論文學(xué)術(shù)第3925期

1、在雙螺桿擠出機(jī)上連續(xù)混煉粉末橡膠第4期劉作雄編譯.在雙螺桿擠出機(jī)上連續(xù)混煉粉末橡膠15在雙螺桿擠出機(jī)上連續(xù)混煉粉末橡膠R.Uphus等著劉作雄編譯,瞿光明校摘要:對(duì)于雙螺桿擠出機(jī)上開發(fā)連續(xù)混煉工藝來說重要的是選擇最好的螺桿組件,在本項(xiàng)開發(fā)工作中對(duì)不同的分散混煉組件進(jìn)行了比較.本文還圖示了其它參數(shù),諸如喂料速度,螺桿速度,口型處形成的壓力等對(duì)混煉工藝的影響.在此開發(fā)粉末橡膠連續(xù)混煉工藝的目標(biāo)所追求的是獲得良好的填充劑分散度和低混煉溫度,以防止橡膠混煉膠焦燒.關(guān)鍵詞:雙螺桿擠出機(jī);連續(xù)混煉:螺桿組件;工藝開發(fā)中圖分類號(hào):TQ330.47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1009797X(2002)04q)0

2、1510橡膠混煉膠連續(xù)混煉過程中的一個(gè)基本問題是混煉膠所有組份的連續(xù)喂料狀況.盡管這對(duì)混煉材料如化學(xué)藥料,炭黑及增塑油等確實(shí)是如此的,但對(duì)傳統(tǒng)以膠包形式供料的主要組份-_聚合物就不是如此了.由于這種傳統(tǒng)的聚合物供料形式,致使分批混煉仍是當(dāng)今最廣泛應(yīng)用的技術(shù).得益于諸如以乳聚法生產(chǎn)的丁苯膠和丁腈膠等各種品級(jí)粉末橡膠的生產(chǎn)成功,其中還包括其他一些品級(jí)的乳聚粉末橡膠Ilj,以及還有氣相聚合三元乙丙膠j,過去的一年里粉末橡膠的連續(xù)混煉工藝已引起曰益廣泛的關(guān)注,真正的實(shí)際進(jìn)展發(fā)生于新型粉末橡膠,由于這些粉末橡膠的自由流動(dòng)特性,因而可以滿足連續(xù)喂料的要求,又綜合有恒定的橡膠與填充劑比率以及填充劑的高起始分

3、散度等優(yōu)點(diǎn).由于幾何形狀上已作了巨大的修改,已可把單螺桿擠出機(jī)改造成連續(xù)混煉機(jī),從而使其既具有分布性能又具有分散混煉性能I6l.這類設(shè)計(jì)的例子有剪切混煉機(jī)(Shearmix)和KO式捏煉機(jī)I6】.雙螺桿擠出機(jī)(TSE)更常用于連續(xù)混煉,尤其適用于塑性材料和反應(yīng)性加工工藝.如文獻(xiàn)7所綜述的,它們涵蓋了各種各樣配置:同向轉(zhuǎn)動(dòng)型;反向轉(zhuǎn)動(dòng)型;局部嚙合型或全嚙合型;恒螺旋角或變螺旋角型等.為了改進(jìn)混煉性能,雙螺桿擠出機(jī)如同其對(duì)手單螺桿擠出機(jī)那樣包括有為獲得分散性混煉效能而設(shè)計(jì)的特殊混煉以及捏煉段,這些改進(jìn)可達(dá)到的程度取決于這些混煉段及其數(shù)量的具體的設(shè)計(jì).不過,值得指出的是其設(shè)計(jì)主要用于塑料混煉.收稿日

4、期:2001.04.02由于最近在重力容積比例計(jì)量技術(shù)上的進(jìn)步,每一喂料系統(tǒng)喂料量按最小量計(jì),填充劑的喂料已具備較高的精度.由橡膠膠乳和非造粒(干粉)炭黑制造粉末橡膠時(shí),可以獲得橡膠與所要求量和種類的填充劑,諸如炭黑,硅酸類或礦物類填充劑的均勻的,分布性的預(yù)分布母膠.這就免除了進(jìn)一步加炭黑或硅酸類填充劑的需要.這種工藝同時(shí)也得到最佳化,達(dá)到了現(xiàn)今可以在橡膠中分布40份到1000份填充劑的程度,且達(dá)到了出色的均勻性標(biāo)",又不影響其自由流動(dòng)特性.早在20世紀(jì)60,70年代已作了多項(xiàng)試驗(yàn),以能采用當(dāng)時(shí)開發(fā)研制成的粉末橡膠來開發(fā)一種連續(xù)混煉的工藝方法,但大多數(shù)是用單螺桿混煉擠出機(jī)采用二段混煉

