氟橡膠捏煉機的研發(fā)與設(shè)計

王虎法，滕壽峰，米鳳龍

(大連第二橡塑機械有限公司，遼寧 大連 116113)

1 氟橡膠的特性與應(yīng)用

氟橡膠是指在主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成型高分子彈性體。氟橡膠具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，也有較好的耐高溫、耐老化，耐臭氧及極好的真空性和優(yōu)良的物理機械性等諸多優(yōu)異性能，使其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，雖然低溫性能和耐輻射性能比較差，但并不影響氟橡膠對現(xiàn)代工業(yè)的巨大貢獻。

我國從1958年開始至今已經(jīng)開發(fā)了多種類型的氟橡膠，主要有聚烯烴類氟橡膠，隨后又發(fā)展了較新品種的四丙氟橡膠、全氟醚橡膠、氟化磷橡膠。正因為氟橡膠有較好的耐高溫、耐油，耐多種化學(xué)藥品腐蝕的特性，就使得氟橡膠在現(xiàn)代航空、導(dǎo)彈、火箭、宇宙飛船、艦艇、原子能等尖端技術(shù)及汽車、造船、化學(xué)、石油、電訊、儀表、機械等工業(yè)部門獲得了非常廣泛的應(yīng)用。例如在汽車和機動車行業(yè)，由于它的耐高溫、耐油和耐介質(zhì)性能優(yōu)異，用其做出了油封、密封墊、空調(diào)膠管等等產(chǎn)品，近年來在電動汽車電池隔離和減震方面也逐步推廣使用。

2 氟橡膠的混煉工藝

橡膠混煉，是指生膠和配合劑在開煉機、密（捏）煉機中通過剪切場和拉伸場，使之機械混合并分散均勻的技術(shù)。由于密（捏）煉機混煉橡膠時的狀態(tài)極其復(fù)雜，于是就產(chǎn)生了混煉特性難以控制這個問題。

氟橡膠的門尼黏度較高，分子鏈剛性大，塑煉加工對其無太大效果，因此對氟橡膠都是直接進行混煉。由于氟橡膠具有獨特的分子結(jié)構(gòu)，其混煉過程是發(fā)黏、發(fā)熱和發(fā)脆的一個過程，加工工藝條件較難控制。以

前通常采用開煉機進行混煉，但是氟橡膠開煉機混煉容易黏輥、發(fā)熱量大，導(dǎo)致開煉機混煉困難，并且要多次打薄通，使得操作人員勞動強度大，生產(chǎn)效率非常低下，且膠料質(zhì)量很難控制均衡。為了解決每一車混煉膠間質(zhì)量波動問題以及降低勞動力成本和減少環(huán)境污染，從2006年開始，我公司和一些大型橡膠廠共同探討，專門針對氟橡膠研制出一種采用翻轉(zhuǎn)式密煉機作為氟橡膠混煉設(shè)備的新工藝，結(jié)合相應(yīng)的自動化控制系統(tǒng)來完成對氟橡膠的混煉。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)采集和對工藝的不斷完善，我公司研發(fā)出了一種專門用于氟橡膠混煉的加壓式捏煉機，不僅完全達到了減少煉膠工序、保證混煉膠質(zhì)量均一性的要求，也大大提高膠料混煉生產(chǎn)效率、并降低了混煉過程中的環(huán)境污染；經(jīng)過多次的工藝調(diào)整和長期大量的產(chǎn)品驗證，目前此種機器在市場已經(jīng)推出較多，整體使用效果非常穩(wěn)定。

3 氟橡膠捏煉機

氟橡膠捏煉機（如圖1所示）整體結(jié)構(gòu)是在標準型捏煉機的基礎(chǔ)上強化、改進、完善混煉工藝功能的一種新型捏煉機，其結(jié)構(gòu)主要分為：密煉裝置、壓料裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、驅(qū)動系統(tǒng)、底座、氣控系統(tǒng)及其管路、溫度控制系統(tǒng)及其管路、電氣控制系統(tǒng)等等。其主要工藝特性是針對氟橡膠生膠門尼黏度高、剛性大、高摩擦生熱等特點，研發(fā)設(shè)計出具有獨特轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、強制高效冷卻、混煉膠料壓力可控、方便清掃清潔的一種混煉設(shè)備。

