（化工过程机械专业论文）废橡胶挤出粉碎过程工艺的最优化设计.pdf

沈化i ：学院硕七学位论文 铲y 6 0 2 7 9 c 废橡胶挤出粉碎过科i ：艺的是优化设计 摘要 本文从理论和实验两方面，对废橡胶的挤出粉碎过程进行了初步研究。 理论上，首次引入了矩阵粉碎模型，对弹性粒子的粉碎过程的产量、广协粒 度分御等进行了模拟计算和分析：同时，根据废橡胶粉的性质及挤出粉碎机的r 作过程，把废橡胶粉在挤出粉碎机中的运动看成一种“类流体”的行为，t f l = j 流体 输送理论进行了分析，并进行了理论模拟计算；对物料在挤出粉碎机中输送的停 留时问和平均停留时问、流量、功率等进行了计算；针对小同粒度分布宽度下所 适用的粒度公式进行了研究，并得出了相应的结论；最后，对挤出粉碎机的螺杆 进行了初步的优化设计。 实验上，考察了加料粒度、粉碎时间等对筛分产品产量、功耗、产品粒度分 布等参数的影响，证明这些都是影响粉碎过程的重要参数，并针对这些影响提 了新的见解。 本文的理论计算和验证工作所得到的一些结论，可以为挤出粉碎机的实际应 用提供一定的理论指导，并为今后的研究工作打f 一定的基础。 关键词：废橡胶粉；挤出粉碎：数学模型；优化设计 索缝作蛮、导娇阉j 簦 匆垒文公南 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ec o m m i n u t i o no fs c r a pr u b b e rb ye x t r u d e ri nt h e o r ya n d i ne x p e r i m e n t sg e n e r a l l y i nt h e o r y b yi n t r o d u c i n gm a t r i xc o m m i n u t i o np a t t e mf o rt h ef i r s tt i m e ，s u c h p a r a m e t e r sa st h eo u t p u t ，s i z ed i s t r i b u t i o no fp r o d u c t si nt h ec o m m i n u t i o np r o c e s so f e l a s t i cp a r t i c l ea r ea n a l y z e dt h r o u g ha n a l o g u ec o m p u t a t i o n ；a tt h es a m et i m e ，o nt h e b a s i so f t h ec h a r a c t e ro f w a s t er u b b e rp o w d e ra n dt h ep r o c e s so f e x t r u d e r ，t h em o t i o no f w a s t er u b b e rp o w d e ri ne x t r u d e ri sr e g a r d e da sak i n do fl i q u i d l i k eb e h a v i o r , a n di s a n a l y z e dw i t hl i q u i dt r a n s p o r tt h e o r yt h r o u g ha n a l o g u ec o m p u t a t i o n ；c a l c u l a t i n gt h e s t a yt i m ea n dt h ea v e r a g es t a yt i m et h a tt h em a t e r i a lh a ss t a y e di nt h ep u l v e r i z e r m o r e o v e r , v o l u m eo f f l o wa n dm e r i tr a t eh a v eb e e nc o u n t e d t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h e p a r t i c l ef o n n u l at h a tw a ss u i t a b l ef o rt h ed i f i e r e n tp a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o nw i d t h ， a n dh a sr e a c h e dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n i nt h ee n d ，t h eo p t i m u md e s i g no fs c r e w h a sb e e ni n q u i r e di n t og e n e r a l l y i ne x p e r i m e n t s t h ei n f l u e n c e so nt h eo u t p u t 、p a r t i c l es i z e ( d i s t r i b u t i o no fs i z e ) o