密煉機橡膠混煉流變理論和瞬時功率控制法的研究進展

密煉機橡膠混煉流變理論和瞬時功率控制法的研究進展

20世紀(jì)70年代，國外提出了致密橡膠混合工藝的能量控制方法，結(jié)果表明，它可以提高混合效率和橡膠材料的質(zhì)量。在國內(nèi)推廣應(yīng)用該技術(shù),效果也獲得了證明,同時還暴露了問題,即采用能量控制法,原材料質(zhì)量必須穩(wěn)定,稍有變動就必須對能量控制的具體數(shù)值進行修正,否則對所生產(chǎn)的混煉膠質(zhì)量將產(chǎn)生很大的影響。此外,采用能量控制法還必須在密煉機上增加一控制裝置。由于這些原因,能量控制法沒有在我國獲得很快的推廣應(yīng)用。為了從理論上找原因,解決能量控制法存在的問題和尋找混煉規(guī)律,經(jīng)研究認(rèn)為密煉機橡膠和填料顆粒的混煉,橡膠是處于流體狀態(tài),它的流動可以用粘度來表述,并進一步證明生膠和混煉膠在密煉機中的流動服從密煉機流變理論。膠料粘度的大小及其變化將決定混煉工藝的好壞,為了控制混煉工藝,需要知道膠料粘度并進一步控制膠料粘度。但直接對密煉室中膠料粘度進行檢測是很困難的,而根據(jù)密煉機流變理論,密煉機轉(zhuǎn)子扭矩和功率與密煉室中膠料粘度成正比。要了解和控制膠料粘度,了解和控制密煉機轉(zhuǎn)子功率就可以了。據(jù)此提出瞬時功率控制法,它實質(zhì)上是通過控制功率來控制密煉室中膠料粘度的。瞬時功率控制法提出至今已10年了,本文將回顧10年來有關(guān)瞬時功率控制法理論應(yīng)用以及在生產(chǎn)中的效果。1密煉機橡膠混煉流變圖1所示為橡膠與顆粒填料密煉機混煉過程功率曲線示意?；鞜掗_始投入生膠塑煉到功率曲線a點,提起壓砣加入粒狀填料炭黑,到曲線b點,壓砣下壓到位,開始混煉。從b點到c點繼續(xù)到d點,這時全部粒狀填料炭黑混入膠料中,或者說粒狀填料炭黑間的空隙全部被膠料填滿,再繼續(xù)混煉從d點到e點,混煉結(jié)束,排料,整個混煉過程結(jié)束。從開始到a點,密煉機中為純生膠,從d點到e點排料前為生膠與粒狀填料炭黑混煉產(chǎn)生的混煉膠。這兩段都已證明密煉機流變理論是正確的。而從a點開始經(jīng)過b點到c點再到d點整個這一段,密煉室中有純生膠膠料、粒狀填料和已混入填料的混煉膠3種狀態(tài)。從a點到b點基本上只有純生膠膠料和粒狀填料兩種,從b點起混煉膠開始增加,到d點時,基本上都是混煉膠了。也就是這段時間密煉室中不是單一的狀態(tài),不適用密煉機流變理論。這一段是膠料與填料混合的過程,為了描述這一過程,我們提出了密煉機橡膠混煉流變理論。密煉機橡膠混煉流變理論,簡要地說,橡膠與粒狀填料的混合,橡膠是粘彈性的流體,橡膠是連續(xù)相,粒狀填料是分散相,決定混合狀態(tài)和混合性質(zhì)的主要是連續(xù)相的粘彈性流體橡膠,粒狀填料的性質(zhì)對混合狀態(tài)也有影響,不過不起主要作用,不決定事物的性質(zhì)。液體粘度是描述液體流動阻力大小的參數(shù),在膠料與粒狀填料的混合中,膠料粘度小就比較容易混合,粘度大就比較難混合,粘度太大就很難混合,甚至不能混合,在存在附聚體的粒狀填料中,如果膠料粘度小,在密煉室中通過膠料傳遞給附聚體填料的作用力如果比附聚體填料本身的附聚力小,這時附聚體粒子不能破碎,因而也不能進一步分散在膠料中,因此膠料的粘度不能太大,也不能太小,而是存在一個“最佳值”。膠料在“最佳粘度”下混煉,消耗的能量最小,需要的時間最短,填料粒子分散的狀態(tài)最好。也就是說是一個最好的混煉工藝。2密合機橡膠混合精制理論的內(nèi)容2.1最佳粘度的確定膠料處于“最佳粘度”的混煉工藝就是最好的工藝?！白罴颜扯取钡闹凳嵌嗌?對通用橡膠來說,一般在50～60個門尼值,它的大小主要取決于填料的表面性質(zhì),補強填料的活性越大,“最佳粘度”值越大;其次取決于密煉機的有關(guān)技術(shù)參數(shù),如轉(zhuǎn)速、壓砣壓力、填充系數(shù)等。