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與一段混煉法基本相同，只是不含有硫化劑及活性大的促進劑。先制成一段混煉膠（通常稱為母煉膠），然后下片冷卻停放一段時間（一般在16h以上）。為了使炭黑更好地在橡膠中分散，并提高生產效率，通常采用快速（40r/min以上）連續密煉機來制備一段母煉膠，有時也將母煉膠的制備過程與塑煉過程結合并起來進行。其后的二段混煉是在一段混煉的基礎上，再加入硫化劑、促進劑等剩余配合劑進行補充混煉。二段混煉可以在密煉機上進行也可在開煉機上進行。通常采用慢速密煉機或捏煉機進行二段混煉，以便在較低的溫度下加入硫化劑與促進劑，并具有較高的生產效率。在密煉機中進行的二段混煉時間一般為2-4min。
二段混煉總是能使微細粒子的炭黑獲得更好地分散性，對于含有大量這種炭黑的某些膠料，則不論用何種類型的密煉機，可能都要分成二次甚至更多次加入為好。
二段混煉優點：要求更好地潤濕性和分散性，如擠出的密封條膠料；含快速硫化劑或發泡劑的膠料。如在混煉末期密煉機中的溫度很高，可以采用二段密煉法，即將一段混煉的膠料冷卻下片、停放，然后再次投入密煉機中，進行二段加硫化劑的混煉。對于一些低粘度的軟膠，由于混煉后期溫度的升高使膠料粘度變得更低，混煉時產生的剪切力過小，不足以打開炭黑聚集體或一些結團的配合劑粒子，這是采用二段混煉，可以提高這些低粘度軟膠料的分散性。
采用二段混煉法對提高膠料的質量，改善膠料的工藝性能具有良好作用；可顯著提高膠料的分散均勻性和硫化膠的物理機械性能；可減少由持續高溫引起的焦燒傾向。
