图 2），主要由喷砂主机、旋风分离器、储砂箱、

压入式喷砂机、喷枪组、储尘器、风机及连接管路各系统组成。压力式喷砂机喷出的砂料掉入至

主机集砂斗，然后在高压风机的负压吸引下被吸入至旋风分离器进行分离，砂料只使用一次后掉入储

砂箱中储存等待集中处理，无用的粉尘和细砂被抽至滤芯除尘箱进行过滤后排入大气中。

人工手持喷枪可以灵活地对模具型腔表面通过玻璃珠或不锈钢丸进行喷射清洗。一般用于铝花纹

块、小规格钢制模具型腔表面的清洗。

图 2 手动推车转盘式喷砂机示意图

邹涛 等·活络模激光清洗技术的开发应用及发展方向

35

b. 自动化砂洗

轮胎模具自动化清洗机（见图 3），由主机部分，旋风集料、给料系统，除尘系统，电器部分四大

部分组成。四大系统通过电器的自动控制有机的组成一体，来完成轮胎模具的清洗工作。

该双工位洗模机采用吸入式喷砂，即利用压缩空气在喷枪内高速流动形成负压产生的引射作用，

将旋风除尘器内的磨料通过喷砂管吸入喷枪内，然后随压缩空气由喷嘴高速喷出，实现对工件表面的

喷砂处理。喷出后的磨料，落回集砂斗内循环使用，喷砂时产生的灰尘被除尘箱抽出，并经分离器进

行分离，好的磨料积至分离器底部，落回储砂器中循环使用，粉尘经两级分离，被吸至旋风除尘器及

布袋除尘器，由布袋除尘器将粉尘分离，净化排到空气中。

轮胎模具自动化砂洗设备，清洗效率较高。一般采用不锈钢丸或玻璃珠砂为磨料，主要用于钢制

模具型腔表面的清洗。

图 3 轮胎模具自动化清洗机示意图

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

1.1.2 活络模传统清洗方式存在的问题及分析

活络模传统清洗方式，不论是线上还是线下清洗，利用介质清洗型腔表面时，对环境及模具精度

都有一定程度的影响，存在的问题及分析如下。

a. 线上干冰清洗

线上干冰清洗因高速气流夹带干冰颗粒对型腔表面进行喷射，产生噪音（100 ～ 110dB）较大、

粉尘多、伴随着大量 CO2 汽化而对环境造成恶劣影响，并因急剧冷却和冰粒冲击型腔模各配合面，导

致花纹筋累积变形、损坏及配合精度劣化等缺陷，造成产品外观及均匀性指标难以控制，相应模具维

修费用逐步增加。

b. 线下砂洗

线下砂洗，主要采用喷砂清洗方法，不论是手动设备砂洗还是自动化设备砂洗，都是通过压缩空

气将砂粒高速喷出，对模具表面进行冲击和切削使胶污剥离模具表面，其清洗过程等同于对模具表面

进行研磨，极易造成模具配合精度及铝花纹块胎顶精度的劣化。由此对产品质量与模具维护成本造成

的影响程度，同比干冰清洗方式更大。

1.2 活络模激光清洗方式存在的主要问题及分析

1.2.1 激光清洗技术简介

激光清洗是一种利用高能短脉冲激光束照射工件表面，表面的污物、锈斑或涂层吸收激光能量后

发生瞬间蒸发、应力冲击或振动剥离的工艺过程（见图 4）。激光清洗所需能量（功率）密度应大于清

洗污染物所需能量（密度）密度阈值以进行有效清洗，同时激光能量（功率）密度应小于工件的损伤

能量（功率）密度阈值，以免对工件造成损伤。在清洗阈值与损伤阈值之间，能量（功率）密度越大，

清洗效率越高（见图 5）。激光清洗需要对能量（功率）密度进行十分严格的控制。

激光清洗不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于

存放，可回收，无光化学反应、不会产生污染，是一种没有环境污染的“绿色”清洗方法。激光清洗

无研磨、非接触、无热效应，不会损伤工件表面。激光可以通过光纤或导光臂传输，与机械臂或机器

人相配合，可方便地实现远距离操作，能清洗传统清洗方法人员不易到达的危险场所（真空环境、核

辐射环境等）实施清洗作业。激光清洗可与智能制造技术相结合实现智能自动清洗，清洗速度快、效

率高。激光清洗无需耗材，设备运行成本低。

激光清洗轮胎活络模是激光清洗技术的典型应用，在实现绿色低碳环保清洗的同时，可降低轮胎

企业制造成本，综合效能提升显著。

图 4 激光清洗原理示意图 图 5 激光清洗阈值示意图

1.2.2 活络模激光清洗方式简介

（1）活络模线上激光清洗方式

活络模线上激光清洗是采用激光清洗技术替代传统线上干冰清洗的一种清洗方法，分为手持式与

邹涛 等·活络模激光清洗技术的开发应用及发展方向

37

自动式清洗两种（见图 6、图 7）。以上两种线上激光清洗方式均需要将激光能量准确输送到模具表面，

通过控制模具表面光斑的扫描移动速度和激光能量密度在合适的范围实现对活络模表面残留物的有效

清洗。

采用线上激光清洗可以避免线上干冰清洗的高噪声和车间环境污染，并减少因活络模磨损精度下

降而对轮胎质量的影响，有利于轮胎企业的环境保护、职业健康、效能提升。

图 6 线上手持激光清洗 图 7 线上自动化激光清洗（4JET）

（2）活络模线下激光清洗方式

活络模线下激光清洗可以替代传统的砂洗工艺，能避免模具多次砂洗受损严重，精度差等问题。

激光清洗对模具无损伤。

活络模线下激光清洗可采用手持激光清洗或自动化激光清洗。由于手持激光清洗无法保证模具表

面各部分获得的激光能量（功率）密度保持一致，因而清洗外观不良，存在清洗“花斑”或“斑马纹”

现象（见图 8），影响模具的使用效果。自动化激光清洗活络模可以通过保持激光清洗头照射模具的距

离以及激光清洗头移动速率保持恒定来保证激光能量（功率）密度的一致性，从而实现清洗效果的一

致性。

图 8 手持清洗时模具表面出现的“花斑”

线下激光清洗活络模分为整体清洗与打散清洗两种方式。模具花纹块组合成整体进行清洗可以快

速对模具工作表面进行清洗，但对花纹块与花纹块之间结合面的胶垢无法进行有效清洗。活络模打散

清洗可以对各花纹块型腔表面、花纹块与花纹块的对接面（竖面）及与侧板的配合面（环面）进行无

死角清洗，清洗干净彻底。

1.2.3 活络模激光清洗方式存在的主要问题与分析

（1）活络模线上激光清洗方式

活络模线上激光清洗技术这些年在轮胎企业的应用过程中，主要存在以下四个方面的问题，有待

进一步解决后才具有推广的价值。

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a. 作业环境温度较高

硫化机模具的工作温度一般在 180℃左右。轮胎定型硫化结束脱模后，系统截止进蒸汽，进行模

具清洗作业，模具剩余温度还有 100℃以上，机台周围环境温度一般都在 40°以上。在线手持激光清

洗模具，操作人员在机台模具上的炙热高温环境下手持数公斤重激光清洗头连续精细清洗作业数十分

钟或一两个小时（视模具规格大小而不同），安全风险高，清洗质量难以保证。因此在线手持激光清

洗方式在活络模整套型腔的实际清洗过程中难于推广应用。

采用自动化激光清洗，激光清洗设备将面临同样的高温环境条件。激光清洗头中的光学元件、控

制元器件、运动部件在高温环境下会很快老化失效，故障频发，失去使用功能。

b. 清洗部位难以接近

不论是液压硫化机，还是机械式硫化机，上侧板与花纹块距下侧板表面较高，离清洗操作人员较远，

无论是手持清洗作业人员或自动清洗的激光清洗头都较难接近清洗区域并进行清洗作业。

c. 对各类型硫化机及不同规格模具的适应性

采用手持激光清洗可基本适应各类型硫化机不同规格模具的清洗要求，但高温环境条件限制了手

持清洗方式的应用。自动激光清洗存在激光清洗头模组与各类型硫化机及不同规格模具的规格大小、

空间姿态配合及清洗运动控制问题。

d. 存在清洗死角

线上激光清洗是对活络模型腔进行整体清洗，由于激光清洗头空间位置及姿态受模具型腔结构的

限制，模具中有些部位存在清洗死角，激光束不能照射进死角部位，造成清洗不干净。长周期硫化情

况下，模具局部表面残留物会越积越多，影响轮胎产品外观质量及均匀性。

(2) 活络模线下激光清洗方式

目前大多数购置了活络模线下激光清洗设备的厂家主要采用手持式激光清洗机进行手工清洗作业。

线下手持清洗作业存在如下主要问题 ：

a. 无法避免清洗“花斑”。手持清洗作业无法保持手持清洗头距模具表面的距离和沿模具表面轮

廓移动速度的稳定性，模具表面获得的激光能量密度一直处于变化之中，造成局部区域清洗不干净或

“过烧”损伤模具，形成清洗“花斑”，影响模具清洗质量及轮胎表面色泽的均一性。

b. 劳动强度大。手持激光清洗需要操作人员长时间精细控制数公斤重手持清洗头的移动状态，这

对操作人员的体力和耐力是极大的考验，劳动强度极大。久而久之，手持激光清洗并不具有实用价值。

c. 存在激光辐射安全风险。手持式激光清洗为开放式清洗，清洗用激光光源为最高风险等级的 4

类激光产品，激光清洗的激光束及其照射在模具表面杂乱反射的的漫反射光存在损伤人眼及皮肤的风

险。手持激光清洗具有操作的随意性，极易对操作者或周边其他人员造成激光辐射危害。

d. 清洗烟尘污染空间环境。开放式的清洗作业环境，不能做到对清洗烟尘的完全收集处理。长期

以往，弥散在空气环境中的烟尘会损害员工职业健康。

因此，很有必要开发一款完全解决手持激光清洗应用固有缺陷的新型自动化激光清洗设备。

2 活络模线下激光清洗技术的开发与应用

2.1 活络模线下激光清洗设备的开发

针对活络模线下传统清洗及手持激光清洗方式存在的诸多问题，国内少数厂家开展了活络模线下

自动激光清洗设备的研发工作。其中南京集萃激光智能制造有限公司开发的 JL-SmartCleaning 系列

全自动轮胎模具激光清洗工作站（以下简称工作站，见图 9），由脉冲光纤激光器、六轴机器人、带云

台激光清洗头、整机控制系统、双工位旋转平台、激光清洗专家软件、烟尘收集处理系统、激光安全

系统和水气辅助系统等八大部分组成。在完成了大量激光清洗工艺试验的基础上建立了激光清洗工艺

专家库系统，该工作站已在轮胎企业生产现场得到了实际的清洗应用。

该工作站的研发制造申报了关于激光清洗工艺、激光清洗模具快速定位、激光清洗头、激光辐射

安全防护、激光清洗工艺管理等方面的 19 项发明专利、实用新型专利和软件著作权，其中 15 项已获

邹涛 等·活络模激光清洗技术的开发应用及发展方向

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得中国国家知识专利局和国家版权局授权。吹响了国产化替代进口激光清洗设备的新号角。

