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青岛科技大学研究生学位论文 橡胶连续混炼机理及实验研究 摘要 目前，在橡胶制品行业尤其是轮胎制造业，密炼机是最主要也是最关键的 混炼加工设备，它所生产的混炼胶的质量直接决定着轮胎的质量。不可否认， 如今的密炼机混炼技术已经很成熟，但它也有着无法避免的缺点，如各批次间 混炼胶质量不均一、能耗高、间歇加工造成热量的损失以及密炼机辅助系统相 对复杂等。而橡胶连续混炼机却可以改变这一弊端，使得连续混炼工艺技术成 为近年来国内外学者研究的重点方向。经过几十年的探索，目前国内外连续混 炼技术水平已经有了很大提高，也出现了各种类型的连续混炼机，然而现有的 连续混炼设备大都存在一个重大缺陷，就是它要求喂入的原胶料必须是粒状或 粉状橡胶，无法实现块状橡胶的连续混炼，这就严重制约了连续混炼设备的发 展和工业化推广。本课题组针对这一状况，经过多年的研究，研发出了一套新 型可适用于原胶料为块状橡胶的连续混炼装备，实现了橡胶连续混炼技术的新 突破。本文主要研究橡胶连续混炼的机理，以及对机台结构进行设计和实验性 能的测试，所做的主要工作如下： 1 、通过查阅大量相关文献和资料，对国内外橡胶连续混炼机的发展状况进 行了总结和分析。通过研究块状橡胶在连续混炼过程中的变化情况，建立了其 物理和数学模型，并初步建立了橡胶连续混炼机理。 2 、与本课题组成员一起共同研发出了适用于块状橡胶的连续混炼装备，在 转子和机筒的结构设计上实现了创新。连续混炼机转子汲取了密炼机啮合转子 和剪切转子的优点，根据其结构特点开发出了适用于本设备的相应元件，并引 入了大导程和齿形元件等新型结构。机筒采用剖分式结构，便于在实验过程中 对机筒内胶料状态进行直观地研究和分析。 3 、采用胎面胶配方进行了大量的橡胶连续混炼实验，通过改变转子结构元 件的种类和改变转子结构元件的位置等方式分别实验，得到最佳的转子结构和 组合形式。并根据实验过程中出现的不足，以及对实验结果的分析，进一步研 发出了新型的转子结构元件，完成了对整套设备的优化、改进和创新。 4 、通过橡胶连续混炼实验与密炼机间歇混炼对比实验，对混炼胶的质量性 能和各批次间的均匀性，能耗及生产效率等方面的优劣进行了比较。并分析了 影响这些性能指标的主要因素，包括转子转速、力n - t 温度和转子构型等，得到 橡胶连续混炼机理及实验研究 了连续混炼机的最佳混炼工艺参数为转子转速3 0 r m i n ，机筒温度8 0 c ，转子 构型为构型。 关键词：连续混炼机混炼密炼机转子混炼机理 i i 青岛科技大学研究生学位论文 r e s e a r c ho nr u b b e rc o n t i n u o u s m i x i n g 匝c h a n i s ma n de x p e r i 匝n t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h em i x e ri st h em o s ti m p o r t a n ta n dc r i t i c a lm i x i n gp r o c e s s i n g e q u i p m e n ti nt h er u b b e ri n d u s t r y ，e s p e c i a l l yi nt h et i r em a n u f a c t u r i n g t h eq u a l i t yo f i t sg r o s sr u b b e rd i r e c t l yd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo ft h ef i r e s a d m i t t e d l y ，t h ep r e s e n t t e c h n o l o g yo fi n t e m a lm i x e ri sa l r e a d yv e r ym a t u r e ，b u ti ta l s oh a ss h o r t c o m i n g st h a t c a l ln o tb ea v o i d e d s u c ha se a c hb a t c ho fg r o s sr u b b e rh a st h eu n e v e nq u a l i t y ，t h e m i x i n gp r o c e s sh a sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，i n t e r m i t t e n tp r o c e s s i n gr e s u l t si nh e a t l o s s ，a n dm i x i n g a s s i s t e ds y s t e mi sr e l a t i v e l yc o m p l e x r u b b e rc o n t i n u o u sm i x e r d o e sn o th a v et h ed r a w b a c k s ，w h i c ht h em i x e ra n do