5、法【8】進(jìn)行的,在有些情況下也結(jié)合使用了開煉機(jī)u.本文敘述的是為適應(yīng)新一代粉末橡膠而最佳化的連續(xù)混煉工藝的開發(fā)研究工作.這一開發(fā)工作的主要目的是:建立達(dá)到高分散度及最佳混煉效率的螺桿配置;獲得混煉膠整體最高均勻性;在給定溫度(即防焦燒溫度)下使產(chǎn)量最高.1實(shí)驗(yàn)1.1雙螺桿擠出機(jī)實(shí)驗(yàn)在法勒(Farre1)FTX8012j雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行.該機(jī)配備有共轉(zhuǎn)型螺桿.主要性能參數(shù)見表1.擠出機(jī)機(jī)筒由長徑比為4的9個(gè)單獨(dú)區(qū)段組成.第一區(qū)段是喂料機(jī)筒,水冷結(jié)構(gòu),可防止喂料進(jìn)入機(jī)器時(shí)結(jié)團(tuán).隨后的8個(gè)區(qū)段可用電加熱,最16橡塑技術(shù)與裝備2002年第28卷高溫度可達(dá)370.這8個(gè)工藝段的組成是:1個(gè)側(cè)喂料機(jī)筒可

6、喂入粉料,4個(gè)全封閉的機(jī)筒主要用于混煉任務(wù),3個(gè)有敞口的機(jī)筒用于常壓和抽真空排氣.各機(jī)筒可以任意組合排列,以滿足實(shí)際工藝任務(wù)的需要.1.2喂料裝置使用了白適應(yīng)性喂料系統(tǒng)以能對(duì)膠料的各種組份作比例計(jì)量.針對(duì)粉末橡膠采用了重力式單螺桿失重喂料器(Brabenderflexwall33).該裝置可以處理的喂料量范圍為290kg/h.至于粉末狀化學(xué)藥料,所要求的喂料量N4,得多,范圍為0.25kg/h.這就是為什么選擇使用重力式雙螺桿失重喂料器的原因.雙螺桿喂料器在同樣的操作速度下比單螺桿系統(tǒng)的容積喂料量要小,從而使它特別適用于混煉膠中用量小的粉末組份的精確比例計(jì)量.重力式喂料器能通過微分稱重秤和螺桿

7、速度控制器對(duì)大多數(shù)干松密度細(xì)微的波動(dòng)作出反應(yīng),例如,所造成的這種波動(dòng)變化可通過向比例計(jì)量裝置再補(bǔ)喂填充劑來補(bǔ)償.這就是為什么重力式喂料器能具有良好的喂料精度的原因.增塑劑的喂料采用單泵(Netsch公司制造)進(jìn)行.這種泵的特色是可提供完全無波動(dòng)的與轉(zhuǎn)子速度成正比例的容積流.表1法勒爾FTX80雙螺桿擠出機(jī)技術(shù)參數(shù)最大工藝長度擠出機(jī)孔徑螺桿外徑螺桿內(nèi)徑直徑比螺桿槽深定位螺桿最高速度最大功率最大扭距/螺桿1.3螺桿組件共轉(zhuǎn)型雙螺桿擠出機(jī)的螺桿幾何形狀的基本開發(fā)工作是由Erdmenger進(jìn)行的u引.他以促使兩個(gè)螺桿在任何螺桿角時(shí)接觸而達(dá)到白潔目的為開發(fā)目標(biāo),該項(xiàng)開發(fā)工作涉及了在擠出機(jī)進(jìn)料點(diǎn)采用輸送組

8、件(見圖la)和具有較大自由容積的凹切槽的輸送組件的工作(見圖1b),以確保喂入的物料能很快向前移動(dòng).除了這些輸送組件外,還采用了以Erdmenger斷面形狀為基礎(chǔ)的螺桿組件.這些捏煉組件塊由具有Erdmenger斷面形狀,螺桿節(jié)距角無限的橢圓盤組成(見圖lc).橢圓盤按不同的偏置角安排而形成一個(gè)組件塊.在本文此處所述的這項(xiàng)試驗(yàn)中,捏煉組件塊由5個(gè)橢圓盤組成,橢圓盤的偏置轉(zhuǎn)角為45.(總偏置角為180.),形成了一個(gè)長徑比為1的長度.這些組件的分散性混煉的效能完全取決于盤的寬度.經(jīng)驗(yàn)表明,較寬橢圓盤的分散性能比較窄的好,這是因?yàn)槭褂煤笳邥r(shí)物料太易于滯留在捏煉橢圓盤的兩側(cè).圖1雙螺桿擠出機(jī)的螺桿