f p r o d u c t sa n dp o w e rm a d eb yp a r t i c l es i z e ( d i s t r i b u t i o no fs i z e ) o ff e e d 、s m a s h e dt i m ea r e d i s c u s s e d i ti sc o n f i r m e dt h a tt h e s ea r em a i nf a c t o r si nt h ec o m m i n u t i o no fs c r a pr u b b e r w eh a v es e tf o r t hs o m en e wo p i n i o n sa n dc o n c l u d e ds o m ee m p i r i c a lf o r m u l a s t h eq u a n t i t a t i v eo rq u a l i t a t i v ec o n c l u s i o n sf r o mt h e o r ya n de x p e r i m e n t sc a ng u i d e t h ep r a c t i c a lu s i n go f p u l v e r i z e r , a n dh a sr e a c h e dab a s i sf o r t h ec o m i n gr e s e a r c h k e y w o r d ：v u l c a n i z e dr u b b e rp o w d e r ；e x t r u s i o np u l v e r i z a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l o p t i m i z ed e s i g n 沈化i ：学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 1 1 废橡胶的利用现状 1 前言 废橡胶是固体废弃物的一种，其来源主要是报废的轮胎、胶管、胶鞋、1l , i k 杂品等。在众多的废橡胶中废轮胎大约占6 0 一7 0 。掘估计，全世界饵年产生的废 橡胶量至少在1 2 0 0 万吨以上。2 0 0 0 年全球报废的轮胎估计有8 亿条之多，仪荚豳 就有2 5 亿条，约合2 4 0 万吨。2 0 0 1 年我国废旧轮胎产生量约为4 0 0 0 5 0 0 0 j 条， 而同期我国每年消耗生胶约2 3 07 j 吨，仅次于美国，居世界第二，其中约4 5 需 要依赖进l q 2 j 3 j 。生胶本是一种珍贵的自然资源，橡胶制品在生产中又消耗了人鞋 的能量。因此，如何有效的利用这些废橡胶，是关系到节省资源和能源，防止公 害污染的一个重要问题。而把废橡胶加工成胶粉正是废橡胶利用的有效方法。在 国外，从二十世纪8 0 年代末起，欧美主要工业国家就开始停止通用型再生胶的生 产，转为将废橡胶直接加工成不同细度的胶粉直接利用。 近年来，关于废橡胶的综合利用及再加工的研究与实践，世界范幽内都住：l j i l 紧进行。其利用方式主要有：废橡胶的热分解，燃烧热利用，生产再生胶，制成 胶粉和原形的改制利用。目前，主要是燃烧热利用，约占5 0 ，但胶粉的应用| _ _ l 趋活跃。 1 1 1 废橡胶热分解1 4 将废橡胶热分解可以得到柴油、碳黑、煤气等，其所制热解油料u r 以作燃料 使用。碳黑可以作补强剂。铁屑可用于冶金工业的回炼。这种方法在美国等发达 国家是可行的。但在一些国家可能就存在经济问题。热分解废轮胎，一般要经过 破碎、热分解、油回收、气体处理、二次公害的防止等过程，设备费、操作费比 较高，所得产品成本高，这已成为橡胶热解技术进一步发展的主要障碍。 1 1 2 燃烧热利用1 4 l 废橡胶利用的另一方向是作为能源燃烧，以取得热量。例如：以废轮胎焙烧 水泥，町使燃料成本下降。另外邓录普公司己成功地进行了废1 日轮胎部分代替炼 钢用焦碳的实验。住友公司则安装了以废轮胎为主要燃料的锅炉，年处理能力达 5 k t a 。普利司通公司在其枥木厂安装了以废轮胎为燃料的发电装置。每灭可燃烧 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 约6 0 吨废轮胎，最大发电能力为5 0 0 0 k w h ”1 。但在燃烧废橡胶的过程中，要注意 防止：次污染。以避免对大气的污染。这需要一种专用设备，德国和h 本存这方 而的研究和丌发上已分j j i j 取得成功。 1 1 3 原形或改制利用6 废轮胎可作为翻胎、鱼礁、水土保持材、树木保护材、护舷、体育游戏用材、 轨道缓冲材、道路垫、施工用泥桶、鞋底、牧场栅栏、救生圈等使用。其中刈废 轮胎进行翻新制成新轮胎，在废橡胶的利用中占有重要的地位。 以上三种利用方式，有价值的聚合物材料，实际上并未得到真证应用，尤其 是橡胶的良好性能被白白浪费了。目前只有生产再生胶和胶粉，才真f 发挥了橡 胶聚合物材料的独特性能。 1 1 4 再生胶生产1 7 i 生产再生胶是橡胶回收利用的最常见的方法。从t4 九世纪巾叶丌始生产再生 胶，至今再生胶技术已经较为成熟。