t h e ri n t e r m i t t e n tp r o c e s s i n g e q u i p m e n tc a l l n o to v e r c o m e t l l i sm a k e st h ec o n t i n u o u sm i x i n gt e c h n o l o g yt o b e c o m et h ek e yd i r e c t i o n so fd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r si nr e c e n ty e a r s a f t e r d e c a d e so fe x p l o r a t i o n ，t h el e v e lo fc o n t i n u o u sc o m p o u n d i n gt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a dh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ；t h e r eh a v eb e e nv a r i o u st y p e so fr u b b e r c o n t i n u o u sm i x e r h o w e v e r ，t h ee x i a i n gc o n t i n u o u sm i x i n ge q u i p m e n th a sam o s t m a j o rf l a wt h a t i t r e q u i r e st h ef e e d i n go ft h eo r i g i n a lp l a s t i cm a t e r i a lm u s tb e g r a n u l a ro rp o w d e r e dr u b b e rc a n n o ta c h i e v et h ec o n t i n u o u sm i x i n go ft h eb l o c ko f r u b b e r ，w h i c hs e r i o u s l yh a m p e r e dt h ed e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a lp r o m o t i o no f c o n t i n u o u sm i x i n ge q u i p m e n t a f t e rn e a r l yt h r e ey e a r so fe f f o r t ，t h et a s kf o r c eh a d d e v e l o p e das e to fn e wa p p l i c a b l ec o n t i n u o u sm i x i n ge q u i p m e n t ，w h i c hc a l lm i x b l o c kr u b b e r , a n dr u b b e rc o n t i n u o u sm i x e ra n dt e c h n o l o g yb r e a k t h r o u g h s n l i s p a p e rs t u d i e s t h em e c h a n i s mo fr u b b e rc o n t i n u o u sm i x i n g ，a sw e l la st h es t r u c t u r eo f t h em a c h i n ed e s i g na n de x p e r i m e n t a lp e r f o r m a n c et e s t i n g ，t h i sa r t i c l eh a sd o n et h e m a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ha c c e s st oal a r g en u m b e ro fm i m e dd o c u m e n t sa n di n f o r m a t i o n ，t h i s a r t i c l es i m p l ys u m m a r i z e dd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr u b b e rd e v e l o p m e n to ft h e c o n t i n u o u sm i x e r t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sh a db e e ne s t a b l i s h e d ，a n d i l l 橡胶连续混炼机理及实验研究 an e wm e c h a n i s mo f r u b b e rc o n t i n u o u sm i x e rh a db e e ne s t a b l i s h e