（机械制造及其自动化专业论文）密炼机混炼过程的动态模拟研究.pdf

宣鱼型垄盔堂婴壅竺堂垡笙壅 i 删 密炼机混炼过程的动态模拟研究 摘要 在高分子材料加工的混炼设备中，密炼机是应用最为广泛的间歇式混炼设 备。密炼机转子作为密炼机的核心部件，一直是人们研究的重点。随着汽车工业及 其它各行业的快速发展，尤其在节能和效率方面更高标准的提出，对密炼机的性 能也提出了更高的要求。由于密炼机混炼过程十分复杂，过去人们开发一种新型 转子或密炼机的某个部件或进行配方设计或改进加工工艺，需花费大量的人力和 物力，才能得出结论。现在人们利用三维软件可设计新型转子或者新研发的密炼 机，然后利用有限元分析软件，可在计算机上模拟各种不同条件的混炼过程，指 导新型转子的研发乃至整台密炼机的设计，从而缩短了新产品的研发时间。 j 本文以密炼机的工作原理为基础，运用专业流体软件动态模拟了密炼机不同一 转子构型的流场，分析流场各个参数的变化规律以及对胶料分散混合的影响。首 先从黏性流体角度出发，运用专业黏弹性流体软件对其不同转子构型的胶料的三 维等温非牛顿流场进行了动态模拟，通过各个参数的分析与研究，得出了各个参 数随时间的动态变化规律。再在流场模拟结果的基础上，又进行了混合任务的模 拟，并运用数学统计学对流场的参数进行统计分析，表征了胶料的混合分散情况。 根据模拟分析结果，得出了不同转子构型流场的优缺点，来为设计效率更高的密 炼机转子构型提供理论依据。 透过对四棱异步、四棱同步、啮合转子以及八棱同步各个流场参数的分析对 比，得到以下结论： 1 转子混炼过程的流场中，转子螺棱的推进面有一个高压区域，而螺棱的 背面有一个低压区域。同步转子所产生的压力差最大，异步转子次之，啮合转子 产生的压力差最小。 2 胶料的轴向运动可以促使不同截面的胶料进行混合，这有利于胶料的分 布混炼，其中四棱同步转子和啮合转子流场的胶料轴向流动流速最快；八棱同步 转子次之；而异步转子流场最差。并且这种轴向流动使胶料在转子两端具有规律 的来回运动，四棱同步转子的轴向流动周期为l s ，啮合转子的轴向流动周期为1 s ， 八棱同步转子的轴向流动周期为0 5 s ，异步转子的轴向流动比较混乱。 3 每种转子构型流场的剪切速率概率函数随时问变化不大，也就是说每 一个时间点，加入到密炼室内的具有同剪切速率范围的粒子比例大致相同；而最 大剪切速率的概率是时问的方程，也就是随着时l h j 的增加，达到最大剪切速率的 密炼机混炼过程的动态模拟研究 粒子在不断增加，说明随着混合的进行，更多粒子经历了更高的剪切速率。而胶 料受到的总剪切速率随着时间的变化而变化，不同转子构型流场的总剪切速率不 同，其中八棱同步和四棱同步转子流场的总剪切速率最高，啮合最小，说明同步 转子的剪切作用比其他转子构型要强，对物料的粉碎作用也较强，即对分散混炼 有利。 4 不同的转子构型以及不同的转速形成密炼机流场中剪切流动和拉伸流动 所占比例不同，正是这种比例不同造成其混合指数也不同。从混合指数概率函数 曲线可以得出，剪切型转子流场中的每一时刻，处于弱剪切流场的粒子普遍小于 4 0 ，处于拉伸流动的粒子大约5 ；而啮合型转子流场中的每一时刻，处于弱剪 切流场的粒子普遍大于4 0 ，而处于拉伸流动的粒子相对较多。并由最大混合指 数概率函数曲线得出，八棱同步转子流场的混合指数普遍最低，说明其剪切作用 在整个转子转动过程中占主导位置。 5 从浓度场随时间的变化情况，可以得到轴向流动的强弱以及各个截面混 合指数的高低直接影响胶料的分散与分布混炼情况，也就影响胶料的混炼效率。 其中四棱同步转子的混合效率和混合质量最高。 关键词：密炼机动态模拟黏弹性流场混合指数 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo nd y n a m i cs i m u l a t l 0 no f m i x i n gp r o c e s si n 玳t e r n a lm i x e r a bs t r a c t t h ei n t e m a lm i x e ri st h em o s tp o p u l a rb a t c hm i x i n ge q u i p m e n ti nh i g hp o l y m e r m a t e r i a lm i x i n gp r o c e s s a n dt h er o t o r sw h i c ha ret h eh e a r tp a r to fm i x e ra r ea l w a y s b e i n gs t u d i e db yp e o p l e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n do t h e r s e c t o r s ，p a r t i c u l a r l ye n e r g yc o n s e r v a t i o na n de f f i c i e n c ys t a n d a r d sp r o p o s e d ，t h e m i x e r sh i g h e rp e r f o r m a n c ei s d e m a n d e d m i x