密煉機(jī)工作原理及參數(shù)

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)現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五§2－1工作原理在密煉室內(nèi)，生膠的混煉和混煉膠的混煉過(guò)程，比開(kāi)煉機(jī)的塑煉和混煉要復(fù)雜的多，物料加入密煉室后，就在由兩個(gè)具有螺旋棱、有速比、相對(duì)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與密煉室壁，上、下頂栓組成的混煉系統(tǒng)內(nèi)受到不斷變化反復(fù)進(jìn)行的強(qiáng)烈剪切和擠壓作用，使膠料產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)行了強(qiáng)烈的捏煉。由于轉(zhuǎn)子有螺旋棱，在混煉時(shí)膠料反復(fù)地進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起到了攪拌作用，致使混煉更為強(qiáng)烈?，F(xiàn)在是2頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五密煉機(jī)的煉膠過(guò)程是比較復(fù)雜的，我們可以從下面的圖簡(jiǎn)單地表示煉膠過(guò)程。

現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五就是使配合劑分散在橡膠中混煉混煉原理討論分散介質(zhì)(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(rùn)能力及表面張力，也要看配合劑是否易被打濕。工藝上機(jī)械上可增加表面活性劑硬脂酸等，以幫助濕潤(rùn)配合劑必須以一定的作用力，以便將配合劑混入生膠中，并破壞其聚集體現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五一、混煉過(guò)程基本步驟1、細(xì)分（

break）2、混入(捏煉)（intermix，blend）3、分散（微觀分散,分散混煉）（DispersiveMixing）4、簡(jiǎn)單結(jié)合(單純混合,宏觀分散、分布混煉)5、塑化階段現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五1、細(xì)分（break）

:

將較大的配合劑團(tuán)塊或聚集體進(jìn)一步粉碎、分細(xì)

使橡膠和配合劑粉碎

現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五2、混入(捏煉)將粉狀或液態(tài)物料混入橡膠中形成粘結(jié)塊(需要較長(zhǎng)時(shí)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?，F(xiàn)在是7頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五A、在低速下拉伸橡膠時(shí),它可像液體一樣的流動(dòng)。被充分拉伸后，填充劑就會(huì)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(lái)，并形成一個(gè)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(gè)整體。生膠炭黑二次聚集體再拉伸包卷拉伸分散現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五B、在高速下使橡膠變形時(shí),它呈現(xiàn)固體性質(zhì)，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(mǎn)了填充劑接著就在壓力下，結(jié)合成一整體，成為塊膠料。由于天然膠強(qiáng)度大，尤其在采用老式慢速密煉機(jī)時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到某種程度以上時(shí)，即不能發(fā)揮其彈性，就可能出現(xiàn)B的形式。現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五有人做過(guò)實(shí)驗(yàn)：充油丁苯與順丁膠并用進(jìn)行混煉，1.3kg膠，在混煉初期竟被分割成1800塊，表面布滿(mǎn)炭黑的顆粒，但進(jìn)一步混煉結(jié)合為30塊膠料，再進(jìn)一步混煉，則成為一個(gè)整體了。由此可見(jiàn)，B的形式簡(jiǎn)單又有效。故近代的高速密煉機(jī)是較理想的混煉設(shè)備。

現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五3、分散(微觀分散，分散混煉)DispersiveMixing

在混入階段，雖然填充劑混入橡膠中，并形成了一個(gè)整體，但填充劑的粒子仍為較大的團(tuán)聚集體(二次聚集體)。要使這些由范德華力(附聚集力)而結(jié)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(gè)力超過(guò)了填充劑二次聚集體的聚集力后，填充劑就逐漸分散開(kāi)來(lái)，生成的各個(gè)粒子(炭黑一次聚集體)就沿著橡膠滾動(dòng)的方向而移動(dòng)?，F(xiàn)在是11頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五因此在分散階段,需要一定的剪應(yīng)力,以便破壞聚集體,若剪應(yīng)力小于附聚力,則分散難于進(jìn)行。

一次聚集體二次聚集體填充劑分散現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五對(duì)于非牛頓流體最大剪切應(yīng)力:

最大剪切速率:

