王虎法，滕壽峰，米鳳龍

(大連第二橡塑機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116113)

1 氟橡膠的特性與應(yīng)用

氟橡膠是指在主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成型高分子彈性體。氟橡膠具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，也有較好的耐高溫、耐老化，耐臭氧及極好的真空性和優(yōu)良的物理機(jī)械性等諸多優(yōu)異性能，使其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，雖然低溫性能和耐輻射性能比較差，但并不影響氟橡膠對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的巨大貢獻(xiàn)。

我國從1958年開始至今已經(jīng)開發(fā)了多種類型的氟橡膠，主要有聚烯烴類氟橡膠，隨后又發(fā)展了較新品種的四丙氟橡膠、全氟醚橡膠、氟化磷橡膠。正因?yàn)榉鹉z有較好的耐高溫、耐油，耐多種化學(xué)藥品腐蝕的特性，就使得氟橡膠在現(xiàn)代航空、導(dǎo)彈、火箭、宇宙飛船、艦艇、原子能等尖端技術(shù)及汽車、造船、化學(xué)、石油、電訊、儀表、機(jī)械等工業(yè)部門獲得了非常廣泛的應(yīng)用。例如在汽車和機(jī)動(dòng)車行業(yè)，由于它的耐高溫、耐油和耐介質(zhì)性能優(yōu)異，用其做出了油封、密封墊、空調(diào)膠管等等產(chǎn)品，近年來在電動(dòng)汽車電池隔離和減震方面也逐步推廣使用。

2 氟橡膠的混煉工藝

橡膠混煉，是指生膠和配合劑在開煉機(jī)、密（捏）煉機(jī)中通過剪切場(chǎng)和拉伸場(chǎng)，使之機(jī)械混合并分散均勻的技術(shù)。由于密（捏）煉機(jī)混煉橡膠時(shí)的狀態(tài)極其復(fù)雜，于是就產(chǎn)生了混煉特性難以控制這個(gè)問題。

氟橡膠的門尼黏度較高，分子鏈剛性大，塑煉加工對(duì)其無太大效果，因此對(duì)氟橡膠都是直接進(jìn)行混煉。由于氟橡膠具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，其混煉過程是發(fā)黏、發(fā)熱和發(fā)脆的一個(gè)過程，加工工藝條件較難控制。以

前通常采用開煉機(jī)進(jìn)行混煉，但是氟橡膠開煉機(jī)混煉容易黏輥、發(fā)熱量大，導(dǎo)致開煉機(jī)混煉困難，并且要多次打薄通，使得操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率非常低下，且膠料質(zhì)量很難控制均衡。為了解決每一車混煉膠間質(zhì)量波動(dòng)問題以及降低勞動(dòng)力成本和減少環(huán)境污染，從2006年開始，我公司和一些大型橡膠廠共同探討，專門針對(duì)氟橡膠研制出一種采用翻轉(zhuǎn)式密煉機(jī)作為氟橡膠混煉設(shè)備的新工藝，結(jié)合相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)來完成對(duì)氟橡膠的混煉。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)采集和對(duì)工藝的不斷完善，我公司研發(fā)出了一種專門用于氟橡膠混煉的加壓式捏煉機(jī)，不僅完全達(dá)到了減少煉膠工序、保證混煉膠質(zhì)量均一性的要求，也大大提高膠料混煉生產(chǎn)效率、并降低了混煉過程中的環(huán)境污染；經(jīng)過多次的工藝調(diào)整和長期大量的產(chǎn)品驗(yàn)證，目前此種機(jī)器在市場(chǎng)已經(jīng)推出較多，整體使用效果非常穩(wěn)定。

3 氟橡膠捏煉機(jī)

氟橡膠捏煉機(jī)（如圖1所示）整體結(jié)構(gòu)是在標(biāo)準(zhǔn)型捏煉機(jī)的基礎(chǔ)上強(qiáng)化、改進(jìn)、完善混煉工藝功能的一種新型捏煉機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要分為：密煉裝置、壓料裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底座、氣控系統(tǒng)及其管路、溫度控制系統(tǒng)及其管路、電氣控制系統(tǒng)等等。其主要工藝特性是針對(duì)氟橡膠生膠門尼黏度高、剛性大、高摩擦生熱等特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、強(qiáng)制高效冷卻、混煉膠料壓力可控、方便清掃清潔的一種混煉設(shè)備。

圖1 氟橡膠捏煉機(jī)