而在我国再生胶更是废旧橡胶利用的t ：要方 法，约占9 5 。在橡胶制品中使用再生胶可以降低胶料成本，因为再生胶价格只 有相应生胶价格的2 0 一3 0 。此外，再生胶的抗变形性比生胶低，且有挤出口型 膨胀小、挤出物均匀、可提高压延速度利于流动充模等特点。但再生胶力多了， 也会降低胶料的扯断强度。再生胶在胶料中的掺用量一般为15 4 5 份。 目前，国外生产再生胶的方法主要有水油法、挤出法、密炼机法、高压蒸汽 法以及常温脱硫法等。近年来又发展了高温机械脱硫、低温化学脱硫法和微波硫 化法等。而我国主要为油法、水油法和快速搅拌法三种。但近二、三卜年来，西 方工业发达国家再生胶的消耗量一再下降，甚至消失。其原因是： ( 1 ) 丁苯橡胶等新型廉价的合成橡胶代替了部分再生胶。 ( 2 ) 丌发了废橡胶的其它回收方法，特别是生产胶粉等。 ( 3 ) 再生胶不能满足高性能橡胶制品的要求。 ( 4 ) 废橡胶再生耗能耗水，对环境污染大，治理又需要大量投资和设备，影 响生产和经济效益。 1 2 胶粉的生产方法 从二十世纪6 0 年代美国首先研究出一种深冷粉碎废橡胶的技术以来，胶粉工 业已取得了长足的发展。二十世纪8 0 年代以来，欧美主要工业国家均停止了通用 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 再生胶的生产，进入胶粉直接利用阶段。在美国，胶粉占废橡胶总利用量的7 0 ， 西欧几乎1 0 0 为胶粉，胶粉生产代替再生胶生产已成为不可替代的趋势。m 在我 国，胶粉的产量仅占5 ”1 。 生产胶粉和生产再生胶两项工艺相比，前者可以省去水洗、干燥、脱硫、精 炼和压片等工艺，减少操作能耗，降低劳动强度。同时，还消除了脱硫与水沈对 空气和水资源造成的污染，而且省去了软化剂、活化剂、增丰占剂等化工材料，从 根本l ：治理了生产再生胶带来的二次污染。据粗略估计，生产胶粉比7 卜产同量的 再生胶节能4 0 。此外，还可节约大量的生产用水。所以以胶粉代替r f 生胶已成为 必然的趋鲤。山卜述可知，不论是制造再生胶还是生产胶粉，其基础工艺郝是粉 碎。特别是胶粉的生产是未来废橡胶利用的主要方向。制备胶粉的方法大体上可 分为三种：低温粉碎法，非低温粉碎法( 常温粉碎法) ，湿法粉碎技术。表1 是各 种胶粉的生产方法及生产产品目数和使用装备。 表1 胶粉的生产方法 生产方法目数制造设需 普通常温粉碎法 1 2 - 4 0粗碎机、同转破碎机、砂轮机 精细常温粉碎法4 0 1 2 0细碎机、州转破碎机、挤：l5 粉碎机 涡轮制冷低温粉碎法 4 0 - 1 2 0低温粉碎机、冷冻粉碎装甚 液氨冷冻粉碎法 8 0 0 0 0 液氮冷冻粉碎装置 超微细粉碎法 2 0 0 以上胶体研磨机 1 2 1 低温粉碎法阻1 1 低温粉碎法是通过制冷介质使橡胶冷冻到玻璃化温度以下，在低温下进行粉 碎的，种有效的生产胶粉的方法。在国外一般是液氮冷冻粉碎法。其工艺过程是 以液氮为致冷剂，当致冷温度在3 2 0 f ( 1 9 6 。c ) 以下时，橡胶处于脆化的玻璃态，再 用锤磨粉碎机等进行粉碎，所得胶粉粒径为4 7 2 0 0 目1 1 2 1o 使用液氮致冷的粉碎方 法有美国的u c c 粉碲泫、同本关西环境开发株式会社粉碎法、乌克兰l n 2 冷冻粉 碎技术和德国w h g 集团h o g e r 公司发明的豪格旋风粉碎机冷冻粉碎法等。我幽 青岛绿叶橡胶有限公司和深圳机电技术研究所也合作丌发出了l y 型液氮冷冻法， 可生产8 0 2 0 0 目的胶粉【l ”。另外溉江丰利粉碎设备有限公司与浙江大学也联合丌 发出了d f j 超低温胶粉生产粉碎机【9 j ，也是使用液氮致冷。鉴于液氮冷冻成本偏 高，而冷冻液的排放还受到环保限制。因此冷冻粉碎法在我国的工业化生产还须 沈r i t l i ：学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 进一步研究。同时，国内还丌发了压缩空气冷冻胶粉生产技术，其原王 ! 足4 ：i j j t j 窀 气的压缩与膨胀制冷，可获得一1 2 0 左右的低温。这种方法进料胶粒粒度为24 r a m ， 生产的胶粉的粒度为6 0 1 2 0 目。这种方法与液氮冷冻粉碎法相t z - 4 仅成本较低， 而且节能。每千克胶粉耗电量仅为0 7 5 k w - h 。”3 1 我国的航空航天部第6 0 9 研究所 已丌发出这项技术并在南京飞利宁深冷工程公司建成工业化空气膨胀制冷精细胶 粉生产线。其它如北京航空航天大学、西安交通大学和中科院低温实验中心等也 丌发了这项技术。虽然由冷冻粉碎法生产的胶粉具有粒径小、表面光滑、受热氧 化程度低等优点，但生产成本高很高，因此主要用于高t i t 能制品中。 1 2 2 湿法粉碎技术 湿法或溶液粉碎法是一种在溶剂或溶液等介质中进行粉碎f e 产胶粉的方法。 其粉碲过程分三个步骤。第一步是废旧橡胶的粗碎，采用常湍粉碎法进行：第： 步是用化学药剂或水对胶粉进行预处理，预处理有三种方式：使用脂肪睃和碱预 处理；使用溶液介质进行预处理；使用过量水预处理胶粉；篼三步是将予l ；i 处理过 的胶粉在磨盘式胶体研磨机中进行研磨粉碎，并经除碱、除溶剂或脱水干燥等处 理后，即得超细胶粉，通常所得的商用胶粉的粒径范围为8 0 2 0 0 目，最小可达 4 0 0 5 0 0 目1 。