db ys t u d y i n gt h e g e lc h a n g e si nt h ep r o c e s s i n go fc o n t i n u o u sm i x i n g 2 o u rg r o u ph a dd e v e l o p e dc o n t i n u o u sm i x i n ge q u i p m e n tf o rb l o c kr u b b e r , a n d i n n o v a t e di nt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h er o t o ra n db a n e 1 c o n t i n u o u sm i x e rr o t o rt o l e a r n t h ea d v a n t a g e so ft h em i x e rm e s h i n gr o t o ra n ds h e a rr o t o r ，a n dw eh a d d e v e l o p e dt h ee q u i p m e n tc o r r e s p o n d i n gc o m p o n e n t sa c c o r d i n gt ot h e i r s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n d i n t r o d u c e dt h en e ws t r u c t u r eo ft h e b i gl e a da n dt o o t h c o m p o n e n t s t h eb a r r e ls p l i ts t r u c t u r et o f a c i l i t a t et h ea n a l y s i so ft h es t a t eo ft h e m a c h i n eb a r r e lp l a s t i cm a t e r i a ld u r i n gt h ee x p e r i m e n t 3 al o to fr u b b e rc o n t i n u o u sm i x i n ge x p e r i m e n t sh a db e e nd o n eu s i n gt h e f o r m u l ao ft r e a dc o m p o u n d t h eb e s to ft h er o t o rs t r u c t u r ea n dc o m b i n a t i o nh a d b e e nf o u n db yc h a n g i n gt h er o t o rs t r u c t u r a lc o m p o n e n tt y p e sa n dt h ep o s i t i o no ft h e r o t o rs t r u c t u r a le l e m e n t s a n di na c c o r d a n c ew i t ht h es h o r t f a l li n t h ee x p e r i m e n t ，a n d a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w eh a dd e v e l o p e dan e wt y p eo fr o t o rs t r u c t u r a l e l e m e n t s ，a n dc o m p l e t e da s e r i e sw o r ko fe q u i p m e n to p t i m i z a t i o n ，i m p r o v e m e n ta n d 4 t h r o u g ht h er u b b e rc o n t i n u o u sm i x i n ge x p e r i m e n ta n di n t e r m i t t e n tm i x i n g e x p e r i m e n t s ，t h eq u a l i t yo fg r o s sr u b b e r ，t h eu n i f o r m i t yb e t w e e ne a c hb a t c h ，e n e r g y c o n s u m p t i o n ，p r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw e r ec o m p a r e d a n d t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e s ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sw e r ea n a l y z e d , i n c l u d i n gt h er o t o rs p e e d ，p r o c e s s i n gt e m