密炼机的概述和设计

密炼机的概述和设计

1.概述

1.1密炼机简介

密炼机包括其上下辅机,是我国发展最快、配套最全、规格最多、品种最新的橡胶机械之一。密炼机亦称密闭式炼塑机，是在开炼机基础上发展起来的一种高强度间歇混炼设备。但是，密炼机与开炼机相比有以下的优点：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。密炼机的出现是炼胶机械的一项重要成果，至今依然成为塑炼和混炼中的典型的重要设备，并处于不断发展完善中。各大型塑料橡胶机械企业和各国的科学人员对密炼机进行大量的研究和发明。其中，四棱椭圆同步转子是密炼机发展最快的一种，经实践证明，四棱椭圆转子密炼机大大地提高了混炼效果，改善了物料的分散性，是许多厂家模仿的对象。

密炼机是聚合物加工的主要设备之一,在橡胶工业中尤显重要。转子是密炼机的关键工作部件,其结构及形状设计合理与否直接影响机台的能耗、生产能力和胶料的质量(配合剂在橡胶中的分散和均匀程度) 。因此,加强对转子构型设计的开发研究,以期设计制造出结构合理和先进的转子,一直是聚合物加工行业努力的目标之一。但是由于转子几何结构复杂,影响因素多,且涉及聚合物材料复杂的粘弹特性,导致其开发研究进展缓慢,设计多采用基于实验观察的类比和放大方法。随着聚合物加工理论和生产技术的发展,新材料和新工艺对加工设备提出了更高的要求。转子造型的更新换代周期日益缩短,要求加快设计过程,缩短设计周期;同时,设计的完善和制造的精确与否对转子的工作性能、使用价值和制造成本都有决定性的影响,并关系到制品生产厂家的经济效益。在这种形势下,传统的转子设计方法已日渐不适应生产发展的需要。

1.2密炼机的发展

1国外的密炼机的发展

混炼胶料质量的好坏直接影响着橡胶制品的质量和性能。近年来，为了满足橡胶制品行业对新胶料和新配方的混炼要求，世界上各主要的密炼机生产厂家不断地开发和研究出各种新系列的密炼机，其结构更具科学性，更适合于自动化操作。目前国际上应用最为广泛的密炼机有：①以美国Farrel公司为代表的Banbury式F系列密炼机，采用的是切线型转子；②以英国Francis.Shaw公司为代表的K型密炼机，采用的是啮合型转子；

③以德国W＆P公司为代表的GK型密炼机，这种类型的密炼机有两系列，一个是GK-N 系列切线型转子密炼机，另一个是GK-E系列啮合型转子密炼机。

1.2.2 国内密炼机的发展

解放后，我国国产的密炼机已从无到有地迅速发展起来。如先后生产了250升、20转/分；250升，20、40转/分；30、60转/分；75升，35、70转/分；以及50升等规格的密炼机。国产密炼机由原先的开炼机间歇下片发展到双螺杆加辊筒机头连续出片，再经过“步进”悬挂、封闭式冷却，直至切割叠放，实现了全机联动。今天的国产密炼机完全可以实现大功率、强剪切、高分散、快速混炼。其转子已有单速、双速、无级调速

之分。无级调速可根据配方工艺不同进行转速调整。翻斗式密炼机（加压式捏炼机），这种设备现已在中小橡胶厂全面普及，其的优势是价格便宜、安装容易、操作便利。现在的密炼机的开发动向，越来越注重其特殊功能。如真空密炼和充氮密炼，对某些厌氧的胶料配方尤其重要。

1.3 密炼机的工作原理

1.3.1一般原理

在炼胶时，生胶和配合剂加入到密炼室后，物料就在两个具有螺旋棱的、有速比的、相对回转的转子与密炼室壁、上顶栓、下顶栓组成的捏炼系统内受到不断地变化的反复进行的强烈剪切和挤压作用，是胶料产生剪切变形，进行了强烈的捏炼。由于转子有螺旋棱，在捏炼时胶料反复地进行轴向往复运动，起到了搅拌作用，至使捏炼更为强烈。胶料在捏炼过程中，其经受流动和变形的捏炼作用是很复杂的，大致可分为四种作用：（1）转子突棱顶与密炼室内壁间隙的捏炼作用（对于椭圆转子密炼机，这一作用是重要的）；