圖1 氟橡膠捏煉機

3.1 氟橡膠捏煉機主要技術(shù)特性

由于氟橡膠諸多的化學(xué)性能，在研發(fā)設(shè)計過程中融合國內(nèi)外很多關(guān)于密煉機混煉性能的理論和經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合橡膠廠給出氟橡膠的一些混煉數(shù)據(jù)，設(shè)計出如下特點的氟橡膠捏煉機。

（1）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、棱體形式獨特；

（2）轉(zhuǎn)子、混煉室壁、側(cè)板、上頂栓冷卻效率高；

（3）與膠料接觸部分均選用耐腐蝕性材料，保證生產(chǎn)過程中不會污染膠料；

（4）膠料壓力可分段分壓控制，能有效提高混煉效率；

（5）可根據(jù)混煉膠料工藝設(shè)定溫度自動控制冷卻水流量；

（6）配置大功率驅(qū)動元件滿足氟橡膠混煉時的動力要求；

（7）輔料口的設(shè)計理念可滿足粉料的投入和降低粉塵飛揚及方便清掃；

（8）整潔的外觀設(shè)計最大限度地滿足了設(shè)備的清潔、清掃；

（9）整機結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占地面積小、公共基礎(chǔ)設(shè)施相對簡單、易于生產(chǎn)線布置和安裝搬運；

（10）適應(yīng)現(xiàn)階段我國中小型橡膠制品行業(yè)的現(xiàn)狀和經(jīng)濟承受能力，未來市場前景廣闊。

3.2 主要結(jié)構(gòu)及性能說明

3.2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

氟橡膠混煉轉(zhuǎn)子（如圖2所示）結(jié)構(gòu)設(shè)計相較于普通剪切型轉(zhuǎn)子有了很大的改變，從棱形到轉(zhuǎn)子軸的受力都與標準轉(zhuǎn)子不同。

圖2 轉(zhuǎn)子圖片

首先由于氟橡膠膠質(zhì)在冷膠時比較硬和脆，容易碾碎，此時需要較大的表面碾壓力（類似開煉機輥筒橫壓力）將膠料快速切碎，這樣就需要轉(zhuǎn)子能夠承受很大的橫向剪切力；隨著膠料溫度不斷提高，一少部分膠料會沿著棱體棱頂和混煉室之間的間隙從高壓區(qū)翻轉(zhuǎn)到低壓區(qū)（如圖3所示），形成對膠料的高壓剪切、拉伸；同時大部分膠料會沿著棱體螺旋工作面推向混煉室中間和另一根轉(zhuǎn)子的空隙，形成對膠料的翻轉(zhuǎn)和攪拌，也有部分的物料內(nèi)部剪切；這樣就使得膠料更快速的升溫。

其次由于氟橡膠對溫度的敏感性，使得在混煉過程中要把溫度控制在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi)，大多時候都把溫度控制在40～90℃時才比較容易實現(xiàn)混煉工藝，這就要求轉(zhuǎn)子達到這個溫度范圍后不能過快的升溫?；谏鲜鲈蛟谵D(zhuǎn)子設(shè)計時我們調(diào)整了棱頂寬度及其與混煉室壁的間隙，但主要還是從棱形楔入角[（如圖3所示）轉(zhuǎn)子凸棱工作表面輪廓曲線變化規(guī)律主要是由膠料楔入角的斜率曲線方程式演變得來 ]方面進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和有限元模擬分析，在保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的前提下減少膠料翻越轉(zhuǎn)子棱頂?shù)拈g隙，使膠料受剪切力影響而升溫的速度減緩，從而達到保證工藝設(shè)定混煉時間的同時還不讓膠料過快升至工藝設(shè)定溫度，并且同時要通過熱傳導(dǎo)對膠料進行冷卻。