图 9 JL-SmartCleaning 系列全自动激光清洗工作站外观图

工作站根据绝大多数轮胎制造企业针对半钢、全钢模具的清洗要求，国外同类激光清洗设备在使

用中存在的问题及国际国内轮胎行业相关模具规格技术标准和激光行业辐射安全防护要求技术标准设

计而成。

该工作站采用了双工位设计，有效提高了工作站的使用效率。该工作站可对打散后的活络模花纹

块、侧板逐块进行全方位自动清洗（见图 10、图 11），将花纹块分型面和胎肩上的“胶垢”残留物以

及侧板钢圈上的污垢清洗干净。

图 10 花纹块的激光自动清洗 图 11 侧板的激光自动清洗

采用了六轴机器人和激光清洗云台使激光清洗头具有更灵活的空间位置与姿态控制能力，实现全方

位无死角清洗。焦距保持功能和沿模具弧面匀速运动功能可以保证激光清洗的一致性，清洗无“花斑”。

为保证花纹块的各个部分都被清洗干净，激光束可从四个角度倾斜照射花纹块进行清洗。激光束

倾斜照射花纹块的角度依各花纹块中花纹的高度和间隔不同而不同。采用能量均匀分布的平顶光束（见

图 12）进行激光清洗，可有效防止高斯光束对模具造成损伤。采用方形光斑较圆形光斑具有更好的模

具表面覆盖效率（见图 13），从而提高了清洗效率。

图 12 能量均匀分布的平顶光束 图 13 光斑搭接影响清洗效率

该工作站系列可配备波长 1064nm，平均输出功率 500W、1000W 或 2000W，单脉冲能量 25mj、

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

50mj 或 100mj 的纳秒脉冲光纤激光器，满足不同的清洗要求。根据模具表面残留物严重程度，可以

合理调整激光脉冲频率、脉冲宽度及光束扫描速度从而精确控制模具表面获得的激光能量密度，实现

对模具的柔性清洗。

专业开发的激光清洗专家库系统可以查询、新增、修改、调用、存贮各规格型号、各编号模具的

激光清洗工艺参数，包括清洗工艺路径规划、清洗头运动参数、激光工艺参数等数据。

该工作站配备有温湿度、水温和风压传感器实时监控设备的工作条件和环境条件，保障设备运转

于正常工作环境条件。工作站控制柜配有恒温低湿工作条件，保证了激光器及机器人控制系统和整机

控制系统的正常稳定运转。

激光清洗模具在可移动全密闭防护罩内进行。根据 GB7247.1-2012《激光产品的安全 第 1 部分 ：

设备分类、要求》国家强制性标准，防护罩关闭后的工作站属于安全的 1 类激光产品。为观察防护罩

内激光清洗作业情况，该工作站配有视频监控系统实时监控激光清洗情况。烟尘收集系统收集过滤处

理防护罩内激光清洗产生的烟尘，过滤精度达到 0.3μm。

2.2 活络模线下激光清洗设备的应用

JL-SmartCleaning 工作站应用于合肥万力 200 万条全钢产能的模具清洗，从一年多的使用情况

进行评估，其清洗质量、清洗效率和应用成本达到或优于设计指标，可满足公司生产日换模计划的模

具清洗要求 , 具体情况如下。

2.2.1 清洗质量

工作站从模具与轮胎两个维度进行验证评估，具有无色差，无死角，不易堵孔的特点。其焦距保

持与匀速运动功能，能避免模具表面色差，保证清洗效果的一致性（见图 14）。清洗过程中，除完成

模具型腔表面清洗，还可有效清除侧板钢圈、侧板与花块配合面等位置残留胶皮、隔离剂等异物（见

图 15）。解决了模具配合面因砂洗损伤其精度劣化而影响产品质量的难题。

需要指出的是，对于表面锈蚀的模具或经过焊接、抛光后维修痕迹明显的模具需先进行喷砂或抛

光处理，再进行激光清洗。此外，如型腔模及钢圈配合面残留较厚胶皮，须人工清理后再行激光清洗，

以免在模具表面残留明显黑色痕迹。

侧板 钢模花纹块 铝模花纹块

图 14 型腔模表面清洗效果图

花块配合面清洗前 花块配合面清洗后 侧板配合面清洗前、后

图 15 型腔模配合面清洗效果对比图

2.2.2 清洗效率

邹涛 等·活络模激光清洗技术的开发应用及发展方向

41

工作站自动清洗操作，配员 ：1 人 / 班，负责模具吊装吊离清洗工位、模具配合面严重附着胶皮

杂物清理及通孔等工作。清洗全钢型腔 48-60 分 / 副（侧板 4-5 分 / 块，钢花块 4-5 分 / 块），可以

清洗 8-10 副 / 班模具。1 天 3 班可以清洗 24-30 副型腔。完全可以满足生产换模计划的模具清洗要求。

2.2.3 清洗费用及效益预算

虽然现阶段激光清洗设备的价格相对较高，折旧费用稍高，但激光清洗较砂洗及干冰清洗在人工

成本、能耗、耗材费用等方面均有所下降。

（1）激光清洗单价

人工 31 元 / 副，能耗 5 元 / 副，激光清洗无耗材，设备维护及折旧 77 元 / 副，合计 113 元 / 副。

（2）喷砂清洗单价

人工 62 元 / 副，能耗 76 元 / 副，耗材 70 元 / 副，设备维护及折旧 26 元 / 副，合计 234 元 / 副。

（3）干冰清洗单价（服务外包）

人工 / 耗材 200 元 / 副，能耗 80 元 / 副，无设备维护及折旧费用，合计 280 元 / 副。

（4）费用对比及效益测算

引入激光清洗工作站前，采用传统的清洗方式。每天模具清洗工作量为 20 副，其中线下砂洗 12

副 / 天，线上干冰清洗 8 副 / 天。清洗费用合计 5048 元 / 天，合 184.3 万元 / 年。

引入激光清洗工作站后，每天模具清洗工作量仍为 20 副，其中激光清洗 16 副 / 天，线上干冰清

洗 4 副 / 天（不拆模以赶工生产）。清洗费用合计 2928 元 / 天，合 106.9 万元 / 年。

引进激光清洗设备后，模具清洗费用比采用传统清洗费用下降了 42%，节省额达 77.4 万元 / 年。

如年度模具激光清洗数量增加，激光清洗技术为轮胎用户节约的制造成本将更加可观。

随着未来激光清洗采用进口激光器价格的进一步下降，或国产脉冲激光器性能、可靠性的不断提

升，全自动激光清洗设备的购置成本有望得到降低，应用激光清洗活络模具必将获得更大的的经济优

势。

2.2.4 激光清洗对模具寿命、排气孔影响

砂洗易造成排气孔堵塞，喷砂清洗后需要疏通排气孔，无法疏通的需更换气套。少部分轮胎厂喷

砂前会用铁丝等将排气孔逐一塞住，然后再喷砂清洗，避免不锈钢丸或金刚砂等磨料堵塞排气孔。以

上两种处理方式工作量都较大，一般模具完成通孔工作需要 1-2h/ 副。激光清洗方式不会造成排气孔

堵塞，排气孔里残留的只是较软的橡胶或者隔离剂，容易疏通并且钻头不易折断，通孔效率同比大大

提升，基本不用更换排气套。由于激光清洗设备自动运行不需要全程看护，清洗人员可同时兼顾通孔

工作，不需要单独配备通孔及更换气套人员，全钢模具通孔时间约 10-20 分 / 副。

激光清洗能有效维持活络模精度长周期稳定，还能适用于弹簧气套模具（砂洗无法清洗）的清洗，

模具维护成本显著降低。

2.2.5 工作站维护及服务

与其他自动化激光清洗设备需要定期更换（一般是 1 次 / 年）固体碟片激光器中的光学镜片、激

光晶体和空气清洁单元不同，工作站采用了免维护的全固态光纤激光器，无需任何光学元件，其中半

导体泵浦光源的寿命宣称可达十万小时，稳定可靠。激光清洗头的运动采用了有较高 IP 防护等级的

成熟技术工业机器人。工作站整机的维护工作量较小，主要集中在两个方面 ：一是定期清洁激光清洗

头光学系统和烟尘收集处理系统中的滤筒 ；二是对双工位旋转平台和移动防护罩的运动单元定期加注

润滑油脂。这些均属常规日常维护，轮胎企业维护人员经过常规培训即可实施维保作业。较低的现场

维保门槛不仅降低了工作站停机待保时间，更大幅降低了设备维保的备件、服务费用。

当工作站发生轮胎企业维护人员无法解决的设备故障时，厂商可在 4h 内予以快速响应，必要时派

员 24h 内出发前往用户现场进行诊断、维修。用户无需将将设备或部件运回生产厂维修。

3 活络模激光清洗技术的发展方向

3.1 线下活络模激光清洗技术的优化与推广

42

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

线下活络模激光清洗技术应在现有自动化激光清洗技术的基础上进行个性化的改进、提高。一是

要提高激光清洗的适应性。根据一些轮胎企业的清洗作业习惯与需求，开发既可以对活络模具花纹块

进行整体组合清洗以节省拆模时间，又可以对打散后的活络模花纹块、侧板逐块进行全方位清洗的全

能自动化激光清洗设备。二是要不断提高清洗效率。通过提高单脉冲激光能量、激光脉冲频率和光束

扫描速度来缩短清洗时间。三是要进一步提高激光清洗设备的自动化、智能化水平，使激光智能清洗

融入“工业 4.0”智能工厂体系相应模块，助力实现轮胎模具的全生命周期管理，减少模具投入、降

低模具损耗、提高模具使用效率与产品外观质量及动均性能。四是要降低全自动激光清洗设备的购置

成本和使用成本，提高国产化对主要进口部件的替代率，使全自动激光清洗设备进入更多的轮胎企业，

为用户创造出更多的效益。

3.2 线上活络模激光自动化清洗设备的开发方向

线上活络模激光自动化清洗技术是全面替代目前模具传统干冰清洗的重大举措。该技术的研发突

破，对打通轮胎行业线上活络模清洗通道，实现线上线下全过程的激光自动化清洗，以彻底解决二氧

化碳排放的环境问题，并助力企业升级转型实现智慧化管理，具有非常重要的现实作用。

鉴于线上模具自动化清洗所面临的高温环境、激光清洗机难以接近工作区域、不同类型硫化机结

构和多规格模具尺寸等复杂条件，有必要从下列几个方面进行研究攻关 ：

（1）耐高温激光清洗模组设计。激光清洗模组中的光学系统、清洗头运动系统、控制电子系统及

其他辅助系统要有良好的耐热性能。可配备适宜的冷却系统保障激光清洗模组中的元器件零部件处于

正常工作状态。

（2）线上模具激光清洗模组与模具的空间对接。激光清洗设备研发企业与轮胎制造企业及自动化

物流设备开发公司进行紧密合作，开发地面巡游升高车或空中 RGV 悬挂车将自动化激光清洗模组按要

求送至预定的清洗位置。

（3）激光清洗模组与各规格模具的自适应对接。针对不同类型硫化机结构和各规格模具开发激光

清洗模组与模具之间的自适应对接装置，使激光清洗模组轴心自动定位于模具的轴心。根据模具的材

质、规格大小调整激光清洗头扫描参数和清洗工艺参数。

（4）激光清洗模组的小型化。受硫化车间现场场地和清洗位置的制约，线上自动化激光清洗设备

必须在线下自动化激光清洗设备的基础上做小型化开发。将激光清洗头、清洗头运动系统、激光安全

防护系统、烟尘抽除系统集成为激光清洗模组，同时将激光清洗模组与模具进行空间对接的自适应系

统集成到一体。

4 结束语

综上所述，线下活络模自动化激光清洗替代传统砂洗方式技术的成功开发与应用，开创了国产化

替代并超越进口设备的新纪元。随着该项技术的逐步升级与拓展，必将被越来越多的轮胎企业所采用。

激光清洗设备研发企业更应顺势而为，通过和轮胎制造企业及物流自动化设备研发公司紧密合作，攻

克线上活络模自动化激光清洗技术难关，助力轮胎企业实现线上线下全过程的激光自动化智能清洗，

彻底解决干冰清洗方式其二氧化碳排放的环境问题，在振兴名族工业的征程上，做出新的历史性的应

有贡献。

参考文献 ：

[1] 中华人民共和国化工行业标准 HG/T 3227.1-2009 轮胎外胎模具第 1 部分 ：活络模具 .

[2] 中华人民共和国国家标准 GB/T13579-2017 轮胎定型硫化机 .

[3] 中华人民共和国国家标准 GB7247.1-2012 激光产品的安全 第 1 部分 ：设备分类 .

[4] 中华人民共和国国家标准 GB/T7247.5-2017 激光产品的安全 第 5 部分 ：生产者关于 GB7247.1 的检查清单 .

[5] 中华人民共和国国家标准 GB/T7247.14-2012 激光产品的安全 第 14 部分 ：用户指南 .

[6] 中华人民共和国国家标准 GB/T18490.1-2017 机械安全 激光加工机 第 1 部分 ：通用安全要求 .

[7] 中华人民共和国国家标准 GB/T18490.2-2017 机械安全 激光加工机 第 2 部分 ：手持式激光加工机安全要求 .

陈元荣·新形势下轮胎工厂提高能效技术的新思考

43

面对新的形势和要求，轮胎企业如何应对？本文围绕这个话题，提出企业应在持续提升企业能源管控水

平的同时，加大能源利用新技术的创新应用，包括高温氮气硫化、电加热硫化技术等。其中的一些思路已在

个别企业试用，但多数仍在论证中。作者希望能够通过本文，启发和调动全行业技术人员的创新精神，为节

能降耗，提升效益出谋划策，贡献力量。

1 新形势新要求

近年来，由于过度能源消耗，CO2 排放，造成全球气候变暖，已越来越引起各国领导人和关注环境变化的

人士重视。我国政府以建立人类命运共同体、营造人类美好家园为崇高目标，提出“绿水青山即是金山银山”

的理念，不断推出各种举措，以降低 CO2 排放，保护生存环境。为制止低水平重复建设，国家制订实施了《轮

胎行业准入条件》《轮胎工厂单位产品综合能耗限额（GB29449-2012）》等；为防止企业对能源的无序使用和浪费，

国家及地方政府对重点用能企业实施能源使用效能和节能工作监察。企业为降低成本，提高效益，也不断对

设备和生产工艺进行改进，以降低能源消耗。这一系列的举措，促进了节能工作的开展，提升了能源使用效率，

降低了 CO2 排放，改善了大气环境。

进入 21 世纪，面对国际国内的新形势，我国政府从建立人类命运共同体，形成人和自然和谐发展的现代

化新格局的高度，多次向国际社会发出倡议并首先承诺中国将提高自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，

力争到 2030 年前 CO2 排放达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。

为响应和落实党中央、国务院加强生态文明建设、推动高质量发展的号召，国家发改委印发了《完善能

源消费强度和总量双控制度方案》（发改环资〔2021〕1310 号，以下简称《方案》），明确了新时期做好能耗双

控工作的总体要求、主要目标、工作任务和保障措施，及时回应社会关切，将对碳达峰、碳中和目标实现发

挥重要支撑作用。

国家标准委也于近日委托中橡协对轮胎和炭黑行业进行能源消耗的调研，并在此基础上，将组织对《轮

胎工厂单位产品综合能耗限额（GB29449—2012）》进行修订，进一步压缩能源消耗控制标准。

面对新的形势和要求，各轮胎企业加快步伐，全面进行改造创新。

一是在生产技术和工艺方面。2020 年 11 月米其林宣布减排与碳中和生产实施的计划，并研发出世界第一

个碳中和轮胎—米其林 e.Primacy。德国马牌将碳减排范围拓展到全产业链，在原材料采购环节，确保来源可

追溯，真正实现绿色采购，且多年致力于蒲公英轮胎的研发投入，以期实现从蒲公英根部提取原料取代橡胶

原料。国内轮胎企业也相继有了作为，例如青岛森麒麟碳中和轮胎主要体现在超低滚阻、高抗实话、静音为

核心的技术 ；中策橡胶通过生产工艺和技术装备打造“低碳经济、绿色智造”的智能工厂 ；玲珑轮胎从多年

前就开始研究“蒲公英”技术，以期待有所突破 ；赛轮轮胎“液体黄金”技术提高轮胎性能的同时可以减少

粉末污染。

二是在节能降耗方面。本文的主要内容即是围绕这个话题，开展讨论。新的形势也给轮胎企业节能降耗，

新形势下轮胎工厂提高能效技术的

新思考

陈元荣

( 北京市海淀区，北京 100143)