9、組件"具有分散性混煉功能的一個(gè)重要螺桿組件是法勒爾非對(duì)稱型混煉模塊(FarrelAsymmetricModularmixingElement縮寫為:FAMME),見圖(1d)u,它屬Erdmenger斷面形狀但屬于具有陡峭節(jié)距角的一種變形組件.這種情況下這種螺桿組件不具備自潔能力.采用了其它三個(gè)分布混煉組件體.它們與輸送組件相反,分散混煉組件按多邊形斷面形狀設(shè)計(jì)(見圖1e),屬于非嚙合型,可大大降低同樣螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)螺桿誘發(fā)的切變率.由于形成的新的面的數(shù)量恒定不變(見圖1f),這些組件其類似于渦輪的混煉組件_在充滿度小于100%時(shí)對(duì)于喂入液體物料頗為理想.逆向泵送(即壓送)凹切槽混煉組件

10、(見圖lg)的采用,是為了在混煉組件之后增加充滿度.由于它們的凹切槽在側(cè)面,這些組件具有分布效應(yīng).所有m哪哪哪m恤3332163511第4期劉作雄編譯.在雙螺桿擠出機(jī)上連續(xù)混煉粉末橡膠l7螺桿組件基本上都能設(shè)計(jì)成正向泵送或逆向泵送的組件.后者由于壓力損失較大,而且使物料滯留時(shí)間增加產(chǎn)生的消耗較大.此外,還可以改變螺桿節(jié)距角.1.4原材料本開發(fā)工作中所用的粉末橡膠組份為:100份乳聚丁苯橡膠,6O份N234炭黑.其粒子粒徑為0.52mm.混煉配方見表2.母煉膠1(PremixI)只加入氧化鋅,硬脂酸,防老劑蠟和6PPD,母煉膠2(Premix2)含有硫化體系CBS/S.表2試驗(yàn)配方乳聚丁苯膠CB

11、S:N一環(huán)已基一2一苯并噻唑次磺酰胺(促進(jìn)刑CZ)1.5炭黑分散度炭黑的分散度以硫化膠或混煉膠的刀片剖切面的反光度按LeighDugmore發(fā)明的方法(即光學(xué)粗糙度測(cè)定方法)確定【1.在此利用的是炭黑附聚體使刀片切口行進(jìn)方向轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象,它使刀片切口表面形成凹凸不平和孔洞_J,這些在表面適當(dāng)照亮?xí)r就能檢測(cè)到并加以評(píng)估.我們?cè)诒卷?xiàng)開發(fā)工作中所用的方法的基本改進(jìn)在于:把光源設(shè)在光學(xué)顯微鏡內(nèi),用垂直光束照亮刀片.這樣,在表面上大于波長三倍的所有微粒均可以大得足以無法由顯微鏡頭記錄下的角度把反射光束偏離開去】.這樣大于6um的附聚體所形成的微粒目標(biāo)物均呈現(xiàn)出深色.折射圖像借助CCD(光電耦合元件,數(shù)碼攝

12、象機(jī))攝象機(jī)來記錄.這種方法的原理見圖2.未分散的填充劑附聚體的粒徑,粒徑分布,形狀及表面細(xì)微部分均可通過計(jì)算機(jī)圖像分析工具而定量測(cè)定.假設(shè)每一炭黑附聚體中的平均固體量約為O.4【1剮,假定整個(gè)混合物的溶漲率與炭黑附聚體的一樣,則分散系數(shù)可表述為:D=lO00.4V/,.其中中,.為填充劑所占體積分?jǐn)?shù),是附聚體所覆蓋的表面積.按這種改進(jìn)的方法計(jì)算分散度時(shí),其相對(duì)偏差為±0.5%.分散系數(shù)D所表明的是炭黑附聚物的投影面積與不含未分散炭黑附聚體的母體面積之間的關(guān)系,但其中確實(shí)含有粒徑小于0.5prn的炭黑附聚體.2結(jié)果與討論在這里,開發(fā)粉末橡膠連續(xù)混煉工藝所追求的目標(biāo)是獲得填充劑的良好分

13、散性能和低混煉溫度,以防止膠料焦燒.另外,它還必須保證各配方組份能均勻分布.由于許多橡膠混煉膠的物理性能,如扯斷強(qiáng)度,撕裂強(qiáng)度等都取決于填充劑的分散質(zhì)量,因而填充劑的分散特性就具有特別重要的意義19,20.為了達(dá)到這些目標(biāo),在雙螺桿擠出機(jī)上考核了以下多項(xiàng)工藝加工參數(shù):(1)螺桿配置(2)喂料率(3)螺桿速度(4)機(jī)筒溫度曲線(5)配合劑的喂料時(shí)機(jī)及部位另外對(duì)于產(chǎn)量的趨勢(shì)作了考核.在雙螺桿擠出機(jī)上,其產(chǎn)量和速度正好與單螺桿橡膠擠出機(jī)上相反,兩者(產(chǎn)量和速度)之間在很大程度上是無關(guān)的.在速度恒定時(shí),產(chǎn)量的下限取決于比例計(jì)量系統(tǒng)的最低可喂料量,而發(fā)現(xiàn)上限則停留在超過固體輸送能力或者最大扭距的點(diǎn)上.與

