第二节工作原理和主要参数-青岛科技大学机电工程学院

第二节工作原理和主要参数§2－1工作原理§2－2主要参数§2－1工作原理在密炼室内，生胶的混炼和混炼胶的混炼过程，比开炼机的塑炼和混炼要复杂的多，物料加入密炼室后，就在由两个具有螺旋棱、有速比、相对回转的转子与密炼室壁，上、下顶栓组成的混炼系统内受到不断变化反复进行的强烈剪切和挤压作用，使胶料产生剪切变形，进行了强烈的捏炼。由于转子有螺旋棱，在混炼时胶料反复地进行轴向往复运动，起到了搅拌作用，致使混炼更为强烈。密炼机的炼胶过程是比较复杂的，我们可以从下面的图简单地表示炼胶过程。就是使配合剂分散在橡胶中混炼混炼原理讨论分散介质(液相)配合剂分散相看作看作生胶如何把配合剂分散在生胶中，主要看生胶的湿润能力及表面张力，也要看配合剂是否易被打湿。工艺上机械上可增加表面活性剂硬脂酸等，以帮助湿润配合剂必须以一定的作用力，以便将配合剂混入生胶中，并破坏其聚集体一、混炼过程基本步骤1、细分（break）2、混入(捏炼)（intermix，blend）3、分散（微观分散,分散混炼）（DispersiveMixing）4、简单结合(单纯混合,宏观分散、分布混炼)5、塑化阶段1、细分（break）:将较大的配合剂团块或聚集体进一步粉碎、分细使橡胶和配合剂粉碎2、混入(捏炼)将粉状或液态物料混入橡胶中形成粘结块(需要较长时间),要使配合剂混入，首先必须使块状橡胶变形，以形成与填充剂接触的新界面.此界面形成的方式，从理论上分析有两种。A、在低速下拉伸橡胶时,它可像液体一样的流动。被充分拉伸后，填充剂就会粘着在新生的界面上。然后，橡胶收缩将粘着的填充剂包围起来，并形成一个整体，就像把橡胶的棱边拉伸、包卷，再拉伸等，最后在挤压下形成一个整体。生胶炭黑二次聚集体再拉伸包卷拉伸分散B、在高速下使橡胶变形时,它呈现固体性质，即发生脆性破坏而成粒状。这些新生成的胶粒表面上就布满了填充剂接着就在压力下，结合成一整体，成为块胶料。由于天然胶强度大，尤其在采用老式慢速密炼机时，其混入方式显然属于A的形式；而丁苯胶,顺丁胶,乙丙胶等所谓干酪状橡胶(与天然胶相比)，在密炼机转子转速达到某种程度以上时，即不能发挥其弹性，就可能出现B的形式。有人做过实验：充油丁苯与顺丁胶并用进行混炼，1.3kg胶，在混炼初期竟被分割成1800块，表面布满炭黑的颗粒，但进一步混炼结合为30块胶料，再进一步混炼，则成为一个整体了。由此可见，B的形式简单又有效。故近代的高速密炼机是较理想的混炼设备。3、分散(微观分散，分散混炼)DispersiveMixing在混入阶段，虽然填充剂混入橡胶中，并形成了一个整体，但填充剂的粒子仍为较大的团聚集体(二次聚集体)。要使这些由范德华力(附聚集力)而结合的二次聚集体破坏，则需施加一定外力。由于混炼胶的粘度和转子转速的影响，在填充剂粒子中产生了牵引力(即剪切力)，一旦这个力超过了填充剂二次聚集体的聚集力后，填充剂就逐渐分散开来，生成的各个粒子(炭黑一次聚集体)就沿着橡胶滚动的方向而移动。因此在分散阶段,需要一定的剪应力,以便破坏聚集体,若剪应力小于附聚力,则分散难于进行。一次聚集体二次聚集体填充剂分散对于非牛顿流体最大剪切应力:最大剪切速率:η1－胶料粘度m－流变常数－转子棱处剪切速率D－转子棱回转直径n－转速h－间隙则τmax=η1(πDn/h)m由式可见，增大转子直径、转速，减小间隙，均可提高剪切应力，从而提高分散的速度。4、简单结合(单纯混合，宏观分散，分布混炼)将粒子从一点移到另一点，并不改变其物理形状和大小，主要是使物种进一步分散均匀。均匀化需要使胶料如在开炼机上那样往复捣动(用人工或翻胶装置)，在密炼机中则主要靠转子螺旋突棱的作用使其在密炼室中往复运动。当剪切应力一旦超过破碎填充剂二次聚集体的吸附力之后，填充剂的分散就与剪切应力无关，而决定于施加给混炼胶总剪切应变量。