密炼机

胶料在密炼室中的混炼过程示意图
密炼机对物料的捏炼作用可分为转子突 棱顶与密炼室内壁之间及两个转子之间两方 面的四种作用来讨论。
❖ （1）转子外表面与密炼室内壁之间的高剪切 作用
❖ （2）转子间的搅拌、折卷作用 ❖ （3）转子的轴向往返切割、搅拌作用 ❖ （4）上下顶栓分流、剪切和交换作用
❖ （1） 转子外表面与密炼室内壁间的捏炼作用 （ 椭圆型转子密炼机尤为明显）
第3节 密闭式炼胶机
RUBBER INTERNAL MIXER
3.1 概述
❖ 密闭式炼胶机（internal mixer）简称 密炼机，是在开炼机的基础上发展起来的一 种高强度间歇式混炼设备。它是一种有一对 特定形状并相对回转的转子，在可调压力和 温度的密闭状态下间歇性地对聚合物进行塑 炼和混炼的机械。
子其余表面的类似滚压作用。
(2) 两转子之间的混合搅拌、折卷作用 （啮合型密炼机尤为明显） ❖ 两转子的椭圆形表面各点与转子轴心线的距
离不等，因而具有不同的圆周速度。因此两转子 间的间隙和速比不是一个恒定值，而是处处不同， 时时变化的。 ❖ 速度梯度最大值和最小值相差达几十倍。可 使胶料受到强烈的剪切、挤压、搅拌作用。
❖ 现代密炼机发展的标志之一是高速、高压和 高效能机台。通常将转子转速为20rpm的称 为低速密炼机，30～40rpm的称为中速密炼 机，60rpm以上的称为高速密炼机。
❖ 近年来，出现了转速达80rpm甚至更高的密 炼机，亦有对工艺和效能有广泛适应性和处 理手段的双速、三速、变速密炼机，也有转 子速比可调节的密炼机。其操作时间大大缩 短 ， 从 过 去 慢 速 机 台 的 8 ～ 15min 缩 短 至 1.5 ～ 3.5min ， 甚 至 有 的 达 1 ～ 1.5min （ 包 括采用密炼法与补充混炼法配合的工艺过程 等）。
❖ 每个转子都有二个方向不同、长短不一的螺旋棱，长螺旋棱的螺 旋角α=30°，短螺旋棱的螺旋角α=45°。当转子旋转时，转子 螺旋棱表面对胶料产生一个垂直作用力P，这个力可分解为轴向 力Px和圆周力Pa。
❖ 圆周力Pa使胶料绕转子轴线转动Pa＝Pcosα ❖ 轴向力Px使胶料沿转子轴线移动Px＝Psinα
的体积，又称额定容量。工作容量必须适当，通常
取总容量的55-75%。过少过多对混炼都不利。
密炼室总容量，空容量，工作容量 关系是：空容量＞总容量＞工作容量
空容量
总容量 （有效容量）
工作容量
3.2.2 转子的转速与速比
密炼机转子的转速多以主动转子的转速来表征，速比 指两个转子的转速之比，这两个参数对密炼机的工作性能影 响很大。
统 润滑系统 Lubrication system
XM－250/40椭圆型密炼机结构图
密炼机
3.1.3 工作原理
在密炼室内，生胶的混炼和混炼胶的混炼过程， 比开源自文库机的塑炼和混炼要复杂的多，物料加入密炼
室后，就在由两个具有螺旋棱、有速比、相对回转
的转子与密炼室壁，上、下顶栓组成的混炼系统内
为了有效交换，一个转子必须把胶料直接拨 到相对应的转子棱峰后部间隙中。否则，因压力 平衡性阻止交换。这就要求两转子转到适当位置 进行交换，这取决于速比。
❖ 此外，在转子外形的 设计上有将突棱的工 作面的圆弧曲率半径 选的小些，这样就会 使棱的圆弧面与密炼 室内壁形成的工作区 的容积由大逐渐变小， 胶料通过时，挤压力 增加；棱的另一面设计 成凹形的，工作区的容积由小变大，更易流动，增加了 紊流态。即“S”转子。
圆
椭圆型
筒
型
三棱型
②按转子啮合与否（Intermeshing）
相切型，切线型
啮合型，联锁型
③按转子转速不同 （Rotor Speed）
慢速 以XM－250为例 ≤20rpm 中速 以XM－250为例 30～50rpm 高速 以XM－250为例 ≥60rpm
转速与其它机械相比，属低速范围，但对炼胶 作业来讲却是高速了，因炼胶要消耗大量能量，产 生大量热量，这两点都限制转速范围。
④按转子转速变化与否
单速 双速 转子具有两个速度 变速
⑤以密炼机的容量来分
大容量（规格）密炼机370L 中容量 80－270L