i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e di n i n t e r n a lm i x e r ，s oi tt a k e sal o to f m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e st od e v e l o pan e w t y p eo fr o t o ro rm i x e ro rf o rap a r td e s i g n e do rf o r m u l a t i o np r o c e s si m p r o v e di nt h e p a s t n o w , u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r ec a r ld r a war o t o ro ram i x e rn e w l y d e v e l o p e d t h e nb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，v a r i o u sc o n d i t i o n so ft h e m i x i n gp r o c e s sc a nb es i m u la t e dt og u i d e t h ed e v e l o p m e n to fn e w r o t o rd e s i g no fa c o m p l e t ei n t e m a lm i x e r , w h i 曲s h o r t e n st h ed e v e l o p m e n tt i m eo fn e wp r o d u c t s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r o c e s s i n gp r i n c i p l eo ft h ei n t e m a lm i x e r , t h ec h a n g e s o fe a c hp a r a m e t e ro fi n t e m a lm i x e rh a sb e e ns t u d i e dw i t ht h ed y n a m i cs i m u l a r e so f i n t e r n a lm i x e r f l o wf i e l do fd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n su s i n gp r o f e s s i o n a lf l u i ds o f t w a r e f i r s to f a l l ，f r o mt h ep o i n to f v i s c o e l a s t i cf l u i d ，i td o e ss o m e3 dd y n a m i cs i m u l a t i o n so f r u b b e rc o m p o u n dt h r e e - d i m e n s i o n a li s o t h e r m a ln o n n e w t o n i a nf l o wf i e l dw i t ht h e p r o f e s s i o n a lv i s c o e l a s t i cf l u i ds o f t w a r e i tg o tt h ec h a n g e so fe a c hp a r a m e t e rw i t h a n a l y s i sa n ds t u d y s e c o n d l y , b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em i x i n gh a sb e e n s i m u l a t e d t h e n ，t h ed i s p e r s i v em i x i n gw a sr e p r e s e n t e du s i n gs t a t i s t i c a la n a l y s i st h e p a r a m e t e r si nm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s f i n a l l y , i tg e tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fd i f f e r e n tr o t o rf l o wf i e l dc o n f i g u r a t i o n ，a n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i st ot h ed e s i g n e f f i c i e n c yo ft h em i x e rr o t o rc o n f i g u r