44

2022 年“高机宗源杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

进一步提升能效水平提出了更高的要求，直接关系到轮胎企业的生存和发展，其目的就是倒逼轮胎企创新思维，

开拓思路，打破传统习惯和模式，加大节能降耗措施的研发和应用投入力度，深挖节能潜力，使节能降耗取

到突破，这样才能实现真正意义上的绿色制造。

2 新思路新突破

本文是作者结合多年来轮胎企业的工作经历，在学习和借鉴其他行业的先进经验的基础上，提出的一些

建议，仅供参考。其中的一些想法已在个别企业试用，还有一些想法也可能与现有标准存在不一致，仅供大

家讨论思考。

2.1 工厂布局

传统的工厂布局中，为安全考虑，将变电所、锅炉房等布置在工厂边缘，远离居民区及生产区；现代条件下，

变电设备及设施，锅炉结构及质量和控制技术已达到很高水平，变电站已实现无人值守，危及人身安全、影

响居民正常生活的情况已基本可以避免。因此，现代工厂设计时，应尽量将锅炉房、变电所选址建设在距离

热源用户或较大电力负荷的车间附近，尽可能的缩短输送距离，降低输送过程中产生的温降、压降等能源损失。

2.2 在两大用能工序（炼胶、硫化）采用新工艺、新技术

2.2.1 炼胶工序

炼胶工序是轮胎生产能源消耗最大的工序，其能耗约占轮胎生产总能耗的 40%。因此炼胶设备的节能降

耗很重要。

针对炼胶工艺，推广使用低温连续混炼技术、湿法混炼技术或串联混炼技术。低温连续混炼可大幅提高

生产效率，由一条生产线取代密炼机以及上下辅机，简化设备结构，降低能耗，提高混炼胶质量和稳定性，

容易实现绿色操作等。据有关资料，某公司的 CCC 低温连续混炼技术，较传统分批混炼方式能降低能耗 50%，

降低成本 62%，十分可观。湿法混炼实现了连续混炼过程，简化了混炼程序，减少了混炼设备、能源和劳动

力的投入，一次大大降低了混炼成本，减少设备投入达 50% 以上，由于主要填料如炭黑、白炭黑是在液态下

与胶乳混合进行，湿法炼胶与传统炼胶相比节能效果显著。根据中橡协材料研究中心对不同企业提供的湿法

胶产品采用 1.0L 小密炼机混炼的能耗检测，湿法与干法相比能耗平均下降 30% 左右。串联混炼技术以复合

作用方式取代传统密炼机单一作用方式炼胶，上位机升温混炼与下位机恒温硅烷化反应的独特工艺，可实现

一次终炼和母炼，减少混炼段数，从而减少场地占用，取消胶料中间停放和反复加热炼胶的环节以提高炼胶

效率，在提升胶料质量的同时可有效减少吨胶能耗，降低生产成本效果显著。某大型橡机公司研制的串联密

炼机组与传统炼胶工艺相比，单条生产线可提高产能 30% 以上，吨胶能耗降低约 30% 左右。

针对炼胶设备，密炼机采用高压永磁同步电机驱动技术。其相对于现在普遍使用的高压变频交流异步电

机和高压直流调速电机具有如下优点 ：

（1）转子轴转速与电机磁场转速一样。如 6 极就是 1000 转 / 分，而异步电动机轴转速约为 975 或

980 转（所以叫异步）。

（2）在额定负荷下，比异步电机效率高 4%-5%，比直流电机高 10% 左右。轻载 / 空载或过载情况下永

磁电机的效率下降很少。空载异步效率只有 70% 或更低，而同步空载的效率还会达 90%。

（3）永磁同步电机闭环控制状态下在密炼机上的机械特性可以与直流电机相媲美，甚至还更好 ；弥补了

普通异步电机在低转速段转矩输出不够的弱点（如无法带料启动、硬料低速过载等）。

（4）永磁同步电机自身的功率因数可接近于“1”。

（5）永磁同步电机的空载电流与额定电流均远远低于异步电机，例 ：1500kW，10KV ：异步电机额定电流

115A ；空载电流 23.5A。永磁同步电机额定电流 93A ；空载电流＜ 2A

（6）永磁同步电机的额定电流小、效率高 ；体积普遍小于普通异步电机和直流电机，为密炼机直流驱动

系统改造提供了便利（因为同功率的普通异步电机尺寸比直流电机大，不方便改造）。

（7）永磁同步电机维护与异步电机一样，正常使用无需额外进行维护保养。

目前已在国内多家轮胎企业使用，效果明显。

陈元荣·新形势下轮胎工厂提高能效技术的新思考

45

2.2 硫化工序

（1）高温氮气硫化工艺替代传统热水硫化工艺。高温氮气硫化在乘用胎以及橡胶薄制品的生产中已得到

广泛的应用。近年来随着我国大型制氮技术和设备的成熟以及轮胎生产技术和工艺的不断创新，国内一些工

厂已将高温氮气硫化工艺推广应用于全钢载重轮胎生产的硫化环节，以替代传统的热水硫化工艺。高温氮气

硫化因胶囊中的温度高，硫化速度快，可提高硫化生产效率。据对国内两家轮胎工厂全钢硫化工段的简单对比，

高温氮气硫化较传统热水硫化效率提升约 12%，吨产品综合能耗降低约 16%。高温氮气硫化系统和设备较传

统热水硫化还具有系统相对简单、运行稳定、无腐蚀结垢、维修工作量小、易实现自动控制等优点，应该大

力推广。

制取氮气方式建议优先考虑以下两种 ：1-800m3

/h 可采用碳分子筛变压吸附法 ；1000-2500m3

/h 可采用

深冷精馏空分法。该设备和技术国内已完全可以自行设计生产。

（2）高压氮气与电加热硫化方式相结合。该工艺是在轮胎硫化胶囊生产过程中，根据硫化工艺将一定数

量的电加热管预埋在硫化胶囊的囊壁上，并引出导线与外部电源和温控装置连接。轮胎硫化过程中，胶囊内

部充高压氮气并保持压力，生产工或工艺员可根据硫化工艺设置和调节胶囊温度以及时间。硫化模具及模套

的温度实现相对容易，其原理可以借鉴电热式平板硫化机的方式，即在模套中安装一定数量的电加热管，并

引出导线与外部电源和温控装置连接即可，结构相对简单。因电加热管属易损件，所以在设计和生产时，需

注意维修更换方便。

（3）0bar 排热水热能再利用技术。如一时难以进行改造，需继续使用传统热水硫化工艺时，应尽量将低

品位热能加以充分利用。5bar 程序结束转入 0bar 程序进行时，硫化设备和管道中仍存有大量的温度达 140 至

170℃的热水。传统的方式是直接排入 0bar 罐，压力由 0.5Mpa 降低至常压，温度降至＜ 100° C，同时产生大

量的闪蒸汽排空后作为高温循环水系统的补充水。实际使用中，这部分热水往往因多余溢流排掉，其主要原

因是蒸汽在与高温循环水进行热交换的同时，释放潜热而凝结为液态进入热水系统形成补充水。这种方式不

仅浪费了大量的热能，同时由于闪蒸外派，也造成热水的浪费。现代技术的发展，使这部分低品位热能得到

了利用。改进建议 ：冬季可将这些热水通过热水泵压送到工厂的采暖系统直接进行采暖或作为热水采暖系统

的补充水 ；夏季可输送给热水型溴化锂制冷机使用。

（4）抽真空系统优化

降低进入真空泵前的气体温度。热水硫化的最后一道程序是在 0bar 程序完成以后将胶囊内部的热水抽出

并形成负压，使胶囊变形收缩。很多工厂，因设计安装问题等，在实际使用中，当 0bar 过程结束转入抽真空

程序时，胶囊内部的热水压力仍有 0.2~0.3MPa, 这部分热水在转入真空系统后大部分迅速变成闪蒸汽，而另

一部分进入真空回收罐后，再次扩容形成闪蒸，体积膨胀，从而严重影响真空泵的效率和抽真空效果。为改

善抽真空效果，最好的办法是降低闪蒸汽的体积。某公司根据伯努利气体状态定律，在真空泵与真空罐之间

加装了一台换热器，利用常温水将进入真空泵前的闪蒸汽温度从 90℃ 降低到 40℃ 左右。这就相当于真空泵

效率提升了一倍。

全自动涡喷倍增式真空设备。该设备是依据文丘里管喷射抽真空原理，利用工厂内的设备冷却水回水压

力喷射抽取真空。该设备可安装在有循环冷却水使用的车间或泵房，如压出压延车间、空压站或水泵房的冷

却塔旁空地，循环冷却水经过本设备后进入回水箱（池），利用冷却水压力 0.03MPa，流量 350m/h 左右完成

做功。真空罐和汽水分离器安装在动力站内空置位置，与原有水环真空泵系统真空接口并联，停产时可使用

旁路阀。不停产时可全自动使用涡喷倍增式真空设备系统。可通过 PLC 远程操作阀门实现与原有水环真空泵

系统的切换。

（5）硫化蒸汽凝结水回收系统

目前轮胎企业硫化用蒸汽凝结水普遍采用疏水阀或切断阀定时排凝的方式，这种方式普遍存在以下问题 ：

阀门动作频繁（一年动作次数约 200 万次），容易造成密封面磨损、动作不正常 ；疏水阀过滤网堵塞，操作工

为保证硫化温度而打开旁通管路等失效情况，造成大量新蒸汽泄漏浪费。近年来，有关单位和技术人员开展

了大量的研究和探索，围绕如何减排和余热蒸汽的再利用提出了多种方案 ：归纳起来主要有以下三种 ：一是

46

2022 年“高机宗源杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

拆除各机台独立布置的疏水阀，在每一排硫化机支管的末端集中并联布置多路疏水阀，增加疏水阀的数量并

加大疏水阀口径。以此解决各机台疏水阀由于口径小，易堵塞 ；独立安装的疏水阀一旦出现故障就不得不打

开旁通维持生产的问题。二是近年来开发使用的新型硫化机集成式热工阀组。集成式热工阀组改变传统单一

管道单一阀门设计思路 , 所有阀门并列安装在模块上 , 利用模块内部流道构造来替代复杂的单根管路结构 ,

节省管路分布空间 ; 同时消除管道因冲击 , 电焊腐蚀等造成泄漏，减少了蒸汽损耗。整套阀组全部采用不锈

钢材质，所有管路分布体现出较高的集成度。疏水阀排出的汽水混合物接入凝水回收装置。汽水分离后，凝

结水通过热水循环泵送回锅炉给水系统再利用。其部分闪蒸汽可使用锅炉用软化水在间接换热设备进行热交

换，吸收其潜热而利用，另一部分可用于冬季工厂非生产岗位采暖或夏季用于低压单效溴化锂吸收式制冷机

的热源。三是由桂林橡胶院等单位开发的无动力闭式集中疏水系统或称为高效蒸汽供热系统，其节能率更高、

是一套不使用疏水阀的供热系统技术（该院有相关资料，在此不详细介绍）。其蒸汽潜热利用率（除表面散热外）

接近百分之百 ；凝结水回收率（除接口、破口等泄漏外）为百分之百，且自动返回热源勿需外施动力 ；凝结

水显热回收率近百分之百（可调）。另外该装置没有动力机械、易损件和对大气的动密封组件，因此，可靠性

很高，免维修周期很长。

也有企业对系统局部进行一些改动，取得一定的效果，但其基本原理与上述类似，因此不一一列举。

综合对以上几种方案进行比较，第一种方案结构简单，投资额小，维护难度低，适用于中小企业因地制

宜进行改造。第二、三种方案技术含量高，节能效果更好，投资额较大，运行稳定，但维修费用高，维修难

度大，因此适用于大型轮胎企业。

2.3 空压机进风系统改造

空压机的工作效率除了与设备自身的结构、质量以及运行维护水平有关外，还有一个很关键的因素就是

进气温度。通常情况下，空压机的进风口未做任何处理，靠自然吸入周围环境温度下的大气，经压缩、冷却、

干燥、除油除水后送至工厂各工序使用。空压机的运行效率以及压缩空气的品质受环境影响很大，特别是夏季，

由于环境温度高，空气湿度大，空压机的运行效率和压缩空气质量受到很大影响。据测算，环境温度每升高 1℃，

在相同的使用条件下，空压机的运行效率约降低 3% 左右。如何在环境发生变化时，保持空压机稳定高效运行，

重点就是如何保持空压机进风口的进气质量。某公司结合现场情况，采取在空压机进风口加装三通，将部分

空压机的吸风从成型工区接入的办法，改善了进气质量，同时也大大提高了空压机运行效率。空压机吸入成

型工区约 22℃、湿度低于 40% 的空气，不仅保证了空压机的稳定高效运行，同时也促进了成型工区空气的流

通和循环。

2.4 制冷站低温冷却水系统改造

一般轮胎企业的制冷站都会安装布置多台制冷机，以满足密炼机、压出压延机组设备冷却水和成型工区

空调机组甚至办公生活的不同需要。运行方式通常为多台制冷机并联运行，制冷机出口温度调节至接近制冷

机组允许的最低出口温度。成型工区空调机组的用水由制冷机直接供给，密炼机和压出压延机组设备用冷却

水则通过板式换热器将低温冷却水与冷冻水进行冷热交换后供应。

存在问题 ：为满足成型工区温度要求，被迫将制冷机运行状态全部调至临界值，影响运行安全，而密炼

机和压出压延机组设备冷却水又不能过低，板式换热器热交换效率低（72%-85%），因此经济性差，能源浪费。

改造建议 ：

a. 分别测算空调机组用冷负荷和密炼机组、压出压延机组用冷负荷，按照其负荷大小，结合制冷机的制

冷量调整制冷机组的“分工”。即区分出空调用专用机组和密炼、压出压延用专用机组。在此基础上，根据现

场情况留出 2~3 台做共用机组并对这 2~3 台制冷机组的冷冻水进出口管路进行“两用”改造。改造后将密炼、

压出压延设备用冷冻水和成型工区空调用冷冻水分列，其运行方式为 ：密炼、压出压延设备用冷冻水与成型

工区空调用冷冻水分机台、分管路各自专供。这样即可将供密炼、压出压延设备的冷冻水可提高到 18~20℃，

供成型工区空调使用的温度可调节到 7.5~9℃。

b. 密炼、压出压延设备的低温冷却水不再通过板式换热器进行交换，省去了由于交换效率带来的冷损失。

夏季，由制冷机出口的冷冻水作为低温冷却水直接供密炼、压出压延设备使用，使用后的低温冷却水直接回

陈元荣·新形势下轮胎工厂提高能效技术的新思考

47

到制冷机，经制冷机降温后再送到密炼和压出压延设备，如此循环 ；冬季，则改由冷却水泵直接供应，回水

经冷却塔冷却后进入回水池，再由冷却水泵抽出供密炼、压出压延设备，如此循环。改造后，因密炼、压出

压延设备用冷却水不需要过低温度，因此大大降低了制冷机的负荷，改善了制冷机的运行工况。同时因取消

了一级换热器，避免了效率损失。两台以上制冷机同时运行时，可以根据用户的负荷变化和不同需求，“共用”

