密煉機(jī)拉伸型轉(zhuǎn)子流場模擬及試驗(yàn)研究

林廣義，李天涯，井 源，王 祥，趙輝績，于凱本

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.國家深海基地管理中心，山東 青島 266237）

人們對橡膠制品的需求隨著社會的發(fā)展越來越廣[1]，促進(jìn)了密煉機(jī)以及相應(yīng)設(shè)備的更新和發(fā)展。密煉機(jī)在膠料混煉過程中承擔(dān)著重要作用，轉(zhuǎn)子是密煉機(jī)核心部件之一，其設(shè)計(jì)好壞直接影響膠料的混煉程度和硫化膠的物理性能[2-6]。此外，在混煉膠制備過程中密煉機(jī)能耗約占橡膠制品整個生產(chǎn)過程的40%。從1878年德國人Pfleiderer和Freyburger設(shè)計(jì)第1臺密煉機(jī)至今，經(jīng)過近140年的發(fā)展，嚙合型和剪切型轉(zhuǎn)子成為當(dāng)前密煉機(jī)應(yīng)用的主流[7-8]，剪切型轉(zhuǎn)子能夠?qū)⒛z料混合得更均勻，應(yīng)用最廣的為四棱轉(zhuǎn)子。隨著橡膠需求量的不斷提高和對混煉膠質(zhì)量的高要求，普通四棱轉(zhuǎn)子逐漸表現(xiàn)出效率不高的缺點(diǎn)，為解決這一問題，出現(xiàn)了六棱轉(zhuