混煉技術(shù)進展：剪切式和嚙合式密煉機結(jié)構(gòu)

梁利強 編譯

（西北橡膠塑料研究設(shè)計院 陜西 咸陽 712023）

混煉技術(shù)進展：剪切式和嚙合式密煉機結(jié)構(gòu)

梁利強 編譯

（西北橡膠塑料研究設(shè)計院 陜西 咸陽 712023）

綜述了間歇式密煉機的技術(shù)進展, 詳細討論了剪切式和嚙合式密煉機的技術(shù)特點，其采用相同的回程位置控制，相同的上頂栓位置/下落速度控制和相同的液壓料斗，并介紹了串聯(lián)密煉機概念，可以大幅提高混煉效率。

密煉機；剪切式密煉機；嚙合式密煉機

1 技術(shù)介紹、應(yīng)用領(lǐng)域和用途

最初，剪切式密煉機是橡膠膠料混煉最常用的設(shè)備，幾年后嚙合式間歇密煉機幾乎達到與之相同的市場占有量。嚙合式密煉機是工業(yè)橡膠制品膠料最常用的設(shè)備，而剪切式密煉機是輪胎膠料最常用的設(shè)備。

在混煉技術(shù)的發(fā)展過程中，每種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點愈來愈明顯。不斷的研究工作使每種結(jié)構(gòu)都得到了改進，拓寬了兩類密煉機的應(yīng)用范圍。經(jīng)過技術(shù)對比，在1987年，可變轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子間隙嚙合式密煉機問世。

Intermix和GKE系列間歇式密煉機是著名的嚙合式間歇密煉機，在市場上享有盛譽。HF Mixing集團采用“優(yōu)中選優(yōu)”的方法將這些類似技術(shù)組合在一起，向業(yè)界提供新型高性能嚙合式密煉機。這種新系列嚙合式間歇密煉機被稱為“E”系列Intermix，包括一系列嚙合式密煉機，都結(jié)合了Intermix和GKE密煉機的優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)特點是優(yōu)化了傳熱，可產(chǎn)生受控擠壓、剪切流動混煉（與雙輥開煉機類似），并在密煉機工作表面上采用了最先進的耐磨材料。Intermix還有轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子間隙可調(diào)的類型，以滿足橡膠混煉中的特殊需求，改善混煉過程中的吃料特性。這類嚙合式間歇密煉機被稱為VIC系列Intermix。

兩種最常用的剪切式間歇密煉機是本伯里和GKN系列密煉機。N系列本伯里密煉機結(jié)合了這些間歇密煉機的先進技術(shù)。本伯里密煉機的突出特點是可高效地吃入投放的材料，并在很短時間內(nèi)將多種材料高質(zhì)量地混合。這些機器的工作表面上采用了最先進的耐磨材料（圖1）。

串聯(lián)間歇混煉技術(shù)是將一臺傳統(tǒng)間歇式密煉機組合到一臺經(jīng)改進的無上頂栓的較大嚙合式密煉機上。串聯(lián)工藝的目的是提高混煉效率。主密煉機（上部密煉機）可以是剪切式的，也可以是嚙合式的。其是母煉密煉機（主密煉機），可用于混煉填料、油和聚合物。副密煉機（下部密煉機）是經(jīng)改進的嚙合式密煉機，用于完成混煉過程。副密煉機主要用在后序混煉工藝過程中（如硅烷化反應(yīng)或終煉工藝），以提高傳熱耐力，控制膠料溫度（圖2）。

圖2 串聯(lián)密煉機概念

2 剪切和嚙合技術(shù)

簡言之，剪切式和嚙合式間歇密煉機由多個組件構(gòu)成，包括：用于加料的料斗裝置，其中有一個柱塞用于將材料壓入混煉腔中；混煉腔配有兩個用于混煉操作的對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子端板，用于密封混煉腔的兩端；防塵密封，用于密封旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與靜止轉(zhuǎn)子端板之間的區(qū)域；底座，其中設(shè)有排料裝置；驅(qū)動系統(tǒng)，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子完成混煉過程。

兩類機器的主要差別體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子和混煉腔的設(shè)計上（圖3）。

圖3 剪切式和嚙合式間歇密煉機示意圖

2.1 剪切式密煉機

在剪切式密煉機中，轉(zhuǎn)子有一個大直徑和一個小直徑。每個轉(zhuǎn)子在各自的腔中獨立轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子頂部（大直徑）沿轉(zhuǎn)子軸呈螺旋形，一般與轉(zhuǎn)子中心的距離相同。這種螺旋凸出物稱為剪切式密煉機的凸棱。剪切式密煉機中的每一混煉腔中，轉(zhuǎn)子棱使混煉材料軸向和徑向轉(zhuǎn)動（有些像擠出機螺桿在擠出機筒中的作用）。剪切式密煉機主要在轉(zhuǎn)子棱頂與混煉腔側(cè)壁之間形成高剪切力。就是在這一區(qū)域，混煉材料被強制通過轉(zhuǎn)子棱棱頂和混煉腔壁之間的小間隙。也就是在此處進行分散混煉，并破碎聚合物。材料在混煉腔中的軸向和徑向運動產(chǎn)生的混煉作用可視為分布混煉，這種混煉作用可使材料在混煉腔中均勻地分布[圖4(a)]。剪切轉(zhuǎn)子棱的數(shù)量、在轉(zhuǎn)子上的位置、螺旋角、頂部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部傳熱能力對轉(zhuǎn)子的混煉能力具有巨大的影響。

剪切密煉機有兩個相對的側(cè)腔，每側(cè)的腔中有一個轉(zhuǎn)子，兩個轉(zhuǎn)子之間有一個開放區(qū)，開放區(qū)的大小由轉(zhuǎn)子中心及大轉(zhuǎn)子直徑?jīng)Q定。在開放區(qū)，一個轉(zhuǎn)子的棱頂引導(dǎo)另一個轉(zhuǎn)子的棱頂進入“相互作用區(qū)”（兩轉(zhuǎn)子之間的區(qū)域），在此處，混煉腔中兩側(cè)轉(zhuǎn)子的材料進行交換。在相互作用區(qū)，轉(zhuǎn)子棱之間進行相互作用，在兩轉(zhuǎn)子棱之間擠壓材料。這種作用在混煉腔中形成另一個剪切面，改善了橡膠與金屬間的接觸，提高了傳熱效果。

圖4 剪切式密煉機的工作原理示意

轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子相互作用對剪切式密煉機混煉能力有巨大影響。最初，剪切式密煉機的轉(zhuǎn)子在混煉腔中以不同的速度轉(zhuǎn)動，模擬雙輥開煉機的速比。密煉機以這種方式運行時會形成不斷變化的轉(zhuǎn)子相互作用，并反復(fù)進行，其取決于驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的連接齒輪。新型密煉機配有勻速連接齒輪，以此提高混煉效率和均勻性。許多研究都探討了剪切密煉機轉(zhuǎn)子相對運動變化對混煉特性的影響。由圖4(b)可看到，同一轉(zhuǎn)子從0-0變?yōu)?-180取向，最后到0-90取向的變化過程中轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子的相互作用差別。

轉(zhuǎn)子取向可以改善材料的吃入特性，改善助劑的分布和分散，具體情況視所混煉材料而定。采用獨立驅(qū)動器獨立驅(qū)動每個轉(zhuǎn)子，從而在混煉過程中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的相對速度或取向。