机可以在两种温度工况下切换运行，随意组合，平衡负荷。另外相应减少了大功率冷却水泵的开动台数，节

电效果显著。

2.5 雨水和污水资源化利用

主要目标是将工厂生产生活污水和雨水收集，经处理后作为工业循环水补充水、绿化和洁厕使用。目前

各轮胎厂普遍比较重视污水的处理和再利用，因工厂条件限制，多数工厂未建设雨水的收集和处理系统。污

水的处理和再利用多停留在绿化和洁厕，大多数被排入市政管网，造成很大浪费。近年来，我国水处理技术

快速发展，污水和雨水处理再利用工艺也已非常成熟，在大型和现代企业达到了广泛稳定的应用，取得了显

著的经济效益和社会效益。

污水的处理工艺可以概括为物理法、化学法、物理化学法和生物法等几种。如何选取并进行设计主要从

以下几方面考虑 ：

（1) 污水处理工艺应根据处理规模、受纳水体的水质特性、环境功能及工厂的实际需要，经全面技术经济

比较后优选确定。

（2) 工艺选择的主要技术经济指标包括 : 处理单位水量投资、削减单位污染物投资、处理单位水量电耗和

成本、削减单位污染物电耗和成本、占地面积、运行性能可靠性、管理维护难易程度、总体环境效益等。

（3) 应切合实际地确定污水进水水质，优化工艺设计参数。必要时要对污水的现状水质特性、污染物构成

进行详细调查或测定，作出合理的分析预测。

（4) 积极审慎地采用高效经济的新工艺。对在国内首次应用的新工艺，必须经过中试和生产性试验，提

供可靠设计参数后再进行应用。

2.6 水处理离子交换器正洗水的回收利用。

无论是锅炉用水还是工厂用软化水、循环冷却水等，在预处理后现在普遍采用的工艺仍然为技术成熟、

运行稳定、易控制的离子交换法去除水中的钙、镁离子，以实现水的软化、防治结垢的目的。离子交换器的

运行可分为四个阶段 ：反洗、再生、正洗、运行。新设备投运或更换交换树脂，投运前需使用再生液对交换

树脂浸泡 8-16h。无论阴阳离子交换器，都需要经过这些程序，使用中需要以上四个阶段。其中正洗阶段是在

再生阶段完成后，对交换介质进行冲洗，去除交换器中的再生液残留和附着在交换树脂上的杂质，正洗水量大、

时间长，排出的正洗水中含有大量的再生液，直接排掉不仅浪费水资源，而且因此水中含有再生液污染环境。

某公司对此进行了改造，将这部分正洗水用于交换器的反洗水使用，收到了很好的效果。其做法是首先将正

洗水收集沉淀以去除大部分杂质，然后经泵过滤后直接接入离子交换器的反洗管路，反洗初期使用这部分水

起到了很好的作用，一是节约了反洗用水，二是因这部分水中含有一定浓度的再生液，反洗初期的同时伴随

一定的再生作用，所以也使再生时间和再生液用量有一定的减少。

3 结语

以上仅就轮胎企业节能降耗工作，从技术的角度提出一些新想法，并非技术方案，供参考。实际应用时，

仍需进行方案论证和工程设计，这里不做祥述。做好节能降耗工作，需要能源管理和节能措施同时重视、同

时加强，两手抓两手都要硬，因此企业应提高认识，更新观念，在不断提升企业管理水平，强化能源管控的

同时，加大节能技改的再投入，降低能源消耗，才能使企业持续获得优质的经济效益和社会效益，实现办企

为民的崇高目标。

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

1 治理背景及要求

我公司是一家生产全钢子午线轮胎的企业，目前的生产能力为混炼胶 28 万 t/ 年和全钢子午胎

680 万条 / 年。公司地址位于浙江省杭州市钱塘新区。企业在生产轮胎过程中，在硫化工段会产生恶

臭气体，其主要成分是二硫化碳（CS2）、硫化氢（H2S）、非甲烷总烃、颗粒物等，其气味难闻，对周

边环境和居住人群造成不良影响。为解决企业存在的污染问题，对该工序产生的废气进行了综合治理。

由于我公司地址位于浙江省杭州市，所以所执行的排放标准参考《橡胶制品工业污染物排放标准》（GB

27632—2011）企业大气污染物排放限值，详见表 1。

表 1 《橡胶制品工业污染物排放标准》（GB27632—2011）

注 ：基准排风量指用于核定大气污染物排放浓度而规定的消耗单位胶料的废气排放量上限值。

表 2 恶臭污染物排放标准

除按照以上标准外，根据实际要求，颗粒物浓度≤ 5mg/m3

，臭气污染物排放浓度≤ 500（无量纲）。

且当烟气进口非甲烷总烃≥ 4mg/m3 时，要求处理效率≥ 50%。

2 治理方案的研究

废气的治理包括两个方面，一是废气的收集，二是废气的治理。这里首先介绍废气的收集。废气

的高效收集有利于车间环境的改善，同时更有利于提高废气的治理效率。

2.1 废气收集的研究

该工序传统的收集模式是大围罩模式，通过屋顶风机将车间内部废气进行有组织收集，并通过环

活性炭吸附脱附 +RTO 焚烧工艺在处理

轮胎企业硫化工序废气上研究与应用

顾建，包捡青，王斌

（杭州朝阳橡胶有限公司，浙江 杭州 310018）

序号 污染物项目 生产工艺或设施 排放限值 mg/m³基准排风量 *

m³/t 胶

污染物排放监控

位置

1 颗粒物 轮胎企业及其它制品企业炼胶装置 12 2000

车间或生产设施排

气筒

2 非甲烷总烃

轮胎企业及其它制品企业炼胶和硫化装置 10 2000

轮胎企业及其它制品企业胶浆制备、胶浆喷

涂和涂胶装置

100 —

3

甲苯及二甲苯

合计

轮胎企业及其他制品企业胶浆制备、浸浆、

胶浆喷涂和涂胶装置

15 —

污染物 排放标准值 厂界标准值

排气筒高度 /m 排放量 /(kg.h -1

) 二级新扩改建 /(mg.m-3

)

氨 30 20 1.5

硫化氢 30 1.3 0.06

臭气浓度 ＞ 15 1000（无量纲） 20（无量纲）

顾建 等·活性炭吸附脱附 +RTO 焚烧工艺在处理轮胎企业硫化工序废气上研究与应用

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保设备治理后统一排放，见下图 1。

图 1 大围罩收集方式

因这种收集技术存在气量大，收集效率低等缺陷，所以进过优化，采用第二代收集技术。硫化机

采用背靠背安装，中间形成密闭空间。上料侧采用一台一隔的小围罩卷帘门收集，出料侧后侧相通。

如图 2 和图 3。

图 2 小围罩收集方式

该方案采用局部密闭的措施，从一定程度上降低了风量，提高了收集效率。该方案的收集效率可

以大大提升，但由于每台硫化机都需要增加密闭房和自动卷帘门，所以前提投入会比较打。同时，在

轮胎胎胚进出时，卷帘门会打开，密闭空间的废气会少量溢出。但其优点是可以大幅减少排放量，以

一条硫化沟，22 台硫化机为例，风量可以从原来的 14.4 万 m3

/h，下降至 6 万 m3

/h，排放量直接下降

58.3%。

2.2 废气治理方案

2.2.1 废气产生量

本治理方案针对厂 E 区地沟总计 22 台硫化机内产生的硫化废气进行处理，废气产生量与处理系统

设计见表 3。产生废气量大，废气含有有机物浓度低。

表 3 硫化车间 E 区废气产生量

序号 废气来源 废气产生量 /(m³.h -1

) RTO 处理系统设计风量 /(m³.h -1

)

1 E 区处理系统 60000 3000

2.2.2 治理方案比对

目前，废气处理市场上常用的吸附浓缩工艺有转轮浓缩和活性炭罐吸附脱附。橡胶制造业的废气

处理也是如此。转轮的吸附材质是沸石，沸石和活性炭都具有很好的废气吸附性能，但是二者针对的

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

成分、适宜的情况不同。

针对两种吸附材料的不同，结合项目特征，从以下几方面分析两者差异 ：

（1）活性炭能够吸附的废气更加广谱，适用于本项目。活性炭吸附孔道大小不一，可以吸附多种

废气成分 ；而沸石转轮孔道均一，吸附广谱窄，只能针对某几类有机物进行吸收。橡胶行业产生的废

气成分复杂，有有机物、无机物，因此活性炭吸附更加适合本项目。

（2）活性炭浓缩倍数大（＞ 100 倍），沸石浓缩倍数小（15~40 倍）。活性炭相比于沸石，吸附容量更大，

因此浓缩倍数也更大。本项目产生的废气浓度小，风量大。为保证后续燃烧的良好进行，同时减少不

必要的燃烧投入，浓缩的目标是能够得到高浓度、小风量的废气，而活性炭可以更好满足这种要求。

（3）转轮吸附浓缩比活性炭吸附浓缩对废气预处理的要求更高。沸石转轮造价高，材质精细，废

气中含有颗粒物或者油性物质极易发生堵塞。相对而言活性炭对预处理要求更低。一般工程应用中，

与沸石转轮匹配的预处理设置四层，而活性炭吸附只要求两层，预处理成本更低。

（4）转轮吸附材料使用时间长，活性炭寿命短。活性炭约 1 年更换一次，更换下来的活性炭可以

交由有危废处理资质的单位处理，也可以由企业热解炉高温无氧再生重复使用。转轮能够使用 8-10

年之久，废转轮作危废处置。

（5）转轮投资高，活性炭投资低。转轮造价高，活性炭成本低廉，更换也方便，维护成本有限。

综合以上论述，结合工程经验，尽管沸石转轮有着较好的脱附效果，但在硫化工艺上仍不建议应用。

因此，本方案选择活性炭浓缩作为浓缩工艺。根据整治方案的要求，配合前端过滤处理和后端 RTO 焚烧。

2.2.3 治理工艺

本项目废气处理工艺选用“滤袋过滤 + 活性炭吸附脱附浓缩 +RRTO 焚烧”工艺，见图 3。

图 3 废气处理工艺简图

为了更好地保护后续处理设备，本方案设置了滤袋过滤除尘系统。废气经过车间自有管道收集，

一级滤袋除尘后，进入活性炭吸附，吸附完成后高空排放。活性炭经过一定时间的吸附后，逐渐趋于

饱和，活性炭罐按照系统自动控制进入脱附程序。本系统利用 190℃蒸汽，换热给脱附风，脱附风进

入活性炭罐，将吸附在活性炭上的有机物脱附出来，并随脱附风进入 RTO 系统焚烧。在高温（760~850℃）

状态下，有机物被分解为 CO2 和 H2O，尾气通过 30m 高的排气筒高空排放。

2.2.4 治理系统介绍

治理系统包括如下 ：过滤滤袋除尘装置、活性碳吸附脱附装置、活性炭罐脱附冷却系统、旋转

RTO 装置、安全防火装置等。

过滤滤袋除尘装置 ：由于硫化车间灰尘和颗粒物较多，为了保护活性炭吸附脱附系统，在前端设

置预处理系统——二级干式过滤器。干式过滤器过滤等级为 F5、F7。废气进入干式过滤器，经滤袋过

滤，将粉尘附在滤袋的表面，过滤后的气体经过滤袋后排出。过滤器均设置压差变送器对废气过滤系

统压差进行控制，压差过载时报警更换滤材。预处理过滤器主要用于去除废气中的颗粒物、粉尘等杂质，

以保证活性炭的净化效率和使用寿命。设计过滤器单台处理能力分别为每套设备 50000m3

/h。我方设

计的滤袋在线更换系统，能够在不停产的情况下更换滤袋，不影响企业的正常生产。

顾建 等·活性炭吸附脱附 +RTO 焚烧工艺在处理轮胎企业硫化工序废气上研究与应用

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活性碳吸附脱附装置 ：废气经预处理去除颗粒物与粉尘后进入活性炭吸附系统。每个活性炭罐尺

寸为 1906×1702×2506mm，填充活性炭 2.52m3

。根据每条处理线路处理风量不同，在留一定余量的

基础上，需要配备的活性炭罐数量不同。配备数量遵循“多用一备”的原则，能够实现在线吸附脱附。

整套装置由 5 只活性炭罐组成，运行时除其中 1 只罐子用于脱附，其余都用于吸附，循环往复，实现

逐个脱附，保证活性碳的再生。过活性炭罐空速约为 0.75m/s，每个活性炭罐内活性炭吸附床填充厚

度为 600mm，活性炭罐达到设计吸附周期后转入脱附流程。切换阀采用零泄漏三通阀，单个活性炭罐

的脱附不影响其他碳罐的吸附过程。活性炭罐保温棉耐温≥ 300℃，厚度≥ 100mm。填充活性炭的规

格参数见表 4。

表 4 活性炭基本参数

规格 100×100×100mm

体密度 0.38-0.42g/mL

碘值 500mg/g

静态吸苯量 ≥35%

活性炭罐脱附冷却系统 ：通过循环风来实现。活性炭在＞ 50℃的情况下，吸附效果较差。因此，

经过脱附后需要对活性炭罐进行冷却。本系统采用新风冷却，冷却后的风不排放，通过循环风机在冷

却系统中循环，冷却风的降温由冷水换热器实现。

旋转 RTO 装置 ：RTO 主要由燃烧室、陶瓷填料床和旋转阀等组成。炉体分成 12 个室，5 个室进废

气，5 个室出净化气，1 个室清扫，1 个过渡室。废气分配阀由电机带着连续、匀速转动，在分配阀的

作用下，废气缓慢在 12 个室之间连续切换。每个陶瓷填料床依次经历蓄热 - 放热 - 清扫等程序，周

而复始，连续工作。蓄热室“放热”后应立即引入适量洁净空气对该蓄热室进行清扫（以保证 VOC 去

除率在 98% 以上），只有待清扫完成后才能进入“蓄热”程序。否则残留的 VOCS 随烟气排放到烟囱从

而降低处理效率。经过预处理的废气进入废气焚烧炉，高温（800℃左右）条件下裂解为二氧化碳和水。

RRTO 内部设置蓄热体用于预热有机废气，充分回收利用氧化分解有机废气时所放出的热能。RRTO 中

使用焚烧炉专用蜂窝陶瓷蓄热体 --- 片状组合式蜂窝陶瓷蓄热体，内部蜂窝结构采用“T”形排列设计，

代替了原有普通蜂窝陶瓷的“十”形方孔结构排列，解决了产品在使用过程中的堵孔情况 ；同时，内

部蜂窝孔具有连通式结构，增加空隙率，减少气流压降，改善整个截面上气体分布，使气体分布更均匀，

提高了设备热回收效率。

安全防火装置 ：本系统的安全装置主要是活性炭的防火保护，并由蒸汽来实现。活性炭着火点低，

尤其吸附有机物后更加易燃。活性炭罐中安装有热电偶，当检测到温度超过设定温度时，系统自动关

闭脱附风阀，打开蒸汽管路，蒸汽通入隔绝氧气，有效预防火灾的发生。

2.2.5 系统运行费用

本项目运行费用主要来自常电能耗和耗材费用。

运行设备风机，为了满足最大产生浓度下达标排放，各废气系统风量配置较大，但是实际运行时

可通过变频调节，在废气排放不多的情况下，降低能耗，见表 5。

表 5 系统耗电设备用电费用

设备 功率 /kW 数量 / 台 运行时间 /(h.a -1

） 运行费用 /（万元 .a -1

)

主风机 1 55 1 7920 27.87

循环风机 7.5 1 500 0.24

稳压风机 5.5 1 500 0.176

脱附风机 2 5.5 1 500 0.176

吹扫风机 1.1 1 500 0.044

电加热器 110 1 250 2.2

配电柜 7.5 1 7920 3.8016

总计 34.5/（万元 .a -1

)

52

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

电费 0.8 元 / 度计算，年运行时间为 330 天，每天 24h，则年运行费用为 34.5 万元。

系统耗材费用主要耗材为滤袋，滤袋约 3 ～ 6 个月更换一次，按 6 个月更换一次计，耗材费共计 1.6

万元 / 年，见表 6。

表 6 系统耗材费用估算

序号 名称 数量 更换周期 平均年维护费用 / 万元

1 F5 滤袋 2 0 6 个月 0.6

2 F7 滤袋 2 0 6 个月 1

3 活性炭 按需 破损补充、备用 3

总计 平均年维护费用 4.6 万元

合计费用 ：按照处理风量 6 万立方米 / 小时计算，预计年运行费用为 39.1 万元 / 年。

3 治理综合评价

整治后，我公司委托第三方对此次改造的效果进行了整体评价，得出如下结论 ：根据监测数据、

现场调查及资料核对，企业本次整改方案及效果基本上达到了《杭州市轮胎制造（橡胶制品业）行

业挥发性有机物污染整治规范（试行）》、《浙江省挥发性有机物污染整治方案》等相关文件的规定。

经整治前后的监测结果对比，整治后，企业 VOCs 的减排量为 4.0632t/a，VOCs 的去除效率所有提

高，由原先的 30.6% 提高到 45.2% ；企业硫化 E 区废气处理设施对恶臭污染物的去除效率由整治前的

43.9% 提高到 57.6%，能达到《杭州市轮胎制造（橡胶制品业）行业挥发性有机物污染整治规范（试行）》

要求。因此，本次整改有一定的减排效果。整体而言，整改后的硫化废气处理设施的去除效率优于原

处理装置。

参考文献 ：

[1] 司先超 . 住友橡胶 ( 常熟 ) 工厂如何治理轮胎生产废气 ?[J]. 中国橡胶 ,2017,33(18):23-24.