p e r a t u r ea n dr o t o rc o n f i g u r a t i o n a n dt h e b e s tc o n t i n u o u sm i x i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sh a db e e nf o u n d ，t h a t sr o t o rs p e e d3 0 r m i n , t h eb a r r e lt e m p e r a t u r e8 0 ca n dt h er o t o rc o n f i g u r a t i o nl l i k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sm i x e r , m i x i n g ，m i x e r ，r o t o r , m i x i n gm e c h a n i s m 青岛科技大学研究生学位论文 j _ - 刚舌 近年来，随着汽车、煤炭、矿山和新材料等工业的迅速发展，轮胎等橡胶 产品消耗量日益增加。据估计，2 0 1 1 年中国橡胶消耗总量达7 0 0 万吨，世界消 耗总量达2 5 7 0 万吨。毋庸置疑，中国是世界上首屈一指的橡胶消费大国，虽然 国内橡胶产量也很可观，但仍然不能满足国内需求。因此，橡胶能源的节约显 得尤为重要，这就需要橡胶加工中具备高利用率，通过提高橡胶的加工质量来 延长橡胶制品的使用寿命等，以实现橡胶资源的节约。从人类发现橡胶的重要 性以来，橡胶的混炼加工设备从最初极为简陋的开炼机，到如今日益成熟的密 炼机，加工质量可谓有了飞跃性的提高。目前，橡胶的混炼加工几乎都是采用 密炼机，经过几十年的发展，尤其密炼机辅助系统及设备技术的大大提高，这 种加工方式如今已很成熟，加工质量有了很大保证，基本满足了轮胎等橡胶行 业的需求。然而，采用密炼机对橡胶的混炼加工如同开炼机一样，是一种间歇 加工方式，存在着诸如各批次问混炼胶质量不均一、混炼胶停放造成的热量损 失、设备能源消耗较大以及需配备庞大的辅助喂料计量系统等问题。 针对密炼机的这些不足，近些年国内外专家提出了混炼胶连续化生产技术， 连续混炼技术相对于间歇式混炼有着很多优点：连续混炼机不需要进行周期性 的加料和卸料，可以充分发挥混炼机的混炼能力，进行连续化生产，从而提高 单位机台的生产能力，大大提高生产效率；连续混炼机可以在稳定的机械条件 和热条件下混炼胶料，可有效地利用调整和控制手段，使混炼过程按最佳水平 进行，保证了混炼胶质量的均一性；采用连续混炼技术可以使自动化程度大大 提高，降低劳动强度；连续混炼工艺能量消耗少并且稳定，实现能源的节约： 使用连续混炼机进行连续混炼，可以省去相关的辅助设备，这就大大地简化了 生产设备，节约占地面积，降低了生产设备投资。目前已出现了以粉末橡胶、 粒状橡胶为混炼对象的连续混炼机生产设备，连续混炼的自动化程度可以非常 高，混炼质量均一性以及能源节约方面都有了一定提高。因此，胶料的连续混 炼越来越受到关注。 针对目前连续混炼设备混炼的胶料必须是粉未状或粒状这一缺点，经过多 年的努力，本课题组研究研发了以块状橡胶为原材料的橡胶连续混炼机。实现 了真j 下意义上的块状橡胶的连续混炼。随着自动化技术的发展和低能耗少污染 的要求，高效低耗的连续混炼设备必将成为未来发展的方向，连续混炼机也将 成为未来橡胶工业的主要设备。 本文所做的主要工作是研究连续混炼机的混炼机理，建立机筒内胶料的混 橡胶连续混炼机理及实验研究 炼物理和数学模型，通过大量的实验寻求连续混炼机的最佳混炼工艺参数、最 佳的转子结构元件和转子组合形式，并通过分析实验中出现的不足和由实验结 果得到的结论，对整套设备的结构进行优化和创新设计。由于块状连续混炼技 术的研究尚处在初级阶段，加上橡胶混炼过程的复杂性以及本人实践经验和理 论水平的局限性，论文中定存在诸多瑕疵，恳请各位专家、学者不吝斧正。 2 青岛科技大学研究生学位论文 i 绪论 1 1 混炼技术在橡胶加工中的地位和作用 我国的橡胶工业正以高于世界橡胶工业两倍的速度向前发展，特别是近几 年来，汽车工业的迅速发展带动了轮胎工业尤其是子午线轮胎的飞速发展，同 时也推动了橡胶技术与装备的不断进步，出现了许许多多的新型机械设备。但 是，无论橡胶、塑料还是橡塑共混制品，在其加工过程中，都离不开它的第一 道工序一混炼或混合。 所谓橡胶混炼，就是将各种配合剂混入生胶中，以制成质量均匀的混炼胶 的过程，也就是橡胶与各种配合剂的混合与分散过程。就其本质来说是配合剂 在生胶中均匀分散的过程，粒状配合剂呈分散相，生胶呈连续相。在混炼过程 中，橡胶分子结构、分子量大小及其分布、配合剂聚集状态均发生变化。通过 混炼，橡胶与配合剂起了物理及化学作用，形成了新的结构。混炼胶是一种具 有复杂结构特性的分散体系。由于生胶的粘度很高，为使配合剂渗入生胶中并 在其中均匀混合和分散，必须借助于炼胶机的强烈机械剪切作用。 可以说，混炼是橡胶制品加工过程中，第一道也是最重要的一道工序，是 橡胶加工最基本的过程，加入配合剂后的混炼胶料的质量，对半成品的工艺性 能和成品质量均具有决定性影响。因此混炼胶效果的好坏，将直接影响到橡胶 制品的质量、性能及使用寿命。