a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ef l o wf i e l dp a r a m e t e r so f 4 一w i n ga s y n c h r o n o u sr o t o r 、4 - w i n g 密炼机混炼过程的动态模拟研究 s y n c h r o n o u sr o t o r 、m e s h i n gr o t o ra n d8 - w i n gs y n c h r o n o u s r o t o r ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e 弱f o l l o w s ： 1 i nt h er o t o r sf l o wf i e l d ，t h e r ei sah i g hs u r f a c ea r e ao nt h er o t o ra d v a n c i n g e d g e ，a n dal o wp r e s s u r ea r e ao nt h eb a c ke d g eo ft h es c r e w t h ep r e s s u r ed i f f e r e n c e p r o d u c e db yr o t o r s ，s y n c h r o n o u sr o t o rt h eh i g h e s t ，t h e na s y n c h r o n o u sr o t o r ，m e s h i n g r o t o rt h el o w e s t 2 t h ea x i a lm o v e m e n tm a k e st h er u b b e ro fd i f f e r e n ts e c t i o n sm i x e d i ti s o f a d v a n t a g et ot h ed i s t r i b u t i o no fr u b b e r a m o n go ft h e m ，t h e a x i a lm o v e m e n to f4 一w i n g s y n c h r o n i z e d - r o t o ra n dm e s h i n gr o t o ri st h em o s th i g h e s t ，t h e n8 - w i n ga s y n c h r o n o u s r o t o r ，f i n a l l y4 - w i n ga s y n c h r o n o u sr o t o r a n dt h ea x i a lm o v e m e n tm a k er u b b e ri nt h e r o t o rw i t hr e g u l a rb a c k - a n d f o r t hm o t i o n ，t h ef l o wc y c l eo f4 - w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r i s1s ，m e s h i n gr o t o ri sls ，8 - w i n gs y n c h r o n o u sr o t o ri s0 5s ，b u ta s y n c h r o n o u sr o t o r s w i t h i nt h ec h a o s 一 。 + j 3 ；t h es h e a rf a t e p r o l s a b i l i t yf u n c t i o no fe a c hk i n do fr o t o r sf l o wf i e l dc h a n g e d s m a l lw i t ht i m e ，i e e v e r yt i m ep o i n t ，t h ep a r t i c l e so ft h es a m es h e a rr a t er a t i oa r e m u c ht h es a m e ，w h i c hh a v eb e e np u ti n t ot h ec h a m b e r w h i l et h em a x i m u ms h e a r r a t e p r o b a b i l i t yf u n c t i o nc h a n g e sw i t ht i m e , n a m e l y , t h ep a r t i c l e sa c h i e v i n gm a x i m a l s h e a r r a t ep a r t i c l e si n c r e a s ew i t ht i m e i ts t a t e st h a t m o r ep a r t i c l e se x p e r i e n c e dh i g h e r s h e a r i n gr a t ew i t ht h em i x i n gp r o c e s s a n ds u ms h e a rr a t ec h a n g e sw i t ht i m e ，s u m s h e a rr a t eo fd i f f e r e n t 。