密煉機工作原理及參數(shù).ppt

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第二節(jié) 工作原理和主要參數(shù),§2－1 工作原理 §2－2 主要參數(shù),§2－1 工作原理,在密煉室內，生膠的混煉和混煉膠的混煉過程，比開煉機的塑煉和混煉要復雜的多，物料加入密煉室后，就在由兩個具有螺旋棱、有速比、相對回轉的轉子與密煉室壁，上、下頂栓組成的混煉系統(tǒng)內受到不斷變化反復進行的強烈剪切和擠壓作用，使膠料產(chǎn)生剪切變形，進行了強烈的捏煉。由于轉子有螺旋棱，在混煉時膠料反復地進行軸向往復運動，起到了攪拌作用，致使混煉更為強烈。,密煉機的煉膠過程是比較復雜的，我們可以從下面的圖簡單地表示煉膠過程。,就是使配合劑分散在橡膠中,混煉,混 煉 原 理,討論,,分散介質(液相),,配合劑,分散相,,看作,看作,,,生 膠,,如何把配合劑分散在生膠中，主要看生膠的濕潤能力及表面張力，也要看配合劑是否易被打濕。,工藝上,機械上,可增加表面活性劑硬脂酸等，以幫助濕潤配合劑,必須以一定的作用力，以便將配合劑混入生膠中，并破壞其聚集體,一 、混煉過程,基 本 步 驟,1、細分（ break）,2、混入(捏煉) （ intermix，blend）,3、分散（微觀分散,分散混煉） （Dispersive Mixing）,4、簡單結合 (單純混合,宏觀分散、分布混煉),,5、塑化階段,,1 、細分（break） : 將較大的配合劑團塊或聚集體進一步粉碎、分細,使橡膠和配合劑粉碎,2、混入(捏煉),將粉狀或液態(tài)物料混入橡膠中形成粘結塊(需要較長時間),要使配合劑混入，首先必須使塊狀橡膠變形，以形成與填充劑接觸的新界面.此界面形成的方式，從理論上分析有兩種。,A、在低速下拉伸橡膠時,它可像液體一樣的流動。被充分拉伸后，填充劑就會粘著在新生的界面上。然后，橡膠收縮將粘著的填充劑包圍起來，并形成一個整體，就像把橡膠的棱邊拉伸、包卷，再拉伸等，最后在擠壓下形成一個整體。,生膠,炭黑二次聚集體,再拉伸,包卷,拉伸,,,,,,分 散,B、在高速下使橡膠變形時,它呈現(xiàn)固體性質，即發(fā)生脆性破壞而成粒狀。這些新生成的膠粒表面上就布滿了填充劑接著就在壓力下，結合成一整體，成為塊膠料。 由于天然膠強度大，尤其在采用老式慢速密煉機時，其混入方式顯然屬于A的形式；而丁苯膠,順丁膠,乙丙膠等所謂干酪狀橡膠(與天然膠相比)，在密煉機轉子轉速達到某種程度以上時，即不能發(fā)揮其彈性，就可能出現(xiàn)B的形式。,有人做過實驗：充油丁苯與順丁膠并用進行混煉，1.3kg膠，在混煉初期竟被分割成1800塊，表面布滿炭黑的顆粒，但進一步混煉結合為30塊膠料，再進一步混煉，則成為一個整體了。 由此可見，B的形式簡單又有效。故近代的高速密煉機是較理想的混煉設備。,3、分散(微觀分散，分散混煉) Dispersive Mixing,在混入階段，雖然填充劑混入橡膠中，并形成了一個整體，但填充劑的粒子仍為較大的團聚集體(二次聚集體)。要使這些由范德華力(附聚集力)而結合的二次聚集體破壞，則需施加一定外力。由于混煉膠的粘度和轉子轉速的影響，在填充劑粒子中產(chǎn)生了牽引力(即剪切力)，一旦這個力超過了填充劑二次聚集體的聚集力后，填充劑就逐漸分散開來，生成的各個粒子(炭黑一次聚集體)就沿著橡膠滾動的方向而移動。,因此在分散階段,需要一定的剪應力,以便破壞聚集體,若剪應力小于附聚力,則分散難于進行。