对混炼胶的质量要求，主要表现在两个方面： 一是要求胶料具有良好的工艺加工性；二是要求胶料能保证成品具有良好的使 用性能，或者，要求混炼胶具有良好的物理机械性能。故混炼操作要求配合剂 均匀混合并分散到生胶中去，达到一定的分散度；胶料的可塑度要均匀适当， 以满足后续加工工艺的顺利进行；补强剂与生胶在界面上能产生一定的结合作 用；另外，在保证混炼胶质量的前提下，力求混炼速度快，生产效率高，单位 能耗低。而在混炼过程中，决定混炼胶质量的，除了需要工艺工程师提供完善、 合理的配方外，更重要的还在于混炼设备、混炼方法和工艺条件。 混炼过程是一个相当复杂的过程，对其产生影响的各因素之间，也是互相 矛盾和相互制约的，甚至无法同时兼顾。故必须对其进行系统的理论研究，并 辅以相应的实验测试和验证。例如，为了提高速度而缩短混炼时间，则可能造 成胶料的混合均匀程度和配合剂分散度降低：为了进一步提高配合剂在混炼胶 中的分散均匀度和便于后续加工，并使胶料具有一定的可塑度而延长混炼时间， 橡胶连续混炼机理及实验研究 则会损害硫化胶的物理机械性能和成品的使用性能，还会增加单位能耗。为此， 必须制定合理的混炼条件，并在混炼过程中严加控制，而其中最重要的还是要 选择好用的混炼设备。目前的混炼设备主要有开炼机和密炼机，它们属于间歇 式混炼设备。随着近年来科技水平的提高，可以实现低能耗、连续化生产的橡 胶连续混炼机逐渐成为了混炼设备发展的新方向。 1 2 橡胶连续混炼技术的发展概况 1 2 1 国外发展现状 目前广泛使用的橡胶混炼设备是密炼机，其工作方式为间歇混炼，分批次 加工混炼胶，每次操作条件的差异很容易引起混炼胶质量不均一等问题，而且 设备能耗高。因此，连续稳定、高效低耗的连续混炼技术逐渐成为橡胶工艺发 展的新方向。 连续混炼机的雏形最早是在1 8 8 1 年由p a u lp f l e i d e r c r 构想出的。在1 9 4 1 年， e l l e r m a n n 改进了他的方案，并由k r u p p 制造出第一台相互紧密配合的连续混炼 机。在二次大战其间，e l l c r m a n n 又研制了两台新型的异向双转子混炼机，但都 是出于商业目的，并没有真正投入到实验和生产中去。国外连续混炼机的发展 大致可以分为以下三个阶段： 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代到2 0 世纪7 0 年代，出现了混炼挤出组合式连 续混炼机。这种设备在结构上既具有密炼机的转子又包含挤出机的螺杆，概括 地说，此类形式的连续混炼机实质上是密炼机和挤出机两种设备的综合体。典 型的设备主要有以下几种： ( 1 ) 前苏联研制的连续混炼机 前苏联研制的比较典型的连续混炼机是由m m e 且otkhh 和b a m3bekob 发明的【2 】，结构示意图如图1 1 所示。其主要结构包括一对圆 筒形啮合转子和一根挤出螺杆，传统密炼机中的卸料机构被螺杆挤出机取代。 隔胶块将整根螺杆分为前后两段，前段螺杆起到将胶料输送到转子区域，并对 胶料进行预混合的作用；后段螺杆的主要作用是将转子混炼好的胶料进一步补 混，并将其输送到机头挤出成片。在工作时，胶料通过挤出机部分的喂料口进 入机筒内腔，在前段螺杆的作用下进入密炼机转子区域的密炼室内，经过此空 腔内一对圆筒形转子的充分混炼之后排出，在后段螺杆的进一步混炼和输送作 用下，经机头口模挤出混炼胶片。为了保证胶料在混炼室内的混炼时间，提高 胶料的混炼质量，可以将螺杆做正向和反向回转运动，或者使其在沿轴线方向 上前后往复移动。此类连续混炼机适合粒状、粉状和具有较好流动性的物料的 2 青岛科技大学研究生学位论文 混炼加工。 图卜1 前苏联的连续混炼机结构示意图 f i g 1 - 1f o r m e rs o v i e t sc o m i n u o u s m i x e rs t r u c t u r ed i a g r a m ( 2 ) 新型混炼捏合机 新型混炼捏合机结构如图1 - 2 所示，常用在混炼硅橡胶时母炼胶与添加剂 的混炼。这种混炼机主要结构包括转子和混炼室、螺杆挤出机构以及安装底座。 螺杆挤出结构位于转予和混炼室的下方，双螺杆平行于转子放置，而且方向相 同，双螺杆运动形式为同向旋转。混炼室采用可拆卸式结构，侧壁通过螺栓与 下方机筒固定连接。整个混炼工艺大致如下：将计量好的各物料喂入混炼室内， 盖上混炼捏合机的密封端盖，设备开始执行混炼任务，达到预设的混炼时间后 启动螺杆挤出机构，并考虑适合物料自身合理的混炼时间，调节卸料口的开合 程度和螺杆转速；物料在经过转子的混炼之后，自动移动到螺杆挤出部分，在 螺杆的混合、分散、剪切和输送作用下，进一步提高混炼程度和混炼效果，并 在螺杆的推送作用下完成排料。 图卜2 新型混炼捏合机结构示意图 f i g 1 - 2n e wm i x & m i xp l a s t i c ss t r u c t u r ed i a g r a m ( 3 ) 法雷尔的m v x 混炼机 法雷尔的m v x 混炼机f 3 4 】的主要包括密炼机和挤出机两部分。其中密炼机 主要由一对比普通密炼机的转子长径比更大的三角形转子和密炼室组成，挤出 机位于密炼机的下方，在工作时密炼机和挤出机同时运转，保证胶料的混炼、 挤出连续完成。