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连续混炼发展现状和趋势
摘要：通过对比分析连续混炼和分批混炼的优缺点，指出连续混炼为混炼技术的发展趋势，简述了国内外常见的连续混炼机及新技术，提出连续混炼机发展创新的关键方向。
关键词：连续混炼，分批混炼，连续混炼机
中图分类号：TQ33
引言
随着经济和科技的高速发展，人们对高分子材料的品种、性能和质量提出了更高的要求。如既要耐高温又要易于加工成型，既要具有较高的强度和刚度，同时还希望有较低的价格，单一的均聚物往往很难满足这些要求。而新型聚合物从研制到工业化生产周期长、投资大，因此对现有聚合物改性已成为高分子材料科学领域研究的热点。
聚合物改性（物理改性与化学改性）是一条快捷、节能、经济的聚合物新材料的开发途径。在聚合物的改性工艺中，混炼是一个重要环节。为了实现各种物料的共混改性，就要求从流变学和混炼机理的角度剖析现有混炼装备的特性，在此基础上开发出新的机型，以满足聚合物混炼加工的需要。近年来，美国、瑞士、日本和德国等发达国家集中力量相继推出了有各种特色、性能优异的新型连续混炼装备，如 FCM连续混炼机、Buss混炼机、KCK连续混炼挤出机和同向平行双螺杆混炼挤出机等。尽管这些混炼机的结构、原理有所不同，但它们都有共同追求的技术目标，即高效、多功能、经济地完成混炼三要素（压缩、剪切和置换分配作用）[1]。
1分批混炼和连续混炼
目前，工业化国家正在投入大量的人力物力进行胶料连续混炼的研究，因为连续混炼具有：可大幅提高生产效率、由一条生产线取代密炼机及上下辅机、简化设备结构、降低能耗、提高混炼胶质量和稳定性、容易实现绿色操作等优点。虽然受到喂料必须采用胶粒或胶粉等条件的限制，而迟迟不能推广，但仍受到高度的重视，被认为是未来炼胶设备的发展方向[2]。
1.1分批混炼
分批混炼的优点：
（1）可输送不同规格和形状的原材料，不管小批量或大批量生产，均能进行经济操作。
（2）能在少量物料或无准备情况下用手动或自动方式加料。
（3）可以采用手动或简单的 PLC 操作。
（4）通过速度控制或特殊转子设计，使原材料得到充分混炼，能得到较高剪切或较低粘度的混炼胶。
（5）设备坚固耐用，使用寿命长。
分批混炼的缺点：
（1）经常装料、卸料，不能充分利用电能，劳动强度大，需一名操作人员。
（2）当大批量混炼胶直接通过开炼机或其它压片加工时，热量改变。
（3）混炼过程中，排出大量含有有害化合物的气体。
（4）设备笨重，安装费用高。
（5）称重会略有不同，批料与批料之间有重量差异。
（6）混炼胶需要二次设备进行成型或搬运。
1.2连续混炼
连续混炼的优点：
（1）能量消耗稳定，没有大的峰值，节能。
（2）根据某些参数要求（温度、功率等），使混炼达到稳定状态。
（3）连续运行，需要的操作人员少，安装费低。
（4）连续小批量排胶所产生的热历程比分批式混炼所产生热历程均匀。
（5）预混合配合剂均匀且生产状态稳定。
连续混炼的缺点：
（1）不能加工流动性差的材料。
（2）需要采用先进的称量及计量设备。
（3）不易手动操作，适于自动控制。
（4）短期生产成本较高。
（5）排胶温度比分批混炼高，更换混炼胶时，需要配置专用的设备。