r o t o r sf l o wf i e l ds h e a rr a t ei s d i f f e r e n t ，8 - w i n g + s y n c h r o n o u s r o t o ra n d4 ，w i n gs y n c h r o n o u sr o t o rf l o w f i e l dt h eh i g h e s t ，m e s h i n gr o t o rl o w e s t i t s t a t e st h a ts h e a ro fs y n c h r o n o u sr o t o ri sb e t t e rt h a nt h eo t h e rr o t o r i ti ss t r o n gt o c r u s h i n gm a t e r i a l n a m e l y , i ti sb e n e f i c i a lt od i s p e r s i v em i x i n g 4 t h ep r o p o r t i o no fs h e a rf l o wa n dt e n s i l ef l o ww e r ed i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o n sa n dd i f f e r e n tr o t o rs p e e d ，t h i sd i f f e r e n tr a t i oc a u s e dt h em i x i n gi n d i c e s d i f f e r e n t f r o mt h em i x i n gi n d e xp r o b a b i l i t yf u n c t i o nc u r v e ，i tc a nr e a c hac o n c l u s i o n t h a te v e r ym o m e n to fs y n c h r o n o u sr o t o r sf l o wf i e l d ，l e s st h a n4 0 o ft h ep a r t i c l e sa r e i nt h ew e a ks h e a rf l o wf i e l d p a r t i c l e sa b o u t5 i ng e n e r a lt e n s i l ef l o w ；a n de v e r y m o m e n to fm e s h i n gr o t o r sf l o wf i e l d ，m o r et h a n4 0 o ft h ep a r t i c l e so nt h ew e a k s h e a rf l o w s ，r e l a t i v e l ym o r et e n s i l ef l o w a n dm i x i n gi n d e xo f8 - w i n gs y n c h r o n o u s r o t o r ，sf l o wf i e l di st h el o w e s t ，i ts h o w st h es h e a r i n ga c t i o ni nt h ew h o l ep r o c e s so f r o t o rr o t a t i n gi si nt h el e a d 5 f r o mt h ec h a n g e so fc o n c e n t r a t i o nf i e l d ，i tg e t st h es t r e n g t ho fa x i a lf l o wa n d t h el e v e lo fm i x e dp l a s t i cm a t e r i a li n d e xi ne a c hs e c t i o na f f e c td i s p e r s i o n a n d i v 青岛科技大学研究生学位论文 d i s t r i b u t i o no ft h e c o m p o u n dw h i c h w i l la f f e c tt h e m i x i n ge f f i c i e n c y 4 - w i n g s y n c h r o n o u sr o t o rh a sh i g h e s tm i x i n ge f f i c i e n c ya n dm i x i n gq u a l i t y k e yw o r d s ：i n t e r n a lm i x e r ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；v i s c o e l a s t i c ；f l o wf i e l d ；m i x i n g i n d e x v 密炼机混炼过程的动态模拟研究 