3.1 氟橡膠捏煉機(jī)主要技術(shù)特性

由于氟橡膠諸多的化學(xué)性能，在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中融合國內(nèi)外很多關(guān)于密煉機(jī)混煉性能的理論和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合橡膠廠給出氟橡膠的一些混煉數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出如下特點(diǎn)的氟橡膠捏煉機(jī)。

（1）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、棱體形式獨(dú)特；

（2）轉(zhuǎn)子、混煉室壁、側(cè)板、上頂栓冷卻效率高；

（3）與膠料接觸部分均選用耐腐蝕性材料，保證生產(chǎn)過程中不會(huì)污染膠料；

（4）膠料壓力可分段分壓控制，能有效提高混煉效率；

（5）可根據(jù)混煉膠料工藝設(shè)定溫度自動(dòng)控制冷卻水流量；

（6）配置大功率驅(qū)動(dòng)元件滿足氟橡膠混煉時(shí)的動(dòng)力要求；

（7）輔料口的設(shè)計(jì)理念可滿足粉料的投入和降低粉塵飛揚(yáng)及方便清掃；

（8）整潔的外觀設(shè)計(jì)最大限度地滿足了設(shè)備的清潔、清掃；

（9）整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占地面積小、公共基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)線布置和安裝搬運(yùn)；

（10）適應(yīng)現(xiàn)階段我國中小型橡膠制品行業(yè)的現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)承受能力，未來市場(chǎng)前景廣闊。

3.2 主要結(jié)構(gòu)及性能說明

3.2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

氟橡膠混煉轉(zhuǎn)子（如圖2所示）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相較于普通剪切型轉(zhuǎn)子有了很大的改變，從棱形到轉(zhuǎn)子軸的受力都與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子不同。

圖2 轉(zhuǎn)子圖片

首先由于氟橡膠膠質(zhì)在冷膠時(shí)比較硬和脆，容易碾碎，此時(shí)需要較大的表面碾壓力（類似開煉機(jī)輥筒橫壓力）將膠料快速切碎，這樣就需要轉(zhuǎn)子能夠承受很大的橫向剪切力；隨著膠料溫度不斷提高，一少部分膠料會(huì)沿著棱體棱頂和混煉室之間的間隙從高壓區(qū)翻轉(zhuǎn)到低壓區(qū)（如圖3所示），形成對(duì)膠料的高壓剪切、拉伸；同時(shí)大部分膠料會(huì)沿著棱體螺旋工作面推向混煉室中間和另一根轉(zhuǎn)子的空隙，形成對(duì)膠料的翻轉(zhuǎn)和攪拌，也有部分的物料內(nèi)部剪切；這樣就使得膠料更快速的升溫。

其次由于氟橡膠對(duì)溫度的敏感性，使得在混煉過程中要把溫度控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，大多時(shí)候都把溫度控制在40～90℃時(shí)才比較容易實(shí)現(xiàn)混煉工藝，這就要求轉(zhuǎn)子達(dá)到這個(gè)溫度范圍后不能過快的升溫?；谏鲜鲈蛟谵D(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)我們調(diào)整了棱頂寬度及其與混煉室壁的間隙，但主要還是從棱形楔入角[（如圖3所示）轉(zhuǎn)子凸棱工作表面輪廓曲線變化規(guī)律主要是由膠料楔入角的斜率曲線方程式演變得來 ]方面進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元模擬分析，在保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的前提下減少膠料翻越轉(zhuǎn)子棱頂?shù)拈g隙，使膠料受剪切力影響而升溫的速度減緩，從而達(dá)到保證工藝設(shè)定混煉時(shí)間的同時(shí)還不讓膠料過快升至工藝設(shè)定溫度，并且同時(shí)要通過熱傳導(dǎo)對(duì)膠料進(jìn)行冷卻。

另外，氟橡膠在混煉過程中需要加入一些粉料及細(xì)小的促進(jìn)劑，從而達(dá)到氟橡膠使用性能的最優(yōu)化。這就要求混煉膠必須有很好的混煉均勻性、密實(shí)性，并且保證每一車膠料的各種性能指標(biāo)相一致。為了提升煉膠質(zhì)量，讓膠料在復(fù)雜的混煉過程中反復(fù)不斷的翻轉(zhuǎn)、攪拌、剪切和拉伸，通過這些機(jī)械力作用，使得橡膠分子鏈變得更加短小，粉料顆粒更加細(xì)碎，攪拌也更均勻，從而達(dá)到混煉工藝要求，滿足后序的成型加工。鑒于以上要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)加大了轉(zhuǎn)子棱體的螺旋升角，同時(shí)也加大了轉(zhuǎn)子根徑尺寸（如圖4所示）。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)雖然使混煉室填充系數(shù)減小，但增強(qiáng)了膠料整體的混煉強(qiáng)度，加大了膠料繞轉(zhuǎn)子的環(huán)形流動(dòng)和分布混煉的軸向環(huán)流；并且使得膠料在混煉過程中團(tuán)狀體積更小，膠料與金屬表面接觸面積增大，也讓熱傳導(dǎo)帶走膠料熱量變得更容易。