[2] 阮劲峰 . 某橡胶轮胎生产企业废气综合治理工程设计 [D]. 浙江大学 ,2014.

[3] 刘春晖 . 浅谈挥发性有机物（VOCs）污染控制技术 [J]. 汽车实用技术 ,2020,45(20):244-246.

[4] 李莉娜 , 夏青 , 秦承华 , 刘通浩 , 敬红 , 潘本锋 . 挥发性有机物排放监测监管主要问题和对策探析 [J]. 环境保护 ,2020,48(15):27-32.

[5] 徐海红 , 赵 晓 宏 , 董 振 龙 , 候 博 峰 , 梁 慧 , 张 嘉 妮 , 王 婧 . 我 国 VOCs 污 染 治 理 监 管 存 在 的 问 题 及 对 策 [J]. 环 境 影 响 评

价 ,2021,43(02):7-11.

韩笑 等·MPUCM 并用比对 MPUCMPA12 TPV 性能的影响

53

橡胶与塑料共混的目的是改善产品的物理机械性能和加工工艺性能，解决经济技术问题。如何有

效地利用现有橡胶、塑料，通过共混改性拓宽应用领域已经引起了广泛重视。热塑性弹性体代表着一

种不同于传统橡胶化学为基础的橡胶加工的重要方向，它的加工中取消了传统橡胶硫化工艺过程，如

塑料那样用注压、挤出、吹塑、模压等方法成型，且成型速度快，具有可重复加工性，可节约设备投资、

节约能源及节约人力，具有较强的竞争力 [1]。

本课题主要选用 PA12 L16 作为动态硫化热塑性弹性体的塑料相，选取混炼型聚氨酯（MPU）作为

动态硫化热塑性弹性体的橡胶相，制备 MPU/PA12 TPV，李俊山 [2] 等人研究发现，氯化聚乙烯（CM）

与 PA 有较好的相容性，且它们之间还可以发生少量的键合，同时，在 MPU 中并用一部分 CM 作为橡胶

相具有一定的经济技术价值。

本文选取 MPU 并用一部分 CM 作为动态硫化热塑性弹性体的橡胶相，通过改变橡 MPU 与 CM 的并用

比例，研究其对 MPU/CM/PA12 TPV 的物理机械性能、动态力学性能及耐老化性能的影响。

1 实验部分

1.1 原材料

MPU，牌号 SUNTHANE®

E6011，聚醚型高性能混炼型聚氨酯橡胶，广州顺力聚氨酯科技有限公司 ；

CM：牌号 WEIPREN®

3000，中等氯含量，潍坊亚星化学股份有限公司；PA12，牌号 L16，经过改性处理，

熔点为 180 ～ 185℃ ；其他配合剂均为常用工业品。

1.2 主要仪器和设备

扭矩流变仪，RM-200C，哈尔滨哈普电器技术有限责任公司 ；开炼机，X（S）K-160，上海双翼橡

塑机械有限公司 ；平板硫化机，LCM-3C2-G03-LM，深圳佳鑫电子设备科技有限公司 ；GT-7017-M 型

老化箱，台湾高铁有限公司；无转子硫化仪，GT-M2000-A，台湾高铁有限公司；电子拉力机，I-7000S，

台湾高铁有限公司 ；硬度计，上海险峰电影机械厂。

1.3 实验配方

橡胶相 MPU/CM 中 MPU 和 CM 的并用比例，如表 1 所示。

表 1 MPU/CM 母胶中 MPU 与 CM 的并用比例

橡胶相其余配合剂（单位：份）：白炭黑 30，MgO 5，硬脂酸 0.3，DCP1.2。在 MPU/CM/PA12 TPV 中，

MPU/CM 和 PA12 的并用比例为 70/30。

1.4 试样制备

MPU/CM 并用比对 MPU/CM/PA12

TPV 性能的影响

韩笑，邓涛 *

（青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042）

编号 1# 2# 3# 4# 5#

MPU 用量 / 份 100 90 80 70 60

CM 用量 / 份 0 10 20 30 40

54

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

称量 ：按照配方中规定的原材料品种和用量进行称量。

制备方法 ：将开炼机的辊距调到 1mm，加入不同并用比例的 MPU/CM，薄通五次 ；辊距调到 2mm，

将塑炼后的生胶放入开炼机中，待包辊后，依次加入配合剂，最后加入硫化剂，混炼约 15min，均匀

后打三角包 5 次，下片，停放 16h。

将扭矩流变仪温度调至 185℃，加入 PA12 熔融，待扭矩基本不变后，按照比例加入 MPU/CM 母胶，

待动态硫化完成后，取出 TPV。

将平板硫化仪升温至 185℃，放入 TPV，预热 3min，排气 5 次，加压模压 5min，冷压 4min，开模，

制得 TPV 试片。

1.5 分析与测试

动态硫化性能 ：采用 RM-200C 扭矩流变仪进行动态硫化，条件为 185℃，动态硫化时间参考扭矩

流变仪曲线。

力学性能 ：拉伸性能采用电子拉力试验机按照 GB/T 528—2008 进行测试，拉伸方式为单向拉伸，

拉伸速度为 500mm/min。每个测试点测试五次，将测试结果去最大最小值后求平均值，即为实验结果。

冲击回弹性能：回弹性能采用冲击弹性试验机按照 GB/T 1681—91 进行测试，每个试样测定三点，

各点之间距离不少于 10mm，取三点数值的中间值表示一个试样的回弹性。

动态力学性能 ：采用美国 Alpha 科技公司生产的 RPA2000 型橡胶加工分析仪，测试方式为剪切应

变温度扫描，应变频率 1.7Hz，转动角度 0.5°，扫描温度范围 65 ～ 185℃。

质 量、 体 积 变 化 率 试 验 ：按 GB/T 1690—2006 测 试， 热 介 质 老 化 条 件 为 46# 液 压 油、

100℃ ×72h。将试样悬挂于试验容器内，后将容器置于 100℃恒温箱中，72h 后取出试样，室温下停

放 30min 后进行称量。

耐介质老化 ：按 GB/T 1690—2006 测试，热介质老化条件为 46# 液压油、100℃ ×72h。

浸泡后的拉伸性能 ：采试样从试验液体中取出后，清除其表面上的液体，在室温空气中停放

30min 后，进行测试。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

通过扭矩流变仪扭矩 - 时间曲线可知 MPU/CM 和 PA 混合后的扭矩变化情况，及橡胶相的交联程度

与破碎情况。不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 动态硫化扭矩 - 时间曲线如图 2 所示。

图 2 不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 图 3 不同 MPU/CM 并用比的

TPV 动态硫化时间 - 扭矩曲线 共混胶硫化特性曲线（170℃）

图 2 为不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 的扭矩流变仪混炼曲线，PA12 熔融后，加入

韩笑 等·MPUCM 并用比对 MPUCMPA12 TPV 性能的影响

55

MPU/CM 混炼胶进行动态硫化。投入母胶后，扭矩迅速上升，在扭矩流变仪转子的剪切破碎下，扭矩下降；

在热的作用下，橡胶相发生硫化交联反应，黏度和模量上升，其交联作用大于转子的剪切作用，导致

扭矩上升并达到峰值 ；之后由于交联的橡胶相粒子破碎后分散于高温下黏度较小的 PA12 相中，相反

转开始进行 ；随着橡胶相粒子交联作用达到饱和且不能继续被剪切破碎成更小的聚集体，扭矩下降并

最终保持不变，同时完成相反转 [3]。

随着 CM 并用量的增大，动态硫化过程中完成相反转的时间基本不变，扭矩流变仪的最高扭矩逐渐

下降，不同 MPU/CM 并用比的共混胶硫化特性曲线（测试温度为 170℃）如图 3 所示，由图可知，随

着 CM 的并用量增大，硫化曲线的最高扭矩下降，即在本实验所用的配合体系下，CM 的交联程度低于

相同条件下 MPU 的交联程 [4]。当 MPU/CM 的并用比从 100/0 到 70/30 时，硫化曲线达到的最高扭矩近

似等差递减，而 MPU/CM 的并用比为 60/40 时，相比于 70/30 时的最高扭矩明显下降，说明当 CM 并

用量较大时，在 DCP 硫化体系下，MPU 和 CM 很难达到同步硫化。

2.2 MPU/CM/PA12 TPV 的物理机械性能

不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 物理机械性能如表 2 所示。

表 2 同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 物理机械性能

随着 MPU/CM/PA12 TPV 橡胶相中 CM 并用量的增大，硬度不变，当 MPU/CM 的并用比为 100/0、

90/10、80/20 和 70/30 时，拉断强度基本不变，扯断伸长率增大，200% 定伸强度逐渐降低 ；当 TPV

中 MPU/CM 的并用比为 60/40 时，拉断强度和扯断伸长率明显降低，同时回弹性明显下降，这说明当

TPV 橡胶相中 CM 的并用量大于 30 份时，制得 TPV 的力学性能与回弹性能较差，要制得性能良好的

TPV，CM 的并用量不宜超过 30 份。

2.3 热空气、热油老化后 TPV 的物理机械性能

为了考察 MPU/CM/PA12 TPV 的老化性能，本实验分别选用了空气中 100℃ ×72h、46# 液压油中

100℃ ×72h 两种老化条件的对其试样进行老化，以表征不同 MPU/CM 并用比对 MPU/CM/PA12 TPV 老

化性能的影响。

2.3.1 热空气老化后 TPV 的性能变化

热空气老化后，不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 性能变化如表 3 所示。

表 3 热空气老化后不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 性能变化

由表 3 可知，热空气老化后，随着 CM 并用量的增大，MPU/CM/PA12 TPV 的拉断强度变化率逐渐

增大，且拉断强度较老化前高，在热空气老化过程中，分子网络进一步引发交联反应，分子链网络更

密集，可以承载的应力提高 ；扯断伸长率变化率均为负值，说明热空气老化后，TPV 的扯断伸长率较

老化前降低，且随着 CM 并用量的变化基本不变。

2.3.2 热油老化后 TPV 的性能变化

热油老化后，不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 性能变化如表 4 所示。

项目 1# 2# 3# 4# 5#

硬度 / 邵 A 9 5 9 5 9 5 9 5 9 5

拉断强度 /MPa 22.1 19.3 19.8 20.7 16.5

扯断伸长率 /% 218 225 253 274 210

50% 定伸强度 /MPa 9.7 9.4 9.8 9.6 9.6

200% 定伸强度 /MPa 20.6 17.2 16.8 16.0 15.6

扯断永久变形 /% 4 5 4 5 5 0 5 5 5 5

回弹性 /% 2 9 2 9 2 8 2 8 2 5

项目 1# 2# 3# 4# 5#

拉断强度变化率 /% 6.5 10.4 13.9 12.1 11.7

扯断伸长率变化率 /% -11.9 -12.9 -12.9 -13.5 -22.9

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

表 4 热油老化后不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 物理机械性能

项目 1# 2# 3# 4# 5#

拉断强度变化率 /% -5.33 -4.45 -5.25 -4.35 -5.87

扯断伸长率变化率 /% -6.93 -9.89 -5.93 -6.93 -11.90

体积变化百分数 /% -0.35 -0.42 0.96 2.14 3.01

质量变化百分数 /% 0.04 0.25 1.36 1.82 2.22

由表 4 可知，热油老化后，MPU/CM/PA12 TPV 的拉断强度和扯断伸长率变化率均为负值，说明热

油老化后 TPV 的拉断强度和扯断伸长率降低。当 CM 的并用量低于 30 份时，MPU/CM 的并用比对拉断

强度和扯断伸长率变化率的影响较小；当 CM 的并用量增大至 40 份时，拉断强度和扯断伸长率损失较大。

由质量、体积变化率可知，随着 CM 的并用量增大，更多的低分子液压油浸入到 TPV 中，拉伸时分子

链之间发生滑脱的概率增大，导致其耐热油性能下降 [5]。

2.4 MPU/CM/PA12 TPV 动态力学性能

对不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 进行剪切应变温度扫描，储能模量（G’）和损耗模量

（G”）如图 4、图 5 所示。

图 4 不同 MPU/CM 并用比 TPV 的 图 5 不同 MPU/CM 并用比 TPV 的

储能模量 - 温度曲线 损耗模量 - 温度曲线

随着温度的升高，PA12 相的软化引起共混物模量下降，在温度为 160 ～ 180℃时，温度接近 TPV

中的塑料相 PA12 的软化点，TPV 的 G’减小最快。随着 CM 并用量的增加，MPU/CM 的硫化程度降低，

导致制备的 MPU/CM/PA12 TPV 弹性下降、G’降低，同时，损耗模量略有升高，说明 TPV 的黏性随

CM 并用的增大略有升高。

为了进一步研究不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 黏弹性，本实验绘制了剪切应力下损耗

因子（tan δ）- 温度曲线，如图 6 所示。

由图 6 可知，tanδ 在 160 ～ 180℃快速增大，这与温度接近 PA12 的软化点有关（按 GB/T4608

测试方法，PA12L16 的熔点为 178℃），温度在软化点以上时，MPU/CM/PA12 TPV 的 G ＇快速降低，

而在此温度区间内 G ＂变化不大，如图 4、5 所示，因此 tan δ 快速增大 ；随着 CM 并用量的增加，

MPU/CM/PA12 TPV 的 tan δ 升高，说明 CM 并用量的增加使得 TPV 的能量损失增大。

3 结论

（1）动态硫化时，随着 CM 的并用量增加，扭矩流变仪的最高扭矩下降，在本实验配合体系下，

CM 的硫化程度不及 MPU。

（2）在橡胶相中，当 CM 的并用比例低于 30 份时，制得的 MPU/CM/PA12 TPV 具有良好的力学性能，

且老化性能较好，当 CM 并用量为 40 份时，TPV 的性能明显下降。

韩笑 等·MPUCM 并用比对 MPUCMPA12 TPV 性能的影响

57

（3）随着 CM 并用量的增大，MPU/CM/PA12 TPV 的 G ＇降低，G ＂略有升高，TPV 能量损失增大，

弹性变差。

参考文献 ：

[1] 杨清芝 . 现代橡胶工艺学 [M]. 1 版 . 北京 ：中国石化出版社 ,1997:73-76.