,一次聚集體,二次聚集體,,填充劑,,分散,對于非牛頓流體 最大剪切應力: 最大剪切速率: η1－膠料粘度 m－流變常數(shù) －轉子棱處剪切速率 D－轉子棱回轉直徑 n－轉速 h－間隙 則τmax=η1 (πDn/h)m,由式可見，增大轉子直徑、轉速，減小間隙，均可提高剪切應力，從而提高分散的速度。,4、簡單結合(單純混合，宏觀分散，分布混煉),將粒子從一點移到另一點，并不改變其物理形狀和大小，主要是使物種進一步分散均勻。 均勻化需要使膠料如在開煉機上那樣往復搗動(用人工或翻膠裝置)，在密煉機中則主要靠轉子螺旋突棱的作用使其在密煉室中往復運動。當剪切應力一旦超過破碎填充劑二次聚集體的吸附力之后，填充劑的分散就與剪切應力無關，而決定于施加給混煉膠總剪切應變量。,總剪切變形,由式可知，剪切速率與混煉時間對剪切應變量影響很大，若要在相同的混煉時間內達到一定的 ，則需增加D、n ，減小h。 實際上，在密煉過程中，在密煉機的密煉室內，以上幾個基本過程是同時進行的。,t－混煉時間 D－轉子棱回轉直徑 n－轉速 h－間隙,5、塑化階段,由于力－化學作用而使高聚物主鏈斷裂，從而使之變化更易變形如彈性較小的狀態(tài)，即改變物料的流變特性，使之適應于后面各加工過程的需要。,生膠和配合劑由加料斗加入，首先落入兩個相對回轉的轉子口部，在上頂栓的壓力及摩擦力的作用下，被帶入兩轉子之間的間隙處，受到一定的捏煉作用，然后由下頂栓的尖棱將膠料分開，進入轉子與密煉室壁的間隙中，在此處經(jīng)受強烈的剪切捏煉作用后，被破碎的兩股膠料又相會于兩個轉子口部，然后再進入兩轉子間隙處，如此循環(huán)往復。,膠料在密煉室中的混煉過程,膠料在密煉室中的混煉過程如下：,,,,二、膠料在密煉室中所受的機械作用,1、 轉子外表面與密煉室內壁間的捏煉作用 （ 橢圓型轉子密煉機尤為明顯）,,（A）密煉機中流線和填充情況示意圖 （B）局部放大，轉子突棱棱峰處物料流動情況,轉子表面與密煉室內壁間形成了一個環(huán)形間隙，當膠料通過此環(huán)形間隙時，則受到捏煉作用。 由于轉子表面制有螺旋突棱，它與密煉室形成的間隙是變化的（如XM-50密煉機間隙為4-80mm,XM-250密煉機間隙為2.5-120mm），最小間隙在轉子棱峰與密煉室內壁之間。當膠料通過此最小間隙時，受到強烈的擠壓、剪切、拉伸作用，這種作用與開煉機兩輥距的作用相似，但比開煉機的效果要大的多。這是由于轉動的轉子與固定不動的室壁之間膠料的速度梯度比開煉機大的多，而且，轉子突棱與密煉室壁所形成的透射角尖銳。膠料在轉子突棱尖端與密煉室內壁之間邊捏煉，邊通過，同時，還受到轉子其余表面的類似滾壓作用。,2 、兩轉子之間的混合攪拌、擠壓作用 （嚙合型密煉機尤為明顯）,兩轉子的橢圓形表面各點與轉子軸心線的距離不等，因而具有不同的圓周速度。因此兩轉子間的間隙和速比不是一個恒定值，而是處處不同，時時變化的。 速度梯度最大值和最小值相差達幾十倍?？墒鼓z料受到強烈的剪切、擠壓、攪拌作用。,又由于兩轉子轉速不同，其相對位置也是時刻變化的，使膠料在兩轉子間的容量也經(jīng)常變化，產(chǎn)生強烈的混合、攪拌作用。,公式,,3 、上下頂栓分流、剪切和交換作用,由于上、下頂栓頂部的分流作用，及兩轉子的轉速不同，可使膠料在左右密煉室中進行折卷搗換。其中一側轉子前面的部分膠料（高壓區(qū)）被擠壓到對面密煉室轉子后面（低壓區(qū)），并隨之帶入料斗中。彼此往復搗換，如兩臺相鄰開煉機連續(xù)倒替混煉時相似。 為了有效交換，一個轉子必須把膠料直接撥到相對應的轉子棱峰后部間隙中。否則，因壓力平衡性阻止交換。這就要求兩轉子轉到適當位置進行交換，這取決于速比。,4、 轉子的軸向往復切割捏煉作用,膠料在轉子上不僅會隨轉子作圓周運動，同時轉子的螺旋突棱對物料產(chǎn)生軸向的推移作用，因此膠料還會沿軸向移動。