2.2 嚙合式轉(zhuǎn)子密煉機

嚙合式密煉機的轉(zhuǎn)子必須由勻速連接齒輪驅(qū)動。一個轉(zhuǎn)子的大直徑與相對轉(zhuǎn)子的小直徑相互作用，這決定了轉(zhuǎn)子必須勻速運行。嚙合式密煉機轉(zhuǎn)子上有凸棱，其與剪切式密煉機凸棱的主要差別是斷面結(jié)構(gòu)不同。這種凸棱也沿轉(zhuǎn)子呈螺旋形，使材料在混煉腔內(nèi)進行軸向運動。凸棱的尺寸、位置和形狀對于高效混煉非常重要。所有嚙合式密煉機的共同之處是一個轉(zhuǎn)子的大直徑（凸棱）與另一個轉(zhuǎn)子的小直徑相互作用。另外，大多數(shù)嚙合式密煉機的排料門位于轉(zhuǎn)子端板下方的密封混煉腔，而大多數(shù)剪切式密煉機的排料門位于轉(zhuǎn)子端板之間密封混煉腔，所以排料門的配合程度以及工作溫度對剪切式密煉機而言非常重要。

分散混煉主要在一個轉(zhuǎn)子的大直徑與相對轉(zhuǎn)子的小直徑之間的小間隙內(nèi)進行(圖5)。在稍后的混煉階段,在轉(zhuǎn)子頂部(凸棱)與混煉腔側(cè)壁之間形成材料流。

圖5 嚙合式密煉機的工作原理示意

由凸棱結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時材料在轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子之間的交換而在混煉腔中使材料形成軸向和徑向運動,進行分布混煉(圖5)。

兩類密煉機都配備有探測膠料溫度的裝置。在兩類密煉機中，混煉腔中伸出的熱電偶位于端架或門頂處。嚙合式和剪切式密煉機側(cè)壁上沿混煉腔設(shè)有開口，可直接在混煉腔中加入液體（油或增塑劑）。

依據(jù)市場需求，設(shè)計制造了較小規(guī)格的剪切式和嚙合式間歇密煉機，以滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。顯然，結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的差別取決于技術(shù)。相應(yīng)的批次質(zhì)量必須根據(jù)膠料調(diào)節(jié)。最佳填充因子隨機器類型、轉(zhuǎn)子設(shè)計、材料類型和黏度，以及所選的工作溫度而變。圖6示出了填充因子與黏度之間的關(guān)系，這是根據(jù)實驗室得出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)繪制的。一般來說，與凈混煉腔體積相同的嚙合式密煉機相比，剪切式密煉機單位體積混煉腔可混煉較大的批次體積或質(zhì)量的膠料，嚙合式密煉機PES 6轉(zhuǎn)子的推出后提高了填充系數(shù)，但目前還沒有達到剪切式密煉機的填充比。

圖6 填充因子與黏度的關(guān)系

嚙合式密煉機的優(yōu)點是可使材料在混煉腔內(nèi)劇烈運動，有效剪切材料，而且因其有表面積-體積比較大的結(jié)構(gòu)特點，在混煉過程中具有較強的排除熱量的能力。這種排除膠料中熱量的能力可由圖7（a）清楚地看出。該圖繪出了嚙合式與剪切式轉(zhuǎn)子密煉機的凈混煉腔體積（空體積）。對于凈混煉腔體積為250 L的密煉機而言，嚙合式密煉機可傳熱的表面積要多約18%。

繪制不同規(guī)格嚙合式密煉機的相同關(guān)系圖線可得到另一個有趣的圖 [圖7(b)] 。

圖7 嚙合式密煉機的相關(guān)數(shù)據(jù)

顯然，與同類較大的密煉機相比，較小的密煉機可以從膠料中排出更多的熱量。密煉機規(guī)格與表面積-凈混煉腔體積之間的關(guān)系也適用于剪切式密煉機。因此，在需要高傳熱能力的場合，常常使用較小規(guī)格的密煉機（無論是嚙合式還是剪切式）。

人們不了解嚙合式密煉機在混煉開始階段將材料吃入混煉腔的能力。尤其是使用高黏度膠包以及低溫高黏度膠片時更是如此。嚙合式密煉機兩轉(zhuǎn)子之間喂入橡膠的開口[圖8(a)]要比同規(guī)格剪切式密煉機[圖8(b)]小得多。