圖3 轉(zhuǎn)子棱型法向截面圖

3.2.2 溫度控制系統(tǒng)及其部件結(jié)構(gòu)

一般來說，標(biāo)準(zhǔn)的混煉設(shè)備規(guī)格越大，與混煉容量相對(duì)應(yīng)的裝置的導(dǎo)熱面積的比例越小。另外，裝置內(nèi)膠料的厚度 （轉(zhuǎn)子軸和混煉室壁的間隙）隨之增大，橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)減小，混煉過程中膠料內(nèi)部的熱傳遞也減弱，即使對(duì)其進(jìn)行冷卻，也只能使與導(dǎo)熱面接觸的表面層溫度下降，團(tuán)狀膠料芯部的溫度依然較高。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，氟橡膠溫度控制在40～90℃之間對(duì)于混煉過程和煉膠質(zhì)量都比較理想。因此在使用捏煉機(jī)混煉氟橡膠時(shí)，其一設(shè)備有效容積不宜過大，過大的團(tuán)狀膠料會(huì)使其芯部溫度很難降低；其二溫度控制尤為重要，如果溫度過高會(huì)產(chǎn)生不可逆的脆性破壞導(dǎo)致膠料焦燒，溫度過低又會(huì)使膠料在金屬表面打滑形成不了混煉所需要的剪切和攪拌。

圖4 剪切區(qū)域示意圖

本機(jī)針對(duì)氟橡膠的特性，主要把與混煉膠料接觸部分的關(guān)鍵零件 (混煉室、兩邊側(cè)板、兩根轉(zhuǎn)子、上頂栓 )都設(shè)計(jì)成夾套或空腔結(jié)構(gòu)，這樣就可以給零件通入冷卻水（如圖5所示）進(jìn)行冷卻。并且在各個(gè)回路上設(shè)計(jì)通斷閥，依據(jù)混煉室壁溫和回水溫度的比較，控制低溫冷卻水和水流流速以及冷卻水在不同時(shí)段的水流量來實(shí)現(xiàn)混煉過程中對(duì)膠料溫度的控制。

（1）密煉室壁和上頂栓：把混煉室和上頂栓的空腔設(shè)計(jì)成迷宮式的熱交換流道，增加冷卻水的流動(dòng)速度，消除原有浸潤式空腔的水流死角，增強(qiáng)混煉室的熱傳遞效率(見圖6、7中：混煉室、上頂栓熱交換流道示意圖)。設(shè)置在物料、密煉室壁和冷卻水進(jìn)出口處的測(cè)溫點(diǎn)，保證了在混煉過程中整機(jī)溫度鏈的智能化控制。

圖5 捏煉機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖

（2） 轉(zhuǎn)子：2根轉(zhuǎn)子根徑尺寸同時(shí)加大，增加了轉(zhuǎn)子外表面與膠料的接觸面積（見圖4示意圖），從而提升了熱傳導(dǎo)的效率；雙隔套串聯(lián)式的強(qiáng)制流道結(jié)構(gòu)（見圖8示意圖），也加大了冷卻水的流動(dòng)速度，從而使轉(zhuǎn)子體整個(gè)傳熱效率增強(qiáng)。

圖6 密煉室水流道示意圖

圖7 弧形壓砣頂面及水流道示意圖

圖8 轉(zhuǎn)子冷卻水流道示意圖

（3）混煉室側(cè)壁(側(cè)板):特殊的流體通道(見圖9示意圖)增強(qiáng)了熱傳導(dǎo)效能, 在帶走部分膠料熱量的同時(shí)，也保證了轉(zhuǎn)子軸密封圈周邊溫度在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，提高了轉(zhuǎn)子軸密封效果和密封裝置的整體使用壽命。

圖9 密煉側(cè)壁水流道示意圖

3.2.3 氣控系統(tǒng)

