【文章內(nèi)容簡介】 第五章 致謝 感謝在本次設(shè)計中給與我大力支持和幫助的雷軍老師，每有問題，老師總是耐心的解答，使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設(shè)計中去；還要感謝我的同學(xué)們，他們熱心的幫助，使我感到了來自兄弟姐妹的情誼；最后還要感謝相關(guān)資料的編著者和給予我們支持的社會各界人士，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€良好的環(huán)境，使本次設(shè)計圓滿完成。 附錄1聚合物混煉設(shè)備綜述趙佳旭（四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院高分子材料加工工程2007級四班）摘 要：聚合物混煉設(shè)備是高分子成型加工中的重要設(shè)備。介紹了混煉設(shè)備的主要類型：開煉機(jī)、密煉機(jī)、單（雙）螺桿擠出機(jī)、雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)。闡述了密煉機(jī)近年來的技術(shù)進(jìn)展。介紹了拉伸混合機(jī)理在混合器上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：混煉設(shè)備；開煉機(jī)；密煉機(jī)；單（雙）螺桿擠出機(jī)：雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)；拉伸混合0 前言近年來，隨著生活水平的提高，人們對高分子材料在數(shù)量和質(zhì)量上都提出了更高的要求。高分子共混作為一種獲得新型材料簡便、迅速、價廉的方法得到了極大的發(fā)展。橡膠工業(yè)，尤其是輪胎行業(yè)，也正向著連續(xù)化、自動化、大型化、集約化發(fā)展?；鞜捈庸ぴO(shè)備在這一過程中起著重要作用，混料效果的好壞在很大程度上決定了最終制品性能的優(yōu)劣。因此對混煉設(shè)備的改進(jìn)，混煉工藝的優(yōu)化成為提高制品質(zhì)量的關(guān)鍵。文中首先介紹了混煉設(shè)備的發(fā)展歷程，同時闡述了混煉設(shè)備改進(jìn)的主要方法。改進(jìn)措施主要是對密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的優(yōu)化以及根據(jù)拉伸混合原理重新設(shè)計的混合器。1 混煉設(shè)備 開煉機(jī)開放式煉膠機(jī)簡稱開煉機(jī)或煉膠機(jī)，是橡膠制品加工使用最早的一種基本設(shè)備。它通過兩個轉(zhuǎn)動的滾筒混煉物料，由于構(gòu)造簡單，加工適應(yīng)性強(qiáng)，使用方便，在聚合物加工領(lǐng)域使用較為廣泛。它主要用于橡膠的塑料、混煉、熱煉、壓片和供膠，也可用于再生膠生產(chǎn)中的粉碎、捏煉和精煉。此外，它還廣泛應(yīng)用于塑料加工和油漆顏料工業(yè)生產(chǎn)中。開煉機(jī)的投資較低，但勞動強(qiáng)度大、勞動條件差、粉塵及排出的低分子物料污染大。更主要的是開煉機(jī)的剪切效應(yīng)和速度梯度都太低，因而物料分散不充分，質(zhì)量不穩(wěn)定。另外，開煉機(jī)無橫向混合，須靠人工搗膠切割，從而造成批間的人為差異，在后繼的擠出加工過程中，造成擠出制品的質(zhì)量波動[1]。但是開煉機(jī)工作時，可隨時觀察到聚合物的加工程度，經(jīng)取樣可以直接觀察到混合過程中變化，從而能夠及時調(diào)整操作工藝及配方。目前，捷克Buzuluk 公司生產(chǎn)的開煉機(jī)代表了當(dāng)今的國際先進(jìn)水平，開煉機(jī)規(guī)格從φ20 0 mm900 mm 到φ750 mm2 500 mm，驅(qū)動系統(tǒng)使用直流電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)或液壓馬達(dá)，同時可以對輥筒進(jìn)行無級調(diào)速。輥筒表面圓周鉆孔，配有溫度檢測和熱水循環(huán)溫控系統(tǒng)，并采用液壓調(diào)距和定位。