v i 青岛科技大学研究生学位论文 y 越度，m s p 压力，p a ，时间，j 符号说明 p 密度，k g m 3 g 重力， 尹剪切速率，1 s f 剪切应力，p a 刀牛顿指数，无量纲 五黏弹性的特征时间，即松弛时间，s 刁蒜度，p a s 初始黏度，即零剪切黏度，p a s 巩无穷剪切黏度，p a s 辊合指数，无量纲 d 变形速率张量，1 s 缈旋度张量，1 s s 表示网格单元的体积，肌3 s , q 表示球的体积，m 3 q 嬲等尺寸失真，无量纲 密炼机混炼过程的动态模拟研究 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 密炼机研究领域的发展 1 绪论 1 1 1 密炼机的发展过程 随着科学技术的不断进步，以及橡塑工业的飞速发展，人们对于各种橡塑制 品的需求越来越多，因此对于橡塑机械的要求越来越高。作为橡塑混炼混合设备 之一的密炼机得到了迅速的发展，从主要用于橡胶的塑炼、混炼，塑料的混炼、 混合以及橡塑共混，发展到用于沥青、半导体材料及食品的加工。因此，它已逐 渐地成为橡塑工业以及其它高分子材料加工行业的重要设备之一。 密炼机是在开炼机基础上发展和完善起来的一种高剪切间歇式混炼设备，主 要用于橡胶的塑炼及混炼，其次用于塑料、沥青等其它高分子材料的混合以及橡 塑共混等。由于密炼机的密炼室是完全密闭的，混炼过程中物料不会外泄，因而 可避免混合物中添加剂的飞扬及损失，并且可以加入液态添加剂。密炼室的密闭 性有效地改善了工作环境，降低了劳动强度，缩短了生产周期，提高了生产效率 并为自动化技术的应用创造了条件，因此它已经成为橡塑工业中最关键的混炼设 备。 自密炼机问世以来，人们在追求强化捏炼过程以及分散度，提高混炼橡胶的 物理机械性能、减轻体力劳动以及改善工作环境的同时，其结构和性能得到了不 断地发展和完善，品种不断增多。从总的情况来看，密炼机的发展过程可简单的划 分为以下几个阶段【1 卅： 第一阶段：从1 8 2 0 年到2 0 世纪初，是密炼机及其混炼技术的早期发展阶段。 1 8 2 0 年，英国的t h o m a sh a n c o c k 发明了一种原始的炼胶机( 木棍上装有突出的 钉子) ，能够将坚韧的橡胶塑炼成可加工的材料，以此开创了现代橡胶工业。其 中有代表性的有美国n a t h a n i e lg o o d w i n 公司的石英碾磨机以及j a m e sb a r d e n 和 s a m u e lc r u d d e n 发明的旋转搅拌机。 第二阶段：从2 0 世纪初到1 9 3 5 年，是橡胶密炼机的发展阶段。2 0 世纪初期 德国的g k 系列密炼机开始崭露头角。随着橡胶工业的发展，在1 9 1 6 年，f e r n l e y b a n b u r y 发明了真正意义上的密炼机，也可以说是当今密炼机的始祖，也是f 系 列密炼机的前身，同时也是一种剪切型密炼机。与此同时又出现了肖氏密炼机， 即啮合型密炼机开始出现在历史舞台。这一时期可以说是密炼机发展速度最快、 密炼机混炼过程的动态模拟研究 种类最全的阶段。 第三阶段：从1 9 3 6 年到1 9 8 5 年，是新型密炼机的发展阶段，是密炼机发展 的鼎盛时期。这一阶段转子构型变化较大以及密炼机整体机构也日趋完善。各种 新型转子、机器层出不穷，比较典型的有拉区和弗莱设计的横向剪切型密炼机、 四棱转子，法勒尔的连续混炼机，美国伯伦能发明的啮合型同向旋转密炼机， 福特设计的啮合式转子密炼机以及日本的翻转式密炼机等十几种新型结构。 第四阶段：从1 9 8 6 到现在，是密炼机技术的发展更加完善的阶段，也称为 密炼机发展的现代阶段。这一阶段，密炼机的新技术、新成果随着世界经济的增 长不断出现，同时从事这方面研究的单位和人员也不断增加，涌现了一系列新的 混炼理论、专利、论文和书籍，研究成果众多。 其中具有代表性有以下几个： ( 1 ) 美国法勒尔公司提出的两棱和四棱同步转子； ( 2 ) 日本神户制钢所提出的其中一项专利涉及到两棱转子设计，目的是通 过增大间隙来提高转子的转速和生产效率； ( 3 ) 意大利波米尼公司申请的改变啮合间隙( v i c ) 的啮合型转子密炼机的 专利【3 卅： ( 4 ) 波米尼公司开发的h d m ( h i g hd i s t r i b u t i v em i x i n g ) 高分布混炼型转子， 它的特点是把剪切型和啮合型转子的优点结合在了一起【5 】。 在国内，对密炼机的研究开始于上世纪七十年代初，虽然起步相对比较晚， 但由于起点高，发展比较快，研究涉及的内容也比较广，尤其是在转子的结构设 计、受力分析、优化设计、造型等方面以及密炼机整体结构设计，如密封设计、 密炼室设计、上顶栓传动方面等等。例如：作为国家密炼机重点基地的青岛科技 大学也自主研制了销钉转子密炼机、销钉密炼室密炼机、新型同步转子密炼机和 同速同向转子密炼机等睁砌。另外，近十几年来，美国、英国、意大利、德国、 日本、前苏联等国家，在密炼机研究开发方面都做了大量的工作。 1 1 2 密炼机研究领域的现状以及前景 综上所述，经历了近两个世纪的发展，到目前为止已经成型的密炼机有以下 四种： ( 1 ) 美国法勒尔伯明翰公司生产的本伯里式f 系列密炼机； ( 2 ) 以德国维纳尔普福莱特勒公司的产品为代表的g k 系列密炼机； ( 3 ) 以英国弗兰西斯肖公司产品为代表的k 系列密炼机： ( 4 ) 以日本森山制作所生产的产品为代表的m s 系列加压式捏炼机。 