（2）转子间的搅拌作用；

（3）转子间的折卷作用；

（4）转子间的轴向往返切割、搅拌作用。

从高分子材料加工流变学知胶料在加工过程中是属非牛顿型流体。混炼过程的流动形态较复杂，大体上分两个步骤：首先，要把这些粒状固体和液体配合剂，在外力作用下，混入到生胶形成粘结块（称之为简单混合）；其后，再把这些已形成的粘结块进一步分散均匀（也称之为强烈混合）。简单混合主要由剪切变形而定，强烈混合主要是用一定的剪切应力把粘结块压碎并进一步分散，当剪切应力低于压碎粘结块所必须的程度，就难于起到进一步分散效果。实践证明，良好的分散，需要高的剪切应力。

换言之，要使简单混合进行得好，要求橡胶流动变形速度要快，要求橡胶软一些，即粘度要小，要使强烈混合强烈，则要求橡胶硬一些，即粘度要大，这样胶料吸收的剪切力就大，分散效果就会好。否则难于达到好的分散效果。这是一个过程中流动性质的变化问题。

1.3.2 混炼过程及机理

橡胶塑料的混炼过程大致上可分为 3 个阶段: ①胶块的伸展变形与填料或添加剂的混入;②填料或添加剂与胶块组成的聚集体均匀分布; ③聚集体的破碎及其在橡胶中的分散。其中,混入和分散效果的优劣主要取决于物料能否顺利进入转子凸棱前沿与密炼室壁构成的月牙形区并通过间隙,使物料受到强烈的挤压、拉伸和剪切作用,并产生较大的形变。而要达到均匀分布,关键在于胶料能否在密炼室内形成有效的轴向循环运动。在密炼过程中,胶料在两转子和密炼室壁的作用下的流动主要由三部分组成: ①沿凸棱作轴向移动; ②进入两转子之间和凸棱与室壁之间构成的高剪切区(间隙区) 形成剪切和拉伸流动; ③被凸棱驱赶沿室壁作圆周运动。显然,要强化密炼机的分散和分布混炼效能,应在保证第2 种流动的前提下,尽量削弱第3 种流动而增强第1 种流动。换言之,应尽可能使间隙区以外的胶料参与轴向循环运动。

1.3.3 同速同向转子密炼机的混炼原理

同速同向转子密炼机两转子的线速度( v ) 方向相反,故其速度梯度为d v / d y = ( v1 + v2 ) / h0 ,即最大剪切速率为v / h ( v1 = v2 , h0 = 2 h , h 为转子棱峰与密炼室内壁的间隙) , 因此, 在两转子之间,也会产生较大的剪切作用。这样,同速同向转子密炼机存在两个高剪切区: (1) 转子凸棱与密炼室内壁之间的间隙; (2) 两转子之间的区域。由此可见, 同速同向转子密炼机既有同速异向转子密炼机混炼均匀性好、胶料质量高的特点,又有异速异向转子密炼机在两转子间有速度梯度, 增进混炼效率的特点。

1.4 同步技术转子的优点

同步技术转子(简称ST 转子-- synchronoustechological rotor) ,是美国法雷尔公司1980 年开始研制,1988 年正式用于生产,国外用户已有80 %采用此种转子。同步技术转子的速比将传统使用的速比1.16：1改为1：1；转子在等速操作时，ST转子的结构和转子之间的相互作用大大提高了物理和流变参数的均匀性。各种参数的标准偏差缩小后，能确保加工工艺的优化和提高最终产品的质量。由于湍流作用可以不断地将配合剂导向强混炼区，因此转子相互作用空间中的湍流作用的改善，不仅改善了分布功能，也改善了分散功能，可以增强胶料有一个转子向另一个转子进行有效的变换，使胶料在整个混炼室内的流动呈循环状。另外还增加了转子短棱的螺旋角和轴向长度，形成了两个棱的明显重叠，但在分散混炼的最佳区域的转子棱峰周围未加改动。这种改进的引人注目的效果是：在转子相互作用区域提供了附加的混炼作用，特别是当两个转子处于相对位置时，保证了胶料横向的主要部分能充满每个半混炼室的整个长度。此外在任何轴向截面处都增大了便于胶料流动的开放区域，以便胶料不受阻力的流动。

1.5 四棱转子形状及其结构特点

目前，国内引进的法勒尔密炼机与其相配的四棱转子均为本伯里椭圆形转子，其形状繁多，在图1中列出几种，其中a为普遍使用的形状。可见主要的不同点如下：转子棱的相位排列方式、长度之比和螺旋角。