圖8 嚙合式與剪切式密煉機喂料能力對比

嚙合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)變化改善了喂料能力，比如改進的PES 6嚙合式轉(zhuǎn)子。兩轉(zhuǎn)子之間間隙可調(diào)的嚙合式密煉機大幅提高了片狀或膠包形式的低溫高黏度橡膠的喂料能力。VIC（可變嚙合間隙）示于圖9。

圖9 可變嚙合間隙密煉機

3 間歇式密煉機技術(shù)進展

近年來，剪切式和嚙合式密煉機都取得了許多技術(shù)進步。兩種機器的相同之處是液壓料斗、可調(diào)節(jié)回程裝置、上頂栓下降速度變化方式以及串聯(lián)混煉技術(shù)。

剪切式密煉機混煉技術(shù)的改進包括：轉(zhuǎn)子設(shè)計改進；傳熱和金屬溫度控制；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；密煉機主體傳熱改進；控溫轉(zhuǎn)子和端板；上頂栓設(shè)計改進；上頂栓結(jié)構(gòu)改進；推出了N系列本伯里密煉機。

嚙合式密煉機技術(shù)的改進是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進（推出了E和VIC系列Intermix）。

3.1 剪切式和嚙合式密煉機相同的液壓料斗

對上頂栓的控制及其運動對剪切式和嚙合式間歇密煉機的效率有巨大影響。在過去，剪切式和嚙合式密煉機都標配有氣動上頂栓。氣動料斗已被液壓裝置和驅(qū)動單元取代。液壓上頂栓的優(yōu)點是：不再需要工廠壓縮空氣氣源，因而消除了氣動系統(tǒng)存在的問題；在高效加壓間歇混煉場合，液壓驅(qū)動上頂栓比空氣壓縮機效率高；消除了由連接到密煉機氣缸的工廠氣源波動產(chǎn)生的膠料壓力波動現(xiàn)象；可以降低工廠運行成本（維護成本以及提升和下落上頂栓的能源成本）；更先進的速度變化形式以及返回位置控制。

3.2 剪切式和嚙合式密煉機相同的回程位置控制

回程控制是指控制上頂栓在間歇密煉機料斗中完全下落位置的能力。過去，回程位置是固定的，由機器制造商根據(jù)機器規(guī)格和應(yīng)用場合確定回程位置設(shè)定值。這樣就決定了混煉腔的可用體積。研究表明：傳統(tǒng)的回程設(shè)置并非對于所有膠料的質(zhì)量及生產(chǎn)率都是最好的。對于特定的膠料，提高回程位置可能在總體上提高生產(chǎn)率8%，而質(zhì)量沒有損失。

HF液壓料斗配備有HF液壓驅(qū)動裝置，對于不同膠料可以無限制控制回程，并可在混煉過程中控制回程以優(yōu)化工藝（圖10），在整個橡膠行業(yè)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

圖10 HF液壓料斗示意圖

3.3 剪切式和嚙合式密煉機相同的上頂栓位置/下落速度控制

在混煉過程中控制上頂栓下落速度對于混煉效率具有巨大影響。對于某些膠料，上頂栓快速下降可以縮短混煉時間，提高生產(chǎn)率。在終煉、返煉，以及母煉周期后期上頂栓“跳動”過程中需要上頂栓有較高的運行速度。

在傳統(tǒng)混煉周期中，在混煉開始階段加入粉狀或粒狀材料時，上頂栓行進速度過快會造成 “吹離”效應(yīng), 使粉料通過壓砣進入加料頸間隙, 落在上頂栓頂部,需要抬起上頂栓清理粉料。這些粉料之后直接返送到混煉腔[圖11(a)]?？刂粕享斔ㄋ俣茸兓?，開始時快速下降，在接近粉狀原料時降低速度可大幅減少吹離現(xiàn)象。這種速度/位置變化可以改善混煉工藝，減少混煉過程中上頂栓的清理工作[圖11(b)]。目前只有配備有HF液壓料斗和液壓HPU的機器具有上頂栓速度的控制能力。

圖11 混煉工藝示意

3.4 串聯(lián)混煉技術(shù)

