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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(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。,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。,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,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） （Dispersive Mixing）,4、簡(jiǎn)單結(jié)合 (單純混合,宏觀分散、分布混煉),,5、塑化階段,,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,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。,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,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。,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。,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(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)。,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,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。,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。,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,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。,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,膠料在密煉室中的混煉過(guò)程如下：,,,,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,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(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,,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。,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。,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)子軸線轉(zhuǎn)動(dòng)Pa＝Pcosα 軸向力Px使膠料沿轉(zhuǎn)子軸線移動(dòng)Px＝Psinα,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： PxTx P ? sinα P ? tanφ? cosα P ?tanαP ? tanφ tanαtanφ αφ Φ－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(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 。,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。,,,,,,,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,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,,,,§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,,,（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),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,（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(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。,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。,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。,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。,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。,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,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。,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、攪拌混合和機(jī)器各轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)容量,假定膠料是在粘度不變、等溫下捏煉過(guò)程，轉(zhuǎn)子單位長(zhǎng)度上的功率消耗表示為： 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(duì)一臺(tái)特定的密煉機(jī)來(lái)說(shuō)，其功率消耗表示為： N=Cuk+1 k ----膠料特性系數(shù)，k＜1： u----轉(zhuǎn)子棱頂回轉(zhuǎn)線速度； C----系數(shù) 。,（二）密煉機(jī)功率消耗的因素分析,1、功率與密煉機(jī)工作容量的關(guān)系。 從圖4-12知，密煉機(jī)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(huì)導(dǎo)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(gè)螺旋棱增加至四個(gè)螺旋棱、六個(gè)螺旋棱時(shí)，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 。,