总剪切变形由式可知，剪切速率与混炼时间对剪切应变量影响很大，若要在相同的混炼时间内达到一定的，则需增加D、n，减小h。实际上，在密炼过程中，在密炼机的密炼室内，以上几个基本过程是同时进行的。t－混炼时间D－转子棱回转直径n－转速h－间隙5、塑化阶段由于力－化学作用而使高聚物主链断裂，从而使之变化更易变形如弹性较小的状态，即改变物料的流变特性，使之适应于后面各加工过程的需要。生胶和配合剂由加料斗加入，首先落入两个相对回转的转子口部，在上顶栓的压力及摩擦力的作用下，被带入两转子之间的间隙处，受到一定的捏炼作用，然后由下顶栓的尖棱将胶料分开，进入转子与密炼室壁的间隙中，在此处经受强烈的剪切捏炼作用后，被破碎的两股胶料又相会于两个转子口部，然后再进入两转子间隙处，如此循环往复。胶料在密炼室中的混炼过程胶料在密炼室中的混炼过程如下：二、胶料在密炼室中所受的机械作用1、转子外表面与密炼室内壁间的捏炼作用（椭圆型转子密炼机尤为明显）（A）密炼机中流线和填充情况示意图（B）局部放大，转子突棱棱峰处物料流动情况转子表面与密炼室内壁间形成了一个环形间隙，当胶料通过此环形间隙时，则受到捏炼作用。由于转子表面制有螺旋突棱，它与密炼室形成的间隙是变化的（如XM-50密炼机间隙为4-80mm,XM-250密炼机间隙为2.5-120mm），最小间隙在转子棱峰与密炼室内壁之间。当胶料通过此最小间隙时，受到强烈的挤压、剪切、拉伸作用，这种作用与开炼机两辊距的作用相似，但比开炼机的效果要大的多。这是由于转动的转子与固定不动的室壁之间胶料的速度梯度比开炼机大的多，而且，转子突棱与密炼室壁所形成的透射角尖锐。胶料在转子突棱尖端与密炼室内壁之间边捏炼，边通过，同时，还受到转子其余表面的类似滚压作用。2、两转子之间的混合搅拌、挤压作用（啮合型密炼机尤为明显）两转子的椭圆形表面各点与转子轴心线的距离不等，因而具有不同的圆周速度。因此两转子间的间隙和速比不是一个恒定值，而是处处不同，时时变化的。速度梯度最大值和最小值相差达几十倍。可使胶料受到强烈的剪切、挤压、搅拌作用。又由于两转子转速不同，其相对位置也是时刻变化的，使胶料在两转子间的容量也经常变化，产生强烈的混合、搅拌作用。公式3、上下顶栓分流、剪切和交换作用由于上、下顶栓顶部的分流作用，及两转子的转速不同，可使胶料在左右密炼室中进行折卷捣换。其中一侧转子前面的部分胶料（高压区）被挤压到对面密炼室转子后面（低压区），并随之带入料斗中。彼此往复捣换，如两台相邻开炼机连续倒替混炼时相似。为了有效交换，一个转子必须把胶料直接拨到相对应的转子棱峰后部间隙中。否则，因压力平衡性阻止交换。这就要求两转子转到适当位置进行交换，这取决于速比。4、转子的轴向往复切割捏炼作用胶料在转子上不仅会随转子作圆周运动，同时转子的螺旋突棱对物料产生轴向的推移作用，因此胶料还会沿轴向移动。由右面的突棱螺旋的受力分析可以看出，两突棱螺旋升角的不同其作用也不同，这样胶料在转子的轴向往复移动就形成了切割捏炼的作用。每个转子都有二个方向不同、长短不一的螺旋棱，当转子旋转时，转子螺旋棱表面对胶料产生一个垂直作用力P，这个力可分解为轴向力Px和圆周力Pa。圆周力Pa使胶料绕转子轴线转动Pa＝Pcosα轴向力Px使胶料沿转子轴线移动Px＝Psinα因为胶料与转子表面的摩擦力T阻止胶料轴向移动，故要使胶料产生轴向移动条件是：PxTxP•sinαP•tanφ•cosαP•tanαP•tanφtanαtanφαφΦ－为胶料与转子金属表面的摩擦角，随胶料温度变化而变。从试验得知，胶料与金属表面的摩擦角φ=37°-38°。这样即可得出胶料在转子上的运动情况为：在转子长螺旋段。∵α=30°,∴α＜φ，即Px＜Tx。因此对胶料不会产生轴向移动，仅产生圆周运动。起着送料作用及滚压揉搓作用。在转子短螺旋段。∵α=45°，∴α＞φ即Px＞Tx。因此胶料使产生轴向移动，对胶料往复切割。由于一对转子的螺旋长段和短段是相对安装的，从而促使胶料从转子一端移动另一端；而另一端转子又使胶料作相反方向移动。