2.2密煉機轉(zhuǎn)子功率與密煉室膠料粘度的關(guān)系橡膠混煉過程功率曲線(見圖1)中從開始到a點和從d點到e點結(jié)束混煉這兩段,根據(jù)密煉機流變理論,密煉機轉(zhuǎn)子功率與密煉室中膠料粘度成正比。從a點經(jīng)b點和c點到d點,根據(jù)密煉機橡膠混煉流變理論,這一段的主要性質(zhì)亦取決于膠料粘度。因此可認(rèn)為整個混煉過程中功率曲線的變化是密煉室中物料狀態(tài)的反映,通過功率曲線的大小變化,可以分析比較密煉室中物料混煉過程的好壞。3采用致密橡膠混合開采理論[7、8、9、10、11、12和13]3.1混煉過程的智能化根據(jù)“最佳粘度”概念和混煉過程功率曲線的物理意義對每批膠料混煉過程功率曲線的變化進行分析,即可知道每批膠料混煉的好壞。具體有3種方法。一種是通過混煉過程功率曲線來判斷,然后修改工藝條件進行試驗再對功率曲線進行分析,這樣反復(fù)多次進行來優(yōu)化。另一種是應(yīng)用華南理工大學(xué)研制的密煉機橡膠混煉微機智能控制系統(tǒng),亦是根據(jù)上述原理,混煉工藝過程參數(shù)由智能控制系統(tǒng)采集,混煉膠質(zhì)量采用智能控制系統(tǒng)的預(yù)測值,在一定時間內(nèi)對某一膠料進行優(yōu)化。這種全部由智能控制系統(tǒng)進行的方法就叫全自動優(yōu)化。如果混煉膠質(zhì)量采用實際檢測值輸入系統(tǒng),或者對混煉工藝試驗條件進行新的設(shè)定,其它仍由智能控制系統(tǒng)進行就叫半自動優(yōu)化。3.2膠料膠質(zhì)料數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)密煉機流變理論,通過建立預(yù)測混煉膠粘度的數(shù)學(xué)模型就可進行門尼粘度、塑性值等的預(yù)測,數(shù)學(xué)模型既可按每種膠料也可按每臺密煉機建立,平均預(yù)測值和實測值的差別較小,可以應(yīng)用。按每臺密煉機建立數(shù)學(xué)模型,大大減少了建模工作量,也為根據(jù)預(yù)測結(jié)果進行控制創(chuàng)造了條件。3.3炭黑的分散性密煉機流變理論為混煉膠的預(yù)測打下了理論基礎(chǔ),而對混煉膠炭黑分散度的預(yù)測則無能為力。最初分散度的預(yù)測以等變形量理論為指導(dǎo),即密煉機轉(zhuǎn)子給膠料相等變形量,則膠料的炭黑分散度相等;變形量越大,分散度等級越高;在粘度相同的條件下,消耗能量越多,炭黑的分散性越好,也就是說炭黑的分散應(yīng)與能量消耗成正比。經(jīng)多次試驗研究,炭黑的分散與能量的相關(guān)系數(shù)不高且不成正比。最后在密煉機橡膠混煉流變理論的指導(dǎo)下,找到了相關(guān)系數(shù)不高、不成正比的原因。即在消耗能量中產(chǎn)生的作用力小于填料附聚體本身附聚力的那部分能量對炭黑的分散沒有作用,只有大于的那部分能量對炭黑的分散才有作用。這樣才最后建立了預(yù)測混煉膠中炭黑分散度的數(shù)學(xué)模型。平均預(yù)測值和實測值相差半級,可以應(yīng)用。3.4投炭黑膠粘度狀態(tài)瞬時功率控制法實質(zhì)上是對密煉室中膠料粘度的控制,為了獲得好的混煉工藝,在投炭黑時希望膠料處于“最佳粘度”狀態(tài),可以采用瞬時功率控制。在混煉結(jié)束時,如果預(yù)測到混煉膠已達到所要求的門尼粘度,即可排膠。這也是采用瞬時功率控制。這樣可以減少混煉膠粘度的波動,少出廢品或不出廢品。4事實上，它在事實上中被推廣應(yīng)用4.1混煉過程的效果在實際應(yīng)用中不同程度地提高了混煉效率,縮短了時間,這首先是密煉機橡膠混煉流變理論提出判斷混煉工藝好壞的標(biāo)準(zhǔn),即膠料與填料混合料是否處于“最佳粘度”狀態(tài)。