分批混炼和连续混炼各有优缺点，须根据具体情况如胶料性能等确定。但随着适用于连续混炼设备的热塑性弹性体（如粒状、流动性好的三元乙丙胶等）在传统橡胶工业中的广泛应用，连续混炼机设备越来越受到重视，经多年研究在国外已有很大进展，如三海公司的CCC低温连续混炼技术，能降低能耗 50％，降低成本62％，这很有诱惑力。本文介绍的是几种常见连续混炼机。
2连续混炼机
尽管密炼机已达到很高的生产效率，每个混炼周期缩短到3-5min的很短时间。然而，间歇式生产带来的批次之间的胶料质量差异始终难以彻底解决，同时给生产线连续化带来一定困难。因此，连续混炼一直成为橡胶业界梦寐以求、执著追寻的方向。从1845年出现的人工驱动的压出机，1854年用于古塔波橡胶电缆生产的柱塞式压出机，到1880年用于生产轮胎用橡胶零部件和1945年开始用于天然橡胶塑炼的螺杆式压出机之后，历经半个多世纪漫长岁月的摸索，终于在1950年研发成功以螺杆挤出为特征的连续混炼机。
螺杆连续混炼机虽然在塑料工业很快得到了应用推广，但在橡胶工业中却遇到了重重困难和诸多难题。50多年来，虽多次作为开发重点，但时断时续，历经坎坷，迄今人们已经开发了几代产品。多年来，一直生产F型密炼机，最近又收购拥有 K 型密炼机生产技术的Farrel公司研制的连续混炼机，已由FCM到FTX、KCM到MVX 再到ACM系列。这类混炼、排气、挤出式的连续混炼机，到现在已进行了4代的改进。生产G型密炼机、历史最久的W&P，其连续混炼机也由ZSK发展到EVK。这种挤出、排气、捏炼型的连续混炼机，如今已进入到第6代。最近，意大利Pirelli在它们的基础上又研发出CCM型连续混炼机。
螺杆连续混炼机具有许多优点，为橡胶厂特别是生产带、管、条、板及异型材等制品的工厂实现全厂自动化提供了美好前景。然而，由于目前橡胶的颗粒化以及配合剂材料的均匀分散等问题尚未完全解决，其使用范围仅限于颗粒状橡胶和配合剂材料数量、种类不多的电缆、热塑性弹性体等的混炼设备，对于橡胶制品的混炼尚未进入实用化、产业化的阶段。攻关的重点，主要是对双螺杆的改进和投入配合剂材料的均混。研究设想方向是采用塑料的同向平行往复式销钉双螺杆挤出机(Buss)、异向旋转锥形双螺杆挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机等相互组合的形式，以期研发出新的适于橡胶用的螺杆混炼机。不过，橡胶连续混炼机真正达到能进入产业化的时期，看来仍尚需时日[3]。
2.1密炼挤出组合式连续混炼机
密炼挤出组合式连续混炼机在结构上既具有密炼机转子又有挤出机螺杆,是密炼机与挤出机的组合体。具有代表性的3种结构如下。
(1)前苏联的连续混炼机
前苏联的连续混炼机结构如图1所示。该连续混炼机主要由一对圆筒形转子和一根螺杆组成,螺杆代替了原密炼机中的卸料门。螺杆上的隔胶块将螺杆分为两段,前段起输送物料进入转子和预混合的作用,后段起输送混炼好的物料到机头及补充混炼的作用。物料由一端的加料口加入,由螺杆输送到混炼室中,物料在混炼室两转子间混炼一段时间后送入螺杆后段,然后经机头挤出。为增强混炼效果,延长胶料在混炼室的停留时间,螺杆既可沿轴向往复移动,也可正反向回转。这种连续混炼机适合流动性较好的物料或颗粒状物料的混炼挤出。