小容量 10－50L 试验用密炼机在10L以下
⑥按转子速比
异步转子 同步转子
目前规范使用的式椭圆形转子密炼机，圆筒形 可作为对前者工作方式的补充和发展。椭圆形密炼 机的代表是美国Farrel Co制造的F系列密炼机和德 国WP Co生产的GK-N系列密炼机；圆筒形密炼机 的代表是英国Francis Shaw Co研制的K系列密炼 机与德国WP Co生产的GK-N系列密炼机。本章主 要以椭圆形转子密炼机为例介绍密炼机的基本概况。
优点
密炼机
混炼时间短 生产效率高 操作容易，较好地克服粉尘飞扬
减少配合剂的损失 改善劳动条件，减轻劳动强度等
由于它在很大程度上是凭经验发展起来的，因 而在发展早期曾出现过认为塑炼效率低，不能用它 来塑炼的说法，但已经为生产实践所否定。因此， 密炼机的出现是炼胶机械的一项重要成果，至今仍 然成为塑炼和混炼中的典型设备，并处于不断发展 完善中。据国外资料统计，在橡胶工业中有88％的 胶料是由密炼机制造的，塑料、树脂行业亦广泛应 用密炼机。
公式
又由于两转子转速不同，其相对位置也是时刻变 化的，使胶料在两转子间的容量也经常变化，产 生强烈的混合、搅拌作用。
（3）转子的轴向往返切割作用
胶料在转子上不仅会 随转子作圆周运动，同时转 子的螺旋突棱对物料产生轴 向的推移作用，因此胶料还 会沿轴向移动。由右面的突 棱螺旋的受力分析可以看出， 两突棱螺旋升角的不同其作 用也不同，这样胶料在转子 的轴向往复移动就形成了切 割捏炼的作用。
3、分散（微观分散,分散混炼） （Dispersive Mixing）
5、塑化阶段
4、简单结合 (单纯混合,宏观分散、分布混炼)
胶料在密炼室中的混炼过程
生胶和配合剂由加料斗加入，首先落入两 个相对回转的转子口部，在上顶栓的压力及摩 擦力的作用下，被带入两转子之间的间隙处， 受到一定的捏炼作用，然后由下顶栓的尖棱将 胶料分开，进入转子与密炼室壁的间隙中，在 此处经受强烈的剪切捏炼作用后，被破碎的两 股胶料又相会于两个转子口部，然后再进入两 转子间隙处，如此循环往复。
密炼机发展方向：
二大
大功率、大规格（大容量）
二高
高速、高压
一低
单位能耗低
主要问题
端面密封
3.1.1 用途与类型
(1)用途 密炼机主要用于橡胶的塑炼和混炼，也
可用于塑料、沥青料、油毡料、搪瓷料及各 种合成树脂料的混炼。
(2) 分类
①按转子端面形状不同（Rotor Section Form）
椭圆型转子密炼机 圆筒型转子密炼机 三棱型转子密炼机
ρ=37°-38°。
从试验得知，胶料与金属表面的摩擦角ρ=37°38°。这样即可得出胶料在转子上的运动情况为：
在转子长螺旋段 ∵α=30°,∴α＜ρ， 即Px＜Tx。因此对胶料不会产生轴向移动，仅产 生圆周运动。起着送料作用及滚压揉搓作用。
在转子短螺旋段 ∵α=45°，∴α＞ρ 即Px＞Tx。因此胶料使产生轴向移动，对胶料往 复切割。
由于一对转子的螺旋长段和短段是相对安装的， 从而促使胶料从转子一端移动另一端；而另一端转子 又使胶料作相反方向移动。因此，使胶料来回混杂， 进行强烈的混炼 。
（4）上下顶栓分流、剪切和交换作用
由于上、下顶栓顶部的分流作用，及两转子 的转速不同，可使胶料在左右密炼室中进行折卷 捣换。其中一侧转子前面的部分胶料（高压区） 被挤压到对面密炼室转子后面（低压区），并随 之带入料斗中。彼此往复捣换，如两台相邻开炼 机连续倒替混炼时相似。
卸料部分 Discharge section
体
传动装置部分Drive section
结
底座
构
五 加热冷却系统 Heating＆cooling system
个 气压系统 Compressed air system
系
液压系统 Hydraulie system 电控系统 Elestric controller (system)
3.1.2 基本结构
❖
密炼机主要由转子、密炼室、密封装置、加料
及压料机构、卸料装置、传动装置、气动控制系统、
液压系统、加热冷却系统、润滑系统及电控系统等
部分组成。
整体结构
混炼部分Mixing section
