第二章 原料预处理及初混设备

第二章原料预处理及初混设备2-1原料预处理设备2-2初混设备ξ2-1预处理设备预处理设备包括筛析设备、预热与干燥设备以及研磨设备。一、筛析设备（一）常见筛析方法1、重力筛析利用物料颗粒尺寸或比重进行分选。2、风选利用物体对空气阻力差和在空气中下落速度差来分选物料。（风车选谷）3、溶剂分选利用不同的聚合物在溶剂中的溶解度不同来进行分选。1、振动筛析常用设备是电磁振动筛粉机。2、平动筛析将需筛析的料粉放置在回转的筛网上进行筛析。振动筛（二）常用筛析设备二、预热与干燥设备无论是吸湿性材料还是非吸湿材料，必须进行干燥处理，除去材料中的水分，保证加工有效进行并得到质量合格的产品，如表4-3-1所示。如果水分除去不充分，在加工过程中会产生气泡，以及使聚合物发生降解，从而影响产品质量。塑料干燥的方法：沸腾干燥、对流热风干燥、传导干燥、远红外辐射加热干燥及回转真空干燥。1、沸腾干燥与设备2减湿料斗式干燥机组对大批量物料可采用抽湿干燥机或采用负压沸腾干燥法。三种干燥技术经济指标对比填料、颜料的聚集体依靠研磨剪切力和撞击力来分散。典型的撞击力研磨机是高冲击研磨机。典型的剪切力研磨机是三辊机。大部分研磨设备兼有撞击力和剪切力。研磨设备要求介质粘度高，研磨效率才高。典型的撞击则希望介质粘度低。主要使用的研磨分散设备有高速搅拌机、球磨机、砂磨机、二辊机及三辊机等。三、研磨设备1、三辊研磨机三辊机是生产涂料及油墨的必备设备。其作用是将颜料分散至漆料中。三辊机是由三个转速不同的辊筒组成。三辊磨上物料流动情况工作原理：将研磨料投入加料辊（后辊）和中辊之间的加料沟中，二辊以不同速度向内旋转，部分研磨料进入加料缝并受到强大的剪切作用。通过加料缝的研磨料分为两部分：一部分附在加料辊上，回到加料沟；另一部分由中辊带至中辊和前辊之间的刮漆缝，在此又一次受到更强大的剪切作用。经过刮漆缝研磨料又分成两部分，一部分由前辊带到刮刀处，落入刮漆盘，另一部分再回到加料沟。三辊机是典型的用剪切力作用来分散颜料的，可承受高粘度的浆料，常用来分散不易分散的颜料。用三辊机时，溶剂应为低挥发性的。三辊机在运行中，辊间磨擦产生大量热量，研磨料受热会降低粘度，降低分散效果和效率，所以要不断通入冷却水冷却辊筒，取走摩擦热，维持正常操作。2、球磨机球磨机由圆钢筒和传动设备组成（见图7-40）。钢筒内装有50-100mm的钢球或石球作力粉碎、研磨介质，钢筒水平安装在轴上，绕轴旋转。钢筒旋转时，球上升至某一点，然后滚下，在滚动时，球间的摩擦和撞击使物料聚集体被撞碎或磨碎。尤其是撞击，对烧结的聚集体有很好的分离效果，这是球磨特有的性能，故能用于难以分散的填料或颜料。在转动时，混合物在球的间隙受到高度湍动的混合作用，使填料或颜料粒子更易分散均匀。一、混合及混炼的原因塑料加工：抗氧剂、稳定剂、增塑剂、填充剂等橡胶加工：防老剂，稳定剂、润滑剂、硫化剂等化纤：稳定剂、抗氧剂、抗静电剂等聚合物的共混改性、聚合物合金、复合材料等。二、初混设备概念ξ2-2初混设备初混（预混）的目的是通过一定加料顺序，将树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、填充剂、着色剂、偶联剂等组分充分混合，使增塑剂等液体添加剂充分地渗入树脂基体中，并保证各组分分散均匀。分散混合主要是通过剪切应力起作用。为了获得大的剪切应力，设计混合机时引入高剪切区（即设置窄的间隙），保证所有固体颗粒重复不断地通过高剪切区。分散度取决于混合器内最大有效剪切速率和通过次数剪切速率越高，通过次数越多，分散越好剪切应力的大小与粒子或结块尺寸有关。粒子或结块大，受到的剪切力大，易于破碎。粒子或结块越小，它们之间的互相作用力就越大，分散就越困难。因此要把粒子分散到纳米级是非常困难的（粒径100nm，补强作用显著）。混合及混炼机械是完成共混工艺、实现聚合物物理化学改性的重要设备。二、混合设备间歇式混合过程是不连续的。