523-混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系的数学模型与在线粘度计(黏度-NR-SBR).pdf

第4 期陈可娟 混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系的数学模型2 3 7 混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系的数学模型 陈可娟 华南理工大学工业装备与控制工程学院 广东广州 5 1 0 6 4 1 摘要 根据流变基础原理研究橡胶混炼过程中粘度与功率的关系 建立了混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系 的数学模型 与试验结果对比表明 数学模型中提出的粘度比可以较好地描述混炼过程粘度的变化规律 根据此数 学模型 可建立合理的粘度跟踪体系 从而更好地控制混炼胶的质量 关键词 混炼过程 剪切功率 粘度 数学模型 N R s B R 中图分类号 T Q 3 3 0 4 3 T Q 3 3 0 6 4文献标识码 B文章编号 1 0 0 0 一8 9 0 X 2 0 0 7 0 4 一0 2 3 7 一0 5 橡胶混炼的最终目的是提供有实用性能和适 宜加工的胶料 同时胶料质量还应具有尽量好的 一致性 不同用途胶料质量标准不同 但混炼过 程均应在满足质量要求的前提下达到最佳效率 混炼过程可分为以下几个阶段 1 配合剂湿 润一配合剂分布一聚集体分散一粘度降低一反应 相互作用 混炼过程的几个阶段作用是相互影响的 没 有良好的混入和分布 分散不会达到有效的程度 并会因此产生未混合好的炭黑小块 分散过程 颗粒破碎 发生在混入前或混人中 有时会出现 妨碍混入和分散作用的现象 2 4 对密炼机转子周向流动的压力及速度已有多 项研究 2 5 6 考虑混炼过程的功耗大部分消耗在 物料的剪切过程中 且混炼过程物料的分散混合 主要由剪切作用产生 可建立混炼过程的转子剪 切功率与胶料粘度关系的数学模型 利用该模 型 可很好地分析混炼过程中密炼机转子构型 混 炼胶粘度与功率消耗之间的关系 为混炼过程的 胶料质量监控建立可行的理论基础 同时也为研 究密炼机结构形式对混炼质量的影响及合理控制 功率消耗建立数学模型 1 物理模型及假设 混炼的分散过程是影响混炼胶料质量及功率 消耗的主要因素 混炼时 胶料随转子旋转作周 作者简介 陈可娟 1 9 5 4 一 女 广西玉林人 华南理工大学副 教授 硕士 主要从事橡塑机械的教学 研究和设计工作 向及轴向运动 受转子与混炼室壁间缝隙的挤压 剪切及摩擦搅拌等强烈机械作用 被强行拖曳经 过螺棱顶部及根部的间隙 胶料因此受到强烈剪 切并消耗大部分能量 分析转子棱顶与密炼室壁间隙的高剪切区域 的物料流动时做以下假设 1 物料是不可压缩 粘度为弧的牛顿型流 体 剪切流动为稳定层流 2 如图1 所示 间隙内沿z 方向的流动为线 性累积的非等温流动 3 因棱宽很小 故认为间隙内是等压差的 即压差 半 为常数 U C 4 由于间隙 比密炼室壁曲率半径小得 多 因此将间隙内的室壁表面近似为平面 5 假定转子不动 而密炼室壁以线速度u 向 相反方向移动 根据假设 将间隙内物料流动情况简化为两 平板间的流动 将坐标系固定在转子上 室壁与 土 混炼室壁 髟弘 工 转子凸棱 p 2p l 转子棱根 图l密炼机混炼的物理模型 万方数据 2 3 8 橡胶工业2 0 0 7 年第5 4 卷 转子棱顶拉直 转子速度为零 室壁速度为口 2 数学模型 根据波伦 B o l e n 和科威尔 C o l w e l l 模型可 推导出密炼机凸棱棱顶的速度分布方程 凸棱顶部的流动速度口 为 一挚 掣 1 gz 啊 叩 A 7 夕 户2 一夕1 式中竹 转子转速 d 凸棱顶部直径 g 凸棱顶部与混炼室壁的间隙 户 沿凸棱顶部宽度方向上的压力降 P 凸棱顶部的宽度 A 经验因数 r 胶料的粘度比 璃 胶料的表观粘度 凸棱根部的流动速度 为 职 孚一粼 压力降 户 为 夕一塑料 3 n g 7 d 一P P 