加压料部分采用结构相对简单的气动上项栓，每次完成加料后， 橡胶连续混炼机理及实验研究 由气压上顶栓将物料压入密炼室内进行混炼。法雷尔m v x 混炼机的整体结构 如图1 3 所示。在混炼室内当三角形转子对物料进行剪切、分散和混合时，通 过滚动和堆积作用，形成六个胶团。为了避免还没有经过充分混炼的胶料落入 挤出机内，在密炼室的下方设有挡胶板，阻止滚动堆积的下落，保证胶料在混 炼室内的混炼质量。当胶料充分混炼完毕后，依靠密炼机的加料口与卸料口之 间的压差作用，实现胶料由密炼机转入挤出机的功能，这是因为密炼机的三角 形转子没有轴向排胶的能力。本设备的挤出速度决定着其生产能力和生产效率。 当所混炼胶料含有空气、水分或者其他具有挥发性的气体时，可以通过螺杆末 端的出气口排出。法雷尔m v x 混炼机可以配备造粒机头或胶片口模，挤出希 望得到的胶料形状，满足生产的需要，该设备适用于粒状或粉末橡胶的生产加 工。 x - x 副面 图1 - 3 法雷尔m v x 结构示意图 f i g 1 - 3f a r r e l lm v x s t r u c t u r ed i a g r a m 第二阶段：自2 0 世纪6 0 年代末至2 0 世纪末，国外一些单位开发出转子螺 杆组合式的连续混炼机，此类设备不但具有挤出机螺杆连续挤出的优势，还具 有密炼机转子的强力剪切功能。这种具有特殊结构形式的连续混炼设备，占据 了橡胶连续混炼机行业的主导地位，推动了连续混炼技术的快速发展。其中最 具代表性的设备有以下几种。 ( 1 ) f c m 连续混炼机 法雷尔公司研制的f c m ( f a r r e lc o n t i n u o u sm i x e r ) 连续混炼机，是最早的 真正意义上的连续混炼机1 5 6 1 ，它不同于密炼挤出组合式的先混炼后挤出的加 工工艺，而是采用类似螺杆挤出机的结构同步完成胶料的混炼和挤出，其结构 示意图如图1 4 所示。f c m 连续混炼机在保留密炼机转子优异混炼特性的同时， 还克服了其间歇式生产的缺点，实现了连续化生产。该设备中的两转子外形类 似挤出机的螺杆，安装在光滑的混炼室内，做相对旋转运动，长径比约为1 5 ： 1 。该转子大致可分为喂料段、混炼段和挤出段，喂料段位于转子的前端，主要 起胶料输送的作用；混炼段位于转子的中后部，结构类似密炼机的转子，具有 4 青岛科技大学研究生学位论文 强力剪切物料和分散混合的作用；转子的最末端为挤出段，作用是将混炼好的 胶料输送并挤出。工作时，各种物料通过加料口进入混炼室，经转子的输送、 混炼和挤出作用，最终由最末端上的卸料口，将混炼好的胶料排出混炼室。通 过调节卸料门开启的大小，完成对胶料在混炼室内的混炼时间的控制。 图卜4f 铡连续混炼机 f i g 1 - 4f c m c o n t i n u o u sm i x e r f c m 连续混炼机具备优异的混炼性能，对高填充胶料的分散混合效果明 显，生产能力大，生产效率高，而且该机可以根据不同的生产要求自由选择不 同的转子构型，保证混炼加工质量。由于采用类似密炼机的转子结构，连续混 炼机的转子在此部位对混炼胶料没有轴向输送的能力，胶料的轴向移动依靠进 料口压力高和出料口压力低而造成的压差来完成。f c m 连续混炼机适用于高剪 切速率和温度较高的物料的混炼，也可用于低剪切率以及对温度较敏感的物料 的混炼1 6 j 。 ( 2 ) 双轴连续混炼机 法雷尔公司继f c m 连续混炼机后又研制开发了双轴连续混炼卡几【7 1 ，结构 如图1 5 所示。该机主要包括三部分：前段混炼部分、连接部分和后段混炼部 分。其中，前段混炼部分主要由喂料口、机筒组成的混炼室和具有强力剪切功 能的双转予，在结构上与f c m 连续混炼机相似。后段混炼部分可以对混炼过 的胶料进行补充混炼，提高胶料的混炼效果，并将胶料由出料口挤出。连接部 分将前后两段混炼部分连成一体，依靠气缸开合机构控制胶料由前段混炼向后 端混炼的进出。根据不同的混炼工艺或不同的混炼对象，可以选择合适的连续 混炼机转子的结构形式，来达到需要的混炼目的。 图1 - 5 双袖连续混炼机 5 橡胶连续混炼机理及实验研究 f i g 。1 5b i a x i a lc o l l t i i l u o i 培i l l i x c a 第三阶段：从2 0 世纪末至今，开始出现在挤出机技术平台的基础上发展起 来的橡胶连续混技术。尤其是2 1 世纪初，双螺杆挤出机的迅猛发展推动了这类 连续混炼机的新一轮发展热潮，并主导了橡胶连续混炼技术的发展方向。此类 型的连续混炼机的转子大都具有较大长径比，而且通常被分为几个功能段，执 行不同的混炼任务，通过转子各段对胶料的不同作用既提高了胶料与粉料之间 的相互分散和混合，同时也保证了胶料在连续混炼机内充足的混炼时问。比较 有代表性的这类产品有以下几种。 ( 1 ) b u s s k n e a d e r 连续混合机 由瑞士一家公司研发的b u s s k n e a d e r 连续混合机【s 】，已有近四十年的历史， 期间我国一些高分子材料制品生产厂家也有引进该设备。单从结构上而言， b u s s k n e a d e r 连续混合机就是一台单螺杆挤出机。但是，它的螺杆形式在本质上 不同于挤出机螺杆，而且在对物料的混炼机理方面有着根本区别。