橡胶连续混炼新技术研究

第27卷　第6期

2006年12月特种橡胶制品Special Purpose Rubber Products Vol.27　No.6　December 2006

橡胶连续混炼新技术研究

王冠中1,2,吕柏源2

(1.北京化工大学,北京　100029　2.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛　266042)

摘　要:研究了国内外橡胶连续混炼机的发展现状,特别对双螺杆挤出机的发展作了探讨,提出新的技术设计制造连续混炼机。

关键词:橡胶连续混炼;双螺杆挤出机;新技术

中图分类号:TQ33014+3 文献标识码:A 文章编号:1005-4030(2006)06-0047-03

收稿日期:2006-06-24

作者简介:王冠中(1963-),男,博士研究生,主要从事高分子材料

加工机械的研究和教学工作。1　橡胶连续混炼技术现状早期的橡胶工业混炼采用双辊开炼机,而双辊开炼机混炼存在许多缺点,最重要的就是混炼胶质量差和环境污染严重。随着轮胎工业的发展,用胶量越来越大,各种有毒助剂的用量也不断增长,同时橡胶制品对胶料质量要求不断提高,开炼机混炼已经满足不了生产和环境的需要。因此在20世纪20年代密炼机就引入了橡胶加工工业。目前工厂主要以密炼机混炼为主。密炼机密炼室中的胶料主要有两种流动:周向流动和轴向流动。胶料主要是由密炼室中转子之间、转子和室壁之间以及转子与上顶栓和卸料门之间的剪切和混合作用而得到混炼,密炼机对胶料的混炼是间歇式的。间歇混炼密炼机具有很长的发展历史,自从20世纪20年代密炼机作为混炼设备代替开炼机以后,密炼机经历了多个发展阶段。从无上顶栓到上顶栓的出现及改进;从翻转式卸料到卸料门卸料,卸料门从摆动式到滑动式;转子的形状从无凸棱到二凸棱、四凸棱再到六凸棱等等,这些在密炼机设计上的改进都使间歇式密炼机技术有了很大的发展[1]。传统橡胶工业所用的胶料都是分批混炼的。分批混炼效率低,每批胶料之间的差异不仅会给技术人员带来很多麻烦,也常常对后续工序的质量产生很大的影响。对于橡胶胶料的连续混炼技术,人们已经探索许久,但仍然争论不休[2]。

连续混炼技术是混炼操作自动化、连续化的

新技术。相对于间歇混炼技术,连续混炼技术具

有以下6方面的优点[2]:(1)连续式混炼机混炼不

需要进行周期性的加料和卸料,可以充分利用混

炼机的混炼能力。这样就可以将单位机台的生产

能力提高,也就大大地提高了生产率。(2)用连续

混炼机可以在稳定的机械条件和热条件下混炼胶

料,有效地利用调整和控制手段,以便使过程按最

佳水平进行。(3)采用连续混炼可以使自动化程

度大大提高。(4)连续混炼的能量消耗稳定,没有

大的峰值,可以节约能源。(5)使用连续混炼机进

行连续混炼,可以省去上、下辅机设备。这就大大

地简化了生产设备,降低了生产设备投资。同时,

上、下辅机的取消还使得连续混炼厂房无需像密

炼厂房那样需要三层楼房,这样就可以节约占地

面积,大大降低厂房设施投资。(6)使用密炼机进

行胶料混炼时,在加料和卸料的同时不能进行混

炼生产,而连续混炼机就不存在这个问题,可以进

行连续生产,从而提高生产率,同时降低劳动强

度。连续式混炼机以机筒代替密炼室,转子在机

筒内旋转,混炼胶料,并将胶料从加料区域推向卸

料区域[3]。连续混炼机的特点是混炼质量与混炼

机供料系统有关,如果在原料配比上有波动,那么

在成品混炼胶成分中也将反映出来。连续式混炼

机的发展也是渐进的,依照结构可以分为单转子

连续混炼机、双转子连续混炼机、传递式连续混炼

机和双螺杆挤出机[4]。

2　国外现有连续混炼机技术特点现今国内外的连续混炼机,其基本原理没有多大变化,而其变化和进展大多是针对现有的、并已经实际验证过的设备体系的不断改进。下面介绍几种国内外较为常用的混炼机:FCM