14、溫度控制及選擇對(duì)混煉膠各組份特別敏感的喂料時(shí)機(jī)及部位等因素一起,螺桿配置在工藝工程設(shè)計(jì)中起著極其重要的作用.為乳聚丁苯粉末橡膠設(shè)計(jì)螺桿配置時(shí),最初試驗(yàn)是在長徑比為2的分散混煉區(qū)段內(nèi)進(jìn)行的,但得到的分散系數(shù)為80%,令人不滿意.因此隨著開發(fā)工作的進(jìn)展混煉區(qū)段延長到長徑比為4.進(jìn)一步延長分散混煉區(qū)段卻導(dǎo)致了溫度升高,隨著溫度上升,粘度降低,如果不采取其他降溫措施,就會(huì)限制混煉結(jié)果,無法對(duì)其作進(jìn)一步的,具有意義的重大改進(jìn).18橡塑技術(shù)與裝備2002年第28卷初步的實(shí)驗(yàn)得到了兩種螺桿配置方式,其獨(dú)特之處在于其分散混煉組件,其一稱之為"捏煉組件塊",另一組件稱為"FAMME

15、".在這些初步試驗(yàn)中,粉末橡膠以及其它混煉膠組份均按表1規(guī)定喂入.由于我們先要確定合適試驗(yàn)時(shí)機(jī)及部位,以展示一個(gè)良好分散系數(shù)以及合理的物料溫度的基本要求,因此起初沒有加入交聯(lián)劑(母煉膠2).圖3所示是以這種方法針對(duì)乳聚丁苯粉末橡膠而作了最優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩種螺桿配置.這兩種螺桿配置在選擇用于分散性混煉的螺桿組件方面有所不同."FAMME"組件的混煉區(qū)段與"捏煉組件塊"的工藝長度相同,因此螺桿配置可以直接以它們的分散性混煉結(jié)果及混煉的溫升直接相互比較.兩種螺桿配置是以其混煉組件來命名的,因而下文稱之為"FAMME"和"捏煉

16、組件塊".CC顯微鏡0;圖2DIK分散性能測(cè)試方法示意圖"FAMME"粉末橡膠母煉睦1軟化劑排氣"捏煉組件塊"罄套簍警軟化劑排氣過程:24I./D2.4L/D圖3"FAIME"和"捏煉組件塊"兩種螺桿配置2.1"FAMME"與"捏煉組件塊"螺桿配置的比較圖4所示的是在10kg/h恒定產(chǎn)量時(shí),分散度以螺桿速度為函數(shù)所得到的結(jié)果.這兩種分散單元的比較表明在所得的炭黑分散度上的差異極大.當(dāng)"FAMME"混煉組件在速度很低時(shí),分散度已達(dá)到恒定的高水平,而

17、"捏煉組件"隨速度的上升,記錄到的炭黑分散度水平卻低得多."FAMME"螺桿組件配置在產(chǎn)量為lOkg/h,轉(zhuǎn)速為80r/min時(shí),其分散度很出色,達(dá)到97%以上,膠料溫度在排膠處測(cè)定為95.當(dāng)速度提高到200r/min時(shí),可使分散度提高一個(gè)百分點(diǎn),達(dá)到98%,而膠料溫度卻上升到122oC.這一結(jié)果表明,在產(chǎn)量為lOkg/h時(shí),提高"FAMME"螺桿的速度不再有任何意義,因?yàn)檫@樣只會(huì)使膠料溫升過高而不利于生產(chǎn).圖4炭黑分散性與螺桿速度的關(guān)系(產(chǎn)量:10kg/h)與這些結(jié)果相應(yīng)的混煉膠溫度如圖5所示.盡管混煉膠內(nèi)炭黑的分散度差異相當(dāng)大,但

18、這兩種配置的膠料溫度的差別則可忽略不計(jì).在這兩種情況下,膠料溫度與速度按直線比例增高.考慮到溫度測(cè)定精度約為±3K,而對(duì)此項(xiàng)必須予以考慮,因?yàn)闇y(cè)量是使用插入式熱電偶進(jìn)行的.但對(duì)考核的可比較點(diǎn)上所測(cè)量的膠料溫度并未發(fā)現(xiàn)有什么差別.圖5膠料溫度與螺桿速度的關(guān)系(產(chǎn)量:1Okg/h)圖6a所示的是產(chǎn)量同為10kg/h,速度同為80r/min時(shí),在同樣的測(cè)量面積上(825m2/每一試樣),按附聚體大小觀察到的兩種螺桿配置的未分第4期劉作雄編譯.在雙螺桿擠出機(jī)上連續(xù)混煉粉末橡膠19散炭黑附聚體的總面積.在附聚體粒徑相同條件下,"捏煉組件塊"產(chǎn)生的未分散炭黑的總面積由于粒子數(shù)