粒径可由粉碎时间( 次数) 控制。其中用适量水预处理生产胶粉较 适直工业生产，但生产成本高，仅在高档制品和一些有特殊要求的材料中使用。 1 2 3 非低温粉碎法 非低粉碎法一般是指加工温度在5 0 5o c 或略高温发下通过机械作_ j 粉碎橡 胶制成胶粉的一种粉碎法。其粉碎原理是通过机械剪切力的作片j 对橡胶进行切断 和压碎。因此，由非低温粉碎法生产的胶粉，其表面凹凸不平、呈毛刺状态。这 种胶粉与冷冻胶粉相比，具有较大表面积，故有利于进行活化改性，同时将其配 合在新胶料中与基质橡胶的结合力大。 最早的非低粉碎法是辊筒粉碎法。主要有粗碎和细碎两个工序。粗碎采用表 面有沟槽的两辊粗碎机，而细碎则采用表面不带沟槽的两辊细碎机。此法生产的 胶粉粒径一般在o 3 - 0 4 m m 内，主要用于生产再生胶中问原料或弹性地面的铺装 材料。该法最大的缺点是能耗大、效率低，急需改进。“” 常温连续粉碎法是一种连续化生产胶粉的方法。此法也分为料碲和细碎两个 主要工序，均采用旋盘式粉碎机进行粉碎。最后可生产出粒径箍：l m m 以f 的胶粉”6 1 。 而高压粉碎法则足一种比较节能的新型废旧橡胶粉碎法。这种粉碎方法足以 高压杜塞逐步推挤废旧轮胎而进行粉碎的，通过高压作用使废f 口轮胎被推挤进入 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 带有许多小孔的机筒内，橡胶被挤出筒外，然后用另一方向相反的柱塞项山被压 扁的钢丝圈和纤维骨架材料，推挤出的胶粒经磁选和分选i j 得到粒径5 m m 以卜的 胶粉，然后根据需要可以进行进一步粉碎处理”“。其中以匈牙利陶思乐橡胶公司 研制的节能型高压推挤粉碎系统最为典型，此系统设计严密，粉碎过程巾废胶刁i 会 产生过量的相对流动，避免了不必要的摩擦生热和能量损失，敞粉碎材料i | 度仅 升高几度“。 非低温粉碎法粉碎过程中对温度的控制非常重要，如果温度过高，连续粉碎 时间过长，橡胶表面就会发粘并会热降解。一旦热降解丌始，粉碎过程即告停l l = ， 甚至还会发生逆转，产生胶粉结块现象。所以粉碎温度通常为6 0 。c ，最高不超过 】0 5 。 1 3 胶粉生产的新方法 除j 二述之外，最近还丌发了一些废橡胶的特殊处理粉碎法。如臭氧粉碎法、 高压爆破法、高温超速粉碎、助剂浸混粉碎法和高压射击粉碎法等。 1 3 1 臭氧粉碎法 该法是将废轮胎整体置于一密封装罱中，通入超高浓度臭氧( 0 3 ) ，0 3 浓度足 空气中0 3 浓度的一万倍，加工6 0 分钟以后，启动密封装置内配置的l o k w 动力机 械，使轮胎骨架材料与硫化橡胶分离，并进行粉碎，可得到粒径分柿较宽的粉术 橡胶。该装置处理每吨废橡胶耗电仅为6 0 k w h ，较之辊筒粉碎法节能约8 5 。 1 3 2 高压爆破粉碎法 该法是将轮胎整体放于一个高压容器中，施以5 0 0 个大气压的压力，利用高 压使橡胶和骨架材料分离，骨架材料和橡胶可分别网收。该方法肾何能耗为每吨 胶粉约6 0 7 0 k w h 。所产胶粉部分粒径为1 0 一1 6 目，占3 2 左右，最大粒径为2 4 目。该方法可作为超细胶粉生产的前期工序。 1 3 - 3 高压射击粉碎法及其它粉碎方法 用高压水枪，以2 4 5 m p a 以上高压水流和直径1 2 m m 的喷嘴连续射击废橡胶， 从而使废橡胶粉碎。所生产的胶粉的最大细度可达o 4 m m ，一般为5 1 0 m m 的胶 屑。这种方法省去了通常机械粉碎工艺所需的各种设备，简化了生产工艺，降低 沈化i ：学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 了加工过程的能耗”。 助剂浸混粉碎是常温与实体相结合的方法。其特点是先将出传统法制得f l j t 1 胶粉和胶粒浸上易于催化塑解的化学药剂使之改性。然后以常温粉碎设备进行细 碎。 高温超速粉碎则是以高温和超速机械对废橡胶进行粉碲。把粗胶粉在1 8 0 2 0 0 的温度下。以每秒5 0 米的速度进行高温超速机械粉碎，能制取0 0 71 1 1 1 1 1 以上的 超细胶粉。 1 4 挤出粉碎法 挤出粉碎法是采用挤出机将橡胶粉碎生产胶粉的新方法。挤出机分啦螺杆和 双螺杆挤出机。这种粉碎并非是单一的机械粉碎过程，还伴有化学反应过程( 如 氧化、裂解等) 。因此，挤出粉碎是一种集粉碎混合和改性为一体的粉砰方法。挤 出粉碎法能够连续生产，并且能量的消耗较低，只有2 0 0 4 0 0 k w t ( 而液氮冷冻粉 碎除消耗液氮外，还需1 5 0 0k w t 的电能) ”“，同时可得到较细的胶粉。据日1 狮 幽内外预测，挤出粉碎将成为制造胶粉的主要方法之一。本文将重点研究挤出粉 碎的过程与机理。 1 4 1 挤出粉碎法的历史与现状 八十年代中后期，前苏联和德国都丌发了单、双螺丰t 挤出机粉碎废橡胶的方 法。发展到现在，挤出粉碎法已成为制造胶粉的主要方法之一。其工艺过程一般 是首先利用轮胎切割机把废轮胎切割成5 0 x5 0 c m 大小的胶块，然后采用辊筒粉碑 机将胶块粉碎为6 m m 的胶粒，再经磁选除去钢丝杂物，接着将胶粉喂入螺杆挤出 机中挤出粉碎成胶粉，冷却后即为成品【2 0 】。