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混合参数: 橡胶混炼机的工具包

来源:荣格 发布时间:2018-02-24 451
塑料橡胶材料处理、计量与检测塑料加工设备 技术前沿
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自1916年Fernley H. Banbury推出密闭式强力炼胶机(本佰里密炼机)以来,橡胶化合物的混合通常都是以同样的方式进行。与标准双辊开炼机对比,橡胶密炼机有许多优点: 密炼机更高效、更清洁、更安全。在过去的若干年里,通过一系列的机械变化使密炼机粉碎材料的质量和产量(磅/小时)得到了改进。这包括转子的改良和/或新的设计,密炼室设计的改善,转子冷却的改进以及排胶时间与温度等的调整。

自1916年Fernley H. Banbury推出密闭式强力炼胶机(本佰里密炼机)以来,橡胶化合物的混合通常都是以同样的方式进行。与标准双辊开炼机对比,橡胶密炼机有许多优点: 密炼机更高效、更清洁、更安全。在过去的若干年里,通过一系列的机械变化使密炼机粉碎材料的质量和产量(磅/小时)得到了改进。这包括转子的改良和/或新的设计,密炼室设计的改善,转子冷却的改进以及排胶时间与温度等的调整。

除了机械改进之外,还有许多其它因素影响着橡胶混合物的混合效率、周期时间和性能。主要影响来自用于混合的转子设计或类型。然而,称为混合参数的其它因素也不容忽视,它们为混合效率、周期时间、产量、产品质量做出了贡献。这些因素包括转子每分钟转速(rpm);摩擦或甚至驱动速度;通过转子、混合室两侧、卸料门以及有时通过上顶锤的循环水的类型与温度;采用的混合方案;填料/油的添加;填充因数;上顶栓压力;以及随上顶栓上升而混合的程度。看看这些参数,就好像它们是混炼机工具包上的工具。这些参数中的一些可能具有单独的小的影响,但组合时,它们会对混合产生显著影响。它们都可以根据需要使用。

讨论

影响混合的唯一的、最重要的因素是混合过程中采用的转子的设计或类型。有些转子是专为“常规”混合应用,而另一些则是为诸如母炼胶的制备、最终或二氧化硅的混合等专门或独特设计。在某些情况下,为一种混合而设计的转子被发现对另一种混合来说是有用的,尽管是在细分领域,如果你与定制生产商交流,他们会告诉你有一些化合物,使用更先进的转子设计并不会混合得很好,反而用双转子会使化合物混合良好。因此,如果一个工厂中有不同类型转子的多种混合机,“引起麻烦的化合物”的混合可能会受益于不同类型的转子。然而,如果一个工厂所有的混合机中只有一种类型的转子,那意味着为达到预期的混合,其它的混合参数变得非常重要。

转子转速在混合的方式中起着重要作用。实际速度本身,快速或缓慢,对某些材料来说是非常重要的,而对其它材料却不那么重要。许多化合物,诸如EPDM基材料,可以在不同的转子速度下混合,而其产品性能并没有显示出降低。其它材料,如天然橡胶基化合物,将随着转子转速增加而表现出产品性能下降。因此当谈到转子速度时会有不同类型的密炼机。有三种类型,取决于其电机和驱动力,包括单速度、双速度和变速混合机。

单速混合机是一个仅以一种速度运行的混合机。例如,如果你有一款40rpm的单速混合机,那么它们只能以40rpm的速度混合所有的化合物。由于只有一个速度可用,这时对其它混合参数的使用变得非常重要。双速混合机的灵活性更强一些。双速混合机有两种不同的混合速度。对于20/40双速混合机,你可以选择20rpm或40rpm的速度混合。有许多双速混合机可选用,包括20/30、20/40、30/50和40/60rpm。遗憾的是,在混合时混合机只能一次使用一个速度。双速混合机要选速度需由操作杆手动改变。要先停止混合机,改变速度,然后重新启动混合机。这种类型的操作不利于获得一致的、均匀的混合效果,因此双速混合器的所有者将只使用一个速度进行混合。虽然双速混合机给了更多的灵活性与转子速度,但其它混合参数,会再次成为非常重要的混合工具。

第三种类型的混合机应运而生,它具有改变转子转速的能力。依靠控制系统,在混合期间变速,为混合机提供了无数的转子转速组合。在整个混合过程中大多数人都倾向于使用一个速度,而在添加配料或清扫上顶栓时将降低转子速度,然后在上顶栓下降/混合小部分料时增加转子速度。复合物无论如何混合,变速混合机都为混合过程提供了最灵活的方式。

混合机传动程序可以有两种不同的模式,包括均匀速度和摩擦速度。一个匀速传动意味着两个转子以相同的速度旋转,并以相同速度运行。如果转子转速设置在40rpm,两个转子每分钟将以40转的速度运行,其联合输出则为80rpm。

在摩擦速度传动下,转子是以不同的速度在转动,有不同的“摩擦比”可选用。一般摩擦比为1.15:1。这意味着在40rpm,较快的轧辊将以每分钟40转的速度运行,而较慢的轧辊则倾向于大约34~35rpm,综合形成以每分钟约74~75转的速度运行。

事实证明,不同的化合物可在两个传动器中进行不同混合。有些材料更适于摩擦速度混合,而其它化合物则在均匀速度下混合更均匀。因此,如果在一个工厂同时有匀速和摩擦速度两种混合方式,材料在一种类型混合机中混合不均匀时,在另一类型机中可能混合得更好。然而,如果该厂只有啮合型(IM)转子,均匀/摩擦点是无意义的。由于在IM混合器中转子路径相交(切向转子有两个独立的转子路径),IM转子只能在均匀的速度运行,因为在摩擦速度下混合机和转子将会引致错乱。