另外，氟橡膠在混煉過程中需要加入一些粉料及細小的促進劑，從而達到氟橡膠使用性能的最優(yōu)化。這就要求混煉膠必須有很好的混煉均勻性、密實性，并且保證每一車膠料的各種性能指標相一致。為了提升煉膠質(zhì)量，讓膠料在復(fù)雜的混煉過程中反復(fù)不斷的翻轉(zhuǎn)、攪拌、剪切和拉伸，通過這些機械力作用，使得橡膠分子鏈變得更加短小，粉料顆粒更加細碎，攪拌也更均勻，從而達到混煉工藝要求，滿足后序的成型加工。鑒于以上要求我們在設(shè)計時加大了轉(zhuǎn)子棱體的螺旋升角，同時也加大了轉(zhuǎn)子根徑尺寸（如圖4所示）。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)雖然使混煉室填充系數(shù)減小，但增強了膠料整體的混煉強度，加大了膠料繞轉(zhuǎn)子的環(huán)形流動和分布混煉的軸向環(huán)流；并且使得膠料在混煉過程中團狀體積更小，膠料與金屬表面接觸面積增大，也讓熱傳導(dǎo)帶走膠料熱量變得更容易。

圖3 轉(zhuǎn)子棱型法向截面圖

3.2.2 溫度控制系統(tǒng)及其部件結(jié)構(gòu)

一般來說，標準的混煉設(shè)備規(guī)格越大，與混煉容量相對應(yīng)的裝置的導(dǎo)熱面積的比例越小。另外，裝置內(nèi)膠料的厚度 （轉(zhuǎn)子軸和混煉室壁的間隙）隨之增大，橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)減小，混煉過程中膠料內(nèi)部的熱傳遞也減弱，即使對其進行冷卻，也只能使與導(dǎo)熱面接觸的表面層溫度下降，團狀膠料芯部的溫度依然較高。依據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，氟橡膠溫度控制在40～90℃之間對于混煉過程和煉膠質(zhì)量都比較理想。因此在使用捏煉機混煉氟橡膠時，其一設(shè)備有效容積不宜過大，過大的團狀膠料會使其芯部溫度很難降低；其二溫度控制尤為重要，如果溫度過高會產(chǎn)生不可逆的脆性破壞導(dǎo)致膠料焦燒，溫度過低又會使膠料在金屬表面打滑形成不了混煉所需要的剪切和攪拌。

圖4 剪切區(qū)域示意圖

本機針對氟橡膠的特性，主要把與混煉膠料接觸部分的關(guān)鍵零件 (混煉室、兩邊側(cè)板、兩根轉(zhuǎn)子、上頂栓 )都設(shè)計成夾套或空腔結(jié)構(gòu)，這樣就可以給零件通入冷卻水（如圖5所示）進行冷卻。并且在各個回路上設(shè)計通斷閥，依據(jù)混煉室壁溫和回水溫度的比較，控制低溫冷卻水和水流流速以及冷卻水在不同時段的水流量來實現(xiàn)混煉過程中對膠料溫度的控制。

（1）密煉室壁和上頂栓：把混煉室和上頂栓的空腔設(shè)計成迷宮式的熱交換流道，增加冷卻水的流動速度，消除原有浸潤式空腔的水流死角，增強混煉室的熱傳遞效率(見圖6、7中：混煉室、上頂栓熱交換流道示意圖)。設(shè)置在物料、密煉室壁和冷卻水進出口處的測溫點，保證了在混煉過程中整機溫度鏈的智能化控制。

圖5 捏煉機冷卻系統(tǒng)示意圖

（2） 轉(zhuǎn)子：2根轉(zhuǎn)子根徑尺寸同時加大，增加了轉(zhuǎn)子外表面與膠料的接觸面積（見圖4示意圖），從而提升了熱傳導(dǎo)的效率；雙隔套串聯(lián)式的強制流道結(jié)構(gòu)（見圖8示意圖），也加大了冷卻水的流動速度，從而使轉(zhuǎn)子體整個傳熱效率增強。

圖6 密煉室水流道示意圖

圖7 弧形壓砣頂面及水流道示意圖

圖8 轉(zhuǎn)子冷卻水流道示意圖

（3）混煉室側(cè)壁(側(cè)板):特殊的流體通道(見圖9示意圖)增強了熱傳導(dǎo)效能, 在帶走部分膠料熱量的同時，也保證了轉(zhuǎn)子軸密封圈周邊溫度在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，提高了轉(zhuǎn)子軸密封效果和密封裝置的整體使用壽命。