[2] 李俊山 . 现代橡胶工艺学 [M]. 1 版 . 北京 ：中国石化出版社 ,1997:377-464.

[3] 王建功 , 陈自安 , 李珍 , 等 . 硫磺硫化 EPDM/PP 热塑性弹性体相反转及物理性能研究 [J]. 橡胶工业 ,2018,65(02):137-141.

[4] 田亚飞 .NR/NBR、NR/SBR/NBR 并用胶的同步硫化及应用研究 [D]. 华南理工大学 ,2013.

[5] 尤黎明 , 杜伟 , 韩笑 , 等 . 不同增塑体系对丁腈橡胶老化前后及胶管扣压过程性能的影响 [J]. 橡塑技术与装备 ,2021,47(06):52-56.

图 6 不同 MPU/CM 并用比 TPV 的损耗因子 - 温度曲线

58

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

0 引言

模具是轮胎制造过程中的关键装备，如何高效、快捷、有效且低成本地清洁模具一直是轮胎企业

苦恼的问题。尤其面对弹簧气孔套式模具和 PVD 镀层模具，传统的喷砂、喷干冰、超声波清洗方式无

能为力。喷砂清洗会损伤模具，存在后续繁重的气孔通孔作业，而且喷砂无法清洗弹簧气孔套式模具。

干冰清洗耗材昂贵，噪音大，无法有效彻底地清洁模具。化学药液超声波清洗模具耗时长，还面临废

液处理排放的问题。

轮胎模具激光清洗技术，是用高能高频纳秒超短脉冲激光轰击模具表面，使其表面的污染层瞬间

蒸发或爆破剥离，从而达到清洁的工艺过程。相对传统清洗方法，激光清洗模具有很多优势 ：

(1) 清洗无需耗材辅料 ；

(2) 运行成本低 ；

(3) 能量密度可精准调整 ；

(4) 不会损伤模具 ；

（5）不会出现堵塞排气孔现象 ；

（6）清除的固体粉末易于收集，对环境无污染。

激光清洗质量的好坏和清洗效率的高低取决于激光清洗过程中对激光能量的有效控制。采用全自

动激光清洗系统可精确控制模具表面获得的激光能量密度，在保证不损伤模具的前提下最大可能的提

高效率，保证清洗的一致性。由于手持激光清洗机采用手持清洗作业方式，无法保证模具表面激光能

量密度的一致性，从而导致清洗不均匀，存在“花斑”现象，影响轮胎外观及产品品质，严重时会损

伤模具。采用全自动激光清洗系统是必然趋势，全自动激光清洗系统有以下特点 ：

（1) 能量密度可精确控制，在不损伤模具的基础上高效清洁 ；

（2) 可精确控制脉冲重叠率，充分利用激光能量，确保效率 ；

（3) 清洗无“花斑”，一致性好 ；

（4) 可长时间连续稳定工作，无耗材，运行成本低 ；

（5) 设有清洗参数工艺库。

1 全自动激光清洗系统在轮胎模具清洗中的应用

全自动激光清洗系统在轮胎模具清洗中的应用逐年增多。尤其对于弹簧气孔套式轮胎模具的清洗，

激光清洗是最佳的清洗方式。前几年德国制造的激光清洗系统开始进入国内的一些轮胎企业。但由于

售价高、维护费用高、服务不及时、光路调整复杂、故障率高等原因，阻碍了其进一步的推广。

这几年随着适合激光清洗的稳定可靠激光光源的出现，国内很多企业加大了激光清洗技术工业化

应用的研发投入，做了不同方向的尝试工作。大部分企业由于技术及资金的原因，其产品开发仅止步

激光清洗技术在轮胎模具清洗中的

应用研究

潘济堂

（南京集萃激光智能制造有限公司，江苏 南京 210000）

潘济堂·激光清洗技术在轮胎模具清洗中的应用研究

59

于中、小功率手持清洗机。中、小功率激光光源的激光聚焦后，焦斑能量分布不均匀，中心位置能量

密度最高，朝着焦斑边缘方向，能量密度逐渐降低。用这种光源进行清洗，极易损伤模具。同时，手

持清洗机手持操作存在激光辐射安全隐患，影响使用操作人员的职业健康。在全自动激光清洗系统产

品方面，国内只有极少数企业做了长时间的开发工作。其中南京集萃激光公司开发的全自动轮胎模具

激光清洗系统目前已成功应用于国内多家轮胎企业。其产品采用全密封防护结构，激光清洗作业时无

激光辐射危害风险，安全可靠。南京集萃激光公司的全自动激光清洗系统与德国同类激光清洗设备相

比，有如下不同 ：

（1) 光源免维护。

（2) 光路无需调整。

（3) 采用方形光斑，效率更高。

（4) 运动部件采用稳定可靠的机器人。

（5) 工艺库参数录入简单易学，看图测量几个参数即可。

（6) 操作简单易学，培训 1 小时即可单独操作。

（7) 采用模具分体式清洗，清洗更为灵活。

（8) 模具花纹块可采用多角度清洗，且角度可调。

本文所有数据均通过南京集萃激光公司的全自动轮胎模具激光清洗系统实际使用过程得出。该系

统采用了 IPG 公司功率 500W 的纳秒脉冲激光器，激光束经过光学系统聚焦后焦斑为 2mm 边长的方形

平顶光，高速振镜扫描的清洗带宽为 50mm。激光束与模具表面法线夹角最大为 45°时，可保证打在

模具表面上的激光扫描线条均在激光束焦深范围之内，从而最大限度地保证清洗质量的一致性。

2 轮胎模具的激光损伤阈值

激光清洗系统实际应用中是否会损伤模具，在激光平均功率确定的条件下需要从两个方面综合考

虑 ：

（1）单脉冲激光束的能量密度（j/cm2

）；

（2）激光束的脉冲宽度。

假设激光垂直入射于洁净的模具表面，观察模具表面发生氧化变色（开始产生损伤现象）的情况，

通过测量、计算开始发生氧化变色时的能量密度及脉宽，确定激光对于模具的损伤阈值。据文献 [1] 可

知金属材料的吸收率 :

A=4n/[(n+1)2

+k2

] （1）

n 是材料针对某一波长的激光的折射系数，k 是材料针对某一波长激光的吸收系数。

据文献 [2] 可知轮胎模具常用材料的光学特性参数 ：

表 1 各材料 1064nm 激光的光学特性

材料 折射系数 k 吸收系数 n

Al 8.5 1.75

Fe 4.44 3.81

将 表 1 的 参 数 带 入（1） 式 中 可 得 到 AL 的 1064nm 吸 收 率 为 ：8.8%，Fe 的 1064nm 吸 收 率 为 ：

35.6%。

轮胎模具通常用模具钢或铝合金制成。由于铝的激光吸收率远低于铁，可知铝的激光损伤阈值远

高于模具钢，本文只研究模具钢表面氧化变色所需的能量密度和脉宽。模具钢的熔点在 1495℃左右。

据文献 [3] 可知，基材表面热作用深度与激光脉宽有关 ：

（2）

其中 α 为热扩散率，t 为脉冲宽度，当激光脉冲宽度为 40ns 时，激光脉冲能量作用于基材深度

为 1.5um. 当激光脉冲宽度为 60ns 时，作用深度为 1.76um，100ns 时作用深度为 2.3um。激光焦

60

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

斑是 2×2mm 的一个方形光斑，这样可以通过 M=ρV 计算出受单脉冲激光束作用的物质质量分别为

4.51×10-5g、5.53×10-5g、7.14×10-5g。根据文献 [4] 可知纳秒级激光脉冲轰击物件后表面的瞬时

温升 ∆T ：

∆T=Q/(C*M) （3）

其中 Q 为吸收能量，单位为 J；C 为基材的比热容，单位为 J/(g·℃ ) ；M 为物质质量，单位为 g。

根据上式可计算出在不同能量脉宽的激光脉冲下基材温升数据。

表 2 不同脉冲时模具钢的温升

40 60 100 能量密度 /(j.m-2

)

100mj 1791 1462 1132 2.5

80mj 1433 1170 906 2

60mj 1074 877 680 1.5

40mj 717 585 453 1

按上表计算数据结合 45 号钢的熔点，可知单脉冲能量在 100mj 时，脉宽在 40ns 和 60ns 时，模

具基材会损伤，脉冲能量在 80mj 时，脉宽在 40ns 时模具基材会被损伤。按上表所示数据在一块洁净

的 45 号钢工件上进行了测试，基本符合，激光单脉冲 40ns/100mj 时，工件表面有严重的熔化氧化变

色现象（如图 1 所示），在激光脉冲 40ns/80mj 和 60ns/100mj 两种情况下，工件表面有轻微氧化变

色现象（如图 2 所示）。在实际应用中要避免清洗设备的激光参数设定在损伤模具基材的范围。

图 1 基材严重损伤形貌 图 2 基材损伤形貌

4 轮胎模具激光清洗最佳参数

淡色的橡胶对 1064nm 的激光吸收率非常低，轮胎模具表面黑色残留物可以用 1064nm 的脉冲激光

清洗。因为轮胎材料中含有炭黑，根据文献 [5] 可知，添加炭黑后的橡胶对激光的吸收率高达 80%，其

吸收率远大于模具基材对激光的吸收率。这也能解释为何其单纯的除油能力比较弱，去除油渍主要依

靠基材表面的瞬时温升气化油膜，油膜较多的区域被瞬时气化的油气吹到周围。只能去除基材表面一

层薄薄的油膜，之后模具深层的油又会慢慢渗出到表面。

激光清洗最佳参数与轮胎模具污染层的厚度相关。生产 1000 条和生产 3000 条轮胎后的模具，由

于污染层厚度不同，其最佳清洗参数也有区别。

刚从硫化机上拆下的模具由于其基材温度较高，且模具表面的污染物还处于浸润状态，此时的附

着力最小，最易清洗。

为了高效的利用好每一个脉冲，找到高效的最佳清洗参数，需要考虑五个最基本的参数 ：

(1) 功率大小 P/w

光源功率的百分比，一般设定值≥ 90%，甚至满功率运行。

(2) 脉冲宽度 T/ns

脉宽 /ns

脉冲能量 /mj 温升

潘济堂·激光清洗技术在轮胎模具清洗中的应用研究

61

由表 2 中计算结果可以看出，单脉冲能量一定的情况下，脉宽越小，越利于清洗，但是要关注损

伤阈值的范围。实际清洗中，发现基材表面有变色现象发生意味着很可能已经接近损伤临界值。考虑

到污染层的清洗效果，40ns 时能量密度不能过大，实际应用中一般用 60ns 或者 100ns。这个参数由

激光器设定，设定好以后不得随意改动。

(3) 能量密度 Δ（J.cm-2）

由于光源采用的脉宽为纳秒级别的脉冲激光器，清洗参数考虑能量密度更为合适，由表 2 可以看

出 60ns 时，Δ=2.5j/cm2 时，45 号模具钢就处于基材损伤的临界值。所以实际应用中，建议不要超过

这个能量密度。

(4) 脉冲重叠率 α1=b/i×100%

为了提高效率，利用好每个脉冲的能量，必须让脉冲有序的按照某一规律排列，首先考虑到单个

脉冲的重叠率，此时就直观的体现出了方形平顶光斑的优势。

图 3 脉冲重叠率示意图

(5) 行重叠率 α2=c/i×100%

下图所示的平行线式出光的行重叠率是比较理想的情况，实际的重叠率更为复杂，这要根据清洗

头扫描出光的方式来具体分析确定。平行线出光方式的出光时间利用率为 40% 左右，像南京集萃激光

公司的全自动激光清洗设备采用了类似 Z 形的出光方式，其出光时间利用率达到 90%，对激光能量的

利用效率更高。

还有一种利用转镜提高效率的出光方式，由于转镜的体积过大，控制方式繁琐，最主要的是转镜

表面平均反射率不到 80%，有将近 20% 以上的激光能量被损失，所以采用此方式的系统很少。

图 4 行重叠率示意图

根据清洗效果确定这 5 个基本参数后，其它运行参数均可计算得出。

τ（kHz）激光器的运行频率的计算公式 ：

（4）

其中 P（W）为实际给定功率，Δ（j/cm2

）为设定的能量密度，i（mm）为焦斑边长。

振镜扫描速度 f（M/S）的计算公式 ：

（5）

其中 τ（kHz）为激光器频率，i(mm) 为焦斑边长，α_1 为脉冲重叠率，百分数。

清洗头相对工件的清洗速度 F（M/min）的计算公式 ：

（6）

其中 l（mm）为焦斑边长，α2 为行重叠率，50（mm）为扫描线长，f（M/S）为上式计算结果，t（s）

为振镜的空走系数，振镜的空走系数是实测出振镜一个循环中不出光空走的时间。

62

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

根据以上所确定的损伤阈值范围，及各参数的详细分析，经过实验确定其最佳清洗参数。在实际

应用中，清洗一个 12.00R20 规格模具侧板用时 5min 左右，清洗模具效果见图 5。从四个角度照射模具，

全方位无死角清洗一个同规格全钢花纹块用时 4.5min，清洗效果见图 6。南京集萃激光公司的全自动

激光清洗系统配有双工作台，一个工作台进行清洗作业时，另一个工作台可进行模具的上下料。整体

清洗一副 12.00R20 的全钢模具，总耗时 1h 左右。

图 5 轮胎模具侧板清洗形貌图 图 6 轮胎模具花纹块清洗形貌图

5 结论

综上所述，全自动激光清洗系统相较于手持激光清洗机，在轮胎模具清洗中有着诸多技术、质量

和安全优势。合理控制激光清洗参数对于高效高质无损清洗模具至关重要。在国内减碳降排、绿色制造、

智能制造政策的指引下，在企业节能降耗，减少生产成本，提升经济效益的追求下，国产全自动激光

清洗系统必将发挥自身技术、成本、服务优势，更好地服务于轮胎制造企业的生产经营，应用前景广阔。

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡胶连续终炼实验研究

63

终炼作为混炼过程的收官环节，对之后的所有工序会产生深远的影响，其关键性不言而喻。终炼

并不是简单地使硫磺和橡胶进行初步混合，而是使多种不同性质、不同形态的物料，包括硫磺、硫化

促进剂、活性剂以及未分散均匀的填充体系，使其与橡胶基体间发生复杂的物理、化学变化。

现有的终炼工艺 [1] 已经相对成熟，能够基本满足生产需求，但还是存在各种各样的问题，主要有

以下几点 ：

（1）配方种类以及硫化体系 [2-4] 种类繁多，难以实现所有配方及硫化体系均适配。一般终炼装备

如开炼机 [5-7]、密炼机 [8-10] 等都有各自的适用范围 ；

（2）橡胶的黏弹性及其特殊的力学响应特征导致大部分终炼装备进行终炼时需要较大的作用力，

对于回转类元件则需要较大的输出扭矩。并且流变行为难以预测 [11]