2 青岛科技大学研究生学位论文 并且这四种类型的密炼机都在向快速、高压、大容量和加料与操作程序自动 化方向发展，并用微机控制。 近年来，随着橡胶工业特别是轮胎工业的发展，对混炼的关键设备密炼 机的综合性能提出了更高的要求，设计出低能耗、高产量并能保证混炼胶具有高 物理机械性能的密炼机越来越重要。因此出现的新的密炼机混炼技术是密炼机发 展的方向。混炼技术的主要进展【1 1 以3 】包括： ( 1 ) 设计用于剪切式和啮合式密炼机的高效转子，以提高混炼过程中的热 传递效率，改善对分散和分布因素的控制； ( 2 ) 液压驱动上顶栓或柱塞，可在混炼过程中提供更均匀、更有效的胶料 压力： ( 3 ) r p 卜上顶栓或柱塞位置的指示和记录，用于工艺监控和工艺优化； ( 4 ) 提高了所有内部接触表面上的热传递效率，可以较好的控制接触温度， 并且在混炼过程中加强对胶料的冷却； ( 5 ) 改进了设备结构材料，以延长密炼机的使用寿命； ( 6 ) 精确高效的控温系统可以优化热传递和密炼机金属部件的温度控制； ( 7 ) 密炼机变速驱动器可以改善对混炼工艺的控制，提高混炼效率； ( 8 ) 减少混炼时间，增大每次炼胶量。 。 这些方面将是混炼技术最重要的趋向、技术进步，因此从混炼技术发展的前 景看，至今尚未开发出可以取代目前剪切型密炼机和啮合性密炼机的其他胶料加 工设备。因此，现有两种类型密炼机仍然是今后世界橡胶工业制备胶料的主要设， 备，其地位尚不可动摇。 自从连续混炼机在上世纪六十年代出现，人们对它的研究就没有停止过，因 此连续混炼机也是密炼机发展的主要方向。另外由于计算机的广泛应用，以及各 个学科相关知识的运用，现在密炼机从设计、关键件的强度和刚度计算到制造， 全部可由计算机来完成。因此计算机模拟技术在密炼机方面的应用将会更加广 阔，而且将会更加重要。 1 2 密炼机的转子构型概况 从密炼机的发明到现在，其发展形式上虽是密炼机发展演变的过程，但实质 上大都是转子发展演变的过程。人们针对密炼机领域开展的各方面的研究，绝大 部分是针对转子的研究，不同的转子构型所产生的胶料的流动性是不大相同的。 通过研究不同的转子构型的混炼特性，指出各转子构型流场的优缺点，来为设计 3 密炼机混炼过程的动态模拟研究 效率更高的密炼机转子构型提供理论依据。 由于聚合物加工的特殊性，使得作为混炼关键设备转子的结构及形状设 计直接影响密炼机的能耗、生产效率和混炼胶的质量。因此，密炼机转子的设计 要根据不同的混炼工艺要求，其设计准n - 一是机器的利用率要高；二是混炼作 用要好；三是吃料要快，要多，并且卸料简便；四是混炼效果要好；五是混炼温 度要低。因此根据不同的混炼工艺要求，密炼机转子构型按转子的断面形状大致 可分为三类【1 4 1 ：椭圆形( 剪切型) 、圆筒形( 啮合型) 和三角形。 1 2 1 剪切型转子 早期最典型的椭圆形转子密炼机是f e m l e yb a n b u r y 型密炼机，如图1 - 1 。在 国内，由于美国f 系列密炼机和德国g k - n 型密炼机的广泛应用，这两种类型密 炼机成为国内剪切型密炼机的代表。后来德国g k 公司又在g k - n 异步四棱转子 的基础上，又开发了具有九十年代先进水平的z z 2 转子；同时美国的f a r r e l 公司 开始研制同步转子密炼机。同步转子密炼机和z z 2 转子密炼机特别适合于轮胎行 业尤其是对子午线轮胎，是该行业中最佳和首选的混炼设备，但用途也有差异， 同步转子密炼机剪切捏炼作用特别强，适合全钢子午胎胶料的混炼，z z 2 转子密 炼机属于低剪切混炼设备，适合加工二次混炼( 加硫磺和易挥发性的促进剂) 。 图1 - 1b a n b u r y 型密炼机 f i g 1 - 1b a n b u r yi n t e r n a lm i x e r 从早期的两棱转子，到现在逐步发展出现了四棱、六棱、s 型转子、销钉转 子、同步转子及其突棱功能技术转子( n s t ) 【1 5 】等。剪切型密炼机的混炼作用主 要发生在转子棱峰的工作表面与混炼室壁的间隙之间，其次是转子之间对物料产 生的剪切、拉伸和折卷作用。它的特点就是：一是两转子相向旋转；二是采用单 独传动；三是吃料快，便于填料；四是剪切作用主要发生在转子棱峰与混炼室壁 之间。 4 璺曾 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 2 啮合型转子 1 9 3 4 年，英国的f r a n c i ss h a w 公司的c o o k e 研制出了异向旋转啮合型转子密 炼机及其转子，即k 系列密炼机的前身，如图1 2 所示。接着德国w & p 公司的 l a s c h 和s t r o m e r 开发出了第二代啮合转子。随后在1 9 6 7 年美国的伯伦能开发出 了啮合同向旋转密炼机，1 9 8 7 年意大利波米尼开发出可变间隙啮合式密炼机( c 密炼机) 。目前为止最具代表性的啮合型转子是英国k 系列和德国g k e 系列。 啮合型转子的特点是：一是胶料流动循环速度快；二是分散性好；三是易于温控； 四是填充系数小。 