在混合机中的循环水的类型和温度既可以帮助混合,又有可能会损害混合。大多数人会将循环水流经混合机的两侧,卸料门顶部和转子,有些甚至会出现循环水通过上顶栓或上顶锤。有4种类型的水可被使用。有些使用井水,其温度相当一致,因为它通常在地球的表面之下从浅到9米,深到多达3000米的地下抽出。而且井水是在地面之下,它不受地球表面条件的影响。虽然恒定,但这种低水温可能需要从其它参数得到更多的帮助,以获得适当的组合。有一个负面影响可能起因于水中不同的离子会形成沉积(碳酸钙、硫酸钡等),从而使水管和通水道堵塞,这在使用之前可能需要对水进行调节。

最常见的水循环形式是采用温度控制单元(TCU)。TCU将水加热或冷却到所需的温度,并在混合过程中保持温度不变。然而,TCU必须大小合适并使用正确的流速,特别是在二氧化硅和偶联剂之间的硅烷化反应期间。由于混合被处于从130~170℃的温度范围最长达5分钟左右,一个大小不合适或使用不正确流速的TCU可能无法保持所需的温度,且还高出8~14℃。

另一种水是使用自来水。自来水可能会有所不同,取决于水源地点和年份季节。如果在夏威夷混合,自来水基本上是一年到头都相近。然而,如果在东北部俄亥俄州混合,自来水温在冬季可能是低至2℃,而在夏季的月份它可能高达24℃。使用自来水来混合的地区有这样的差异,往往需要一个夏季混合配方和冬季混合配方。

用于混合机循环的最后一种水是过程处理水,有时称为塔水。这种水在一个工厂除了混合应用外,还可用于许多加工进程中。就像自来水一样,其水温的差异可以很小,但也可以很大,它取决于地理位置和所涉及的不同过程。

如何或何时添加材料将会影响混合。有两个主要的混合方案,包括顺向混合(RSUP)和逆向混合(UPSD),第三个混合方案是“Y”型混合,当中从混合料A结合了一些又从混合料B结合了一些进而形成混合料C,但与两个主要的混合方案相比这种混合并不普遍。顺向混合需要先加入橡胶,其次是填料、化学添加剂等,要么是立即要么是延迟一些(如果你想在其它添加剂加入之前进行橡胶素炼这道工序)。逆向混合通常首先添加所有的配料,最后再添加橡胶。改变添加方案对混合料的周期时间和分散性有很大的影响,特别是对三元乙丙和腈混合采用的逆向混合。



使用的上顶栓压力可以改变混合。上顶栓压力越大,占用时间越快,混合时间会越快。上顶栓压力越低,上顶栓的工作时间越慢,混合时间则越慢。一个太低的上顶栓压力和上顶栓工作缓慢可能有风险,会在上顶栓工作之前或工作时产生液滴。这往往导致混合不良或部分材料未混合。如果需要更多的混合时间来获得所需的属性,紧随上顶栓在向上的位置加强上顶栓上升力或混合。每次上顶栓提高时,料温会在缓慢增加之前维持或略为下降一些。必须关注随上顶栓上升时的混合,因为它可以显著增加混合时间;但是,如果化合物是刚性或高负荷的,材料将在进入混合机喉部的混合室外开始自混。而在此时,仅有部分化合物被混合,这将导致一个不均匀的产品。该材料在混合室里必须保持足够柔软,上顶栓向上升以混合更佳并获得均匀的胶料。

最后,填充因子的混合行为非常类似于上顶栓的压力行为;即较高的填充因子将产生更快的混合(在一个点上),而较低的填充因子,混合时间会较慢。一个较低的填充因子会被用于几个原因(第三个原因是定制生产商有时混合较小的批量,因为所需的化合物的重量低于使用的混合容量)。如果化合物需要额外的混合时间来达到所需的性能,或者如果混合机整体应力过大(由于材料太硬导致转子转速降低),可减少批次份量,容许混合机在一个连续速度下运行。

如果一个批次份量太大,它可能导致不均匀混合,残留有自由的或未混合的添加剂。这个自由的配料将不会被转子混合,因为它可能会在混料顶部而不被转子混合,或者它可能会在顶部溢出而未落进混合室。

再者,将混合参数视为工具包中的工具,让我们来看看如何结合这些混合参数来实现。附表所示的结果说明了当使用大量参数获得所需的组合时会发生什么情况。这项工作的目的是要求三元乙丙橡胶顺向混合达到一个期望性能(附表)。

化合物采用顺向混合加料法进行二次独特混合,使用二棱转子,35℃循环水,第一次以每分钟40转,第二次以每分钟20转进行(第一条线)。然后,化合物使用六棱转子进行二次混合,大大减少了混合时间,增加了产量,降低了门尼粘度,但混合仍然是二次混合。下一步是用六棱转子以顺向混合方式进行一次混合。而这被证明是不成功的(极差的门尼粘度),直到加料法被改变为逆向混合方式,混合周期时间增加到超过原始的组合的4倍。然而,其粘度69MU被认为是有点太高。

此外,几个批次混合,调查各种转子转速和循环水温度。最后,通过组合4种不同的混合参数,从二次/顺向混合方案混合到一次/逆向混合方案,使用7℃循环水代替35℃的水,在为残余部分的混合减慢转子转速为40rpm之前,以60rpm转速为第一部分料混合,获得所需的性质。在这样做的时候,总周期缩短了330秒,并且物料通过量增加了4倍。

结论

从文中可以看出,各种混合参数会影响橡胶混合物的混合。有些参数的效果比其它来得更明显。就像工具包中的工具,这些不同的参数,无论是单独或是组合,都对混合效率、批次周期时间、能源消耗、物料产量、橡胶化合物的性能和产品质量提供了帮助(在某些情况下是防碍)。

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