图1 前苏联的连续混炼机结构示意
(2)新型混炼捏合机
新型混炼捏合机适用于硅橡胶混炼过程中母炼胶和添加剂捏合,结构如图2所示。该机主要由混炼部分、螺杆挤出部分以及底座等组成。螺杆挤出部分的双螺杆与转子平行且方向一致,安装在混炼室底部,混炼室侧壁与机筒相连,且采用可拆卸式固定连接,双螺杆水平放置,同向旋转。其工作过程为:将配好的物料放入捏合机中,关闭捏合机端盖,捏合机进入工作状态,混炼一段时间后开启双螺杆,根据混合时间的要求,设定转速和出料口的打开程度,胶料经捏合机混炼,再自动转移到双螺杆挤出机上进行分散、混合、剪切、输送,完成更强、更均匀的混合、分散和强力剪切,并利用双螺杆的输送作用将达到混炼要求的物料从排料口排出。

图2 新型混炼捏合机结构示意
(3)法雷尔的MVX(混炼、排气、挤出)
法雷尔的MVX出现于20世纪70年代，结构如图3所示,一台装有一对相对旋转三角形转子的密炼机(转子的长径比比普通密炼机大),远离密炼机加料口的一端配有一台挤出机,使混炼和挤出可同时进行。加料及压料装置采用简单的气动压砣,在压砣作用下物料自由流动进入混炼室。压砣往复运动可保持物料流动所需的压力。当物料直接通过混炼室时,将成为6个滚动堆积胶团,滚动堆积胶团由挡胶板挡住,以防未混炼好的胶料输出,达不到混炼效果。密炼机转子不具备轴向排胶能力,胶料从混炼室进入挤出机则由密炼机加料口和排料口的压差实现。该机生产效率与挤出速度有关。水分、空气及挥发性气体由螺杆后端排出。根据需要可以配备胶条挤出机或造粒机头。这种MVX连续混炼挤出机适合加工粒状橡胶或粉末橡胶。

图3 法雷尔MVX结构示意
2.2转子螺杆组合式连续混炼机
转子螺杆组合式连续混炼机的突出特点为转子或螺杆充分融合了密炼机转子的强力剪切功能和挤出机螺杆连续挤出的优点,形成特有结构形式,成为连续混炼机转子发展的主流方向。具有代表性的机型如下。
(1)FCM连续混炼机
FCM是美国法雷尔公司最早研制成功的连续混炼(造粒)机,它克服了密炼机间歇操作的缺点,保留了密炼机的优异混炼特性,并使之成为连续工作的混炼机。其传统典型形式是两阶式,第一阶是混炼机,第二阶是单螺杆挤出造粒机。在第一阶末端配有可变位置的孔板排料装置。这种FCM具有优异的混炼性能,特别适合于高填充物的分散混合,生产效率高[4]。FCM配有适于不同混合目的的转子,见图4。

图4 FCM混炼机及转子
(2)双轴连续混炼机
双轴连续混炼机主要由前段混炼、连接部分及后段混炼三部分组成,结构如图5所示。前段混炼部分包括加料斗、主混炼室及双转子,结构类似于FCM连续混炼机；连接部分为一连接前段出料口的连接管；后段混炼部分与出料口相连接。根据混炼工艺要求,可灵活改变挤出机螺杆的结构形式,以实现不同的混炼目的。

图5 双轴连续混炼机结构示意
2.3连续混炼新技术
双螺杆混炼机是目前研究较为突出的橡胶工业中的炼胶设备,它是连续混炼的典型设备,其经典的设备有同向双螺杆混炼机,两根螺杆旋向相同,同向旋转,有非啮合型、啮合型两种。
（1）FTX式双螺杆挤出机
FTX式双螺杆挤出机是一种正旋转双螺杆挤出机（图6），有各种配置，能效高、紧凑并能加工各种聚合物[5]。这些配置由多种螺杆和机筒部件组成。由于工程树脂需在高温下混炼，使这种连续混炼设备变得更为通用。遗憾的是，这种螺杆冷却问题很难解决，不适于混炼温度敏感的物料。混炼室机筒部件的设计可在不破坏构造的前提下获得最佳的混炼效果。这些机筒部件也可用真空排气以及在下道工序添加其它配合剂（如增塑剂）的设计。该机的长径比几乎不受限制。
捏炼件呈螺旋状，可提供起码的充分混炼。最近采用的新结构对混炼温度敏感的物料提供了较大的可能性，这些部件为六角型和FCM设计。这两种设计混炼时产生的热能较低，也可以采用流动形式，以确保物料良好的分散和均匀分布。FCM区段实现了正向和反向混炼，而六角区段则给出流动形状，以便进行混炼操作。这些设计为双螺杆混炼混炼胶获得成功打下理论基础。

