密炼机设计课件

密炼机 RUBBER INTERNAL MIXER 主讲教师： 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 Mixing 4、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 ) 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 。 (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 。 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 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 : 1 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 max= 1 ( 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，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 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如下： 二、 胶料在混炼室中所受的机械作用 1、 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 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 。 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） 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 。 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 Pcos 轴向力 Px使胶料 沿转子轴线移动 Px Psin 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 sin P tan cos P tan P tan tan tan 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 =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 。 =30 , ， 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。 =45， 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=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 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 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。 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。 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. 对 对 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 : 补焊；增加容量。 三、生产能力与填充参数 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=V 式中： V-密炼室总容量 （ 密炼室总容量减去转子所占体积 ） -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 料与混炼室内壁、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 表面的 滑动 ，能间接的 导致较高的剪切应力 ， 加速分散过程 ，从而 缩短混炼时间 ，提高了 混炼胶质量 。 五、功率 （一 ）功率消耗的确定 电动机功率主要消耗在： 胶料捏炼过程中的剪切、搅拌混合和机器各 转动部的摩擦，前者是主要的。 胶料的性质 配方 混炼温度 加料方法和顺序 上顶栓压力 转子的转速 转子的结构 功 率 消 耗 假定胶料是在粘度不变、等温下捏炼过程， 转子单位长度上的功率消耗表示为： 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 但是 ， 橡胶属非牛顿型流体 ， 对一台特定的密 炼机来说 ， 其功率消耗表示为： N=Cuk+1 k -胶料特性系数 ， k 1; u-转子棱顶回转线速度； C-系数 （二）密炼机功率消耗的因素分析 1、 功率与密炼机工作容量的关系 。 从图 4-12知 ， 密炼机工作容量越大 ， 其功率消耗 越多 。 2、功率与转子棱顶和密炼室内壁间隙的关系 ， 功率消耗 与转子棱顶和密炼室内壁 间隙（ h） 成 正比 。 3、功率与转子转速的关系 从公式和图 4-14看，功率与转子转速近似成正比 4、 功率与上顶栓压力的关系 上顶栓压力的增加 ， 会导致功率消耗的 增加 。 5、 功率与转子结构的关系 转子由二个螺旋棱增加至四个螺旋棱 、 六个螺旋棱时 ， 加剧了胶料在捏炼中的 分流和增加了胶料的剪切次数 ， 故增加 了功率消耗 。