輥筒軸承潤滑系統(tǒng)的安全措施可防止?jié)櫥到y(tǒng)失敗而產(chǎn)生故障。大型熱煉壓片用開煉機(jī)配有翻膠裝置和割膠刀，割膠刀可以遙控。整個控制系統(tǒng)采用 P L C 控制技術(shù)[2]。 密煉機(jī)正式的橡膠密煉機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)初葉。1913年，普弗雷德與威爾納經(jīng)過研究，取得了GK型密煉機(jī)（Gummi Kneader）的技術(shù)專利。1916年，美國的法勒爾（Ferrel）公司開始生產(chǎn)，班伯里（Banburry）型機(jī)。目前以這兩種密煉機(jī)為基礎(chǔ)的一系列密煉機(jī)已經(jīng)成為橡膠工業(yè)最具代表性的機(jī)種[3]。后來又出現(xiàn)了多棱形轉(zhuǎn)子密煉機(jī)和銷釘轉(zhuǎn)子密煉機(jī)等其它新型密煉機(jī)。密煉機(jī)的主要工作部分是密煉室和轉(zhuǎn)子。物料在上頂栓施加的壓力下進(jìn)入密煉室，在轉(zhuǎn)子的剪切、嚙合作用下，達(dá)到均勻混合、塑化。經(jīng)過這個過程，樹脂和配合劑進(jìn)行混合、混煉、塑化，達(dá)到合適的分散度，并具有良好的可塑性，從而獲得各種性質(zhì)不同的混煉產(chǎn)品。相比開煉機(jī)，密煉機(jī)由于混煉過程是在密閉的混煉室內(nèi)完成，因此它明顯的提高了工人的工作環(huán)境，解決了在開煉機(jī)混煉過程中存在的工作條件惡劣、混合質(zhì)量不高的缺點。除此之外，密煉機(jī)還降低了勞動強(qiáng)度，縮短了生產(chǎn)周期，同時可以應(yīng)用多種自動控制技術(shù)。但是密煉機(jī)的加料系統(tǒng)比較復(fù)雜，不能連續(xù)工作，維護(hù)也比較復(fù)雜，因而在一定程度上限制了它的應(yīng)用。經(jīng)過百年來的發(fā)展，密煉機(jī)的生產(chǎn)使用技術(shù)已經(jīng)完全成熟，實現(xiàn)了現(xiàn)代化?；旌鲜业娜萘坑尚〉酱?，日趨多樣化、大型化；轉(zhuǎn)子的速度由低到高走向高速化、變速化；轉(zhuǎn)子的形狀出現(xiàn)多元化、異型化和復(fù)合化；驅(qū)動動力更加趨向強(qiáng)力花、節(jié)能化；上頂栓由氣動改為液壓并使壓力加大化；金屬溫度控制系統(tǒng)實行單元化；排料系統(tǒng)由滾筒開煉壓片改為錐形螺桿擠出滾筒下片機(jī)，實現(xiàn)了不間斷連續(xù)化；供料系統(tǒng)基本實現(xiàn)了儲運、稱量、稱料密閉化，自動化；控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)電腦化、屏蔽化，群控化、智能化；密煉機(jī)煉膠由多機(jī)、多段、多次走向一機(jī)化[4]?；鞜掃^程中影響聚合物共混物形態(tài)變化的因素有：（1）溫度（2）物料在密煉機(jī)中停留時間（3）混煉的強(qiáng)度即密煉機(jī)的轉(zhuǎn)子速度（4）物料的性質(zhì)（5）粘度比（6）彈性比（7）表面張力[5]。為了提高密煉機(jī)的生產(chǎn)效率和煉膠質(zhì)量，減小混合生熱和能量損耗，人們對密煉機(jī)進(jìn)行了大量的研究，研究的核心是轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。研究的重點是對其幾何形狀、角度、配置、棱數(shù)和長短棱比、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)、速比、冷卻和間隙進(jìn)行優(yōu)化。據(jù)報道，當(dāng)前的轉(zhuǎn)子種類已達(dá)36種之多，但得到商業(yè)化使用的主要還是橢圓形、三角形和圓筒形三種基本形狀結(jié)構(gòu)。三者分別為相切型、嚙合型和咬合型。為了提高混煉效率，橢圓形轉(zhuǎn)子的棱片從標(biāo)準(zhǔn)型的2W逐漸改進(jìn)為4W、4WH、ST和ZZ2型，目前6W1型也開始進(jìn)入了使用階段。