图6 FTX式双螺杆挤出机
（2）新型差速双螺杆混炼机
新型差速双螺杆结构的连续混炼机,是橡胶连续混炼的一种新的形式。该双螺杆混炼机的两螺杆异向旋转,一根为双头,另一根为单头,单根螺杆为圆柱、等距、等深、部分啮合,两根螺杆的螺距不相等。单头螺杆与双头螺杆螺距之比1：2,无速比、异向旋转时不能正确啮合,会有干涉。所以单头螺杆与双头螺杆速比2：1、异向旋转时能正确啮合,不会干涉,如图7a所示。
异向双螺杆,异向旋转,差速能正确啮合的条件是两根螺杆的速比等于高速螺杆与低速螺杆螺距的反比。只要在满足两根螺杆本身能啮合的情况下,增加螺纹的头数而不会干涉。上述螺杆符合混炼特性要求,由于两螺杆有一定的转速差,所以在混炼过程中一方面保证胶料有剪切应变又有较大的拉伸应变,另一方面使胶料流动无规律变化大,而且螺杆啮合紧凑、结构紧密,是新型差速双螺杆混炼机的理想螺杆形式。
为了进一步提高均匀性,还可以使用连续混炼机头。机头采用双孔板结构的混炼机头,结构如图7b所示,既可以使用造粒机头,通过粒状橡胶的进一步混合提高均匀性,也可以使用口型机头进行挤出。该差速双螺杆混炼机与常规的密炼机不同,除了有密炼机的剪切和拉伸应变将炭黑混入橡胶,另外还利用压力及双孔板结构的机头将炭黑混入橡胶,该连续混炼机耗能量大大低于常规密炼机。机器在相同螺杆转速的情况下,物料流动速率与类似规格的冷喂料挤出机相当[4]。

a 差速双螺杆速比(2：1)

b双孔板结构混炼机头
图7新型差速双螺杆混炼机
3结论与前景展望
由于橡胶连续混炼过程的基本要求是所有混合物成分均为连续流动,因此简单、高效和低耗的连续混炼设备一直是橡胶混炼技术的一大目标。最近几年,由于粉末橡胶制备技术的发展,橡胶的连续混炼在停滞了多年之后重新成为人们关注的焦点。新型的连续混炼技术以双螺杆挤出机(Twin-screw Extruder,简称TSE)技术为载体。TSE技术涵盖了大量不同的螺杆结构形式及运动方式,包括同向旋转、反向旋转、螺杆局部或完全啮合、螺旋角变化或不变等结构[6],如图8所示。

图8连续混炼技术螺杆构型
这些结构形式的螺杆使复杂的连续混炼成为可能。同时TSE技术也是一种新型、非常规的双螺杆挤出机,螺杆长径比可达36B1,机筒可分为9段,在不同段可加入不同的小料。螺杆结构比较特殊,除正常的螺旋输送元件外,还有剪切元件、盘形分散元件、涡轮分布元件及多变形元件等,以使其中的预混胶粉与小料充分混合。挤出机的排胶口处可配置齿轮泵或另一台单螺杆挤出机排料。该混炼机的基本要求是胶料必须具有流动性,且必须与炭黑提前预混。
首先，无论是密炼挤出组合式连续混炼机还是转子螺杆组合式连续混炼机，我们可以看出连续混炼机的核心部件依然是转子和螺杆，开发各种新型高效转子和螺杆是连续混炼的主要研究方向。其次，把已有的性能优越的设备优化组合，如密炼机和密炼机、密炼机和挤出机、挤出机和挤出机等有效结合使用，不失为一种混炼的创新思路。最后，各种辅机的改进，如齿轮泵增压、自动称量装置等，也促进了连续混炼机智能化的发展，此外，我们还可以通过改进冷却装置，压料装置，排料装置等，缩短加工周期，提高生产效率。与此同时，工艺上的改进也需勇于创新，间歇+间歇，间歇+连续，连续+连续均可作为连续混炼工艺的发展方向。相信在不久的将来，随着各种新设备和新工艺的出现，连续混炼必将成为高聚物加工行业的主流。
参考文献：
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