图1 2c o o k 的啮合型转子密炼机 f i g 1 5m t e m m m 投e rw i t hm e s h i n gr o t o md e s i g n e db yc o o k 1 2 3 三角形转子 以三十年代坎普特发明的三角形转子及其密炼机为代表。它主要用于塑料的 混合以及共混。由于其用途的限制，所以目前其构型的转子不是太多。 1 2 4 青岛科技大学自行设计的转子 在1 9 8 2 年至1 9 9 8 年期间，青岛科技大学根据自身发展开发出了多种构型的 转子，其中具有代表性的有：销钉转子( 如图1 3 所示) 、销钉密炼室密炼机转子 ( 如图1 - 4 所示) 、新型同步转子( 如图1 5 所示) 、同速同向转子( 如图1 6 所 示) 、w z ( z z 2 型) 转子( 如图1 7 所示) v m c t 转子( 如图1 8 所示) 等。这 些转子都已成功地用在不同的橡胶行业上。 5 密炼机混炼过程的动态模拟研究 黪。： 图1 - 5 新型同步转子 f i g 1 5n e wt y p eo fs y n c h r o n o u sr o t o r 渤 酵习 隧因 图1 6 同速同鬲转子 一 一 图1 - 7 w z ( z z 2 型) 转子图1 - 8 v c m t 转子 f i g 1 7w z ( z m 2t y p e ) r o t o r f i g 1 - 8v c m tr o t o r 目前，青岛科技大学正在进行啮合转子以及同步八棱转子的设计，其基本结 构基本成型，很快将运用到实际当中。总之，转子的设计多种多样，转子的创新 与发展是密炼机进步的标志和追求，为了更好地、更加快速地判断一个新的转子 构型能否更加有效地提高分散、分布混炼性能和传热特性，是当前进行密炼机流 场模拟的主要目的。 1 3 密炼机混合研究简介 1 3 1 胶料混炼状态 在开始本文研究之前，首先要明确研究对象的特性，众所周知，橡胶是一种 高弹性的聚合物，计算机进行模拟所采用的方法和机理是建立在聚合物在混炼过 程中表现出来的特性的基础上，下面简要介绍一下进行模拟混炼过程中所需要相 关的基本知识。 橡胶是黏弹性较高的物质，固体时主要呈现弹性，当它主要呈现黏性时，它是 黏流体。它在密炼机中与各种配合剂混炼时呈现什么状态，目前说法不一，实际 上情况很复杂。研究学者为了研究方便对此都有不同的假设，如早期j t b e r g e n 等在研究时把橡胶看作是流体在密炼机中流动，也就是从流体力学的角度提出的 黏性流体理论【1 6 】；后来上世纪8 0 年代，日本的中岛伸之认为在密炼时橡胶表现 6 青岛科技大学研究生学位论文 出固体的行为，也就是从弹性力学角度提出的黏弹性固体理论【r 7 1 。 橡胶在密炼机中混炼过程各个阶段的状态如何? 根据张海【1 8 1 等人在实验室 中0 1 l 本伯里密炼机试验观察可知，试验开始时投入事先切好的胶条，它落在两 转子之间和卸料门之上，两转子的突棱将其带入下顶栓与突棱间的间隙中，转子 突棱与下顶栓压紧的部分胶条局部达到拉伸极限而断裂，产生胶料小块；继续进 行，全部胶料都断裂为小块，这是橡胶在密炼室中的状态为固体。随着混炼的进 行，不同橡胶表现可分为三类：一类如天然橡胶，由于其生胶断裂强度大，在密 炼室中变形有限，未达到断裂极限，不发生断裂，这时胶料紧紧缠在转子周围， 这时胶料已表现为流体行为。二类如顺丁胶，生胶断裂极限强度小，产生的小块 落在密炼室底部，温度较高时小块开始相互黏结在一块，这时胶料已表现为向液 体转变。三类丁睛橡胶，由于它的玻璃化温度很高，小块之间还不时黏结在一起， 这时仍为固体。如继续混炼一二类橡胶，随着胶料温度的升高，胶料黏结为一整 块，这时胶料在密炼机中的流动己从粒子流动转变为分子流动，密炼机转子功率 升高，渐趋平稳，胶料表现液体( 流动) 特征。三类特别是丁腈4 0 ，可以仍为小 块固体。投入填料后，总的来说一二类橡胶黏结为整块表现为流体的时间会有所 延迟，延迟时间的长短与填料投入量的多少有关，量大则延迟时间较长。如天然 橡胶，投入填料量较多，胶料温度又较低，这时填料无法混入胶料，胶料在密炼 室有限变形条件下不能断裂，这是密炼机转子功率很低，不能上升，这是典型的 粒子流动的表现，混炼也无法进行。 综上所述，在混炼过程中，各种各样的橡胶( 除个别胶种外) 在开始投入密 炼室时，都不同程度地表现为固体行为，但是随着混炼的继续进行，胶料都转变 为流动状态，以后的混炼过程也均呈现流体行为，这时胶料的热量传递逐渐趋于 平衡，流体性质特性大体分布比较均匀，流场的模拟假设也就有了前提和意义。 这对于本文的研究非常重要，本文就针对上述情况，运用黏性流体理论，将研究 对象定为密炼机混炼过程的后期阶段，即从黏性流体的角度对密炼机的混炼过程 进行模拟，来分析胶料在密炼机内部的流动状态。 1 3 2 胶料在转子上的运动机理研究 对于胶料在转子上运动机理的研究，始于上世纪五十年代。在进入八十年代 后，随着计算机科学、数学、流变学、传热学等相关科学的发展，对混炼理论的 研究也进入到一个更加深化并实用的年代。 密炼机的混炼作用主要是依靠转子的机械作用。