48　特种橡胶制品第27卷　第6期(L CM )[5]、Buss Kneader [6]、啮合和非啮合异向旋转双螺杆挤出机的现状以及技术特点。

FCM 是美国Farrel corporation 公司最早研

制成功的连续混炼(造粒)机,它克服了密炼机间

歇操作的缺点,保留了密炼机的优异混炼特性,并

使之成为连续工作的混炼机。其传统典型形式是

两阶式,第一阶是混炼机,第二阶是单螺杆挤出造

粒机。在第一阶末端配有可变位置的孔板排料装

置。这种FCM 具有优异的混炼性能,特别适合

于高填充物的分散混合,生产效率高。FCM 配有

适于不同混合目的的转子,见图1[7]

。图1　FCM 混炼机及转子

Buss Kneader 是一家瑞士公司的产品,它问

世已几十年,我国已引进若干台。从结构上讲,

Buss Kneader 是单螺杆挤出机,但它的螺杆结构和混炼塑化机理与单螺杆挤出机有本质区别。Buss Kneader 的组合式螺杆上的螺纹每圈被切为3段,形成混炼螺片,螺杆每旋转一周同时进行一次往复运动。在机筒内衬上相应地装有3排静止的混炼销钉。由于螺片与销钉的相对运动,使物料受到强有力的剪切混合。而且这种剪切混合是

可控的,非常均匀,混合效率高。Buss Kneader 另

外的特点是纵向混合好,温控精确,物料在机筒内

的停留时间分布窄,可以加工高粘度的物料,液态

物料可以有效地加入,可以加入高填充的物料,也

适合易降解物料的混炼。3　混炼新技术———新型差速双螺杆混炼机双螺杆混炼机是目前研究较为突出的橡胶工业中的炼胶设备,它是连续混炼的典型设备,其经典的设备有同向双螺杆混炼机,两根螺杆旋向相同,同向旋转,有非啮合型、啮合型两种。本文研究的是差速双螺杆结构的连续混炼机,是橡胶连续混炼的一种新的形式。差速双螺杆混炼机又是双螺杆混炼机中的新型设备,它之所以新是因为它有两根旋向不同、异向旋转的双螺杆,并且两根螺杆有一定固定的速比,在这样的条件下啮合而且不干涉,论文的主要研究也在这点。

新型差速双螺杆混炼机的两螺杆异向旋转,

一根为双头,另一根为单头,单根螺杆为圆柱、等

距、等深、部分啮合,两根螺杆的螺距不相等。单

头螺杆与双头螺杆螺距之比1∶2,无速比、异向

旋转时不能正确啮合,会有干涉。所以单头螺杆

与双头螺杆速比2∶1、异向旋转时能正确啮合,

不会干涉,如图2所示

。

图2　差速双螺杆速比(2∶1)异向旋转

螺杆啮合情况

由设计软件运动分析中可以看出两根螺杆的

啮合本身存在干涉,但是如果调整好螺距它们是

可以正确啮合的,可以说是符合特性要求的,但考

虑到加工方面的难度,会增加成本,所以可作为参

考。上述结构是最理想的螺杆形式。异向双螺杆,异向旋转,差速能正确啮合的条件是两根螺杆的速比等于高速螺杆与低速螺杆螺距的反比。只要在满足两根螺杆本身能啮合的情况下,增加螺纹的头数而不会干涉。所以差速双螺杆还可以设

计为一根为三头,另一根为单头,单根螺杆为圆

柱、等距、等深、部分啮合,两根螺杆的螺距不相

等。单头螺杆与双头螺杆螺距之比1∶3。无速

比、异向旋转时不能正确啮合,会有干涉。所以单

头螺杆与双头螺杆速比3∶1、异向旋转时能正确

啮合,不会干涉,如图3所示

。图3　差速双螺杆速比(3∶1)异向旋转螺杆啮合情况