19、量較大因而也大得多.用"FAMME"配置制備的混煉膠總共只檢測(cè)到238個(gè)目標(biāo),而用"捏煉塊"制備的混煉膠在考核的圖象區(qū)上鑒別出了相同規(guī)格大小的炭黑附聚體總計(jì)1028個(gè).另外,除分散系數(shù)外,這一考核提供了混煉膠狀況及混煉膠質(zhì)量的更為精確的圖像.考慮到它只取了一些非常大的粒子,在總體上面積較大,這一圖像可以表明:對(duì)于兩種配置而言,均不存在粒徑大于18gm的粒子;通過比較,用"FAMME"系統(tǒng)制備的膠料中存在的912gm粒徑的附聚體極少.一方面說明這批粉末橡膠中炭黑的初始分散度很好,而另一方面說明"FAMME"混煉組件的

20、混煉分散系數(shù)較高.經(jīng)過上述混煉組件,附聚體的粒徑大小分布實(shí)際上向更小的粒徑方向移了一個(gè)度量級(jí),正如圖6b所示.這意味著,如果采用"FAMME"螺桿組件進(jìn)行混煉,大部分炭黑按微粒分散條件分布.4,0OE+043,0OE+042,00E+04'1.00E+o40,0OE+00k"捏煉組件塊"(分散性:92%)"FAMME"(分散性:983%)喂料率:10kg/h螺桿速度:80r/min:I.一附聚體粒徑(um)6bf,6um+附聚體粒徑圖6"FAMME","捏煉組件塊"螺桿組件的附聚體面積與

21、附聚體粒徑的關(guān)系ab圖7"捏煉組件塊"(a),"FAMME-"(b)凸齒斷面形狀簡圖8傳統(tǒng)的"捏煉組件塊"(a),"FAMME"(b)螺紋頂尖間隙區(qū)楔形直線模型"FAMME"螺桿配置在同樣的溫升情況下分散系數(shù)更好的事實(shí),可以從混煉組件的幾何形狀上推導(dǎo)出來.如果考慮擠出機(jī)機(jī)筒和螺桿混煉組件側(cè)面之間的側(cè)部區(qū)域有兩個(gè)剪切區(qū)域(見圖7),很明顯的是除了混煉膠進(jìn)入"FAMME"的剪切間隙的角度比較平坦外,其剪切間隙的寬度因組件的不對(duì)稱設(shè)計(jì)的原因比"捏煉組件塊"的要小

22、得多.在兩種組件體的直線放大視圖8中,同樣明顯的是"FAMME"的間隙區(qū)也要大得多.上述所有的三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生了壓力損失,這使壓力損失在膠流流經(jīng)"FAMME"間隙時(shí)比流經(jīng)"捏煉組件塊"間2O橡塑技術(shù)與裝備2002年第28卷隙時(shí)要小得多.這就是為什么就總產(chǎn)量而言,通過"捏煉組件塊"間隙的物料流量要小得多的原因.物料中的最大部分因其捏煉盤的偏置而從這一間隙偏離開去,因而無法在側(cè)面與擠出機(jī)筒之間參加到分散過程中去.Erdmenger斷面形狀上的高而恒定的節(jié)距可抵消這種效應(yīng),不過這也將進(jìn)一步提高能量消耗.在使用"

23、FAMME"時(shí),因其自潔性能比"捏煉組件塊"的差,會(huì)使膠料的平均停留時(shí)間延長,但不會(huì)出現(xiàn)膠料焦燒的問題,因?yàn)樵诖藭r(shí)刻硫化體系尚未加入.以能耗與炭黑分散度的函數(shù)關(guān)系所作的圖(見圖9)表明,在不以調(diào)整產(chǎn)量為主變量的表達(dá)式中,單位能量輸入保持恒定,它在同樣的平衡溫度的條件下與溫度的升高成正比,使用"FAMME"混煉組件時(shí),所獲得的分散度是很高的.必須記住,特別在分散系數(shù)超過95%時(shí),其拉伸疲勞壽命的提高是非線性的I圳.因?yàn)檫@一原因,后面的試驗(yàn)將采用優(yōu)化"FAMME"螺桿配置進(jìn)行.X"FAMME"產(chǎn)量15kg/h