由右面的突棱螺旋的受力分析可以看出，兩突棱螺旋升角的不同其作用也不同，這樣膠料在轉子的軸向往復移動就形成了切割捏煉的作用。,每個轉子都有二個方向不同、長短不一的螺旋棱，當轉子旋轉時，轉子螺旋棱表面對膠料產(chǎn)生一個垂直作用力P，這個力可分解為軸向力Px和圓周力Pa。 圓周力Pa使膠料繞轉子軸線轉動Pa＝Pcosα 軸向力Px使膠料沿轉子軸線移動Px＝Psinα,因為膠料與轉子表面的摩擦力T阻止膠料軸向移動，故要使膠料產(chǎn)生軸向移動條件是： PxTx P ? sinα P ? tanφ? cosα P ?tanαP ? tanφ tanαtanφ αφ Φ－為膠料與轉子金屬表面的摩擦角，隨膠料溫度變化而變。,從試驗得知，膠料與金屬表面的摩擦角φ=37°-38°。這樣即可得出膠料在轉子上的運動情況為： 在轉子長螺旋段?！擀?30°,∴α＜φ，即Px＜Tx。因此對膠料不會產(chǎn)生軸向移動，僅產(chǎn)生圓周運動。起著送料作用及滾壓揉搓作用。 在轉子短螺旋段。∵α=45°，∴α＞φ 即Px＞Tx。因此膠料使產(chǎn)生軸向移動，對膠料往復切割。 由于一對轉子的螺旋長段和短段是相對安裝的，從而促使膠料從轉子一端移動另一端；而另一端轉子又使膠料作相反方向移動。因此，使膠料來回混雜，進行強烈的混煉 。,此外，在轉子外形的 設計上有將突棱的工 作面的圓弧曲率半徑 選的小些，這樣就會 使棱的圓弧面與密煉 室內壁形成的工作區(qū) 的容積由大逐漸變小， 膠料通過時，擠壓力 增加；棱的另一面設計成凹形的，工作區(qū)的容積由小變大，更易流動，增加了紊流態(tài)。即“S”轉子。,,,,,,,兩棱轉子展開圖,膠料流動示意圖,膠料的軸向移動情況示意圖,,三、膠料在轉子上的流動情況,GK四棱轉子展開圖,,,膠料的軸向移動情況示意圖,GK四棱轉子,,,,§2－2 主要參數(shù),一、轉子的轉速與速比 1、轉速 轉子的轉速是密煉機主要性能指標之一。,轉 子 轉 速,生產(chǎn)能力,功率消耗,煉膠質量,混煉成本,,,（1）轉子轉速對生產(chǎn)能力的影響,煉膠效率的高低，取決于施加在膠料上的剪切力的大小，而剪切應力受剪切速率的影響。由下式可看出：,u－膠料的粘度 m－流變常數(shù),提高,n,,生產(chǎn)率,提高,為什么？,A、由上面公式知，對于一個機臺來講，D，h都是固定的，只有改變n。提高n，可以提高剪切速率，縮短 t，從而提高產(chǎn)量； B 、提高轉子轉速n ,被攪拌的膠料表面交換頻繁，這就加速了配合劑在膠料中的混合作用，使t 縮短，從而提高產(chǎn)量； C、提高 n，膠料對密煉室P 也增大，膠料受到的機械作用增大，t 縮短，從而提高產(chǎn)量。,上圖為轉子轉速與混煉時間關系,（2）轉子轉速對電機功率的影響 從公式和圖4-14看 ，功率與轉子轉速 近似成正比。 N=4?η?u2B/h,N----轉子單位上的功率消耗； η----膠料的粘度； u----轉子棱頂?shù)幕剞D線速度； B----轉子棱頂寬度； h----轉子棱頂與密煉室內壁間隙 。,（3）轉子轉速對排膠溫度的影響 混煉時，必須保持膠溫在一定限度內，轉子轉速過快將使物料溫度迅速上升，粘度下降，影響剪切效果，同時也降低了膠料的分散度。 在第一段混煉時，一般排膠溫度應控制在130~1500C以下，否則除了會引起分散不良外，還容易使膠料發(fā)生化學反應，如出現(xiàn)熱裂解、凝膠等現(xiàn)象。 最終混煉為防止焦燒，一般排膠溫度控制在100~1200C以下。據(jù)此，為了獲得最有效的混煉，也按不同的膠料選擇最適宜的轉子轉速。 