式中d 转子凸棱根部直径 转轴直径 是 凸棱根部与混炼室壁的间隙 2 1 转子凸棱顶部剪切消耗功率 凸棱顶部间隙沿转子径向截面的速度积分为 口T l 口 d y 4 将式 1 代人式 4 中求积得 研一半 糍 研一 百一十T 矿 t a f 凸棱顶部间隙切应力r 为 一7 考一警 掣 按凸棱单位轴向长度计的功率N 为 N t u TI r 1d z c 半 钙 r 警 丝皂型 d z 7 nl 一 式中 为过棱周期 因为y 很小 忽略不计 可得 N 一笔竽 1 2 嘲叩 8 鲤2 糍 8 将式 3 代入式 8 得 N l 叫w 降 燮 l d c g 8 3 9 4 d 一d g 2 戤 毪 9 3 2 厂d 9 2 d 一d g 令 F 1 7 3 研l2 3 3 3 9 3 7 c d 一P P 3 9 4 矗 矗一矗 g 2 2 纵毪 9 3 2 n 则按凸棱单位轴向长度计的功率N 为 N 御3 t lF 1 1 1 式中 F 可称作密炼机结构参数因子 转子凸棱顶部剪切消耗的功率N T 为 N T 一聊3 1 L F l 1 2 L 豳p s z i s27 i 式中L 物料剪切长度 愚 与填充因数及转子结构相关的经验 参数 卜填充因数 s 转子凸棱总长度 m 转子棱数 2 2 转子凸棱根部剪切消耗功率 凸棱根部沿转子径向截面的速度积分为 秽 一卜d 3 1 3 将式 2 代入式 1 3 得 一班警 粼卜一 半 譬冀 凸棱根部间隙切应力r 为 r z 一7 考一半 粼 1 4 1 5 万方数据 第4 期陈可娟 混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系的数学模型 2 3 9 按凸棱单位轴向长度计的功率N 为 N 口 f 删c r 2 d z J0 降 笔 旷1 警 L 2 7 7 c d 一P J L 粼卜 1 6 y 很小 可忽略不计 则 N k I 酬譬一自 L 2 可 兀d 一e j 孚 燕P 盔m 将式 3 代入式 1 7 得 N 7 c 3 们3 d d f 譬一 生 垒 垡 曼 丝二 垒 L 2 3 P 2 9 3 r d 一P 罨嘉犟罴 2 d t 3 P 7 c 9 3 d 一9 3 P 2 7 令F 2 7 c 3 d d r 警一 生 垒二生 曼 堑二 垒 上 2 3 P 2 矿 兀d 一e 每怎华罴鞘1 1 9 2 d t 3 P 丌9 3 d 一9 3 P 2 7 按凸棱单位轴向长度计的功率N 为 N 一 3 1 凡 2 0 式中 F 也可称作密炼机结构参数因子 棱根剪切消耗的功率N 为 N c 一昝3 I L F 2 2 1 转子消耗的功率N 为 N N T N c 一研3 1 L F 1 F 2 2 2 3 试验 试验采用广州华工百川科技有限公司的1L 实验室密炼机 胶料配方1 为 S B R1 0 0 高耐磨 炭黑5 0 硬脂酸2 环烷油5 配方2 用N R 等量替代S B R 按照正常混炼工艺 将试验按转子转速分为 4 0 5 0 6 0 7 0 和8 0r m i n 1 共5 组进行 并对试 验得出的1 2 0 组数据进行整理 功率曲线分别如 图2 5 所示 褂 怒 一 褂 蠡 姗 雷 时间 s 圈2N R 填充因数为0 6 时混炼功率曲线 转子转速 r m i n 一1 1 8 0 2 7 0 3 6 0 4 5 0 1 5 4 0 时间 s 圈3N R 填充因数为0 7 5 时混炼功率曲线 注同图2 时I 司 s 图4s B R 填充因数为0 6 时混炼功率曲线 注同图2 用S P A S S 软件对理论公式 2 2 进行拟合模 拟 得到实验室密炼机混炼过程的粘度比曲线 如 图6 9 所示 4 结果分析 胶料混炼过程中物料功率消耗过程呈逐渐增 大的趋势 在混炼开始仅投入生胶 o 7 0s 阶 万方数据 2 4 0橡胶工业2 0 0 7 年第5 4 卷 褂 雷 丑 魁 捶 羞 型 羹 时间 s 图5S B R 填充因数为O 7 5 时混炼功率曲线 注同图2 时间 s 图6N R 填充因数为0 6 时粘度比曲线 转子转速 r m i n 