本臺(tái)機(jī)器的氣控系統(tǒng)要求也比較高，需要控制的壓力點(diǎn)主要有上頂栓氣缸、前護(hù)罩吹風(fēng)噴嘴、冷卻管路流量調(diào)節(jié)閥等等。在設(shè)計(jì)時(shí)有氣源壓力調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)混煉工藝調(diào)節(jié)和監(jiān)控膠料壓力，方便后序的膠料質(zhì)量的跟蹤。對(duì)于控制精度要求更高的工藝，在上頂栓氣缸下壓管路處安裝比例調(diào)壓閥，可通過PLC設(shè)定程序自動(dòng)調(diào)節(jié)上頂栓在混煉過程中不同階段的物料壓力，從而實(shí)現(xiàn)打膠時(shí)的分步控制。

前護(hù)罩設(shè)計(jì)有吹風(fēng)噴嘴(見圖10所示)，在總進(jìn)氣口處設(shè)計(jì)有壓力調(diào)節(jié)閥，每一個(gè)接口處安裝流量調(diào)節(jié)閥，氣壓可根據(jù)要求調(diào)節(jié)吹氣風(fēng)量和壓力，方便上頂栓頂部粉料的清理和清掃；也便于更換物料顏色、適合多品種規(guī)格的生產(chǎn)。

圖10 前護(hù)罩吹風(fēng)裝置

另外本機(jī)還設(shè)計(jì)有氣控調(diào)節(jié)閥，通過氣控調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻水流量大小的方式達(dá)到更精確的控制混煉過程中膠料的工藝溫度(見圖11所示)。

圖11 氣控調(diào)節(jié)閥

3.3 電氣控制系統(tǒng)

在電氣方面，結(jié)合生產(chǎn)工藝和混煉現(xiàn)場(chǎng)的操作方便靈活性，我們?cè)O(shè)計(jì)有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”等控制方式，能按工藝設(shè)定完成投料、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、上頂栓上下移動(dòng)位置和次數(shù)、上頂栓壓力的調(diào)節(jié)、冷卻水流的控制以及翻轉(zhuǎn)卸料和復(fù)位等全過程的工序控制。由工藝工程師對(duì)不同的混煉膠料進(jìn)行工藝設(shè)定，每步溫度、功率、時(shí)間、壓力控制都可以選擇，并對(duì)清掃位和冷卻水通斷等進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。通過工控電腦系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄混煉過程中設(shè)定的每一個(gè)工藝參數(shù)及其曲線記錄圖，所有歷史數(shù)據(jù)可定期查詢追溯，也可在局域網(wǎng)內(nèi)共享進(jìn)行查看記錄。

本系統(tǒng)是參考橡膠混煉工廠的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，立足于時(shí)間、溫度、功率三個(gè)主要因素，確保品質(zhì)均衡設(shè)計(jì)出的一套工藝控制軟件，全部控制要素均可由工藝工程師設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)完全按照設(shè)計(jì)工藝程序進(jìn)行操作，確保每一車膠料的混煉工藝和膠料性能始終如一。系統(tǒng)運(yùn)行后，每個(gè)步驟完成時(shí)都會(huì)有聲光報(bào)警提示，現(xiàn)場(chǎng)操作工人按照提示進(jìn)行工序操作，有效提高了工人的生產(chǎn)效率。通過市場(chǎng)驗(yàn)證，我公司也可按照不同的工藝要求為橡膠生產(chǎn)廠提供最優(yōu)化的解決方案。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段我國橡膠制品行業(yè)已在飛速發(fā)展，尤其在航空和汽車密封零部件制造方面已經(jīng)大量的使用氟橡膠材料。近幾年隨著石墨烯的推廣和應(yīng)用，氟硅膠與納米級(jí)粉料的共混及應(yīng)用也逐步提上科研日程，這無論是對(duì)橡膠廠還是橡膠機(jī)械廠都是一個(gè)新課題，現(xiàn)在已有一些企業(yè)和院校已經(jīng)聯(lián)合研制和開發(fā)更高層次的氟橡膠材料。相信隨著橡膠材料性能的提升，對(duì)混煉工藝和混煉設(shè)備的要求會(huì)更高。因此，對(duì)于我們橡膠機(jī)械廠還需要努力學(xué)習(xí)和了解新工藝，進(jìn)一步改良和完善現(xiàn)有的混煉設(shè)備，以適應(yīng)新型膠料的混煉工藝要求。