串聯(lián)密煉機概念是將兩個間歇式密煉機組合在一起。該技術(shù)是將一臺密煉機置于另一臺密煉機上方形成間歇混煉系統(tǒng)。第一臺密煉機（上部）是主密煉機，是一段混煉密煉機，一般混煉母料或混煉膠料的主要組成（即聚合物、填料、小藥、油等，不包括硫化體系）。其可以是傳統(tǒng)嚙合式或剪切式密煉機。第二臺密煉機是較大的嚙合式密煉機。該密煉機設(shè)計成可以接收主密煉機混煉的膠料，并在沒有上頂栓輔助的情況下吃入材料。其具有較大的傳熱能力（必要時冷卻膠料），在混煉過程中有較強的溫度控制能力。

這是一種提高間歇式密煉機生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的一種理想技術(shù)解決方案。串聯(lián)密煉機概念的目標是提高反應(yīng)性混煉工藝的效率，如生產(chǎn)白炭黑填充胎面膠料時。還可用于提高傳統(tǒng)兩段混煉工藝的效率，其中主（上）密煉機進行一段混煉（母煉），下密煉機冷卻膠料，之后加入硫化體系。

一個例子是，在進行硅烷化時，間歇式密煉機要使所有組分達到充分分散，之后還需要將膠料保留在混煉腔中完成硅烷化反應(yīng)。這樣就會延長混煉周期，降低混煉系統(tǒng)的生產(chǎn)率[圖12(a)]。在串聯(lián)混煉工藝中，主密煉機可用于混煉原材料，使白炭黑和硅烷在橡膠基質(zhì)內(nèi)達到高分散程度。之后膠料并非保留在混煉腔中進行硅烷化反應(yīng)，而是將膠料排到第二密煉機中（提高了脫氣能力）完成反應(yīng)。這樣就可以使主密煉機開始混煉另一批膠料，從而提高混煉系統(tǒng)的產(chǎn)量。這種方法可視為由主密煉機（上部）和副密煉機（下部）分擔任務(wù)[圖12(b)]。

圖12 白炭黑硅烷化時間歇式密煉機混煉示意

在串聯(lián)系統(tǒng)中混煉傳統(tǒng)兩段膠料時，主密煉機用于完成母煉（初始配混階段）。完成初始母煉后，將熱膠料排放到副密煉機中。在副密煉機中對膠料進行冷卻，并加入硫化劑，混煉均勻后排料，所需時間是主密煉機生產(chǎn)另一批膠料的時間。

3.5 剪切式密煉機傳熱改進

老式的剪切式密煉機效率較低，有時傳熱能力不足，不能良好地控制密煉機的所有內(nèi)部工作表面。一般只有轉(zhuǎn)子、側(cè)壁和排料門具有控制金屬溫度的裝置。隨著技術(shù)進步，對密煉機的要求越來越高，對傳熱和金屬溫度控制進行了大幅改進。對所有影響內(nèi)表面（膠料接觸表面）的密煉機組件進行了評估，并進行改進以改善這些組件的傳熱及金屬溫度控制。圖13示出了剪切式轉(zhuǎn)子密煉機改善傳熱及金屬溫度控制的發(fā)展變化過程的實例。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子技術(shù)采用中心噴淋或虹吸管冷卻方式。新轉(zhuǎn)子設(shè)計采用轉(zhuǎn)子棱或整體冷卻方式來改善傳熱和金屬溫度控制（圖13）。另外現(xiàn)在有控溫轉(zhuǎn)子端板，可消除掛膠現(xiàn)象，并有助于防塵密封溫度調(diào)節(jié)。

