密炼机橡胶混炼流变理论和瞬时功率控制法的研究进展

密炼机橡胶混炼流变理论和瞬时功率控制法的研究进展

20世纪70年代，国外提出了致密橡胶混合工艺的能量控制方法，结果表明，它可以提高混合效率和橡胶材料的质量。在国内推广应用该技术,效果也获得了证明,同时还暴露了问题,即采用能量控制法,原材料质量必须稳定,稍有变动就必须对能量控制的具体数值进行修正,否则对所生产的混炼胶质量将产生很大的影响。此外,采用能量控制法还必须在密炼机上增加一控制装置。由于这些原因,能量控制法没有在我国获得很快的推广应用。为了从理论上找原因,解决能量控制法存在的问题和寻找混炼规律,经研究认为密炼机橡胶和填料颗粒的混炼,橡胶是处于流体状态,它的流动可以用粘度来表述,并进一步证明生胶和混炼胶在密炼机中的流动服从密炼机流变理论。胶料粘度的大小及其变化将决定混炼工艺的好坏,为了控制混炼工艺,需要知道胶料粘度并进一步控制胶料粘度。但直接对密炼室中胶料粘度进行检测是很困难的,而根据密炼机流变理论,密炼机转子扭矩和功率与密炼室中胶料粘度成正比。要了解和控制胶料粘度,了解和控制密炼机转子功率就可以了。据此提出瞬时功率控制法,它实质上是通过控制功率来控制密炼室中胶料粘度的。瞬时功率控制法提出至今已10年了,本文将回顾10年来有关瞬时功率控制法理论应用以及在生产中的效果。1密炼机橡胶混炼流变图1所示为橡胶与颗粒填料密炼机混炼过程功率曲线示意。混炼开始投入生胶塑炼到功率曲线a点,提起压砣加入粒状填料炭黑,到曲线b点,压砣下压到位,开始混炼。从b点到c点继续到d点,这时全部粒状填料炭黑混入胶料中,或者说粒状填料炭黑间的空隙全部被胶料填满,再继续混炼从d点到e点,混炼结束,排料,整个混炼过程结束。从开始到a点,密炼机中为纯生胶,从d点到e点排料前为生胶与粒状填料炭黑混炼产生的混炼胶。这两段都已证明密炼机流变理论是正确的。而从a点开始经过b点到c点再到d点整个这一段,密炼室中有纯生胶胶料、粒状填料和已混入填料的混炼胶3种状态。从a点到b点基本上只有纯生胶胶料和粒状填料两种,从b点起混炼胶开始增加,到d点时,基本上都是混炼胶了。也就是这段时间密炼室中不是单一的状态,不适用密炼机流变理论。这一段是胶料与填料混合的过程,为了描述这一过程,我们提出了密炼机橡胶混炼流变理论。密炼机橡胶混炼流变理论,简要地说,橡胶与粒状填料的混合,橡胶是粘弹性的流体,橡胶是连续相,粒状填料是分散相,决定混合状态和混合性质的主要是连续相的粘弹性流体橡胶,粒状填料的性质对混合状态也有影响,不过不起主要作用,不决定事物的性质。液体粘度是描述液体流动阻力大小的参数,在胶料与粒状填料的混合中,胶料粘度小就比较容易混合,粘度大就比较难混合,粘度太大就很难混合,甚至不能混合,在存在附聚体的粒状填料中,如果胶料粘度小,在密炼室中通过胶料传递给附聚体填料的作用力如果比附聚体填料本身的附聚力小,这时附聚体粒子不能破碎,因而也不能进一步分散在胶料中,因此胶料的粘度不能太大,也不能太小,而是存在一个“最佳值”。胶料在“最佳粘度”下混炼,消耗的能量最小,需要的时间最短,填料粒子分散的状态最好。也就是说是一个最好的混炼工艺。2密合机橡胶混合精制理论的内容2.1最佳粘度的确定胶料处于“最佳粘度”的混炼工艺就是最好的工艺。“最佳粘度”的值是多少,对通用橡胶来说,一般在50～60个门尼值,它的大小主要取决于填料的表面性质,补强填料的活性越大,“最佳粘度”值越大;其次取决于密炼机的有关技术参数,如转速、压砣压力、填充系数等。2.2密炼机转子功率与密炼室胶料粘度的关系橡胶混炼过程功率曲线(见图1)中从开始到a点和从d点到e点结束混炼这两段,根据密炼机流变理论,密炼机转子功率与密炼室中胶料粘度成正比。从a点经b点和c点到d点,根据密炼机橡胶混炼流变理论,这一段的主要性质亦取决于胶料粘度。因此可认为整个混炼过程中功率曲线的变化是密炼室中物料状态的反映,通过功率曲线的大小变化,可以分析比较密炼室中物料混炼过程的好坏。3采用致密橡胶混合开采理论[7、8、9、10、11、12和13]3.1混炼过程的智能化根据“最佳粘度”概念和混炼过程功率曲线的物理意义对每批胶料混炼过程功率曲线的变化进行分析,即可知道每批胶料混炼的好坏。具体有3种方法。一种是通过混炼过程功率曲线来判断,然后修改工艺条件进行试验再对功率曲线进行分析,这样反复多次进行来优化。另一种是应用华南理工大学研制的密炼机橡胶混炼微机智能控制系统,亦是根据上述原理,混炼工艺过程参数由智能控制系统采集,混炼胶质量采用智能控制系统的预测值,在一定时间内对某一胶料进行优化。这种全部由智能控制系统进行的方法就叫全自动优化。如果混炼胶质量采用实际检测值输入系统,或者对混炼工艺试验条件进行新的设定,其它仍由智能控制系统进行就叫半自动优化。