圖9 密煉側(cè)壁水流道示意圖

3.2.3 氣控系統(tǒng)

本臺機器的氣控系統(tǒng)要求也比較高，需要控制的壓力點主要有上頂栓氣缸、前護罩吹風(fēng)噴嘴、冷卻管路流量調(diào)節(jié)閥等等。在設(shè)計時有氣源壓力調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)混煉工藝調(diào)節(jié)和監(jiān)控膠料壓力，方便后序的膠料質(zhì)量的跟蹤。對于控制精度要求更高的工藝，在上頂栓氣缸下壓管路處安裝比例調(diào)壓閥，可通過PLC設(shè)定程序自動調(diào)節(jié)上頂栓在混煉過程中不同階段的物料壓力，從而實現(xiàn)打膠時的分步控制。

前護罩設(shè)計有吹風(fēng)噴嘴(見圖10所示)，在總進氣口處設(shè)計有壓力調(diào)節(jié)閥，每一個接口處安裝流量調(diào)節(jié)閥，氣壓可根據(jù)要求調(diào)節(jié)吹氣風(fēng)量和壓力，方便上頂栓頂部粉料的清理和清掃；也便于更換物料顏色、適合多品種規(guī)格的生產(chǎn)。

圖10 前護罩吹風(fēng)裝置

另外本機還設(shè)計有氣控調(diào)節(jié)閥，通過氣控調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻水流量大小的方式達到更精確的控制混煉過程中膠料的工藝溫度(見圖11所示)。

圖11 氣控調(diào)節(jié)閥

3.3 電氣控制系統(tǒng)

在電氣方面，結(jié)合生產(chǎn)工藝和混煉現(xiàn)場的操作方便靈活性，我們設(shè)計有“手動”和“自動”等控制方式，能按工藝設(shè)定完成投料、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、上頂栓上下移動位置和次數(shù)、上頂栓壓力的調(diào)節(jié)、冷卻水流的控制以及翻轉(zhuǎn)卸料和復(fù)位等全過程的工序控制。由工藝工程師對不同的混煉膠料進行工藝設(shè)定，每步溫度、功率、時間、壓力控制都可以選擇，并對清掃位和冷卻水通斷等進行自動設(shè)定。通過工控電腦系統(tǒng)實時記錄混煉過程中設(shè)定的每一個工藝參數(shù)及其曲線記錄圖，所有歷史數(shù)據(jù)可定期查詢追溯，也可在局域網(wǎng)內(nèi)共享進行查看記錄。

本系統(tǒng)是參考橡膠混煉工廠的先進經(jīng)驗，立足于時間、溫度、功率三個主要因素，確保品質(zhì)均衡設(shè)計出的一套工藝控制軟件，全部控制要素均可由工藝工程師設(shè)置，現(xiàn)場完全按照設(shè)計工藝程序進行操作，確保每一車膠料的混煉工藝和膠料性能始終如一。系統(tǒng)運行后，每個步驟完成時都會有聲光報警提示，現(xiàn)場操作工人按照提示進行工序操作，有效提高了工人的生產(chǎn)效率。通過市場驗證，我公司也可按照不同的工藝要求為橡膠生產(chǎn)廠提供最優(yōu)化的解決方案。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段我國橡膠制品行業(yè)已在飛速發(fā)展，尤其在航空和汽車密封零部件制造方面已經(jīng)大量的使用氟橡膠材料。近幾年隨著石墨烯的推廣和應(yīng)用，氟硅膠與納米級粉料的共混及應(yīng)用也逐步提上科研日程，這無論是對橡膠廠還是橡膠機械廠都是一個新課題，現(xiàn)在已有一些企業(yè)和院校已經(jīng)聯(lián)合研制和開發(fā)更高層次的氟橡膠材料。相信隨著橡膠材料性能的提升，對混煉工藝和混煉設(shè)備的要求會更高。因此，對于我們橡膠機械廠還需要努力學(xué)習(xí)和了解新工藝，進一步改良和完善現(xiàn)有的混煉設(shè)備，以適應(yīng)新型膠料的混煉工藝要求。