该方法生产的胶粉细度可达 o 0 5 0 5 m m 。表2 是几种典型的挤出粉碎的实例。由美国伊利诺伊理工学院聚合物 科学与工程中心研制的固相剪切挤出粉碎技术( s s s e ) ，是用一台单螺十t 挤出机进 行粉碎的。其工艺过程是在加料段和压缩段将机筒温度加热到1 3 5 ，在粉碎段则 通过通冷却水将温度控制在4 0 。在加入直径为1 5 - 6 0 m m 的胶粒的情况下，l 7 l i 产出4 0 1 2 0 目的胶粉”“。德国b e r s t o r f f 公司开发m 了一种双螺杼挤m 机， 其型号为m e 9 0 x 2 3 d 。该机投入胶块尺寸要求为2 0 7 0 m m ，出粉粒度5 0 1 0 0 u m 的 占5 1 0 ，1 0 0 5 0 0 u m 占7 5 8 0 。年生产能力可达2 0 0 0 吨。出俄罗斯聚合物制i 实验厂发明的螺杆偏心挤压粉碎机，可将2 0 3 0 m m 的胶块加工成2 0 0 5 0 0 u m 的胶 粉( 占8 1 5 以上) 。其工艺过程大致为：将2 0 3 0 m m 的胶料经皮带运输机送入丰 机，在粉碎机的螺旋区中挤压施以0 2 - 0 7 兆帕的压力，然后在粉碎机的偏心区 6 沈化ii q , 院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 r h 将物判加热至8 0 1 2 0 。c ，并通过0 ，2 - 5 0 兆帕的压力和增至0 0 3 5 n n m l 2n q 翦 切力的基同作t = j 将物料粉碎，然后冷却至1 5 n 6 06 c ，并进行筛分分级包装”“。根挑： 原料不同，粉碎过程可以加入聚乙烯等添加剂，以便改善胶粉分散的等级。 2 3 、2 7 1 1 4 2 挤出粉碎法的工艺原理与工艺过程 由材料力学可知，材料承受外力作用，在出现破坏之前，先发生弹性变形， 随着应力增大，当应力达到弹性极限时，丌始塑性变形，塑性变形达到极限j 产 生破坏【2 8 i 。根据g r i f f i t h 强度理沦，裂纹的产生和扩展虽不能既是破碎的唯一形式， 但无疑是固体材料破碎的主要过程。r o s i n r a m m l e r 等学者认为，粉碎产物的粒度 分前j 具有二成分性，( 严格地说是多成分性) 。所谓二成分性乃指整个粒度分布包 含粗粒和微粉两部分的分布。根据粉碎产物粒度分布二成分性可以推论材料颗粒 的破坏过程不是由连续单一的一种破坏形式所构成。而是两种以上不同破坏形式 的组合。h u t t i n g 等人提出了粉碎的三种破坏模型。如图1 所示。 f a ) 体积粉碎模型。整个颗粒都受到粉碎，粉碎生成物大多为粒度大的巾 涮颗粒，随着粉碎的进行，这些中阳j 颗粒依次被粉碎成具有一定粒度分稚的中叫 粒径颗粒，最后逐渐积蓄成微分成分( 即稳定成分) 。 ( b ) 表面粉碎模型。仅在颗粒表面产生破坏，从颗粒表丽产生不断削下微 粉成分，这破坏不涉及颗粒的内部。 ( c ) 均一粉碎模型。加于颗粒的力 微粉成分。 c 曲一蕊一癣 一一攀一拇 一端 使颗粒产生分散性的破坏，直接粉碎成 ( 表面粉碎) + 粒径 图1 粉碎模型图2 体积粉碲、表面粉碎时粒度 ( a ) 体积粉碎模型( b ) 表面粉碎模型分卸经时变化模型 ( c ) 均一粉碎模型 以上三种模型中的第三种( c ) 模型仅在结合极不紧密的颗粒集合体如药片之类 极特殊的场合中出现，对于一般情况下的粉碎可以不考虑这一模型。因此实际的 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 粉碎是( a ) 、( b ) 两种模型的叠加，( b ) 模型构成稳定成分，( a ) 模型构成过渡成分，从 而形成二成分分布。与这两种粉碎模型对应的粒度分布经时变化模型如图2 所示。 应用体积模型和表面积模型可以解析影响粒度分布的诸因素。通常又将体秘 粉碎看作冲击粉碎，表面粉碎看作摩擦粉碎。当然，体积粉碎未必就是冲击粉碎， 因为冲击力小时冲击粉碎主要表现为表面粉碎，而摩擦粉碎中往往还伴随压缩作 用，压缩作用却为体积粉碎。般情况粗碎采用冲击力和压缩力，微细粉碎采用 剪切力和摩擦力1 2 。 1 4 3 挤出粉碎机理与理论 在各种粉碎过程中，接触力使颗粒破碎，该力使颗粒变形并产生应力场。当 应力达到材料屈服极限或断裂极限时，颗粒将产生塑性变形或破碎。 在挤出粉碎过程中，胶料由于受到连续的挤压、碾磨、剪切和撕拉等作用， 使胶粒受到很火的应力和应变从而达到粉碲点，进而被粉碲。由于橡胶受力会产 生部分粘滞变形，所以必须考虑到其对应变率的敏感性。 近几十年来，对粉碎过程及粉碎机理的研究取得了很大的进展，并得到了实 际应用。其基本方法主要是研究其动力学模型，并结合粉体在粉碎机巾的流动模 型来描述整个粉碎过程。但这些理论大部分都是对于脆性材料而言的。对于橡 胶、塑料这类粘弹性物质的粉碎机理的研究还很少。本课题将力求填补这方面的 空白。 1 - 5 胶粉的应用与发展前景 废旧橡胶粉的应用范围是相当广泛的， 产再生胶等，还广泛用于各个非橡胶行业。 式进行简要说明。 