；

（3）不同配合剂 [12] 由于其颗粒尺寸不同，各运动单元间的接触反应情况灵活多变，难以进行精

确控制，终炼过程 [13] 反应产物也会出现差异 ；

（4）终炼过程中的产热、应力变化会导致温度场、压力场、剪切速率场、粘度场 [14,15] 都随之改变，

各种物理、化学反应程度也会出现波动，不同批次的终炼胶性能稳定性无法保证。因此，对橡胶复合

材料的终炼过程进行研究困难重重。

终炼不仅仅是混炼过程的一道工序，对于之后的加工成型工艺也具有延续性影响，对橡胶制品的

各项性能具有决定性作用。终炼效果关乎着橡胶制品的安全性和使用寿命，也关乎使用橡胶制品的个

体的安全。因此，改进终炼工艺及装备，进行新型橡胶终炼装备和工艺创新，完善橡胶混炼工业体系

刻不容缓，是橡胶工业体系亟待解决的最重要的课题之一。

1 实验

1.1 实验配方

实验配方见表 1。

表 1 天然胶炭黑实验配方

材料名称 份数 /phr

天然胶 100

N234 53.5

ZnO 3.5

硬脂酸 SAD 2

防老剂 4020 1.5

增塑剂 A 2

促进剂 NS 1.5

硫磺 S 1

合计 165

炭黑配方橡胶连续终炼实验研究

肖鑫鑫 1

，边慧光 1

, 许明辉 1

，王禄银 1

，牛广智 1

，汪传生 1,2*

（1. 青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061 ；

2. 山东省高分子材料先进制造技术重点实验室，山东 青岛 266061）

64

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

1.2 主要设备和仪器

XLB-D420X400 平板硫化机，青岛亿朗橡胶装备有限公司 ；RPA2000 橡胶加工分析仪，美国阿尔法

公司 ；Premier MV 门尼粘度仪，美国阿尔法公司 ；MDR-C 无转子流变仪，美国阿尔法公司 ；Instron

3365 万能实验机，英斯特朗公司 ；EPLEXOR 150N 动态热机械分析仪，德国 GABO 公司 ；SS-8350ED

橡胶回弹实验机，台湾松恕检测仪器有限公司 ；SS-5643-D DIN 磨耗实验机，台湾松恕检测仪器有限

公司 ；Precisa XB 220A 密度仪，瑞士普利赛斯公司 ；Wallace H17A 邵氏硬度计，英国华莱士公司 ；

GT-7016-AR 气动式冲裁制样机，高铁科技股份有限公司 ；S112MXB 厚度计，日本三丰仪器有限公司 ；

XM-1.7L 同步转子剪切型密炼机 ；XK-160 开炼机 ；XLHZ-60 橡胶连续终炼机，山东省高分子材料先进

制造技术重点实验室研发，设备如图 1 所示，技术参数见表 2。

图 1 XLHZ-60 橡胶连续终炼机

表 2 双转子连续终炼机主要性能参数

1.3 实验工艺及测试

通过密炼制得炭黑配方母炼胶后，分别采用连续终炼机、密炼机、开炼机这三种终炼装备，在相

同转速 30r/min 和相同温控 50℃时，将硫化体系与母炼胶按照配比均匀加入、进行终炼，控制有效

终炼时间 90s 左右，制得终炼胶，对其进行各项性能测试并进行分析。

2 结果与分析

对于炭黑 - 天然橡胶配方胶料，通过采用不同终炼装备及工艺，对橡胶串联式连续混炼的母炼胶

进行终炼，使三种终炼装备在相同转速 30r/min 和相同温控温度 50℃下进行终炼，测定喂料温度，

待终炼胶挤出后测量排胶温度，得到终炼前后胶料的温度差，将各组不同终炼方法制得的终炼胶分别

取样进行门尼粘度测试、橡胶加工性分析、无转子流变测试，并采用将终炼胶置入不同形状模具中进

行硫化，将硫化胶进行拉伸性能及硬度测试、回弹性能测试、DIN 磨耗测试、动态热机械性能测试。

项目 技术参数

转子直径 60mm

长径比 20 1

中心距 55mm

转子旋向 异向内旋

电动机参数 45kW 1500r/min

转子转速 0~50r/min

控温区域 三段机筒，机头

模温机介质与通道数量 导热油，四通道

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡胶连续终炼实验研究

65

各种测试结果的对比分析如下 ：

如图 2 和图 3 所示，对于炭黑 - 天然橡胶配方胶料，在相同工艺参数下开炼机温控对终炼过程起

到的降温冷却作用最明显，连续终炼机次之，密炼机温控降温效果最差。

由于开炼机是开放式结构，除辊筒内循环冷却水降温外，与空期间热交换带走的热量也十分可观；

连续终炼机属于半开放式结构，空气与胶料一同从喂料口进入，在终炼过程中，由于双转子对胶料剪切、

挤压，空气被压出，大部分沿流动胶料间隙向后排除，在一定程度上也能带走部分热量 ；而密炼机终

炼在相对封闭的环境下进行，热量难以散失，降温效果差，如果不对终炼工艺进行控制，容易产生局

部高温导致发生交联反应。

图 2 终炼排胶温度对比 图 3 终炼喂料 - 排胶温度差对比

通过分析图 4 中数据发现，连续终炼机及开炼机终炼制得的终炼胶门尼粘度较低，加工流动性较

好，而密炼机制得的终炼胶门尼粘度较高。这可能是因为密炼机终炼环境相对封闭，热量无法快速散失，

终炼温度较高，待排胶冷却后终炼胶收缩严重，分子链间作用力较大，因此在进行门尼粘度测试时数

值较大。

图 4 终炼胶的门尼粘度对比

通过图 5 中数据可以发现，对于炭黑 - 天然橡胶配方实验，三种终炼装备制得的终炼胶 MH-ML 几

乎相等，说明交联网络框架的致密程度也相近。

66

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 5 终炼胶的 MH-ML 对比

通过图 6 中数据可以发现，开炼机终炼制得的终炼胶 Payne 效应最低，填料分散情况最好，密炼

机终炼次之，连续终炼机的最差。由于连续终炼机双转子上混炼元件结构多变，相比于剪切型密炼机

转子，并非所有结构都能增强填料分散情况，部分结构优先考量输送能力，连续终炼机对胶料的剪切

作用总体上较弱，因此橡胶分子链断裂较少，平均分子量较大，Payne 效应较高 ；密炼机双转子对胶

料产生周期性的剪切作用，每转一圈就会对胶料剪切一次，因此能够使填料分散相对均匀 ；而在开炼

机终炼过程中，不仅保持对胶料的持续剪切，还通过打卷或三角包促进填料分散，因此其 Payne 效应

最低。

图 6 终炼胶的 Payne 效应对比

图 7 终炼胶的 T10 对比 图 8 终炼胶的 T90 对比

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡胶连续终炼实验研究

67

通过图 7 中数据可以发现，密炼机制得的终炼胶 T10 最短，连续终炼机次之，开炼机的最长。T10

表征焦烧时间，终炼过程中生热越高，散热越慢，温度越高，越容易产生早期硫化，焦烧时间越短，

加工安全性越低。密炼机终炼散热差，温升快，更易出现早期硫化，因此焦烧时间最短 ；连续终炼机

散热由于密炼机，次于开炼机，因此介于两者之间 ；开炼机开放式环境有助于散热，故焦烧时间最长。

通过图 8 中数据可以发现，连续终炼机制得的终炼胶 T90 最长，开炼机次之，密炼机的最短。因

为密炼机终炼散热差，温升快，更易出现早期硫化，在进行无转子硫变测试时初始硫化程度最高，测

得的正硫化时间最短 ；连续终炼机内硫化体系的分散情况劣于密炼机及开炼机终炼，因此正硫化时间

最长。

图 9 终炼胶硫化试样的拉伸强度对比 图 10 终炼胶硫化试样的断裂伸长率对比

通过图 9 和图 10 中数据可以发现，连续终炼机制得终炼胶的硫化试样拉伸强度最低，断裂伸长率

最高 ；密炼机制得终炼胶硫化试样断裂伸长率最低，拉伸强度方面密炼机制得的终炼胶硫化试样拉伸

强度最高 ；开炼机制得的终炼胶硫化试样断裂伸长率及拉伸强度基本介于其他两种终炼方法之间。在

工业化生产中，如果只是为了追求胶料最佳拉伸性能，采用密炼机进行终炼往往可以得到较好的结果，

如果只是为了追求批次间拉伸性能的稳定性，采用开炼机进行终炼可以达到预期 ；由于连续终炼机具

有自动化程度高、生产效率高的特点，因此适用于对胶料拉伸性能没有过高要求的大批量生产。

图 11 终炼胶硫化试样的 M300 对比 图 12 终炼胶硫化试样的 M300/M100 对比

通过图 11 中数据可以发现，密炼机制得终炼胶的硫化试样 M300 最大 ；连续终炼机制得的终炼胶

硫化试样 M300 略低于密炼机的，略高于开炼机的 ；开炼机制得终炼胶的硫化试样 M300 介于其他两种

方法之间。这说明采用密炼机进行终炼，填料与橡胶基体间的作用力最强，这往往是交联反应充分，

交联密度大的体现，除 M300 外还会表征在回弹率高、DIN 磨耗低等方面。同时，与拉伸强度相对应，

68

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

证明密炼机制得终炼胶的力学性能较为突出，适合高性能橡胶制品的生产。

通过图 12 中数据可以发现，连续终炼机制得终炼胶的硫化试样 M300/M100 最低，密炼机次之，

开炼机最高。综合来看，密炼机制得的终炼胶填料补强系数较高，填料与橡胶间结合程度好，对力学

性能会有所提升。因此，采用密炼机进行终炼可以得到力学性能更优的终炼胶。

图 13 终炼胶硫化试样的回弹率对比

通过图 13 中数据可以发现，密炼机制得终炼胶的硫化试样的回弹率在三种终炼方法中最高，连续

终炼机制得终炼胶的硫化试样的回弹率在三种终炼方法中最低，开炼机次之。回弹率的对比又一次证

明了采用密炼机终炼制得的终炼胶力学性能最好，适用于追求高性能橡胶制品的生产当中。

图 14 终炼胶硫化试样的硬度对比

通过图 14 中数据可以发现，密炼机制得终炼胶的硫化试样硬度波动最小，连续终炼机次之，开炼

机最大，且开炼机制得炭黑配方终炼胶硬度偏小。这说明开炼机制得终炼胶补强剂对橡胶基体的支撑

作用较弱，炭黑包裹形成的结合橡胶强度较低，造成宏观上表征为硬度偏低。因此，如果对硬度有要

求且采用炭黑配方的生产需谨慎采用开炼机进行终炼。

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡胶连续终炼实验研究

69

图 15 终炼胶硫化试样的 DIN 磨耗对比

通过图 15 中数据可以发现，采用连续终炼机或密炼机制得终炼胶的硫化试样 DIN 磨耗都比较低，

而开炼机的较高。通过 DIN 磨耗的对比分析，也能看出采用密炼机进行终炼获得的终炼胶性能的却较

为优异，而对于炭黑配方，为了追求低磨耗，也可采用连续终炼机。综合考量，开炼机终炼生产效率低，

危险性高，且制得的终炼胶及其硫化试样性能也不太突出，因此不推荐继续应用于工业化生产。

图 16 终炼胶硫化试样的抗湿滑性对比 图 17 终炼胶硫化试样的滚动阻力对比

通过图 16 中数据可以发现，连续终炼机制得终炼胶的硫化试样抗湿滑性最低，开炼机的次之，密

炼机的最高。综合考量，采用密炼机终炼往往可以获得抗湿滑性较好的橡胶制品。

通过图 17 中数据可以发现，三种终炼方法制得终炼胶的硫化试样滚动阻力相差不大，其中密炼机

的最小，连续终炼机次之，开炼机的最大。综合考量，不论是炭黑配方还是白炭黑配方，采用密炼机

进行终炼可以获得较低的滚阻。

图 18 密炼机终炼功率曲线 图 19 开炼机终炼功率曲线

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

利用功率计对连续终炼机终炼过程的能耗进行记录，可以得到温控温度 50℃、双转子转速 30r/

min 时，连续终炼机连续运转状态下每小时能耗约为 3.5kWh。由 XLHZ-60 连续终炼机 30r/min 时终

炼生产能力约为 53.53kg/h，求得单位能耗 0.065kWh/kg。通过图 18 和图 19 记录的开炼机和密炼机

功率曲线可以发现，在相同转速 30r/min 及温控温度 50℃下密炼机终炼从开始喂料至结束排料总能

耗 842.03KJ。由于平均每车 ( 约 600g) 的终炼总时长约为 150s，得到 1.7L 剪切型密炼机终炼生产

能力约为 14.4kg/h，单位能耗 0.390kWh/kg。开炼机终炼一车的能耗 1001.80KJ。由于平均每车 ( 约

600g) 的终炼时长约为 240s，得到开炼机终炼一车的生产能力约为 9kg/h，单位能耗 0.464kWh/kg。

对比三种不同终炼设备的生产能力和单位能耗可以发现，连续终炼机和密炼机的自动化程度更高，

而且连续终炼机在加工效率、单位能耗方面有着巨大优势。

3 结论

（1）开炼机和连续终炼机能够制得门尼粘度较低，T10 较长的终炼胶，加工安全性能较好，密炼

机制得的终炼胶加工安全性较差 ；三种终炼装备制得的终炼胶 MH-ML 几乎相等，开炼机的 Payne 效应

最低，填料分散性较好。

（2）密炼机制得的终炼胶硫化试样在拉伸强度、DIN 磨耗和抗湿滑性方面具有一定优势 ；开炼机

制得的终炼胶硫化试样硬度偏小，DIN 磨耗较高 ，硬度波动太大 ；三种终炼方法制得的终炼胶的硫化

试样滚动阻力相差不大，连续终炼机制得的终炼胶性能较为均衡。

（3）对比三种终炼装备的生产能力和单位能耗可以发现，相同转速及温控温度下，连续终炼机生

产能力最高。连续终炼机生产效率高，单位能耗非常低。从效率和能耗方面看，连续终炼机非常适合

长周期、大规模的工业化生产，十分符合国家“节能降耗”的需求。

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吕柏源 等·橡胶加工技术及设备的研究

71

上世纪 60 年代末期，山东化工学院成立了橡胶机械教研室，当时领导高瞻远瞩成立了“橡胶冷喂料挤出机”