一1 1 4 0 2 5 0 3 6 0 4 7 0 5 8 0 时I 司 s 图7N R 填充因数为0 7 5 时粘度比曲线 注同图6 段 压砣压下过程功率消耗有一个较快的上升时 期 随后在胶料温度升高和转子剪切的作用下 生 胶的粘度比下降 功率的消耗也逐渐下降 此时 S B R 的功率上升较N R 滞后一些 峰值出现在5 0 1 1 0s 时段 由于物料的填充量已达到工艺规程 要求 0 6 或o 7 5 并有炭黑等填充剂加入 此时 物料粘度比整体升高 从而引发功率消耗的第2 丑 越 捶 丑 糕 蜒 时间 s 图8s B R 填充因数为0 6 时粘度比曲线 注同图6 时间 s 图9s B R 填充因数为o 7 5 时粘度比曲线 注同图6 个阶段 功率的高峰期基本发生在全部物料加完 压砣压下后的1 2 0 1 9 0s 两次功率的峰值与物 料的温升成正比 7 混炼后期 即2 1 0s 后 虽然物料温度仍然呈 上升趋势 但较为平缓 而物料的粘度比除转速 为4 0r m i n 1 的3 种特殊情况之外 基本随着剪 切时间的延长而降低 在工艺条件不变的情况 下 总的粘度比变化趋势是与剪切功耗成正比 与 温度成反比 7 因此 在混炼后期 粘度比总体呈 下降趋势 由于N R 对剪切的敏感程度强于 S B R 因此在全部物料加入后的混炼阶段 N R 胶 料粘度均呈规律性的下降 而S B R 胶料的粘度下 降趋势较弱 转子转速为5 0r m i n 1 时 混炼后 期出现的异常规律有待进一步研究 理论公式的 胶料粘度比拟合值与试验混炼胶料最终粘度比较 为一致 进一步的分析研究将在以后完成 混炼过程中 配合剂分散和分布是保证胶料 质量均匀的两个重要指标 但它们在混炼过程的 不同时期出现 利用和控制好不同时期的混炼工 万方数据 第4 期陈可娟 混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系的数学模型 2 4 1 艺参数 压力 温度 粘度和剪切速率 可以达到 最佳的混炼质量 研究表明 由剪切作用产生的 分散混合主要由密炼机中混合物的圆周流动决 定 大部分由转子产生和保持 且压力占优势 分 散效果与剪切速率 转速的变化率 填充因数和粘 度 胶料温度 有关 研究还表明 物料粘度的降 低主要受热和剪切作用 与时间无关 即混炼到一 定的时间段 胶料的粘度基本保持在一个稳定水 平 此时继续混炼会浪费较多能量 剪切速率 在转子结构形状一定时与转速 功 率输入和压力有关 应与粘度和温度相匹配 才能 在保证质量均一性的前提下提高产量 取得最佳 匹配是混炼过程的重要问题 除对工艺过程的参 数控制调整之外 还可以调整转子结构 保证匹配 的剪切速率 从而获得满足要求的混炼胶质量 5 结论 本研究使用二维方法建立物料在转子高剪切 区域剪切功率消耗的数学模型 由功率消耗公式 可分析出剪切型密炼机功率分布与物料粘度的关 系 并经试验验证得出以下结论 1 混炼过程中 物料的粘度变化随剪切功率 消耗变化而相应改变 剪切速率越高 混炼过程 物料的整体粘度水平越低 物料最终粘度受混炼 初期的剪切速率影响很大 整体粘度的下降与剪 切速率及功率消耗成反比 2 物料温度较低时 剪切引起的粘度下降较 为显著 随着物料温度升高 剪切效率降低 在混 炼后期物料的粘度下降较为平缓 这也证明随着 剪切时间的延长及物料温度的上升 剪切对物料 粘度的影响越来越弱 根据此数学模型 可建立 合理的粘度跟踪体系 从而使混炼胶的质量得到 更好的控制 同时也可以使混炼工艺控制在最佳 的功率消耗范围 3 在转子转速为4 0r m i n 1 时 棱顶及棱 根剪切对S B R 基本没有作用 尤其在填充剂加入 后更为明显 表明此剪切速率对S B R 混炼效果基 本无影响 同样的情况也发生在填充因数为O 6 且转子转速为4 0r m i n 1 的N R 胶料上 4 由于N R 对剪切的敏感程度强于S B R 因 此在全部物料加入后的混炼阶段 其粘度呈规律 性的下降 相比之下 S B R 的粘度下降趋势 较弱 参考文献 1 F r e a k l e yPK P a t