因此，使胶料来回混杂，进行强烈的混炼。此外，在转子外形的设计上有将突棱的工作面的圆弧曲率半径选的小些，这样就会使棱的圆弧面与密炼室内壁形成的工作区的容积由大逐渐变小，胶料通过时，挤压力增加；棱的另一面设计成凹形的，工作区的容积由小变大，更易流动，增加了紊流态。即“S”转子。两棱转子展开图胶料流动示意图胶料的轴向移动情况示意图三、胶料在转子上的流动情况GK四棱转子展开图胶料的轴向移动情况示意图GK四棱转子§2－2主要参数一、转子的转速与速比1、转速转子的转速是密炼机主要性能指标之一。转子转速生产能力功率消耗炼胶质量混炼成本（1）转子转速对生产能力的影响炼胶效率的高低，取决于施加在胶料上的剪切力的大小，而剪切应力受剪切速率的影响。由下式可看出：u－胶料的粘度m－流变常数提高n生产率提高为什么？A、由上面公式知，对于一个机台来讲，D，h都是固定的，只有改变n。提高n，可以提高剪切速率，缩短t，从而提高产量；B、提高转子转速n,被搅拌的胶料表面交换频繁，这就加速了配合剂在胶料中的混合作用，使t缩短，从而提高产量；C、提高n，胶料对密炼室P也增大，胶料受到的机械作用增大，t缩短，从而提高产量。上图为转子转速与混炼时间关系（2）转子转速对电机功率的影响从公式和图4-14看，功率与转子转速近似成正比。N=4•η•u2B/hN----转子单位上的功率消耗；η----胶料的粘度；u----转子棱顶的回转线速度；B----转子棱顶宽度；h----转子棱顶与密炼室内壁间隙。（3）转子转速对排胶温度的影响混炼时，必须保持胶温在一定限度内，转子转速过快将使物料温度迅速上升，粘度下降，影响剪切效果，同时也降低了胶料的分散度。在第一段混炼时，一般排胶温度应控制在130~1500C以下，否则除了会引起分散不良外，还容易使胶料发生化学反应，如出现热裂解、凝胶等现象。最终混炼为防止焦烧，一般排胶温度控制在100~1200C以下。据此，为了获得最有效的混炼，也按不同的胶料选择最适宜的转子转速。目前多速和调速密炼机的应用均被重视。2、转子速比密炼机转子的速比通常为1:1.15～1：1.18。近年来，新开发研制的同步转子密炼机，其转子速比为1：1。二、转子棱顶与密炼室内壁间隙在流变学分析中已讲到，对胶料起分散作用的主要因素是,在转子棱顶与密炼室内壁间隙h形成的高剪切区内，间隙大小，直接影响胶料的及剪切应力和剪切速率。生产实践证明：密炼机在使用若干年后，同等条件下，混炼胶的质量下降。原因是：密炼机使用时间长了，转子棱与密炼室内壁会产生磨损，使转子棱顶与密炼室内壁间隙h增大，致使剪切应力和剪切速率减小，降低了炼胶效果，使混炼胶的质量下降。应对措施是：①补焊；②增加容量。三、生产能力与填充系数计算密炼机生产能力，可用下式：式中G----生产能力，公斤/小时；V1----密炼机工作容量，升；----胶料的比重，公斤/升；t----一次炼胶时间，分。工作容量V1由下式计算：V1=Vβ式中：V----密炼室总容量（密炼室总容量减去转子所占体积）β----胶料的填充系数由此可知，填充系数直接影响密炼机的工作容量大小，即影响生产能力的大小。但填充系数过大或过小均会影响炼胶质量，也影响生产能力。四、上顶栓对胶料的单位压力上顶栓对胶料的单位压力是强化炼胶的主要手段之一。增加上顶栓对胶料的压力，可以提高胶料中的流体静压力,虽然不直接影响剪切应力，但是由于减少了密炼室内胶料的空隙，使得胶料与密炼室内壁，转子，上、下顶栓等之间，以及胶料内部各种物料之间更加迅速地互相接触和挤压，加速各种物料混入胶料中的过程，从而缩短混炼时间，提高密炼机的功效。胶料混炼分散关键剪切应力决定因素提高上顶栓压力的方法：（1）提高压缩空气的压力；（2）加长风筒直径；（3）采用液压代替风压。增加上顶栓压力，使物料之间更加迅速地互相接触和挤压，并使物料之间接触面积增大，从而减少了胶料与密炼室内壁及胶料与转子表