翼數(shù)的增加提高了密煉機(jī)的吃料速度，在轉(zhuǎn)子翼片和輥筒內(nèi)表面之間，施加給膠粒的剪切力作功量也得到了增加，從而使得生產(chǎn)效率得到了提高[6]。另一方面，隨著翼數(shù)的增加，密煉機(jī)的有效容積減少，導(dǎo)致生產(chǎn)批量的減少，剪切生熱的增加，最后使得橡膠溫度急劇上升[7]。咬合型的棱片方面則研制開發(fā)了PESPES3和VIC等導(dǎo)型棱片，而且擴(kuò)展到了F型和G型轉(zhuǎn)子上。新的嚙合型Coflow密煉機(jī)具有L/D大，投料可順/逆時針流動，填充系數(shù)高等優(yōu)點，因而使得它對各種膠料的混煉效果優(yōu)于一般嚙合型轉(zhuǎn)子。通過比較正向輸送元件和逆向輸送元件的不同組合方式發(fā)現(xiàn)，逆向輸送元件可以建立起更好的剪切應(yīng)力，但是對物料的輸送卻不利。為了獲得足夠的熔體輸送率，逆向元件的數(shù)目應(yīng)當(dāng)限制在兩個左右。當(dāng)正向輸送元件和逆向輸送元件交替排列時可以獲得更好的剪切應(yīng)力和混合效果[8]。作為嚙合型轉(zhuǎn)子的一種，高技術(shù)NR5轉(zhuǎn)子凸棱的斷面形狀與以前的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有所不同。新結(jié)構(gòu)改善了膠粒在棱頂和混煉腔壁上的剪切流動，這種改變增加了密煉機(jī)的凈腔體積，同時可以在凸棱與密煉機(jī)混煉腔側(cè)壁之間產(chǎn)生額外的分散混煉。除此之外，還對NR5轉(zhuǎn)子的大直徑和小直徑轉(zhuǎn)子的熱傳遞和金屬溫度控制進(jìn)行了優(yōu)化。相切型轉(zhuǎn)子的研究發(fā)展的一個方面是ST和NST切向轉(zhuǎn)子的研制，這兩種轉(zhuǎn)子在相同速度下旋轉(zhuǎn)，具有高效的棱頂溫度控制能力，但它們對位置要求很精確。NST轉(zhuǎn)子使材料在混煉腔內(nèi)劇烈的沿軸向運動。每個轉(zhuǎn)子上有一個棱，這個棱使得材料在混煉腔內(nèi)軸向移動，還有一個棱則有效地剪切材料。ST轉(zhuǎn)子則是由傳統(tǒng)的切向式二棱和四棱轉(zhuǎn)子發(fā)展而來。轉(zhuǎn)子的主棱在混煉過程中具有同等的分布和分散能力。ST轉(zhuǎn)子中對棱的布局、棱頂溫度控制和等速驅(qū)動下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子相互作用都進(jìn)行了優(yōu)化[9]。 單螺桿擠出機(jī)開煉機(jī)和密煉機(jī)均有一個缺點，即混煉過程是間歇批量完成。而當(dāng)前橡膠工業(yè)的發(fā)展方向是連續(xù)化、自動化、集約化生產(chǎn)，因此尋找一種能夠完成連續(xù)操作的混煉設(shè)備是橡膠工業(yè)發(fā)展的一個重點。單螺桿擠出是聚合物加工中的一個重要設(shè)備，主要用在塑料的擠出造粒，板材、片材、管、絲、膜、異型材等的成型。單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本較低但是混合能力有限，因此不能作為作用的混煉設(shè)備使用[10]。單螺桿擠出機(jī)由于存在固體床易破碎，物料停留時間長且分布寬，混合均勻度低，溫度、壓力和產(chǎn)量易波動等缺點，因此只有經(jīng)過改進(jìn)，配上具有良好混合能力的新型螺桿，才能完成一定的混煉任務(wù)。為此出現(xiàn)了諸如銷釘螺桿擠出機(jī)、屏障螺桿擠出機(jī)、波形螺桿擠出機(jī)等新型單螺桿擠出機(jī)。研究表明，具有特殊的三頭螺紋的加長螺桿擁有好的混煉效果，無論是對壓縮原料還是粉狀原料[11]。聚合物的混合按混合方式可分為分布混合和分散混合，分布混合是分散相粒子空間位置改變，而無粒度的變化；分散混合主要是分散相粒度減小，也有空間相對位置的變化。當(dāng)前聚合物的混合大多是在單螺桿或者雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行，在這個混合過程中依靠的主要是剪切力。與拉伸流動場產(chǎn)生的混合相比，剪切流動場中的混合顯得效率較低同時消耗更多的能量，尤其在分散粘度為基體樹脂四倍的液體方面更表現(xiàn)得力不從心。