η1－膠料粘度

m－流變常數(shù)－轉(zhuǎn)子棱處剪切速率

D－轉(zhuǎn)子棱回轉(zhuǎn)直徑

n－轉(zhuǎn)速

h－間隙則τmax=η1(πDn/h)m

由式可見(jiàn)，增大轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)速，減小間隙，均可提高剪切應(yīng)力，從而提高分散的速度。現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五4、簡(jiǎn)單結(jié)合(單純混合，宏觀分散，分布混煉)

將粒子從一點(diǎn)移到另一點(diǎn)，并不改變其物理形狀和大小，主要是使物種進(jìn)一步分散均勻。均勻化需要使膠料如在開(kāi)煉機(jī)上那樣往復(fù)搗動(dòng)(用人工或翻膠裝置)，在密煉機(jī)中則主要靠轉(zhuǎn)子螺旋突棱的作用使其在密煉室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)剪切應(yīng)力一旦超過(guò)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(yīng)力無(wú)關(guān)，而決定于施加給混煉膠總剪切應(yīng)變量?，F(xiàn)在是14頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五總剪切變形

由式可知，剪切速率與混煉時(shí)間對(duì)剪切應(yīng)變量影響很大，若要在相同的混煉時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定的，則需增加D、n，減小h。

實(shí)際上，在密煉過(guò)程中，在密煉機(jī)的密煉室內(nèi)，以上幾個(gè)基本過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。

t－混煉時(shí)間D－轉(zhuǎn)子棱回轉(zhuǎn)直徑n－轉(zhuǎn)速

h－間隙現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五5、塑化階段由于力－化學(xué)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(yīng)于后面各加工過(guò)程的需要?，F(xiàn)在是16頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五生膠和配合劑由加料斗加入，首先落入兩個(gè)相對(duì)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子口部，在上頂栓的壓力及摩擦力的作用下，被帶入兩轉(zhuǎn)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(kāi)，進(jìn)入轉(zhuǎn)子與密煉室壁的間隙中，在此處經(jīng)受強(qiáng)烈的剪切捏煉作用后，被破碎的兩股膠料又相會(huì)于兩個(gè)轉(zhuǎn)子口部，然后再進(jìn)入兩轉(zhuǎn)子間隙處，如此循環(huán)往復(fù)。

膠料在密煉室中的混煉過(guò)程現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五膠料在密煉室中的混煉過(guò)程如下：現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五二、膠料在密煉室中所受的機(jī)械作用1、轉(zhuǎn)子外表面與密煉室內(nèi)壁間的捏煉作用（橢圓型轉(zhuǎn)子密煉機(jī)尤為明顯）（A）密煉機(jī)中流線(xiàn)和填充情況示意圖（B）局部放大，轉(zhuǎn)子突棱棱峰處物料流動(dòng)情況

現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五轉(zhuǎn)子表面與密煉室內(nèi)壁間形成了一個(gè)環(huán)形間隙，當(dāng)膠料通過(guò)此環(huán)形間隙時(shí)，則受到捏煉作用。由于轉(zhuǎn)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(jī)間隙為4-80mm,XM-250密煉機(jī)間隙為2.5-120mm），最小間隙在轉(zhuǎn)子棱峰與密煉室內(nèi)壁之間。當(dāng)膠料通過(guò)此最小間隙時(shí)，受到強(qiáng)烈的擠壓、剪切、拉伸作用，這種作用與開(kāi)煉機(jī)兩輥距的作用相似，但比開(kāi)煉機(jī)的效果要大的多。這是由于轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子與固定不動(dòng)的室壁之間膠料的速度梯度比開(kāi)煉機(jī)大的多，而且，轉(zhuǎn)子突棱與密煉室壁所形成的透射角尖銳。膠料在轉(zhuǎn)子突棱尖端與密煉室內(nèi)壁之間邊捏煉，邊通過(guò)，同時(shí)，還受到轉(zhuǎn)子其余表面的類(lèi)似滾壓作用。

現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五2、兩轉(zhuǎn)子之間的混合攪拌、擠壓作用

（嚙合型密煉機(jī)尤為明顯）兩轉(zhuǎn)子的橢圓形表面各點(diǎn)與轉(zhuǎn)子軸心線(xiàn)的距離不等，因而具有不同的圓周速度。因此兩轉(zhuǎn)子間的間隙和速比不是一個(gè)恒定值，而是處處不同，時(shí)時(shí)變化的。速度梯度最大值和最小值相差達(dá)幾十倍?？墒鼓z料受到強(qiáng)烈的剪切、擠壓、攪拌作用。