主要有三个步骤：投料、混炼、卸料。上述过程结束后，再重新投料、混炼、卸料，周而复始。适于小批量、多品种的生产连续式混合过程是连续的，故可提高生产能力，易实现自动控制，减少能量消耗，混合质量稳定，降低操作人员的劳动强度。适于大批量生产初混设备种类很多，其基本结构和运转特点分为:静态混合设备、滚筒类混合设备和转子类混合设备。(一)冷混机1、静态混合设备静态混合设备主要有重力混合器和气动混合器。此类混合器的混合室是静止的，靠重力和气动促使物料流动混合，是温和的低强度混合器，适用于流体或大批量固态物料的分布混合。如图所示。多用于湿状、浆状物料搅拌及分散，但不适用于粉料混合。2、高速分散机3、滚筒类混合设备（如转鼓式混合机）如图所示。是利用装载物料的混合室的旋转达到混合目的。如鼓式混合机、双锥混合机和V形混合机，属中、低强度的分布混合设备。主要用于粉状、粒状固态物料的初混。如混色、配料和干混，也适用于向固态物料中加入少量液态添加剂的混合。转鼓式混合机基本结构：混合室和驱动装置，根据混合室的形状分为多种类型工作原理：摩擦力、离心力作用，重力作用主要特点：结构简单、成本低，混合室回转速度：3-30rpm；填充率较低（粉：0.3～0.4；粒0.7-0.85）4、螺带式混合机（1）结构及工作原理螺带式混合机通常由混合室、螺带、机架和驱动装置等部分组成。根据螺带的个数与旋向，可分为单螺带式和双螺带式根据螺带的安装位置，可分为卧式、立式和斜式螺带混合机其结构如图所示。(1)卧式双螺带混合机立式螺带混合机螺带式混合机结构简单，操作维护方便，是一种中低强度的混合设备。适用于：粒状或粉状物料与添加剂的混合固态粉料与少量液态添加剂的混合•如塑料的着色、PVC粉料的干混、PVC的配料、共混物及填充混合物的初混等。（2）适用范围(二)Z形捏合机1、结构及工作原理结构如图所示，主要由转子，混合室及驱动装置组成。混合室是采用不锈钢制作的拥有W型或鞍形底部的钢槽。其上部为加料口，并有盖，工作时可密闭操作；其下部一般设有卸料口。混合室有夹套可加热或冷却。有的还设有真空装置，可在混合中排除水分与挥发物。一对转子安装在混合室内，与驱动装置相连接。Z型捏合机相切式安装：可同向或异向旋转，速比1.5:1,2:1,3:1，剪切作用：转子之间、转子外缘与混合室壁间相交式安装：只可同向旋转剪切作用：转子外缘与混合室壁间的小间隙内分散混合作用优于相切式转子具体应用：相切式：初始状态为片状、条状或块状物料的混合相交式：粉状、糊状或高粘度液态物料的混合转子安装形式：混合时，物料除了在转子外缘与混合室内壁间的缝隙处受到强烈剪切作用外，还受到两相切转子的剪切作用。另物料借助于相向转动的转子沿着混合室的侧壁上翻，然后在混合室中间落下，再次被转子所作用。周而复始，物料得到强烈的剪切和重复折叠捏合作用，从而取得均匀混合。排料可在其底部排料或通过混合室倾斜来完成。大型捏合机的转子设计成中空状，通入加热或冷却介质进行加热或冷却。可广泛用于塑料、橡胶等聚合物的初混。如用于PVC的配料，热塑性塑料的初混，以及粉状、糊状或高粘度液态物料的混合。相切式特别适用于初始状态为片状，条状或块状物料的混合相交式由于有自洁作用，更适用于粉状、糊状或高粘度液态物料的混合•如热塑性塑料的初混或PVC的配料2、适用范围(三)高速捏合机（高速混合机）1、结构和工作原理主要由混合室，搅拌浆、折流板、回转盖、卸料装置和传动装置等部分组成。结构如图所示工作原理如图所示高速搅拌机高速混合机原理（动画效果）该机主要由附有加热或冷却夹套的圆筒形混合室和一个装在混合室内底部的高速转动叶轮所组成。叶轮按需要不同可有一至三级，分别安装在同一转动轴的不同高度上，每级叶轮数目通常有两个，叶轮形式见图。混合室内有可以垂直调整高度的折流板，折流板的作用是进一步搅乱物料流态，使物料形成不规则运动，并在折流板附近形成很强的涡旋，更有利于分散均匀。高速混合机的加料在混合室的上部、卸料在下部，上下两部分的关闭与开启均由压缩空气操纵。