和“橡胶密炼机”研究组，并首次组织编写国内《橡胶机械教材》，为后来我校发展专业教学和科研奠定了扎

实基础。现在的“青岛高机科技有限公司”传承了 1993 年青岛化学院成立三位一体（教学 - 科研 - 开发）的

示范研究所——《青岛化院高分子机械研究所》和随后成立的《青岛化院高分子机械研究开发中心》不断地

进行结合国际前沿技术与国内创新的实际，进行了一系列原始创新研究。现就“高机”的橡胶加工原创技术

作如下汇报。

1 橡胶工业热水循环节能温控技术研究与推广

1.1 课题的来源与发现

20 世纪 70 年代末期、80 年代初期在本科生做“橡胶挤出机”实验时，发生了一个异常现象 ：按理论来

说，挤出机的生产能力应该与螺杆转速成正比，但是实验数据则表明，有时螺杆转速高，其生产能力却很低 ；

有时螺杆转速低，可是生产能力却很高。同时，生产能力的数据严重波动而且没有重复性。导致实验做不下去，

学生实验报告也写不下去。

在这种情况下，我们对实验的原材料和实验的工艺条件进行排查，问题找到了 ：实验的热源是学校锅炉

房提供的蒸汽，冷却水是自来水的水网，蒸汽与自来水分别接到分配器阀门，采用分配器阀门调节挤出机的

加热冷却温度。可是，锅炉房提供蒸汽的压力是波动的，水网的水压也是波动的，也就是说，挤出机的加热

冷却温度也是波动的，这说明挤出机的加热冷却温度是影响生产能力的重要因素。为了解决挤出过程加热冷

却温度的稳定问题，我们选择了“橡胶工业热水循环温控技术”的课题。

1.2 课题的调研与研究

在开题以前我们在国内调研了有关研究院所、大学以及相关企业，调研结果只有相关企业采用常规的 PID

气动调节的温控装置，同时进口的压延机也是采用 PID 气动调节技术，这种技术不但价格昂贵，而且体积庞大，

技术复杂，对我们来说很难使用和推广。我们选用了简单的位式控制的温控技术，并按教科书推荐原理进行

设计和制造。在试车时，将系统设置到 70℃，然后启动循环系统，可是不到一分钟，整个系统全是凉水，试

验失败了。当时选的控制表头是时间比例表，我们分析了时间比例表的工作原理结合实验中为什么系统中的

水一会就“凉”了的实际情况，得出了改正方案 ：为什么加热系统满足不了加热温度？为什么系统的水冷得

那么快？为了解决这两个问题，一定要解决 ：①系统一定要控制进冷水量 ；②系统一定要控制加热量 ；③系

统要匹配冷热水量 。这样问题归结为 ：在时间比例表的冷却端得到要控制冷却水的时间，冷水进入时间长则

系统冷却量大，冷却水进入时间短则系统冷却量小 ；同理加热端也是一样。由此得到在时间比例表的冷却区

和加热区分别装上时间控制（继电器）器，实现了恒温控制，我们完成和申请了“热水循环复合时间比例恒

温控制技术与装置”专利，如图 1 所示。

橡胶加工技术及设备的研究

吕柏源 1,2，吕晓龙 1,2

(1. 青岛科技大学，山东 青岛 266042 ；

2. 青岛高机科技有限公司，山东 青岛 266000)

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图 1 热水循环复合时间比例恒温装置

1.3 热水循环恒温控制技术的应用和推广

在推广热水循环恒温控制技术以前，橡胶轮胎企业要么用致冷水（15℃），要么采用冷却水进行橡胶加工。

当时行业就没有恒温热水加工的概念，到主管科研部门要求立项，主管领导半开玩笑说 ：“吕老师，你是不是

神经有问题，橡胶厂用制冷水还冷却不下来，你还用热水？！”，没有办法，不予立项。；当恒温热水恒温技

术研制成功后，课题组连续 8 年在行业上讲演有关推广报告，还是没有企业敢使用。后来沈阳一橡机厂需出

口冷喂料挤出机，境外客户要求必须配备恒温控制装置，我们第一批制作了 12 台温控装置，随后打开了热水

循环温控技术的推广局面。并得到了迅速推广，获得化工部“85”期间重点推广项目，“95”期间获得了国家

级科研成果重点推广项目，并于 1990 年，1991 年分别获得了化工部和国家科技进步奖。

橡胶工业热水循环温控技术与装置（如图 2 所示）的推广解决了橡胶工业使用传统的致冷水或冷却水的

加工工艺历史，提高了橡胶制品质量稳定性，提高了产品的质量，提高了生产效率和降低了能耗以及节省水

资源。

图 2 橡胶工业热水循环温控装置

热水循环温控技术的推广配合了我国冷喂料挤出工艺的推广 ：当年沈阳一橡机厂，制造出我国第一台对

吕柏源 等·橡胶加工技术及设备的研究

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顶式复合胎面冷喂料挤出机，由于采用了制冷挤出工艺，挤出的胎面温度不但高而且出现粘糊状胶块，为了

降低胎面温度，就极力降低冷却水温度，在冷却水里加入冰块，可是无论怎么降温，胎面的粘糊状胶块越来

越严重，最后不得不下了不成功的结论。事实上，其失败主要原因是采用了制冷谁的冷喂料挤出工艺，冷却

温度越低则挤出过程的摩擦与内摩擦越强烈，挤出温度也越高，同时受热也不均匀，挤出速度也随之降低。

可以说，冷喂料挤出工艺要获得好的效果，热水循环恒温控制技术是必要的配套技术。“高机”曾在上世纪 80

年代末期作了一个冷喂料挤出与加热冷却温度实验，其结果如图 3 所示。

图 3 φ65 冷喂料挤出机喂料段温度与生产能力的曲线

从关系曲线说明加热冷却温度对挤出过程稳定性和提高生产能力有着重要作用。

“高机”也在 20 世纪 90 年代初期在 1.5L 密炼机做过实验，当混炼室子转子冷却温度低于 35℃时物料与

混炼室产生严重打滑现象，但温度提高到 45 ～ 47℃时，则打滑现象消失。在 2019 年在青岛某运输带厂进行

混炼作业实验，当冷却温度 35℃时，混炼物料在混炼室打滑，工作电流一直上不去，随即将加热冷却温度提

高到 47℃，在不到 10sec 后密电机电流迅速爬升，炼胶成功。接着生产了 1t 这种实验胶料，全部成功。

热水循环温控控制技术和设备的推广改变了行业多年来推行的致冷水冷却工艺，对橡胶制品提高了产品

质量，提高产品质量的稳定性，提高生产效率，降低能耗有着重要意义。

2 橡胶一步法注射成型技术与设备的研究与应用

2.1 课题的来源与发现

“高机”在上世纪 80 年代在研究生做“螺杆构型”实验时，由于部分机身的螺钉没有锁紧，在做高速实验时，

胶料在靠近机头位置以极高的速度喷射出来，形成了一堆光滑致密具有一定温度且流动性相当好的物料，经

分析这种物料很符合注射成型的物料，据此“高机”开始了一步法注射成型技术与设备的研究。

2.2 一步法注射成型技术的研究

所谓“一步法注射”是从传统注射方法演变而来，原来传统注射方法，不论是“螺杆往复式注射”还是

“柱塞式注射”均是第一步先塑比，塑化的物料储存在机筒端部或储料筒中 ；第二步由螺杆或柱塞推动塑化的

物料进入到模具中，故称传统的注射方法为“二步法注射”；而“一步法注射”，其塑化和注射均为同步进行，

即一步完成则称“一步法注射”。

一步法注射近百年来没有为人们重视，主要原因有两方面 ：一是注射压力不是挤出压力所能达到的，因

为挤出压力通常最高也约是 30MPa，离注射压力 100MPa 差距甚大 ；二是一步法连续注射如何定量？思维受到

了传统二步法体积定量方法的束缚。事实上这是一步法成功与否的关键技术，“高机”重点做了这两方面研究

工作。

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（1）实验室研究

针对上述的疑问和技术难题，高机第一步做了实验室的实验研究。图 4 为实验室实验装置。

图 4 一步法注射成型实验装置

通过实验得到如下的结果和结论 ：

①一步法注射压力满足了注射成型的要求，初步测定已达到了 100MPa（1000Kg/cm3

），最高可达到 120

MPa（1200Kg/cm3

），并得出注射过程的压力变化曲线 , 如图 5 所示。

图 5 注射过程压力变化曲线

②信息定量技术充分地、可靠地满足了注射过程的定量要求 ；

③各种厚度尺寸的制品表面光洁度可达镜面，内在质量致密 ；

④注射后喷嘴与流道内的胶料仍能保持原来的性能 ；

⑤设备的强度、刚度满足了注射过程的要求 ；

通过实验室的实验验证，一步法注射成型技术的原理是可行的。

（2）工业中试的考核研究

通过实验室验证了一步法在一般情况下工作原理是可行的，但在特殊注射制品是否可行尚未得到证明。“高

机”第二步做了大长径比、大容量橡胶制品的工业中试的考核研究，其实验装置如图 6 所示。

吕柏源 等·橡胶加工技术及设备的研究

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图 6 工业中试考核研究实验装置

通过实验研究得出以下结果和结论 ：

①在大长径比＞ 50（3600:70）和高粘度（门尼粘度为 87）的条件下的注射实验仍获得一步法注射成型

的成功。证明一步法注射既有专用性也具有通用性 ；

②橡胶制品的表面光洁度和内在的致密性比传统模压成型显著提高，证明一步法能获得高质量的橡胶制

品。

（3）工业化设备技术的研究

通过实验室的研究和工业中试的考核研究，从工作原理到配套技术，从设备到工艺等一系列的实践研究，

证明一步法注射技术进行工业化设备技术的研究已具备了条件。“高机”选择了“油田螺杆钻具橡胶定子一步

法注射成型技术的工业化设备的研究”，其研究设备为图 7 所示。

图 7 油田螺杆钻具橡胶定子一步法注射成型工业化设备

通过工业化设备的研究得到了以下结果与结论 ：

①由一步法注射成型的工业化设备生产的油田螺杆钻具定子，经胜利油田各有关钻井队使用的 11 根钻具

定子，均获得优异的使用效果 [1] ；

②在注射成型领域中实现了四个突破，一是第一次突破了现有国内外注射橡胶制品 15000g 的记录，实现

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

了 28000g 橡胶制品的注射成型 ；二是第一次突破了现有国内外使用的二步法注射成型，实现了一步法成型 ；

三是第一次突破了现有国内外注射橡胶制品的长度，实现了 3200mm 长度橡胶制品的注射成型 ；四是第一次

突破了国内外电动液压或全液压的注射成型，实现了全电动注射成型。

通过工业化验证，一步法注射成型技术与全套设备可在行业上进行推广和应用。

（4）一步法注射成型技术在注射轮胎胶囊的应用

上述研究主要证明和解决注射方法工作原理的可行性问题，但是要应用在工业产业化生产上必须具有全

套技术能力和可行性。“高机”承担了研制“十五”国家重大技术装备“载重子午胎成套设备及工程子午胎关

键设备研制项目”中的“胶囊注射成型机”研究专题，其研制设备如图 8 所示。

图 8 胶囊一步法注射成型机

本胶囊注射成型机于 2006 年通过了中国石油和化学工业协会的专家鉴定，主要鉴定意见如下 ：

“该成果采用了具有自主知识产权一步法注射成型和电动螺旋锁模硫化两大核心技术 ：突破了诸多理论和

技术难点，解决了传统注射技术的容量、定量和注射压力问题，使该成果极大的扩展了注射成型技术的应用

范围 ；提高了塑化质量，进而提高制品的使用性能 ；同时具有结构简单、紧凑、提高效率、减少能源、方便

操作，易于维护保养和实现文明生产等优点。”

“该成果具有广泛的应用前景，特具有显著的社会效益和经济效益，可在橡胶行业进行大力推广。”

专家鉴定委员会一致同意该项目通过鉴定，并一致认为该成果在胶囊注射成型领域达到了国际领先水平。

建议进一步设计多工位和扩展系列以满足市场和不同需求。

2.3 一步法注射成型技术的应用前景

从成型原理上讲，一步法注射成型技术能应用于模压成型的所有橡胶制品，尤其更适用于大型制品。

（1）大型橡胶制品以实心轮胎、护舷、公路桥梁大型防震器、油井防喷器、大型油田钻具橡胶定子、大

型矿山离心泵衬套和各种大型橡胶制品。大型橡胶制品，适合采用多工位一步法注射或一步法移模注射技术 ；

（2）中小型橡胶制品适合采用多模巢一步法注射技术 ；

（3）在一步法注射轮胎方面，现有轮胎制造材料和成型方法，可先采用一步注射法生产轮胎胎面或采用

现有轮胎胎体 + 注射胎面的注射硫化一体技术 ；

（4）一步法注射成型技术，从发展趋势来讲是要代替模压技术甚至传统的二步法技术，同时在轮胎制造

发展趋势来看，一步法注射技术将会派上用场。

3 橡胶连续混炼技术研究及应用前景