除了用于传统的橡胶行业，如用于生 下面对使用废旧橡胶粉数量较人的方 1 5 1 轮胎及其它橡胶制品的填料1 3 2 j i ， 在各类橡胶制品中掺用胶粉，不仅可以降低含胶率，节约生胶，降低生产成 本，而且能改善胶料的工艺性能。在轮胎胎面胶中添加5 份粒径为0 8 5 m m 的胶粉 以制造载重汽车轮胎和乘用汽车轮胎，与未添加胶粉的轮胎相比，载重轮胎行驶 旱程提高了2 4 ，乘用汽车轮胎行驶里程提高了8 3 。精细胶粉用于高速乘用予 午线轮胎胎面胶中，掺用6 0 份和9 0 份均能达到英园9 0 3 p a r t a l 0 乘用车胎面胶标 准，动态性能优良，仅屈挠龟裂次数有所减少。另外，在胶带、胶管、胶鞋及工 婆型些：i ：堂堕堕堂笪堡奎 壅鳖堕堡些塑壁垫型1 ：苎堕壁型! 些壁生 业橡胶制品中掺入胶粉作填料可以提高制品的耐屈挠龟裂和抗裂口增长性能【3 2 j 。 1 5 2 路面铺装材料 将胶粉与其它铺装材料混合在一起用于高速公路、飞机场、运动场等路面钠 装，能明显改善铺装路面的质量并延长其使用寿命。用胶粉和沥青等混合材料铺 装的高速公路有平稳、舒适、噪音低等优点。铺装的飞机跑道可以增加跑道的弹 性和酬摩擦性。美国政府已规定国家铺装公路必须使用一定比例的轮胎胶粉，其铺 设的橡胶改性沥青公路已达1 1 万公罩【3 “。用胶粉与聚氨酯混合材料铺装的运动 场，由于弹性的提高，既可以起到保护运动员的作用，又可以提高运动成绩。f = _ i 前国际f i = l 联m 径比赛场地均系塑胶跑道。据报道一个网球场要消耗5 0 0 条轮胎胶 粉，一个田径比赛用的综合运动场要消耗数千条废轮胎胶粉。每公甩的路面就可 以消耗掉l 万条轮胎。在国外，将胶粉用于路面铺装材料，已成为胶粉的最主 要的用途之。我国“九五”期间公路建设总投资8 0 0 0 亿元，“十五”期f n j 还要 建、发“五纵七横”。因此，如果胶粉用于公路铺设，在我国将光明无限| 3 。 1 5 3 直接成型生产片材 胶粉与热塑性树脂在高温下混合，可生产出各种用途的片材。如机器锻、烙 基挚、缓冲挚等各种挚片以及挡泥板、吸音材料等。以聚乙烯与胶粉混合制成的 片材具有抗拉、高弹、便于加工等特点，是制作汽车、机车等各种罩壳和减震制 品的理想材料。另外可用废橡胶粉制成彩色弹性地砖。该产品具有防滑、减震、 耐磨、抗静电、不反光、耐水和防火等特点。此外，废橡胶粉还可用于生产改性 沥青嵌缝油膏、屋顶防水片材、沥青防水涂料等口”。 1 5 4 胶粉的改性利用3 9 】【4 0 1 将胶粉进行活化改性，不但可以大幅度提高其在橡胶制品中的掺用量，而日 可以改善工艺性能，降低生产成本，经过活化改性的胶粉可以代替生胶使用；i _ 以掺入聚氨酯材料而对其性能影响不大；可以用于塑料的增韧；可以加入热同性 树脂中提高其弹性和抗冲击性；也可与热塑性塑料通过反应增容共混制备热塑性 弹性体【3 8 】。 随着废橡胶利用胶粉化趋势的发展，胶粉的生产和应用将育以卜四个趋势： ( 1 ) 胶粉粒径向精细方向发展，以满足高性能橡胶制品的需要。 ( 2 ) 改性胶粉的应用比例会进一步增大。 沈化i ：学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 ( 3 ) 进 步研究制敬4 i 同细度胶粉的设备，进一步研制丌发包括挤“ 粉外泣 在内的新型粉碎装备。 ( 4 ) 财粉碍机理和粉碎j 二艺进行理论探讨和实验研究。 1 6 课题的研究目的与意义 1 6 1 课题研究的意义 随着世界各国对环保的重视，对以废轮胎为主的废橡胶的再生及利用n 益重 要起来。在国外，废橡胶利用的主要方式是生产胶粉。在国内，废橡胶利用的蕾 要方式是生产再q 二胶。_ i 管是制造胶粉还是生产再生胶，其基础工艺郁足粉碎。 尤其足随着废橡胶利用胶粉化趋势的发展。对粉碎方法的研究越发显得重要。 前，豳内外对胶粉的研究，主要侧重f 使用方面，如胶粉改性方法及试样- p l - 能测 试等，而很少涉及粉碎机理的探讨，尤其是挤出法生产胶粉，在胶粉的牛产t h i l 有重要地位，但目前对其粉碎机理的探讨，粉碎过程的数学模型的研究等还报少。 本课题的研究内容具有一定的丌拓意义。它将力求在某些方面填补橡胶粉碎 过程理论研究的空白，同时在借鉴传统的粉碎理论的基础上，将其移植到废橡胶 粉碎过程的研究上，寻求一种尽可能符合实际的挤出粉碎过程的数学模型并用j 指导实践，推进挤出粉碎工艺方法的改进和挤出粉碎设备的设计与改造，刈促进睃 橡胶的综合利用具有重大意义。 1 6 2 课题的研究目的 ( i ) 参照有灭粉芥理论，建寸：挤出粉碎法挤 h 粉碎过群帅数7 模，咀片通过。丈 验加以验证。 ( 2 ) 通过对粉碎过程的研究，寻求在满足实际操作条件下的最仕l 艺条f t ：_ ； a l i 最佳工艺参数。 1 7 课题研究的内容 通过对废橡胶挤出粉碎过程的研究，建立挤出粉碎过程的数学模型，考察粉 碎方法、施力模式、剪切速率、应力强度、粉赡温度对不同种类废橡胶粉碎过槲 的影响，寻求在满足实际粉碎操作的前提下，达到最小能耗一产量比和台删的粒 度钿的有效途径。 