其次是通過混煉過程功率曲線可以很容易分析判斷混煉工藝的好壞、存在何種問題及應(yīng)如何改進等,一般可提高效率5%～20%,個別曾達到22.5%。必須特別說明的是,提高效率不是以損害質(zhì)量為代價,而是質(zhì)量也同時得到不同程度的提高。4.2混煉膠流變特性考察混煉膠質(zhì)量一般是考察物料是否在膠料中分散均勻、是否達到所要求的分散度等級、膠料粘度(門尼粘度)或塑性值是否在工藝要求的范圍內(nèi)。提高混煉膠質(zhì)量的含義,就是使物料在膠料中分散更均勻,膠料粘度在工藝要求范圍外的(不合格品)減少了,甚至沒有了,而且它的極差大大縮小,也就是質(zhì)量更均一了。密煉機橡膠混煉流變理論通過它揭示的混煉規(guī)律和混煉膠粘度和分散度預(yù)測數(shù)學(xué)模型,使人們?nèi)菀赘唧w掌握某些混煉過程參數(shù)及其數(shù)量的影響,從而在提高效率的同時又能提高混煉膠質(zhì)量和質(zhì)量均一性。目前達到的最好水平是在F270型密煉機40和20r·min-1轉(zhuǎn)速、兩段混煉膠的條件下,100車膠料門尼粘度±3個門尼值有90%,其余在±4個門尼值,分散度都在6級以上。能否進一步提高?回答是能進一步提高,但在認(rèn)識上還必須有質(zhì)的突破,設(shè)備有進一步改進。4.3經(jīng)濟效益分析各個企業(yè)應(yīng)用該技術(shù)所獲經(jīng)濟效益差別很大,這主要是由于企業(yè)應(yīng)用本技術(shù)的目的不同,有的重點在提高質(zhì)量,有的重點在提高混煉效率。再加上各企業(yè)設(shè)備水平存在差距,經(jīng)濟效益自然也不相同。一般來說,以270型密煉機為例,每年可為企業(yè)增收節(jié)支帶來約200萬元的純收入。從提高混煉效率來看,一般可達到15%～20%,也有個別企業(yè)例外,但最近幾年來混煉效率已提高很多,不可能再有多大的提高幅度了。4.4瞬時功率控制(1)初期遇到較多的問題是認(rèn)為瞬時功率控制就是能量控制。因為在談?wù)撃芰靠刂茣r,常提到功率積分,所以常常就被人認(rèn)為是能量控制,事實上功率積分就是能量,能量控制就是指對某一過程消耗多少能量的控制。而瞬時功率控制,其實叫功率控制即可,為了強調(diào)其瞬時的性質(zhì),而特別起名為瞬時功率控制。它實質(zhì)是對密煉室中物料粘度的控制,而能量控制是對膠料在密煉室中物料變形量的控制。兩者本質(zhì)差別很大,經(jīng)過詳細說明和實際應(yīng)用就可將其區(qū)分開。(2)現(xiàn)在密煉機上有不少有各種形式的混煉過程功率曲線,但它不等于可進行瞬時功率控制。仔細一看它的控制系統(tǒng)便知只能進行時間、能量和溫度的控制,不能進行瞬時功率控制。智能控制系統(tǒng)除能進行時間、能量和溫度的控制外,還能進行瞬時功率控制和它們間的組合控制,因為一般記錄功率曲線是用功率記錄儀進行,不能從曲線上取去某點的功率值。5門尼粘度波動的控制密煉機橡膠混煉流變理論和瞬時功率控制法提出10年來,逐漸為人們所認(rèn)識,根據(jù)理論開發(fā)的微機智能控制系統(tǒng)在全國大中型橡膠加工企業(yè)已推廣應(yīng)用近50套,其中絕大多數(shù)是輪胎廠。最佳粘度和混煉過程功率曲線的物理意義在判斷現(xiàn)有工藝是否最優(yōu)、提高混煉效率方面已發(fā)揮越來越大的作用。粘度和分散度的預(yù)測與控制的應(yīng)用有利于提高混煉膠的質(zhì)量和質(zhì)量均一性。已初步顯示了它的優(yōu)越性。一般混煉膠門尼粘度波動可控制90%在±3個門尼值之內(nèi),其余在±4個門尼值內(nèi)。兩段混煉分散度可在6級以上。這樣的混煉膠質(zhì)量在輪胎廠為膠料的擠出和壓延工藝打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。10年來,這一理論在應(yīng)用中不斷豐富和發(fā)展,為