如图1 石所 示，b u s s k n e a d e r 连续混合机的转子结构为组合式，每段螺纹都被分割为3 块， 从而形成具有混炼作用的螺片，螺杆在每旋转一周的同时完成一次轴向往复运 动。在机筒壁上对应的位置设有三捧静止的混炼销钉，借助销钉与螺片的相对 运动，完成对物料强有力的剪切混合作用，更为难能可贵的是这种混炼作用是 可以控制的，混合效率高，混炼质量均匀。此外，b u s s k m e a d e r 连续混合机对物 料的纵向混合效果好，温度控制十分精确，适合高粘度物料、高填充物料以及 液态物料的混合，对易降解物料的混炼效果也很好1 9 】。 ，一 ，一一。【、 “； i ：。k 图1 - 6b u s s k n e a d e r 连续混合机 f i g 。1 - 6b u s s k n e a d e rc o n t i n u o u sm i x e r ( 2 ) 双转子连续混炼机 双转子连续混炼机i i o a l l 是针对流动性较好的粉状橡胶或粒状橡胶的一种连 续混炼设备，它在结构形式上也类似于双螺轩挤出机，在转子结构上不同于双 螺杆挤出机的普通螺杆，往往引用了多种具有强力剪切作用的混炼元件，以提 高胶料混炼效果。其双转子一般具有较大长径比，根据完成的混练功能不问通 6 青岛科技大学研究生学位论文 常被分为几段，其结构示意图如图l 。7 所示。双转子连续混炼机是一种既保留 了密炼机优良的混炼特性，又可以实现连续化生产的橡胶混炼设备。 图卜7 双转子连续混炼机 f i 9 1 - 7t w or o t o rc o n t i n u o u sm i x e r ( 3 ) c c m 连续混炼机 据倍耐力公司透漏，该公司科研人员从1 9 9 8 年开始着手c c m 连续混炼机 ( 即c o n t i n u o u sc o m p o u n dm i x e r 连续胶料混炼机) 2 】的开发和研制，耗资达上千 万欧元，经过长达5 年的时间，从理论探索到整套装置的完善，终于在2 0 0 3 年 将自主设计制造的整套橡胶连续混炼装置在倍耐力的米兰b i c o c a 研发中心实际 投入生产使用。c c m 的主要组成部分包括两台双螺杆挤出机，以及配套使用的 整套精密配料、输送和投料装置，其中第一台双螺杆挤出机完成对胶料的第一 段混炼，第二台双螺杆挤出机将硫磺加入，完成与胶料的混合，并进一步混炼 胶料。整套精密配料、输送和投料装置将与橡胶混合所用到的炭黑和其他各种 小料经过严格的计量，按照准确的配方配比输送到双螺杆挤出机中内进行混炼。 据公司研发人员介绍，这套橡胶连续混炼装置生产混炼胶的能力达2 5 0k q h 1 3 1 ， 与传统的炼胶方法相比，c c m 连续混炼机不但生产的混炼胶质量更高，而且生 产成本更低。这是因为：c c m 连续混炼机比问歇式混炼设备密炼机所需要的 厂房空间小很多，这就在厂区建设方面节省了大量资源和建设成本；间歇式混 炼法生产出混炼胶后，往往需要放置几天或者几周，才能提供到下一工序进行 再加工，而采用c c m 连续混炼机就可以将原胶料充分混炼后直接挤出，并连 续供应到下一工序使用，这种连续化生产所需要的流动资金就更小；此外，c c m 连续混炼技术中采用多套气力输送装置，除橡胶外，炭黑以及其他所有的小料 几乎都是通过气力输送装置完成整个送料、计量和喂料料过程，也就大大减少 了设备操作人员，节约了人力成本。可以说，c c m 技术是橡胶连续混炼机发展 过程中的一大突破。 1 2 2 国内发展现状 我国已先后从国外引进了4 0 多套大型双转子混炼造粒机组，成功的应用于 塑料、合成橡胶的混合与造粒，每小时最大产量可达1 0 t 以上。在连续混炼机 橡胶连续混炼机理及实验研究 一二一 方面的研究处在刚刚开始的阶段，一些研究单位正在不断探索，在学习国外先 进技术的基础上，努力开发自主知识品牌的连续混炼机。 国内对连续混炼设备的研究主要是针对原材料为粉状或粒状橡胶的研究， 这类设备包括转子螺杆组合式连续混炼机和双转子连续混炼机。尤其是转子螺 杆组合式的连续混炼机，此类设备不但具有挤出机螺杆连续挤出的优势，还具 有密炼机转子的强力剪切功能。这种结构的连续混炼机由于本身的转子采用密 炼机转子的结构，但是压力温度都要低于密炼机所以对喂料的流动性有比较高 的要求，以粉末或粒状橡胶为混炼对象。这种结构类似于f c m 转子类型的连续 混炼设备。针对粒状橡胶的连续混炼设备主要是以双螺杆挤出机为载体，在螺 杆上加入混炼元件以增强混炼效果，这种方法目前还不是很成熟。 国内研究的主要连续混炼设备有混炼挤出一体机【1 4 1 ，它是青岛科技大学研 究的，上面是一台密炼机，排胶口接挤出机的进料口。胶料由密炼机加入经过 混炼由挤出机挤出，具体结构如图l 一8 所示。但该设备还是间歇加连续形式的 混炼，没能真正实现橡胶的连续喂料。 1 3 1 广以 1 2 。 鲁3 ，、 - 一# - 厂一 翁 i ：。l 、 e = j _- | 、：惑皇 j_ _ 一r】朱f l 肾广 i _ n | 蕊 = d 。 弋y副h 州l m 一 一m p 剐8 逊豳 弋矽 1 虬h l lu 1 两i e u 叫 d i_ 留| | 乇 ill 咎爹蹬 。