又由于兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同，其相對(duì)位置也是時(shí)刻變化的，使膠料在兩轉(zhuǎn)子間的容量也經(jīng)常變化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的混合、攪拌作用。

公式現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五3、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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同，可使膠料在左右密煉室中進(jìn)行折卷?yè)v換。其中一側(cè)轉(zhuǎn)子前面的部分膠料（高壓區(qū)）被擠壓到對(duì)面密煉室轉(zhuǎn)子后面（低壓區(qū)），并隨之帶入料斗中。彼此往復(fù)搗換，如兩臺(tái)相鄰開(kāi)煉機(jī)連續(xù)倒替混煉時(shí)相似。為了有效交換，一個(gè)轉(zhuǎn)子必須把膠料直接撥到相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置進(jìn)行交換，這取決于速比。

現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五4、轉(zhuǎn)子的軸向往復(fù)切割捏煉作用膠料在轉(zhuǎn)子上不僅會(huì)隨轉(zhuǎn)子作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)子的螺旋突棱對(duì)物料產(chǎn)生軸向的推移作用，因此膠料還會(huì)沿軸向移動(dòng)。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(zhuǎn)子的軸向往復(fù)移動(dòng)就形成了切割捏煉的作用?，F(xiàn)在是23頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五每個(gè)轉(zhuǎn)子都有二個(gè)方向不同、長(zhǎng)短不一的螺旋棱，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子螺旋棱表面對(duì)膠料產(chǎn)生一個(gè)垂直作用力P，這個(gè)力可分解為軸向力Px和圓周力Pa。圓周力Pa使膠料繞轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)Pa＝Pcosα

軸向力Px使膠料沿轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)移動(dòng)Px＝Psinα

現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五因?yàn)槟z料與轉(zhuǎn)子表面的摩擦力T阻止膠料軸向移動(dòng)，故要使膠料產(chǎn)生軸向移動(dòng)條件是：Px>TxP?sinα>P?tanφ?cosαP?tanα>P?tanφtanα>tanφα>φΦ－為膠料與轉(zhuǎn)子金屬表面的摩擦角，隨膠料溫度變化而變。現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五從試驗(yàn)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(zhuǎn)子上的運(yùn)動(dòng)情況為：在轉(zhuǎn)子長(zhǎng)螺旋段?！擀?30°,∴α＜φ，即Px＜Tx。因此對(duì)膠料不會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，僅產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)。起著送料作用及滾壓揉搓作用。在轉(zhuǎn)子短螺旋段?！擀?45°，∴α＞φ

即Px＞Tx。因此膠料使產(chǎn)生軸向移動(dòng)，對(duì)膠料往復(fù)切割。由于一對(duì)轉(zhuǎn)子的螺旋長(zhǎng)段和短段是相對(duì)安裝的，從而促使膠料從轉(zhuǎn)子一端移動(dòng)另一端；而另一端轉(zhuǎn)子又使膠料作相反方向移動(dòng)。因此，使膠料來(lái)回混雜，進(jìn)行強(qiáng)烈的混煉?，F(xiàn)在是26頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五此外，在轉(zhuǎn)子外形的設(shè)計(jì)上有將突棱的工作面的圓弧曲率半徑選的小些，這樣就會(huì)使棱的圓弧面與密煉室內(nèi)壁形成的工作區(qū)的容積由大逐漸變小，膠料通過(guò)時(shí)，擠壓力增加；棱的另一面設(shè)計(jì)成凹形的，工作區(qū)的容積由小變大，更易流動(dòng)，增加了紊流態(tài)。即“S”轉(zhuǎn)子?，F(xiàn)在是27頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五兩棱轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖

膠料流動(dòng)示意圖

膠料的軸向移動(dòng)情況示意圖

三、膠料在轉(zhuǎn)子上的流動(dòng)情況現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五GK四棱轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖膠料的軸向移動(dòng)情況示意圖

GK四棱轉(zhuǎn)子現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五§2－2主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與速比