拉伸流動場則能更好的實現(xiàn)分散混合，從而提高混合的效率和質(zhì)量。拉伸流動混合器就是基于這樣的原理而研制的一種混合設(shè)備。這種裝置可以增強(qiáng)拉伸流動場，因而能實現(xiàn)液體和不同粘度的材料的混合。在拉伸流動混合器中通過一系列同心狹縫便可獲得收斂和發(fā)散流動，從而實現(xiàn)聚合物得分散混合[12]。在常規(guī)的聚合物加工設(shè)備中，改變混合螺桿的外形及尺寸是獲得拉伸流場的主要方法。Chris Rauwendaal[1314]采用了楔形螺棱，在螺棱上開設(shè)了許多錐形的槽，通過這些槽來實現(xiàn)拉伸流場。物料通過螺棱和螺棱中的錐形槽時，隨著槽的間隙變小，物料通過間隙時將被加速，使物料受到雙重拉伸流場的作用，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸流動。Suzaka等人提出在擠出成型加工設(shè)備的多孔板上設(shè)置多個具有拉伸作用的收斂孔道，對液液體系以及固液體系的分散情況進(jìn)行了研究，并做了定量的報道。研究表明只有當(dāng)拉伸比（收斂流道大徑和小徑之比）在10：1時，分散相才會開始產(chǎn)生分散。但是這種方法壓力損失較大，能量利用率不高，同時易造成孔的堵塞[15]。瞿金平等人通過設(shè)置新型的屏障段來提高混合分散效果。在轉(zhuǎn)子軸上開設(shè)多條過料槽，該新型的屏障段與常規(guī)的屏障段不同之處在于前者的過料槽的橫截面積是逐漸減小的。依據(jù)不同材料的不同性能，通過對過料槽截面形狀的控制可有效的改變拉伸速率從而控制拉伸強(qiáng)度。該裝置由于界面的橫截面積逐漸減小，物料在流動過程中受到的作用力與速度梯度方向一致，因而實現(xiàn)了物料在拉伸流動場中的混合[16]。Utracking等則提出了另一種能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸流動的混合裝置。該裝置的底面突起的圓環(huán)狀拉伸塊使填充體系通過徑向與周向時能夠同時得到拉伸，從而提高混合效率。而且通過軸向調(diào)整拉伸塊得位置可以有效地改變拉伸比，適宜于不同物理性能的材料的分散混合需要。吳大鳴等人則采用原位生成膨脹拉伸產(chǎn)生的高拉伸速率提出了一種新型的非機(jī)械力的分散工藝——原位氣泡拉伸法。該方法中氣泡優(yōu)先在無機(jī)粒子團(tuán)聚體上產(chǎn)生，氣泡快速長大，附著的團(tuán)聚體無機(jī)粒子在氣泡的拉伸作用下解聚，從而實現(xiàn)分散的目的。 雙螺桿擠出機(jī)雙螺桿擠出機(jī)于1935年問世，按旋轉(zhuǎn)方向可分為同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)和異向雙螺桿擠出機(jī)，按嚙合情況則可分為嚙合型和非嚙合型擠出機(jī)。雙螺桿擠出機(jī)的研制成功，為聚合物混煉加工提供了強(qiáng)勁的動力，促進(jìn)了聚合物混煉加工的發(fā)展。雙螺桿擠出機(jī)中的連續(xù)混煉，代表著當(dāng)今熱塑性塑料配混技術(shù)發(fā)展的最新水平。同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)具有軸向的敞開式導(dǎo)管，高的混合效率和熔體的高剪切變形，因而成為了熱塑性塑料的標(biāo)準(zhǔn)配混設(shè)備。物料隨著兩根嚙合式螺桿的每一次旋轉(zhuǎn)，熔體即從一根導(dǎo)管傳遞到另一根導(dǎo)管而發(fā)生剪切。不同的螺桿組件，如嚙合段、混合元件及傳送元件等，決定了熱塑性塑料是分散性混煉還是分布性混煉。雙螺桿擠出機(jī)的料筒和螺桿呈模塊式結(jié)構(gòu)，可以依據(jù)不同的配混任務(wù)來進(jìn)行組合。往雙螺桿擠出機(jī)中添加物料是連續(xù)的，完全自動化的[17]。雙螺桿擠出機(jī)的混煉工作原理與單螺桿擠出機(jī)有較大的區(qū)別。單螺桿擠出機(jī)的分散、混合作用主要依靠螺桿的壓縮比和螺桿旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的背壓，以及由背壓引起的反向流動，因而造成它的混煉效果差。