24、o"捏造煉組件塊"產(chǎn)量10kg/h"捏煉組件塊"產(chǎn)量15kg/h圖9炭黑分散性與單位能量輸入的關(guān)系2.2產(chǎn)量及速度的影響兩個(gè)參數(shù)即產(chǎn)量和速度對(duì)兩個(gè)目標(biāo)_膠料溫度和分散效率以及單位能量輸入的影響在實(shí)際上具有主要意義.為了在雙螺桿擠出機(jī)上開發(fā)并最優(yōu)化連續(xù)混煉工藝,因而對(duì)這些參數(shù)對(duì)工藝的影響作了考核.圖10所示的是"FAMME"螺桿速度以喂料率為函數(shù)對(duì)膠料溫度的影響.正如所預(yù)期的那樣,提高速度同時(shí)保持膠料流恒定,會(huì)使溫度升高.由于速度加快,粉末橡膠處于更高的剪切應(yīng)力和應(yīng)變流圖10兩種喂料速率下膠料溫度與螺桿速度的關(guān)系(螺桿配置"F

25、AMME")圖11炭黑分散度與螺桿速度的關(guān)系("FAMME")作用下而在混煉區(qū)的平均滯留時(shí)間基本相同.圖11所示的是試驗(yàn)的這些時(shí)刻所達(dá)到的分散度,特別值得指出的是,隨著速度的增高逐步接近混煉質(zhì)量.在螺桿速度恒定不變的情況下,分散系數(shù)的提高與產(chǎn)量率(即單位產(chǎn)量)降低相關(guān)連,此點(diǎn)可從混煉膠料在混煉區(qū)平均滯留時(shí)間加長而得到解釋.膠料流量較大意味著單位時(shí)間內(nèi)更多的膠料通過混煉區(qū),而作用到膠料上的剪切與應(yīng)變流則只有短暫的時(shí)間,這致使分散度較差.由于與材料流比散發(fā)的熱量較少而膠料溫度較低.相對(duì)于螺桿高速度及長混煉時(shí)間的兩條曲線都走向同一終結(jié)值,這一數(shù)據(jù)的特征是填充劑附聚體之間

26、的粘結(jié)力再也無法被聚合物與填充劑之間的物理界面力所克服.不過設(shè)速度與平均滯留時(shí)間無關(guān)以及平均滯留時(shí)間隨產(chǎn)量增加呈負(fù)極差關(guān)系的假設(shè)是針對(duì)填充度為100%的區(qū)域作出的.圖12所示的是所用的"FAMME"組件,其機(jī)筒在試驗(yàn)前和試驗(yàn)過程中被打開.可以看到試驗(yàn)期間這兩個(gè)區(qū)段內(nèi)實(shí)際上已達(dá)其容量的100%,全充滿了混煉膠.很明顯,進(jìn)入第一混煉區(qū)的原材料全部仍然呈粉末橡膠與油第4期劉作雄編譯.在雙螺桿擠出機(jī)上連續(xù)混煉粉末橡膠21的混合物的形態(tài),但是它很快就轉(zhuǎn)入了被塑化的狀態(tài).機(jī)筒4的放大阿(試驗(yàn)道【|)粉末橡膠蒺艷翁簇趁最終輸送組件機(jī)筒4試驗(yàn)蒔機(jī)筒5試驗(yàn)前胃圖12試驗(yàn)前和試驗(yàn)中打開機(jī)簡4,

27、5區(qū)段照片表述圖在確定膠料最高溫度時(shí),也即低于這一溫度加入交聯(lián)劑產(chǎn)生早期硫化的問題就可得到排除的膠料最高溫度時(shí),對(duì)于給定的螺桿配置,在符合最高允許膠溫,獲得最高可能達(dá)到的分散度的條件下,由于上面提到的每一速度時(shí)的影響的原因存在一個(gè)最佳產(chǎn)量率.如果分散度更高些,那么只能通過提高速度或降低產(chǎn)量來獲得.這兩種情況的結(jié)果都會(huì)超過預(yù)定的溫度.以這些影響作用來看,十分清楚的是,在選擇連續(xù)混煉工藝參數(shù)時(shí),膠料溫度是一個(gè)具有極限的因素.2.3排膠溫度與機(jī)頭壓力的函數(shù)關(guān)系圖13所示的是三個(gè)回壓水平上膠料溫度相對(duì)于機(jī)頭壓力的行為特性.首先,材料相對(duì)于大氣壓輸送,而未采用口型.膠料此時(shí)溫度達(dá)到75¨C.在