1、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是密煉機(jī)主要性能指標(biāo)之一。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速生產(chǎn)能力功率消耗煉膠質(zhì)量混煉成本現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五（1）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)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(yīng)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)現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五提高n生產(chǎn)率提高為什么？A、由上面公式知，對(duì)于一個(gè)機(jī)臺(tái)來(lái)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(duì)密煉室P也增大，膠料受到的機(jī)械作用增大，t縮短，從而提高產(chǎn)量。上圖為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與混煉時(shí)間關(guān)系現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)功率的影響從公式和圖4-14看，功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似成正比。N=4?η?u2B/h

N----轉(zhuǎn)子單位上的功率消耗；η----膠料的粘度；

u----轉(zhuǎn)子棱頂?shù)幕剞D(zhuǎn)線(xiàn)速度；

B----轉(zhuǎn)子棱頂寬度；h----轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五（3）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)排膠溫度的影響混煉時(shí)，必須保持膠溫在一定限度內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)快將使物料溫度迅速上升，粘度下降，影響剪切效果，同時(shí)也降低了膠料的分散度。在第一段混煉時(shí)，一般排膠溫度應(yīng)控制在130~1500C以下，否則除了會(huì)引起分散不良外，還容易使膠料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。目前多速和調(diào)速密煉機(jī)的應(yīng)用均被重視?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五2、轉(zhuǎn)子速比

密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的速比通常為1:1.15～1：1.18。近年來(lái)，新開(kāi)發(fā)研制的同步轉(zhuǎn)子密煉機(jī)，其轉(zhuǎn)子速比為

1：1。現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五二、轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙

在流變學(xué)分析中已講到，對(duì)膠料起分散作用的主要因素是,在轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙h形成的高剪切區(qū)內(nèi)，間隙大小，直接影響膠料的及剪切應(yīng)力和剪切速率。生產(chǎn)實(shí)踐證明：密煉機(jī)在使用若干年后，同等條件下，混煉膠的質(zhì)量下降。原因是：密煉機(jī)使用時(shí)間長(zhǎng)了，轉(zhuǎn)子棱與密煉室內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生磨損，使轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙h增大，致使剪切應(yīng)力和剪切速率減小，降低了煉膠效果，使混煉膠的質(zhì)量下降。應(yīng)對(duì)措施是：①補(bǔ)焊；②增加容量?，F(xiàn)在是36頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五三、生產(chǎn)能力與填充系數(shù)

計(jì)算密煉機(jī)生產(chǎn)能力，可用下式：

式中G----生產(chǎn)能力，公斤/小時(shí)；

V1----密煉機(jī)工作容量，升；----膠料的比重，公斤/升；

t----一次煉膠時(shí)間，分。

現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五工作容量V1由下式計(jì)算：

V1=Vβ式中：V----密煉室總?cè)萘浚軣捠铱側(cè)萘繙p去轉(zhuǎn)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(jī)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(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響煉膠質(zhì)量，也影響生產(chǎn)能力。

現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五四、上頂栓對(duì)膠料的單位壓力

上頂栓對(duì)膠料的單位壓力是強(qiáng)化煉膠的主要手段之一。增加上頂栓對(duì)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(yīng)力，但是由于減少了密煉室內(nèi)膠料的空隙，使得膠料與密煉室內(nèi)壁，轉(zhuǎn)子，上、下頂栓等之間，以及膠料內(nèi)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(guò)程，從而縮短混煉時(shí)間，提高密煉機(jī)的功效。膠料混煉分散關(guān)鍵剪切應(yīng)力決定因素現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五提高上頂栓壓力的方法：（1）提高壓縮空氣的壓力；（2）加長(zhǎng)風(fēng)筒直徑；（3）采用液壓代替風(fēng)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(nèi)壁及膠料與轉(zhuǎn)子表面的滑動(dòng)，能間接的導(dǎo)致較高的剪切應(yīng)力，加速分散過(guò)程，從而縮短混煉時(shí)間，提高了混煉膠質(zhì)量?，F(xiàn)在是40頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期五五、功率

（一

）功率消耗的確定

電動(dòng)機(jī)功率主要消耗在：膠料捏煉過(guò)程中的剪切、攪拌混合和