e lSR R u b b e rm i x i n g J R u b b e rc h e m a n dT e c h n 0 1 1 9 8 5 5 8 7 5 1 7 5 2 2 沃斯特罗克努托夫 生胶和混炼胶的加工 M 周彦豪译 北 京 化学工业出版社 1 9 8 6 8 6 3 N a s s e h iV G h o r e i s h yMHR F r e a k yPK 甜以 D e v e l o p m e n t o fv a l i d a t e dp r e d i c t i v em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rr u b b e rm i x i n g J P 1 a s t i c s R u b b e ra n dc o m p o s i t e sP r o c e s s i n ga n dA p p l i c a t i o n s 1 9 9 7 2 6 3 1 0 3 1 0 5 4 P o h l J u e r g e nw T r e n d si nr u b b e rm i x i n g J R u b b e r W o r l d 1 9 9 8 2 2 5 3 2 2 2 5 5 金日光 高聚物流变学及其在加工中的应用 M 北京 化学 工业出版社 1 9 8 6 6 1 3 6 1 8 6 周彦豪 聚合物加工流变学基础 M 西安 西安交通大学出 版社 1 9 8 8 4 7 9 7 陈可娟 刘卫华 转子结构对混炼物料温度的产生及分布影 响 A 广东省化工学会橡胶专业委员会论文集 C 2 0 0 2 1 9 8 2 0 7 收稿日期 2 0 0 6 1 l 一2 8 朗盛扩大I I R 产能 中图分类号 T Q 3 3 3 3文献标识码 D 英国 欧洲橡胶杂志 2 0 0 6 年1 8 8 卷6 期1 8 页报道 朗盛公司宣布继续扩大I I R 产能 2 0 0 6 年 早些时候 该公司安特韦普厂增产1 0 的项目宣 告完工 而其加拿大萨尼亚厂增产4 2 的项目预 定于2 0 0 7 年投产 朗盛说 萨尼亚项目投产后 该公司I I R 和H I I R 的总产能将达到2 6 5 万t 比扩建前增加2 5 根据朗盛公布的数据 E 埘估计扩建后萨尼 亚厂的年产能将达到1 3 8 万t 而安特韦普厂的 年产能将达到1 2 7 万t 朗盛说 该公司H I I R 与I I R 的产量之比为 8 5 1 5 而全球对这两种材料的需求比为2 1 I I R 的绝大部分都用于汽车轮胎的内胎 随着 亚洲和印度的轮胎从有内胎向无内胎的转变 对I I R 的需求可能将减小 而对H I I R 的需求将 增加 涂学忠摘译 万方数据 混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系的数学模型混炼过程转子剪切功率与胶料粘度关系的数学模型 作者 陈可娟 CHEN Ke juan 作者单位 华南理工大学 工业装备与控制工程学院 广东 广州 510641 刊名 橡胶工业 英文刊名 CHINA RUBBER INDUSTRY 年 卷 期 2007 54 4 被引用次数 2次 参考文献 7条 参考文献 7条 1 Freakley P K Patel S R Rubber mixing 1985 2 沃斯特罗克努托夫 周彦豪 生胶和混炼胶的加工 1986 3 Nassehi V Ghoreishy M H R Freaky P K Development of validated predictive mathematical model for rubber mixing 1997 03 4 Pohl Juergen W Trends in rubber mixing 1998 03 5 金日光 高聚物流变学及其在加工中的应用 1986 6 周彦豪 聚合物加工流变学基础 1988 7 陈可娟 刘卫华 转子结构对混炼物料温度的产生及分布影响 2002 本文读者也读过 1