目前多速和調速密煉機的應用均被重視。,2、轉子速比,密煉機轉子的速比通常為1:1.15～1：1.18。近年來，新開發(fā)研制的同步轉子密煉機，其轉子速比為 1：1。,二、轉子棱頂與密煉室內壁間隙,在流變學分析中已講到，對膠料起分散作用的主要因素是,在轉子棱頂與密煉室內壁間隙h形成的高剪切區(qū)內，間隙大小，直接影響膠料的及剪切應力和剪切速率。 生產(chǎn)實踐證明：密煉機在使用若干年后，同等條件下，混煉膠的質量下降。 原因是：密煉機使用時間長了，轉子棱與密煉室內壁會產(chǎn)生磨損，使轉子棱頂與密煉室內壁間隙h增大，致使剪切應力和剪切速率減小，降低了煉膠效果，使混煉膠的質量下降。 應對措施是： ①補焊；②增加容量。,三、生產(chǎn)能力與填充系數(shù),計算密煉機生產(chǎn)能力，可用下式：,式中G ----生產(chǎn)能力，公斤/小時； V1 ----密煉機工作容量，升； ----膠料的比重，公斤/升； t ----一次煉膠時間，分。,工作容量V1由下式計算： V1=Vβ,式中： V----密煉室總容量（密煉室總容量減去轉子所占體積） β----膠料的填充系數(shù),由此可知，填充系數(shù)直接影響密煉機的工作容量大小，即影響生產(chǎn)能力的大小。但填充系數(shù)過大或過小均會影響煉膠質量，也影響生產(chǎn)能力。,四、上頂栓對膠料的單位壓力 上頂栓對膠料的單位壓力是強化煉膠的主要手段之一。,增加上頂栓對膠料的壓力，可以提高膠料中的流體靜壓力,雖然不直接影響剪切應力，但是由于減少了密煉室內膠料的空隙，使得膠料與密煉室內壁，轉子，上、下頂栓等之間，以及膠料內部各種物料之間更加迅速地互相接觸和擠壓，加速各種物料混入膠料中的過程，從而縮短混煉時間，提高密煉機的功效。,膠料混煉,,分散,關鍵,,剪切應力,決定因素,提高上頂栓壓力的方法：,（1）提高壓縮空氣的壓力； （2）加長風筒直徑； （3）采用液壓代替風壓。,增加上頂栓壓力，使物料之間更加迅速地互相接觸和擠壓，并使物料之間接觸面積增大，從而減少了膠料與密煉室內壁及膠料與轉子表面的滑動，能間接的導致較高的剪切應力，加速分散過程，從而縮短混煉時間，提高了混煉膠質量。,五、功率,（一 ）功率消耗的確定 電動機功率主要消耗在： 膠料捏煉過程中的剪切、攪拌混合和機器各轉動部的摩擦，前者是主要的。,膠料的性質,配方,混煉溫度,加料方法和順序,上頂栓壓力,轉子的轉速,轉子的結構,功 率 消 耗,,,密煉機容量,假定膠料是在粘度不變、等溫下捏煉過程，轉子單位長度上的功率消耗表示為： N=4?η?u2B/h N----轉子單位上的功率消耗； η----膠料的粘度； u----轉子棱頂?shù)幕剞D線速度； B----轉子棱頂寬度； h----轉子棱頂與密煉室內壁間隙 。 但是，橡膠屬非牛頓型流體，對一臺特定的密煉機來說，其功率消耗表示為： N=Cuk+1 k ----膠料特性系數(shù)，k＜1： u----轉子棱頂回轉線速度； C----系數(shù) 。,（二）密煉機功率消耗的因素分析,1、功率與密煉機工作容量的關系。 從圖4-12知，密煉機工作容量越大，其功率消耗越多。,2、功率與轉子棱頂和密煉室內壁間隙的關系 ，功率消耗與轉子棱頂和密煉室內壁間隙（h）成反比。,3、功率與轉子轉速的關系 從公式和圖4-14看，功率與轉子轉速近似成正比。,4、功率與上頂栓壓力的關系 上頂栓壓力的增加，會導致功率消耗的增加。 5、功率與轉子結構的關系 轉子由二個螺旋棱增加至四個螺旋棱、六個螺旋棱時，加劇了膠料在捏煉中的分流和增加了膠料的剪切次數(shù)，故增加了功率消耗 。,