l 娃 词 ， 爿 i 青岛科技大学研究生学位论文 联组成的混炼生产线，并在此工序中添加硫黄，进行进一步混炼，最后将混炼 好的胶料由一台压片开炼机完成混炼胶出片工作。这种技术实现了橡胶的连续 化低温混炼，每小时生产混炼胶的总量高达一万吨，可以形成较大的生产规模。 此外，采用低温连续混炼工艺比传统混炼方法生产的混炼胶质量大幅提高，生 产效率提高一倍，节约能源高达2 7 ，而且大大节约了土地资源。由于这种混 炼工艺生产链太长，开炼机是一种非封闭式混炼设备，造成空气污染现象比较 严重，而且只是实现了胶料的连续产出，未能做到连续化喂料和混炼，很难保 证各批次间胶料质量的均一性，没有在真正意义上做到连续混炼。 总体而言，国内连续混炼机的研发起步较晚，研发单位和机构相对较少， 主要存在于高校及个别企业中。研发人员少，资金投入不足等都是造成国内连 续混炼机总体技术水平落后于国外同行的原因。 1 3 本课题的研究目的和意义 1 3 1 研究目的 众所周知，由于能量的平衡、材料在混炼机内的流动性以及各批次间的变 化，将都会制约胶料的质量。虽然通过合理的配方设计可以在一定程度上降低 混炼方法对混炼胶最终性能的影响【1 6 1 ，但是橡胶自身特有的复杂特性以及密炼 机混炼条件的不稳定性决定了各批次混炼胶间必然存在着质量差异。 因此，实现橡胶高效低耗的连续化生产是几十年来橡胶加工业的梦想。目 前世界各国提出了连续混炼这一新理论，并且有很多国家也设计生产出了各种 连续混炼设备。随着连续混炼设备的出现，科研人员对其进行了一系列试验、 分析并不断地补充和完善混炼理论，将使其发展成为实用的连续混炼技术。但 由于橡胶本身的粘弹性和多种物料共混的复杂性条件的约束，使橡胶连续混炼 机大都停留在以粉状或粒状原料为主的阶段。因此，真正意义上的块状橡胶的 连续混炼还没有实现。 本课题正是针对橡胶连续混炼技术这一现状提出的，主要研究目的如下： 1 、建立一套适合块状橡胶连续混炼的新机理，为块状橡胶连续混炼机的机 台设计提供理论依据。 2 、与本课题组成员一起共同研发出适用于块状橡胶连续混炼的实验装置， 在该机台的结构设计方面实现创新，包括借鉴密炼机啮合转子和剪切转子的结 构特点，开发出适用于本机台的相应元件，以及机筒采用钻孔水冷的结构形式 等。初步建立国内第一个块状橡胶连续混炼实验平台。 3 、通过大量实验研究和分析，寻找本实验装置的最佳混炼工艺参数，以及 9 橡胶连续混炼机理及实验研究 存在的缺点和不足，为进一步优化设计提供实验依据，为早日实现块状橡胶连 续混炼的工业化奠定基础。 1 3 2 研究意义 橡胶连续混炼技术虽然经历了多年的发展已经有很大提高，但是还未突破 实现块状橡胶的连续混炼这一难关，本课题组所设计的橡胶连续混炼装备正是 针对这一问题研究开发的。该设备与密炼机相比，可以在节约能源、保证混炼 胶质量均匀性和降低设备成本等方面有很大提高；与目前现有的连续混炼机相 比，有降低能耗、简化生产工艺以及提高生产效率等优势【i 7 1 。 本文通过理论研究和大量的实验对比分析，将建立新的连续混炼理论，丰 富和充实我国的橡胶连续混炼理论，提高连续混炼技术水平，为我国连续混炼 设备的发展方向起到一定引导作用。本课题组所研究开发的橡胶连续混炼装备， 是国内首家适用于块状橡胶连续混炼的实验平台，符合我国目前的产业化政策 和“节能减排”的经济主题，其开发研制成功以及设备放大后的工业化，对橡 胶制品行业将起到巨大的推动作用，具有不可估量的工程实用价值。 1 4 本课题的研究内容和拟解决的问题 1 - 4 1 研究内容 本课题通过查阅大量文献，收集相关资料，详细了解连续混炼机技术与装 备的进展状况，进而与本课题组成员共同研发出适合块状橡胶加工的连续混炼 装备，并通过最近的试验探索，对连续混炼机转子结构进一步优化，同时改进 了喂料系统和机头等部分结构。 本课题所开发的橡胶连续混炼机是在总结现有设备的基础上进行的大胆突 破和创新设计，是一套新型的橡胶连续混炼装备。通过本课题的研究，期望块 状橡胶的连续混炼技术得到真正实现，并建立相关理论，为实现工业化生产打 下基础。本文主要工作内容为： l 、通过查阅大量相关文献和资料，分析讨论适合块状橡胶连续混炼的新机 理。通过研究块状橡胶在连续混炼加工过程中的固体输送理论和熔体熔融理论， 建立其物理和数学模型，并初步建立橡胶连续混炼的机理。 2 、与本课题组成员共同研发适用于块状橡胶的连续混炼装备，建立国内第 一个橡胶连续混炼实验平台。在设备的结构设计，尤其是转子结构的设计方面， 连续混炼机转子汲取了密炼机啮合转子和剪切转子的混炼性能好的优点，开发 出适用于本设备的相应元件，此外，还引入了诸如大导程螺杆元件、齿形元件 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 和捏合块元件等新型结构。而在机筒的结构设计上，采用了剖分式结构，方便 了实验过程中对机筒内胶料状态进行直观地研究和分析。 3 、采用胎面胶配方进行大量的橡胶连续混炼实验，通过改变转子转速、机 筒温度、转子结构元件的种类以及改变转子结构元件的位置的方式分别实验， 并通过混炼胶性能的对比，来分析影响混炼性能的这些因素，并寻求连续混炼 机的最佳混炼工艺参数，和最佳的转子结构及组合形式。 4 、通过橡胶连续混炼实验与密炼机间歇混炼实验相对比，比较混炼胶的质 量性能和各批次间的均匀性，能耗，生产能力以及生产效