加料部分 Feed module section
整
六个部分 压料部分Pressure ram section
3.2 主要参数
❖
反映密炼机工作性能的主要参数为混炼室总容
量与工作容量、转子的转速与速比、上顶栓对物料
的压力、传动功率、生产能力等。
3.2.1 混炼室总容量与工作容量
❖
混炼室总容量是指上顶栓落下、卸料门关闭时，
混炼室与转子之间的空腔容量，在量值上等于混炼
室的容量减去两转子的体积。
❖
混炼室的工作容量是表示每次可被捏炼的胶料
3.1.4 技术特征与规格表示
密炼机的规格一般以密炼室的工作容量和转子的转速， 并冠以相应的符号来表示。 如X(S)M-250/40. 其中，X表示橡胶用，S表示塑料用；M表示密炼机；250表 示混炼室的工作容量，L；40表示转子的转速，r/min。 如XM75/35*70表示工作容量为75L的双速（35r/min和 70r/min）密炼机。
受到不断变化反复进行的强烈剪切和挤压作用，使
胶料产生剪切变形，进行了强烈的捏炼。由于转子 有螺旋棱，在混炼时胶料反复地进行轴向往复运动， 起到了搅拌作用，致使混炼更为强烈。
密炼机的炼胶过程是比较复杂的，我们可以从下面的 图简单地表示炼胶过程。
混炼过程
基 本 步 骤
1、细分（ break）
2、混入(捏炼) （ intermix，blend）
（1）转速
转子的转速是密炼机主要性能指标之一。
转
功率消耗
子
炼胶质量
转 速
生产能力
混炼成本
转子转速对生产能力的影响
❖ 炼胶效率的高低，取决于施加在胶料上的剪切力的大小，而 剪切应力受剪切速率的影响。由下式可看出：
u－胶料的粘度 m－流变常数
由此可见，剪切速率随转速的增大而增大。转对于某以 特定的密炼机来说，h是个常数，γ的大小仅有转速而定。转 速越高，γ越大，胶料变形越快，捏炼效果越好，混炼时间越 短，生产能力越高。因此说，提高转速室提高生产能力最有 效的途径之一。
❖ 因为胶料与转子表面的摩擦力T企图阻止胶料轴向移 动，故要使胶料产生轴向移动条件是：
❖ Px>Tx ❖ P • sinα >P • tanρ• cosα
❖ P •tanα>P • tanρ ❖ tanα>tanρ ❖ α>ρ
❖ ρ－为胶料与转子金属表面的摩擦角，随胶料温度变 化而变。一般情况下，胶料与金属表面的摩擦角
开炼机
开放式炼胶机
劳动强度大 缺点 效率低
粉尘大
基础
一般均认为
密炼机
Banbury在1916年发明的
全称（在密闭的密炼室中）
密闭式炼胶机
实际最早是由德国W&P公司的一名商业工程师（英 国人）根据该公司的原型机台设计的，由于其发展 较快，产量也大应用较广，故人们一直认为Banbury 密炼机是最早问世的。
密炼机的结构也在不断发展。密炼机工作过程及整 个机组的机械化、自动化水平也在不断提高，采用了程 序控制，现在大型引进机台均采用计算机控制。
总之，此种发展是在大大强化混炼过程，提高机台 效能，减轻体力劳动和改善工作环境等。
在这种剧烈的混炼过程中，当然会带来许多新问题， 因此，对机械研究设计来说，从机台的捏炼系统、冷却 系统、密封系统、加料及压料系统、卸料系统、传动系 统、控制系统、主要零部件、材料到各种参数的技术决 定以及理论，都需要相应的发展，以使机台性能优良， 为生产过程提供可能的适应性和调节性。
（A）密炼机中流线和填充情况示意图 （B）局部放大，转子突棱棱峰处物料流动情况
❖
转子表面与密炼室内壁间形成了一个环形间隙，当胶
料通过此环形间隙时，则受到捏炼作用。
❖
由于转子表面制有螺旋突棱，它与密炼室形成的间隙
是变化的（如XM-50密炼机间隙为4-80mm,XM-250密炼
机间隙为2.5-120mm），最小间隙在转子棱峰与密炼室内
壁之间。当胶料通过此最小间隙时，受到强烈的挤压、剪
切、拉伸作用，这种作用与开炼机两辊距的作用相似，但
比开炼机的效果要大的多。这是由于转动的转子与固定不
动的室壁之间胶料的速度梯度比开炼机大的多，而且，转
子突棱与密炼室壁所形成的透射角尖锐。胶料在转子突棱
尖端与密炼室内壁之间边捏炼，边通过，同时，还受到转