28、試驗(yàn)的第二個(gè)時(shí)刻,口型裝到擠出機(jī)上,機(jī)頭壓力設(shè)定到3MPa.這意味著從擠出機(jī)橫截面下至口壓橫截面減小了60%.為使壓力升高以能將膠料輸送并通過口型,口型模前的幾個(gè)輸送組件必須充滿達(dá)100%容量.膠料溫度升至98.C是因?yàn)槭箟毫ι咝枰~外能量輸入的原因.在試驗(yàn)的第三時(shí)刻,將口型調(diào)得更窄,使得機(jī)頭壓力達(dá)到5.5MPa.在輸送組件上的止回段加長以使所需的壓力更高.由于向膠料輸入的能量更高,膠料溫度升至108C.在試驗(yàn)的三個(gè)時(shí)刻中,其它所有操作參數(shù)都保持不變.如審視一下這些相關(guān)關(guān)系,很明顯,為保證擠出膠成型而提高壓力是與膠料溫度升高緊密相連的,因?yàn)門SE現(xiàn)已能完全適應(yīng)升壓的影響.這樣的升溫提高了膠料

29、焦燒的風(fēng)險(xiǎn),也限制了可能達(dá)到的膠料產(chǎn)量率.這是因?yàn)榕c溫度相關(guān)的螺桿速度降低的原因.由于這一原因,應(yīng)設(shè)計(jì)更進(jìn)一步的試驗(yàn)以確定所需的壓力是否能借助下游的齒輪泵來解決或用膠料溫升較低的單螺桿熱喂料擠出機(jī)來解決.圖13膠料溫度和機(jī)頭壓力與單位能量輸入的關(guān)系2.4"FAMME終煉"螺桿配置包括加交聯(lián)劑在內(nèi),以連續(xù)混煉工藝生產(chǎn)包含全部所需化學(xué)藥料的終煉膠為目的的原初試驗(yàn)表明,確實(shí)最好要讓混煉工藝按各步驟一步一步的順序進(jìn)行.圖14所示的是以一個(gè)工藝步生產(chǎn)完整混煉膠的,全部工藝長度為24L/D的"FAMME"一終煉螺桿配置可分成五個(gè)不同的工藝區(qū)段:主喂料區(qū);分散性混煉區(qū)

30、;排氣及二次喂料區(qū);分布性混煉區(qū);加壓區(qū).在試驗(yàn)設(shè)置中,材料總產(chǎn)量分成四部分.在喂料區(qū)段(機(jī)筒3)粉末橡膠與母煉膠一起喂入.在這一部位,凹切槽輸送組件為一標(biāo)準(zhǔn)件,通過它可將粉末橡膠送入工藝加工部件.凹切槽輸送組件用至加增塑劑的部位,以便能在未開始混煉工藝前把增塑劑直接注入粉末橡膠.得益于粉末橡膠這種物態(tài)及其粒子的形態(tài),粉末橡膠的比表面積較大,因而有較好的油吸附能力.在這一時(shí)刻增塑劑是在大氣壓力環(huán)境條件下注入的,因?yàn)榉勰┫鹉z尚未塑化且螺桿螺紋槽只充滿了一部分,油料加入上的這一改變可使比例計(jì)量更為可靠,不會(huì)發(fā)生注射噴咀堵塞問題.22橡塑技術(shù)與裝備2002年第28卷圖14"FAMME終煉&

31、quot;螺桿結(jié)構(gòu)示意圖第4,5區(qū)段為組成"FAMME"組件和反向泵了將來的進(jìn)一步試驗(yàn),計(jì)劃在混煉區(qū)(4區(qū)和5區(qū))送凹切槽混煉組件的混煉區(qū)段.在第一個(gè)上采用膠料測(cè)溫儀,以便獲得工藝有關(guān)參數(shù)及輸入"FAMME"組件之前及兩個(gè)"FAMME"組件體能量散發(fā)有關(guān)的更好的數(shù)據(jù).粉末橡膠與增塑劑混之間采用了Erdmenger輸送斷面形狀設(shè)計(jì),以便通合物差不多在室溫下被送到第1混煉區(qū).因此混煉過兩個(gè)混煉組件來形成必要的壓力降.第4區(qū)段中膠的粘度比較高.當(dāng)混煉膠通過第5混煉區(qū),膠溫用的口型"FAMME"組件承擔(dān)粉末橡膠和增塑劑就急

32、劇上升,盡管它可把熱量散發(fā)到機(jī)筒上.因此的塑煉以及母煉膠1中的化學(xué)藥劑的混煉任務(wù).另第6到第8區(qū)設(shè)定到最高冷卻功率以防止膠料溫度外,在這一區(qū)段也獲得一定量的填充劑的分散.圖進(jìn)一步升高,并相應(yīng)降低膠料的溫度.l2所示的是經(jīng)過第1混煉區(qū)之后母煉膠1和增塑水汽和低分子量有機(jī)成分必須在排氣區(qū)段(第劑已經(jīng)過加工而混合.使用第二個(gè)"FAMME"組6區(qū))內(nèi)被除去.這一段可以把膠料中的氣泡及多余件的目的是要繼續(xù)進(jìn)行填充劑的分散以獲得最高熱量從擠出膠中排除出去,因此使用排氣方法也成的分散效率.了降低膠料溫度的一個(gè)輔助手段.溫度差主要取決位于第5區(qū)段"FAMME"組件體之后