圖13 轉(zhuǎn)子冷卻類型

3.6 剪切式密煉機頂栓結(jié)構(gòu)改進

最近推出了一種剪切式密煉機的新頂栓設(shè)計。新型Keel 下頂栓在許多場合取代了傳統(tǒng)的“V”型下頂栓（圖14）。與標準（V）型下頂栓相比，采用新型Keel頂栓設(shè)計可增大每車煉膠量（表1），提高生產(chǎn)率，而膠料質(zhì)量不受影響?？赡苄枰晕⒄{(diào)高密煉機轉(zhuǎn)速，或輕微改變金屬溫度設(shè)定值來實現(xiàn)這些優(yōu)點。安裝到剪切式密煉機中后，發(fā)現(xiàn)新頂栓設(shè)計還能降低噪聲和振動水平。新壓砣主要設(shè)計成可改善配備有新技術(shù)轉(zhuǎn)子的剪切式密煉機的性能。但是實際應(yīng)用反饋良好，表明在采用傳統(tǒng)四棱轉(zhuǎn)子的老式剪切式密煉機中安裝新頂栓后提高了生產(chǎn)率。

圖14 Keel下頂栓示意圖

3.7 嚙合式密煉機轉(zhuǎn)子改進

過去幾年里，嚙合轉(zhuǎn)子技術(shù)在不斷發(fā)展變化。改進目標是改善傳熱，當今高技術(shù)嚙合轉(zhuǎn)子優(yōu)化了整個轉(zhuǎn)子主體及凸棱的傳熱，可實現(xiàn)均勻的金屬溫度控制，以改善嚙合式機器的吃料（喂入特性）能力。VIC可變嚙合間隙密煉機就是這些研究成果的一個例子。同時，對傳統(tǒng)嚙合式轉(zhuǎn)子密煉機的凸棱形狀也進行了改進，從而在凸棱頂端與密煉機側(cè)壁之間也能產(chǎn)生混煉作用。這些改進也改善了混煉初期膠片和膠包的吃料能力。Intermix PES 6型轉(zhuǎn)子是專門針對改善原材料喂料特性、縮短嚙合轉(zhuǎn)子密煉機混煉時間設(shè)計的。

表1 Keel下頂栓技術(shù)（剪切密煉機）性能反饋

4 結(jié) 語[1]

實際性能數(shù)據(jù)和最近的機器銷售數(shù)據(jù)表明，剪切式和嚙合式密煉機是業(yè)界認可的、經(jīng)實際驗證的膠料混煉設(shè)備。

本伯里和Intermix的銷售數(shù)據(jù)表明，兩類機器的總銷量幾乎相同。

當前剪切式或嚙合式密煉機的“最佳應(yīng)用”取決于待混煉的材料以及用戶的混煉要求。兩技術(shù)最近在設(shè)計方面的一些進展已縮小了最初兩機器存在的顯著性能差異。不可以說一種機器比另一種好，只能說兩類密煉機存在技術(shù)差別，每一種都有其優(yōu)缺點。采用何種技術(shù)的決定性因素是對應(yīng)用領(lǐng)域的分析，對客戶的熟悉程度，以及客戶的混煉要求及技術(shù)。

串聯(lián)混煉系統(tǒng)的銷售也相當好，說明在輪胎工業(yè)得到認可。

最近嚙合式Intermix和剪切式本伯里N 系列密煉機的創(chuàng)新技術(shù)已使兩類密煉機的性能得到提高。采用具有回程控制功能和頂栓運行速度/位置調(diào)節(jié)功能的液壓料斗，壓砣結(jié)構(gòu)改進、改善傳熱及金屬溫度控制，以及新轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這些都提高了現(xiàn)有剪切式和嚙合式密煉機的性能。

串聯(lián)混煉技術(shù)已日漸成熟，大幅提高了混煉效率。

密煉機的結(jié)構(gòu)設(shè)計將不斷的發(fā)展變化，而且結(jié)構(gòu)材料也將不斷改善，以此來滿足橡膠工業(yè)不斷變化的要求。

[1] Borzenski F J, Hartley Q. Development in Mixing Technology: Tangential and Intermeshing Mixer Designs[J]. Rubber World, 2013, 248(4):18-25.

[責任編輯：翁小兵]

TQ330.4+3

B

1671-8232(2015)05-0037-07

2014-07-10

梁利強（1977— ），男，陜西扶風(fēng)人，工程師，主要從事橡膠工藝研究。