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1、密炼机RUBBER INTERNAL MIXER主讲教师：汪传生第二节 工作原理和主要参数l21 工作原理l22 主要参数21 工作原理l在混炼室内，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 混炼室后，就在由两个具有螺旋棱的，有速比的 ，相对回转的转子与混炼室壁、上、下顶栓组成 的混炼系统内受到不断的变化的反复进行的强烈 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
2、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 表面活性剂入硬脂酸等，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) （Dispersive Mixing4、简单结合 (单纯混合,宏观分散、分布混炼)1 、细分（break） :将较大的配合剂团块或聚集体再进一步粉碎、分细 I使橡胶和配合剂粉碎 2、混入(捏炼)l
3、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 论上分析有两种两种。 lA、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。l由于天然胶强度大
4、，尤其在采用老式慢速 密炼机时，其混入方式显然属于A型；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。l(有人做过实验：充油丁苯与顺丁胶并用 进行混炼，化1.3kg胶，在混炼初期竟被分 割成1800块，表面布满碳黑的颗粒，但再 进一步混连结合为30块胶料，再进一步混 炼，则成为一个整体了。l由此可见，B的方式简单又有效。故近代 的高速密炼机是较理想的混入设备。 3、分散(微观分散，分散混炼) Dispersive Mixing l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
5、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。 l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l 最大剪切应力:l 最大剪切速率:l 1胶料粘度l m流变常数l 转子棱处剪切速率l D转子棱回转直径l n转速l h间隙l 则max=1 (
6、Dn/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混炼室中往返运动。 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数总剪切应变量。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
7、，在密炼过程中，在密炼机的混炼室 内，以上几个基本过程是同时进行的。 t混炼时间 5、塑化阶段l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。w 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 转子与混炼室壁的间隙中，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。 胶料在混炼室中的混炼过程胶料在混炼室中的混炼过程
8、如下：二、胶料在混炼室中所受的机械作用l1、 转子外表面与混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 l转子表面与混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。l由于转子表面制有螺旋尖棱，它与混炼室形 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 间隙在转子棱锋与混炼室内壁之间。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
9、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，转子尖棱与混炼室壁 所形成的透射角尖锐。胶料在转子尖棱尖端与 混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）l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。l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
10、。 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，可使胶料在左右混炼室中进行 折卷捣换。其中一侧转子前面的部分胶料（高 压区）被挤压到对面混炼室转子后面（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。l为了有效交换，一个转子必须把胶料直接拨 到相对应的转子棱锋后部间隙中。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
11、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。l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。l圆周力Pa使胶料绕转子轴线转动PaPcos l轴向力Px使胶料沿转子轴线移动PxPsin l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：lPxTxlP sin P tan coslP tanP tanltantanll为胶料与转子金属表面的摩擦角， 随胶料温度变化而变。l从试验得知，胶料与金属表面
12、的摩擦角 =37-38。这样即可得出胶料在转子上的 运动情况为：l 在转子长螺旋段。=30, ，即PxTx。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。l 在转子短螺旋段。=45， 即PxTx。因此胶料使产生轴向移动，对胶料 往复切割。l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 l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
13、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lGK四棱转子展开图胶料的轴向移动情况示意图 GK四棱转子22 主要参数l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l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：wu胶料的粘度 wm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，
14、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=4u2B/h N-转子单位上的功率消耗；-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l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
15、下降，影响 剪切效果，同时也降低了胶料的分散度。l在第一段混炼时，一般排胶温度应控制在 1301500C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。l最终混炼为防止焦烧，一般排胶温度控制在 1001200C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。l目前多速和调速密炼机的应用均被重视。2、转子速比 l密炼机转子的速比通常为1:1.151：1.18。 近年来，新开发研制的同步转子密炼机，其转子 速比为 1.对对二、转子棱顶与密炼室内壁间隙 l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.l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:l补焊；增加容量。三、生产能力与填充参数 l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。 l工作容量V1由下式计算： V1=V 式中：