而雙螺桿擠出機(jī)對物料的混合和分散具有好的效果主要是雙螺桿擠出機(jī)中兩根互相嚙合的螺桿在嚙合處產(chǎn)生的強(qiáng)烈剪切作用。雙螺桿擠出機(jī)由于可直接加入粉料、混煉塑化效果好、物料在機(jī)器中的停留時間分布窄，生產(chǎn)能力高等一系列優(yōu)點。因此它在塑料填充、共混改性以及硬PVC制品的生產(chǎn)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，雙螺桿擠出機(jī)的數(shù)量和類型無論是在國外還是在國內(nèi)都得到了很快的增長。西歐在70年代末，雙螺桿擠出機(jī)已占全部擠出機(jī)總數(shù)的40%左右。但是由于雙螺桿擠出機(jī)的使用歷史比不上單螺桿擠出機(jī)，另一方面由于雙螺桿幾何學(xué)的復(fù)雜性和物料在其中輸送過程的復(fù)雜性，因此雙螺桿擠出機(jī)混煉過程的理論實驗研究，與單螺桿擠出機(jī)混煉過程的研究相比，差距較大，尚處于初級階段。此外雙螺桿擠出機(jī)的加工復(fù)雜性、已經(jīng)高的成本也使它的應(yīng)用受到一定的限制。 雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)20世紀(jì)60年代，美國Farrel公司首先研制出了一種新型的雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)——FCM（Farrel continuous mixer）。該機(jī)器揉合了密煉機(jī)優(yōu)異的混合特性和螺桿擠出機(jī)可連續(xù)工作的操作特性，是一種性能優(yōu)異的高剪切熔融混煉機(jī)。雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)作為混煉設(shè)備沒有密煉機(jī)那樣復(fù)雜的加料和卸料系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)較簡單，重量也較輕，而且可以連續(xù)混煉，效率更高，質(zhì)量均勻。而與雙螺桿擠出機(jī)相比，雙轉(zhuǎn)子混煉機(jī)則具有適應(yīng)性更廣，結(jié)構(gòu)簡單耐用，操作維護(hù)方便等特點。雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)可以用于對填充高聚物、未填充高聚物、增塑高聚物、未增塑高聚物、熱塑性高分子材料、橡膠摻混材料、色母粒等進(jìn)行共混。它具有工作連續(xù)，操作簡單，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，維護(hù)方便，效率高和產(chǎn)量大等特點[18]。該機(jī)器主要由機(jī)筒、轉(zhuǎn)子、卸料裝置等部分組成。機(jī)筒上的混煉腔是兩個相互貫通的、橫截面為圓形的孔，物料在混煉腔內(nèi)收到轉(zhuǎn)子的剪切、粉碎、捏合和混合作用，機(jī)筒上開設(shè)有冷卻水孔和電加熱器，可對物料進(jìn)行加熱和冷卻以滿足需要的工藝條件。轉(zhuǎn)子由加料段、混煉段和出料段組成，加料段就如同兩根非嚙合的雙螺桿，加料口加入的物料在加料段螺紋的推動下到達(dá)混煉段。轉(zhuǎn)子混煉段就像是一對密煉機(jī)轉(zhuǎn)子，表面有兩對旋轉(zhuǎn)方向相反，螺旋角不相同的螺紋，物料在混煉段的作用下熔融、混合、塑化。卸料裝置用來控制卸料門得開啟度，以實現(xiàn)對物料在混煉腔中停留時間進(jìn)行控制的目的。雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)與反向旋轉(zhuǎn)非嚙合的轉(zhuǎn)子將混合與擠出兩種功能分開，所以對混煉程度能更靈活的調(diào)節(jié)，且不受擠出量的影響，這是雙螺桿擠出機(jī)無法比擬的，通過對機(jī)器的加料量、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、混煉溫度、出料口開啟度等操作