混合器夹套加热常在开车时进行，以后随着剪切作用增加，物料产生热量。因此有时要通过夹套冷却，冷却时叶轮应减速。经过这类设备预混物料的温度较高，要经减速冷却操作或卸料后应进行冷混操作使物料降温到储存温度（40~45°C）以下防止物料的结团或焦烧、降解。叶轮高速混合机工作时，高速旋转的叶轮借助表面与物料的摩擦力和侧面对物料的推力使物料沿叶轮切向运动。由于离心力的作用，物料又落回到叶轮中心，接着又被抛起。由于叶轮转速很高，物料运动速度很快，快速运动着的粒子间相互碰撞、摩擦，使得料温升高、团块破碎、水分挥发，同时迅速地进行着交叉混合。这些作用促进了组分的均匀分布和增塑剂的吸收，可制得能自由流动的干混料。这种干混料可直接用于挤出、注塑。高速混合机工作原理2、热/冷混机如图2-9所示。物料填充率高、低都不好。一般为0.5～0.7；高位式叶轮，可达0.9。3、高速混合机驱动功率一般150～300W/kg，高增塑剂量600W/kg。4、特点高强度，高效率混合设备，混合时间短，从几分钟→二十几分钟不等。——适合于中，小批量混合——塑料的混合，干燥，着色等，是塑料加工行业不可少的。图2-9热/冷混机①在低速搅拌下向混合机中加入树脂；②加完树脂，立即加入液体稳定剂，升高混合机的搅拌速度；③在60℃下，加入加工助剂、冲击改性剂和着色剂；④在75℃下加入润滑剂；⑤在85℃下加入填充剂和二氧化钛；⑥在90~110℃下，将物料放进冷却混合机，冷至35℃。硬聚氯乙烯料高速混合的步骤：配制软质PVC料时，先加入树脂和稳定剂，然后在70~80℃下缓缓加入增塑剂，当增塑剂完全被吸收后加入色浆料，最后加入填充剂。5、高速混合机特点：具有转速高、时间短、效率高和容易自动控制的特点。是应用极为广泛的塑料混合设备，主要适用于配制粉料。搅拌速度快，高速可达800rpm，混合时间短，一般为8~10min，效率远高捏合机。五、连续混合设备连续混合设备主要有单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、行星螺杆挤出机以及由密炼机发展而成的各种连续混炼机，如FCM混炼机等。是聚合物加工中应用最广泛的设备之一。它具有一定的混合能力，能完成一定范围的混合任务。且设备简单、成本低、维修方便。单螺杆挤出机剪切力较小，分散强度较弱，分布能力有限，不能有效地完成要求较高的混合任务。目前主要用来挤出造粒、成型板、管、丝、膜、中空制品、异型材等，只作为某些简单共混体系的连续混炼设备。1、单螺杆挤出机是随聚合物共混、填充、增强改性工艺的快速发展而出现的兼有连续混炼和挤出成型双重作用的新型加工设备，其剪切、混合、塑化能力强，挤出的物料分散均匀度高，质量稳定性好。目前广泛用于高填充体系（如粉状PVC料的熔融混合、填充改性、纤维增强改性、共混改性）、脱出挥发物、着色以及反应性挤出等极为有效的混合设备。2、双螺杆挤出机是一种应用越来越广泛的混炼机械，特别适于加工聚氯乙烯（其粉料要经干预混机预混），广泛用作压延机的供料装置，具有混炼和塑化双重作用。该挤出机有两根结构不同、作用各异、串联在一起的螺杆，如图1-31所示。第一根为常规螺杆，起供料作用；第二根为行星螺杆，起混炼、塑化作用。3、行星螺杆挤出机行星螺杆段是在主螺杆周围安装着与之啮合的若干根小直径螺杆，犹如行星轮系。螺杆套筒上有特殊螺旋齿，在主螺杆和套筒的齿间嵌入12只带有螺旋齿的特殊几何形状行星式齿柱，当螺杆转动时，这些齿柱既能自转，又能围绕主螺杆转动。当物料通过啮合的啮侧间隙时，形成0.2~0.4mm的薄层，其表面不断更新，这非常有利于熔融塑化。1、流道无死点，具有良好的自洁作用（啮合齿相互把齿间物料挤压出去，不存在因物料滞留而分解的现象）。2、中心螺杆和料筒都用导热油加热，传热面积大了约5倍，非常有利于热传导。3、塑化效率高，大大增加了对物料的捏合、挤压、剪切和搅拌次数。行星螺杆挤出机有以下特点4、比能耗低如加工PV