对于剪切型转子密炼机而 言，胶料在密炼室内受到四种机械作用，即转子棱峰与密炼室壁之间强烈的撕拉、 7 密炼机混炼过程的动态模拟研究 挤压、摩擦和剪切作用；转子之间的剪切、拉伸、折卷及滚压捏炼作用；转子之 间的轴向往复切割作用；上、下顶栓处的分流、混合、交换及剪切作用。对于啮 合型转子而言，主要是转子棱峰与密炼室壁之间强烈的撕拉、挤压、摩擦和剪切 作用以及两转子之间的捏炼作用。本文就几种典型的转子，对物料在其上的运动 机理做出了探讨性的研究，并在前人的基础上提出新的见解。 1 3 3 胶料混合机理 混合是高分子材料加工过程中的一个不可或缺的环节，混合包括对两种或几 种聚合物组分的混合、聚合物的化学改性以及在聚合物中添加固体或者流体添加 物，通过混合可以提高聚合物材料的物理力学性能和电性能，改善耐老化性能、 环境盈利开裂性能和聚合物的成型性能。另外，通过混合，利用废旧材料，可以 达到降低成本、减少和防止环境污染的目的。 混合是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作过程，也就是在整个系统的全 部体积内，各组分在其基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布。对混合机 理的研究目前还没有统一认识。下面介绍b r o d k e y 的混合理论【1 9 1 。b r o d k e y 将混 合的扩散过程分为三种基本的运动形式：分子扩散( m o l e c u l a rd i f f u s i o n ) 、漩涡 扩散( e d d yd i f f u s i o n ) 和体积扩散( b u l kd i f f u s i o n ) 。下面分别来介绍一下这三 种扩散形式。 分子扩散：由浓度梯度驱使自发地发生的一种过程，各组分的微粒子由浓度 较大的区域移到浓度较小的区域，从而达到各处组分的均化。分子扩散在气体和 低黏度液体中占支配地位。对于气体与气体之间的混合，分子扩散能较快地自发 地进行。在液体与液体或液体与固体之间的混合，分子扩散作用也较显著。但在 固体与固体之间，分子扩散作用很小。一般来说，聚合物加工中，由于熔体黏度 很高，熔体于熔体间分子扩散极慢，无实际意义。就是说，聚合物熔体与熔体的 混合不是靠分子扩散来实现的。 漩涡扩散：即紊流扩散。它是指流体的混合是靠系统内部产生的紊流来实现。 但是在聚合物加工中，由于物料的运动速度达不到紊流，而且黏度又高，故很少 发生涡旋扩散。 体积扩散：即对流混合( c o n v e c t i o n ) ，它是指流体质点、液滴或固体粒子由 系统的一个空间位置向另一空间位置的运动，或两种或多种组分在相互占有的空 间内发生运动，以期达到各组分的均布。在聚合物加工中，这种混合形式占支配 地位。 8 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 4 混合的分类 混合的形式分为分布混合( c i s t r i b u t i v em i x i n g ) 和分散混合( d i s p e r s i v e m i x i n g ) 。分布混合指的是分散相通过在连续相( 多组分) 中位置的重排而达到在 连续相中的均布，分散相的尺寸保持不变。在分布混合中，各粒子只有相互位置 的变化，而无粒度的变化。分散性混合又称为强烈混合( i n t e n s i v em i x i n g ) ，是指 分散相液滴或固体颗粒( 少组分) 不断破碎的过程，其尺寸在混合过程中不断减 小，也有位置变化。聚合物在实际的共混过程中既有分散混合又有分布混合，是 两种混合的综合进行过程。 1 4 混炼过程的模拟进展 高分子材料混炼过程是一个比较复杂的加工过程，实现动态实验表征具有很 大的实践困难。目前对于高分子材料混炼过程的理论研究还局限于较为简单的分 析表征和模型。 ? 实验研究1 1 4 】虽然是最准确、最直接的研究方法，但是整个过程要耗费大量的 人力和物力；再者由于受到测试技术的限制，实际的实验中只能得到有限的实验 数据。就像过去人们开发一种新型机器，需花费大量的人力和物力，需要进行反 反复复的设计以及实践才能达到预期的目标。同样对密炼机及其转子、工艺的设 计，需要长期的设计、实验以及生产考核，才能出现新产品，这个过程周期长、 花费大。到现在人们利用计算机软件，对所设计的密炼机及其转子绘出其结构， 再利用有限元分析软件，模拟分析其特性，从而可得新开发的转子、某个部件乃 至整台密炼机的优劣，或加工工艺的可行性等，并可快速进行修改，最后达到满 意的结果，减少了人力和物力消耗、缩短了新产品的开发时间。 随着计算机科学、数学、流变学、传热学等相关科学的发展，计算机模拟技 术日益成为工程技术发展必不可少的工具，能够对结构复杂、多相等复杂过程进 行分析。计算机模拟技术就是首先对模拟的模型进行物理化，在通过数学语言描 述过程诸变量的关系，运用计算机分析软件对其进行分析与仿真，并把分析、仿 真结果运用图形以及文本的形式输出。其实相当于在计算机上做实验，不断改进 方案，最后得到最优化的设计。 对于混炼过程的研究，现在也进入到一个白热化的阶段。人们开始在原经典 混炼理论的基础上利用现代化工具一计算机开展了模拟性研究，并通过实验加 以验证。以六、七十年代的黏性流体理论和八十年代的黏弹性固体理论为基础， 广泛对聚合物在密炼室内和转子上的运动及流变行