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 表2 挤出粉碎典型实例 序号 34 胶料尺寸( 咖) 1 0 0 x5 0 5 0 挤出机类型双螺杆双螺杆单螺杆双螺卡 剪切区 压力( m p a ) 2 52 5 2 55 压缩区 温度( ) 1 6 01 6 0 1 8 0 1 5 0 胶粉粒度0 0 5 ( 3 0 ) 0 ，0 5 ( 2 7 ) o 0 5 ( 2 4 ) 2 的状况，适用于微粉碎。 在使用上述公式时，应该注意到他们有以下缺点： ( 1 ) 推导公式过程中进行了积分，数学描述过程是连续的，而实际粉碎过程中 粒度由大到小的变化可能是间断的。 ( 2 ) 实际粉碎给料和产品的粒度是有一定分布的，各式中的平均粒度d 和产品 粒度d ，只能用平均粒度代入，会有一定的误差。 ( 3 ) 公式中的所谓常数实际随粉碎过程和物料性质等具体情况的不同们变化， 不应当是为某一特定值。 此外，在实践中，由于粉碎过程及物料性质的千变万化，上述公式可能与实 际情况有较大出入。所以，针对不同的情况，我们必须在现场用得到的经验公式 进行粉碲能耗或功率的评估。 2 2 粉碎能量平衡论乜明 前苏联学者r e h b i n d e r 和c h o d a k o w 综合考虑粉碎过程中的各项能耗提出了粉 碎时的能量消耗足k i c k 公式和| ：i 丌中公式的结合，再加上用于增加表面能y 、转化 为热能的弹性能蓄减以及固体表面的某些机械化学变化( 用塑性变形表示) 的能 量消耗，可用下式表示： 仉，肚曲妻岍( 脚帅器、 式中，7 w 粉碎机械效率 口与弹性能有关的系数 与固体表层的物理化学变化有关的系数 由上述可知，粉碎机的能量利用率极低，大部分的能量被转化微热，与此同时 也不能忽视粉体集合体之间的摩擦因素以及机械化学现象。尤其对于微粉碎来况 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 改变物性是提高粉碎效率和增产的重要措施。因此我们在加入的物料中有时加入 些活化剂以改善物料的粉碎性能。 2 3 粉碎速度论乜钔 单纯的功耗理论不能代表全部的粉碎理论，功耗粒度函数并不能描述整 个的粉碎过程。因此，还有必要研究粉碎设备的给料和产品之间粒度分句的关系。 实际上，许多粉碎过程都是进行着反复的单一的粉碎操作，因此可以把粉碎过程 当作速度过程进行处理。这即所谓的速度理论：把粉碎过程数式化，求解基本数 式并追踪其现象。 e p s t e i n 于1 9 4 8 年提出了粉碎过程数学模型的基本观点。他指出，在一个可以 j f _ j 概率函数和分布函数加以描述的重复粉碎过程中，第n 段粉碎之后的分布函数 近于对数难念分布。这一观点已被用于矩阵模型和动力学模型。 2 3 1 粉碎过程矩阵模型1 4 3 i i 矩阵模型把粉碎过程看作一系列相继发生的粉碎单元 次的产品。粉碎过程可用简单的矩阵方程式表示 p = x f x l l o 爿2 l2 2 0 0 x nx n x 。 只 只 后一次的给料是酌 ( 2 8 ) ( 2 9 ) f 是给料的粒度分布矩阵( n x l ) ，p 是产品的粒度分布矩阵( n 1 ) 。p 和f 中的 对应元素属于同一粒级。x 是由破碎函数和选择函数构成的( 1 1 1 1 ) 矩阵，它的 元素x 。表示给料中的i 粒级粉碎后进入产品中i 粒级的质量分数。 进入粉碎过程的各个粒级受到的粉碎具有随机性质，有的粒级粉碎多砦，有 的少些，有的受不到粉碎直接进入产品，这就是所谓的“选择性”。假如以s 。表示 被选择粉碎的第i 粒级中的一部分，那么该粒级中被粉碎的质量是s i r , 于是可写出 粉碎过程的选择矩阵式： 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 s l 0 0 0 s 2 0 00 s 3 ooo o 0 o z 3 ， s 1 ； s 2 厶 s ，厶 s 。l ( 2 1 0 ) 如令s 代表选择函数，则被粉碎的颗粒可用s f 表示，未被粉碎的颗粒的质量呵用 ( i - s ) f 表示。其中，l 表示n 阶单位矩阵。 前面曾以x 表示产品的质量分数。粉碎给料划分为两部分，一部分未受到粉碎， 另一部分受到粉碎，x 应是对给料中实际上已被粉碎的颗粒而言，而不是对全部 给料量而言，则应该用b 来代替x ，于是粉碎过程的方程式可写成如下形式 p = b 驴+ ( i s ) f 1 21 1 、 或p 2 ( b s + ，一s ) f 陔公式可作为胶粉细碎过程模拟计算的数学模型。 2 3 2 破碎函数0 4 4 1 1 4 5 l ( 21 1 a ) 在矩阵粉碎模型中，将粉碎视为相继发生的粉碎单元。每一个粉碎单元的产 品表达式称为破碎函数，它也就是被选择粉碎的颗粒经粉碎后所符合的某种粒度 分斫j 。粒度公式是表明颗粒群中细粒( 筛下) 或粗粒( 筛上) 累积含量粒彳争之 f h j 关系的表达式。由于粉碎情况的复杂性和物料种类的多样性，粉碎j 。品的粒度 特性往往难以用一个公式加以概括。因此，粒度公式只能近似或在一定粒度范围 内表示颗粒群的粒度组成关系。前人在这方面提出了不同的方案。 ( 1 ) 高登- 舒曼( g a u d i n s o h u h m a n n ) 公式 y 一1 0 0 ( x x m a x ) ” r 21 2 ) 其它形式还有 y2 ( x x 。) f 2 1 2 a 1 y 一= a x 6 r 2 1 2 b ) 式巾，y 相当于粒度x 的细粒累计含量；( ) x 粉碎后的粒度； ( m m ) x 。