33、的逆向于排氣區(qū)段蒸汽的排放量.一旦物料進(jìn)入第6區(qū),泵送切槽混煉組件,其任務(wù)是對(duì)混煉膠施加分布性它已變成均勻的混煉膠,其中包含有粉末橡膠與增混煉作用以使已加入的混煉組份盡可能地分布均塑劑,母煉膠1,而母煉膠1中填充劑分散業(yè)已完勻.另外,它在螺桿阻緩組件之后直接產(chǎn)生無壓狀成.至此,混煉作用的其余部分就是必須確保交聯(lián)態(tài),以防止第6區(qū)段的揮發(fā)物排出孔阻塞.由于機(jī)劑的加入進(jìn)行分布混煉.在第6區(qū)加入交聯(lián)劑是安器開動(dòng)時(shí),到達(dá)這里的混煉膠必須盡可能快地加熱全的,如果膠料溫度能盡可能事先降到90以下升溫,所以第4,5區(qū)段是使溫度均衡達(dá)到80的的話,預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)焦燒.t區(qū)段,否則如果混煉區(qū)是冷的,就會(huì)發(fā)生超過最高

34、在第7,8區(qū),兩個(gè)逆向泵送多邊形組件是用扭距的問題.在穩(wěn)態(tài)作業(yè)情況,一方面,由于混煉來完成交聯(lián)劑的加入及分布性混煉的.得益于其切區(qū)段的散熱量高,熱量就會(huì)傳導(dǎo)到機(jī)筒,這樣,這向設(shè)計(jì),它們對(duì)混煉施加的能量很小,因而在第7,些區(qū)段的目標(biāo)溫度(設(shè)定溫度)就無法得以遵循.為8區(qū)內(nèi)混煉膠就在根本上難以產(chǎn)生升溫.為了增強(qiáng)第4期劉作雄編譯.在雙螺桿擠出機(jī)上連續(xù)混煉粉末橡膠23分布混煉效果,在第8區(qū)使用了多邊形組件,并與逆向泵送切槽組件結(jié)合.在與交聯(lián)劑混入的同時(shí),其分布性混煉效應(yīng)也自然作用于先前已在主喂料口喂入的其他配合劑,所以可獲得混煉膠各個(gè)組份的均勻分布.在圖l5中,各個(gè)輸送和混煉區(qū)段中平均計(jì)算粉木橡膠母煉

35、膠1l軟化劑滯留時(shí)間表明,這些滯留時(shí)間只在充滿度達(dá)到100%的區(qū)段里,隨著喂料率的增加而縮短.在分布混煉區(qū)段內(nèi),速度加快的混煉膠的平均滯留時(shí)間要比分散混煉區(qū)段中的基體混煉膠的滯留時(shí)間要短得多.芝2402.4D圖15不同喂料速度的計(jì)算膠料平均滯留時(shí)間3結(jié)論把傳統(tǒng)上主要用于塑性材料加工的"捏煉組件塊"與既用于橡膠也適用于塑料加工的"FAMME"組件所作的比較表明,由于橡膠的高粘度的原因,在材料中少引發(fā)剪切應(yīng)力是有意義的.其意義在于,它在散熱溫度上引起的升溫要少得多,同時(shí)又提高分散質(zhì)量.后者的形成原因可從物料流動(dòng)道路處于較小的剪切應(yīng)力下而物料產(chǎn)量更高這一點(diǎn)上找

36、到.對(duì)橡膠加工用的螺桿幾何形狀的進(jìn)一步開發(fā)活動(dòng)可在這一方面得到更好的結(jié)果.所作的螺桿速度和產(chǎn)量對(duì)目標(biāo)分散度和膠料溫度水平的影響的描述可讓加工者按其要求選擇最佳操作時(shí)機(jī).這一系列試驗(yàn)的產(chǎn)量的卡脖子之處是受所用的雙螺桿擠出機(jī)的較低扭距所決定的.隨著"FAMME一終煉"螺桿配置的發(fā)展,有可能以一步加工法生產(chǎn)出高質(zhì)量的且不隨時(shí)間波動(dòng)的可硫化的一切就緒的混煉膠.把整個(gè)工藝長度分成:喂料段,分散段,冷卻段,交聯(lián)體系喂料段,分布混煉段及升壓段的措施是值得的,因?yàn)檫@可以得到高分散系數(shù),同時(shí)可以排除焦燒問題.參考文獻(xiàn):1】U.GSrlandK.一H.NordsiekKautsch.Gummi

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