3.2胶料胶质料数学模型的建立根据密炼机流变理论,通过建立预测混炼胶粘度的数学模型就可进行门尼粘度、塑性值等的预测,数学模型既可按每种胶料也可按每台密炼机建立,平均预测值和实测值的差别较小,可以应用。按每台密炼机建立数学模型,大大减少了建模工作量,也为根据预测结果进行控制创造了条件。3.3炭黑的分散性密炼机流变理论为混炼胶的预测打下了理论基础,而对混炼胶炭黑分散度的预测则无能为力。最初分散度的预测以等变形量理论为指导,即密炼机转子给胶料相等变形量,则胶料的炭黑分散度相等;变形量越大,分散度等级越高;在粘度相同的条件下,消耗能量越多,炭黑的分散性越好,也就是说炭黑的分散应与能量消耗成正比。经多次试验研究,炭黑的分散与能量的相关系数不高且不成正比。最后在密炼机橡胶混炼流变理论的指导下,找到了相关系数不高、不成正比的原因。即在消耗能量中产生的作用力小于填料附聚体本身附聚力的那部分能量对炭黑的分散没有作用,只有大于的那部分能量对炭黑的分散才有作用。这样才最后建立了预测混炼胶中炭黑分散度的数学模型。平均预测值和实测值相差半级,可以应用。3.4投炭黑胶粘度状态瞬时功率控制法实质上是对密炼室中胶料粘度的控制,为了获得好的混炼工艺,在投炭黑时希望胶料处于“最佳粘度”状态,可以采用瞬时功率控制。在混炼结束时,如果预测到混炼胶已达到所要求的门尼粘度,即可排胶。这也是采用瞬时功率控制。这样可以减少混炼胶粘度的波动,少出废品或不出废品。4事实上，它在事实上中被推广应用4.1混炼过程的效果在实际应用中不同程度地提高了混炼效率,缩短了时间,这首先是密炼机橡胶混炼流变理论提出判断混炼工艺好坏的标准,即胶料与填料混合料是否处于“最佳粘度”状态。其次是通过混炼过程功率曲线可以很容易分析判断混炼工艺的好坏、存在何种问题及应如何改进等,一般可提高效率5%～20%,个别曾达到22.5%。必须特别说明的是,提高效率不是以损害质量为代价,而是质量也同时得到不同程度的提高。4.2混炼胶流变特性考察混炼胶质量一般是考察物料是否在胶料中分散均匀、是否达到所要求的分散度等级、胶料粘度(门尼粘度)或塑性值是否在工艺要求的范围内。提高混炼胶质量的含义,就是使物料在胶料中分散更均匀,胶料粘度在工艺要求范围外的(不合格品)减少了,甚至没有了,而且它的极差大大缩小,也就是质量更均一了。密炼机橡胶混炼流变理论通过它揭示的混炼规律和混炼胶粘度和分散度预测数学模型,使人们容易更具体掌握某些混炼过程参数及其数量的影响,从而在提高效率的同时又能提高混炼胶质量和质量均一性。目前达到的最好水平是在F270型密炼机40和20r·min-1转速、两段混炼胶的条件下,100车胶料门尼粘度±3个门尼值有90%,其余在±4个门尼值,分散度都在6级以上。能否进一步提高?回答是能进一步提高,但在认识上还必须有质的突破,设备有进一步改进。4.3经济效益分析各个企业应用该技术所获经济效益差别很大,这主要是由于企业应用本技术的目的不同,有的重点在提高质量,有的重点在提高混炼效率。再加上各企业设备水平存在差距,经济效益自然也不相同。一般来说,以270型密炼机为例,每年可为企业增收节支带来约200万元的纯收入。从提高混炼效率来看,一般可达到15%～20%,也有个别企业例外,但最近几年来混炼效率已提高很多,不可能再有多大的提高幅度了。4.4瞬时功率控制(1)初期遇到较多的问题是认为瞬时功率控制就是能量控制。因为在谈论能量控制时,常提到功率积分,所以常常就被人认为是能量控制,事实上功率积分就是能量,能量控制就是指对某一过程消耗多少能量的控制。而瞬时功率控制,其实叫功率控制即可,为了强调其瞬时的性质,而特别起名为瞬时功率控制。它实质是对密炼室中物料粘度的控制,而能量控制是对胶料在密炼室中物料变形量的控制。两者本质差别很大,经过详细说明和实际应用就可将其区分开。(2)现在密炼机上有不少有各种形式的混炼过程功率曲线,但它不等于可进行瞬时功率控制。仔细一看它的控制系统便知只能进行时间、能量和温度的控制,不能进行瞬时功率控制。智能控制系统除能进行时间、能量和温度的控制外,还能进行瞬时功率控制和它们间的组合控制,因为一般记录功率曲线是用功率记录仪进行,不能从曲线上取去某点的功率值。5门尼粘度波动的控制密炼机橡胶混炼流变理论和瞬时功率控制法提出10年来,逐渐为人们所认识,根据理论开发的微机智能控制系统在全国大中型橡胶加工企业已推广应用近50套,其中绝大多数是轮胎厂。最佳粘度和混炼过程功率曲线的物理意义在判断现有工艺是否最优、提高混炼效率方面已发挥越来越大的作用。粘度和分散度的预测与控制的应用有利于提高混炼胶的质量和质量均一性。已初步显示了它的优越性。一般混炼胶门尼粘度波动可控制90%在±3个门尼值之内,其余在±4个门尼值内。两段混炼分散度可在6级以上。这样的混炼胶质量在轮胎厂为胶料的挤出和压延工艺打下了良好的技术基础。10年来,这一理论在应用中不断丰富和发展,为