颗粒最大粒度：( m m ) x o粉碎前的粒度； ( m m ) 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 n 、m 、a 、b 与粉碎过程有关的资料。 ( 2 ) 罗辛- 拉姆勒( r o s i n r a m m l e r ) 公式 y 。= 1 0 0 e 一“ 其它形式还有 l g y = a + b x 种y 一= a e 州川 式中，y + 相当于粒度x 的粗粒累积含量 y 相当于粒度x 的细粒累讨含量 x 粉碎后的粒度； x o粉碎前的粒度； n 、c 、a 、b 与粉碎过程有关的资料。 ( 3 ) 金r 光( j r g ) 粒子模型公式 兰二生k k ! 尘! 丛! 二塑 爿一xl + ( 1 一y ) y 式中，x v x m a x x n l i l l k ，r l ，r z 通过粒度公式 ( ) ( ) ( m m ) ( m m ) 粒度( m m ) 某种粒子所占的重量份数：( ) 颗粒群中的最大粒度；( m m ) 颗粒群中的最小粒度； ( h a m ) 与粉碎过程有关的资料。 可求得用阶梯矩阵描述的破碎函数b 。 2 3 3 粉碎动力学模型1 2 8 1 1 4 3 1 1 4 6 这一模型把粉碎看作是一种速率过程。用时问连续 布的形式来表示，则一级粉碎动力学模型可写成： 掣：形(f)+熬s，(f)at 百。 式( 2 15 ) q 一，w i ( t ) s l b 。 ( 21 3 ) ( 2 1 3 a ) ( 2 13 b ) f 2 1 4 1 粒径分布离散呈粒级分 ( 2 15 ) 为时f h jt 时第i 粒级内的粉体之重量份数； 为第i 粒级粉体的粉碎速率常数( 选择函数) ； 为第j 粒级的颗粒被粉碎后，进入i 粒级者所占j 粒级的 被粉碎量之分数，( 分布函数) 。 上式中粒级是按大颗粒至小颗粒次序编排的，即i = l 的粒级具有最大的粒径，且粒 婆型垡：i ：堂堕堕堂笪堡奎 壅鳖壁堡些塑壁堕型1 ：苎堕堡型! 些堡生 径代表粒级中的最大粒径。该式的物理意义为：某一粒级的粉体，其粉碎速率 d w ( t ) d t 与存在于粉碎机内的量w i 的一次方成f 比，比例常数s i 仅与粒径( h 1 j 粒 级) 有关，而与时间无关。 式f 2 1 5 ) 翅5 常以累积重量分数束表达， 竺竽：芝岛s ，k ( r ) 一“r ) 】 ( 2 1 5 a ) 式中f 。( t ) 为在时间t 时所有粒径小于i 粒级的重量累积分数。b i j 为累积分嘶j 函 数，其定义为在j 至j + l 粒级问的颗粒被粉碎后进入小于i 粒级者之累积分数，即 b 。= 6 埘 并有b i i = l ，当j i ，以及b j + 1 。= l ，其中n 为粒级总数。 用r e i d 法将( 2 15 ) 式改写成为 i - | d e x p ( s 。t ) w , ( t ) l d t = e x p ( s 。r ) b p s ，( ，) ( 2 16 ) = l 对其积分并改写为 彬( r ) = d 。，e x p ( - s 。f ) ( 2 1 7 ) = 】 其中a 。与时间无关，将( 2 ，1 7 ) 代入( 2 1 6 ) 并积分得 a 。= 篓鬻 翔， a 。= 彤( o ) 一 当月= i 2 3 4 模型参数的估算 f 2 1 8 1 ( 2 1 9 ) 由实验数据求取动力学参数s 。及b i 。是一个相当困难的问题。对于n 个粒级就 有n 个s 以及n ( n ) 2 个b 。粒级分得太粗则结果误差大，太细则参数量很大， 因此很难直接回归。实验表明：在许多情况下，b n 是规范化的，即b j 。b ，划分 粒级时如以等比几何级数递减，则有b 2 ，i 矗b 3 2 = b 4 ，3 。 根据等假定乘积s 。b 。仅对i 粒级有关，而与j 粒级无关。则有 卜1 ， k ( ，) 一f + ，( ，) j ：1 一f ( f ) 沈化一学院硕七学位论文废橡胶挤出粉碎过科l ：艺的是优化设计 对于i 级而言( 2 1 5 a ) 成为 等掣一”，( 1 - 删 其中i 可取1 至i 1 中任意值。对浚式积分得 1 - f i ( t ) 2 1 f i ( 0 ) e x p ( 一b i j s j t ) 对于j _ 1 ，i = 2 ，并假定f z ( 0 ) = 6 ，6 为一个很小的数 卜处于第一粒级中，则因b 。= 1 ，故 l f ：( t ) = ( 1 6 ) e x p ( s i t ) 把j 1 和式( 2 1 5 ) 代入上式得 ( 2 2 0 ) 即原始粒级分布很窄，基本 ( 22 1 ) b 产! 业二墨婴坐业幽( 2 2 2 ) 1 l n ( 1 一j ) ( 1 一最( f ) ) 】 因此，对于很窄粒径分布的粉料，进行短时间的粉碎后便j 求得各f ( t ) ，i 呐1 1 式( 2 2 2 ) 求出各b ，i ，从而假定为规范化而求出所有的b i j 0 对于各s 。，可用窄分布