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密煉機工作原理及參數(shù).ppt

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密煉機工作原理及參數(shù).ppt

第二節(jié) 工作原理和主要參數(shù),§21 工作原理 §22 主要參數(shù),§21 工作原理,在密煉室內(nèi),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(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(zhuǎn)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(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(jié)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(jié)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(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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)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(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: 1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max=1 (Dn/h)m,由式可見,增大轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(guān),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(nèi)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(nèi),以上幾個基本過程是同時進行的。,t混煉時間 D轉(zhuǎn)子棱回轉(zhuǎn)直徑 n轉(zhuǎn)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(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,進入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子口部,然后再進入兩轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)子突棱棱峰處物料流動情況,轉(zhuǎn)子表面與密煉室內(nèi)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(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密煉機間隙為4-80mm,XM-250密煉機間隙為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(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)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(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,同時,還受到轉(zhuǎn)子其余表面的類似滾壓作用。,2 、兩轉(zhuǎn)子之間的混合攪拌、擠壓作用 (嚙合型密煉機尤為明顯),兩轉(zhuǎn)子的橢圓形表面各點與轉(zhuǎn)子軸心線的距離不等,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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同,其相對位置也是時刻變化的,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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同,可使膠料在左右密煉室中進行折卷搗換。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(zhuǎn)子必須把膠料直接撥到相對應的轉(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)到適當位置進行交換,這取決于速比。,4、 轉(zhuǎn)子的軸向往復切割捏煉作用,膠料在轉(zhuǎn)子上不僅會隨轉(zhuǎn)子作圓周運動,同時轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的軸向往復移動就形成了切割捏煉的作用。,每個轉(zhuǎn)子都有二個方向不同、長短不一的螺旋棱,當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸線轉(zhuǎn)動PaPcos 軸向力Px使膠料沿轉(zhuǎn)子軸線移動PxPsin,因為膠料與轉(zhuǎn)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 sin P tan cos P tanP tan tantan 為膠料與轉(zhuǎn)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=37°-38°。這樣即可得出膠料在轉(zhuǎn)子上的運動情況為: 在轉(zhuǎn)子長螺旋段。=30°,,即PxTx。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(zhuǎn)子短螺旋段。=45°, 即PxTx。因此膠料使產(chǎn)生軸向移動,對膠料往復切割。 由于一對轉(zhuǎn)子的螺旋長段和短段是相對安裝的,從而促使膠料從轉(zhuǎn)子一端移動另一端;而另一端轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子外形的 設(shè)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(nèi)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(shè)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(zhuǎn)子。,兩棱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上的流動情況,GK四棱轉(zhuǎn)子展開圖,膠料的軸向移動情況示意圖,GK四棱轉(zhuǎn)子,§22 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)速是密煉機主要性能指標之一。,轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速,生產(chǎn)能力,功率消耗,煉膠質(zhì)量,混煉成本,(1)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與混煉時間關(guān)系,(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對電機功率的影響 從公式和圖4-14看 ,功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 近似成正比。 N=4u2B/h,N-轉(zhuǎn)子單位上的功率消耗; -膠料的粘度; u-轉(zhuǎn)子棱頂?shù)幕剞D(zhuǎn)線速度; B-轉(zhuǎn)子棱頂寬度; h-轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙 。,(3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對排膠溫度的影響 混煉時,必須保持膠溫在一定限度內(nèi),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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1301500C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1001200C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)速密煉機的應用均被重視。,2、轉(zhuǎn)子速比,密煉機轉(zhuǎn)子的速比通常為1:1.151:1.18。近年來,新開發(fā)研制的同步轉(zhuǎn)子密煉機,其轉(zhuǎn)子速比為 1:1。,二、轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)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(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(zhì)量下降。 原因是:密煉機使用時間長了,轉(zhuǎn)子棱與密煉室內(nèi)壁會產(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。 應對措施是: 補焊;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=V,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) -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(zhì)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(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程,從而縮短混煉時間,提高密煉機的功效。,膠料混煉,分散,關(guān)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(nèi)壁及膠料與轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)動部的摩擦,前者是主要的。,膠料的性質(zhì),配方,混煉溫度,加料方法和順序,上頂栓壓力,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)子單位長度上的功率消耗表示為: N=4u2B/h N-轉(zhuǎn)子單位上的功率消耗; -膠料的粘度; u-轉(zhuǎn)子棱頂?shù)幕剞D(zhuǎn)線速度; B-轉(zhuǎn)子棱頂寬度; h-轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙 。 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),k1: u-轉(zhuǎn)子棱頂回轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)子棱頂和密煉室內(nèi)壁間隙的關(guān)系 ,功率消耗與轉(zhuǎn)子棱頂和密煉室內(nèi)壁間隙(h)成反比。,3、功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系 從公式和圖4-14看,功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似成正比。,4、功率與上頂栓壓力的關(guān)系 上頂栓壓力的增加,會導致功率消耗的增加。 5、功率與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 轉(zhuǎn)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 。,

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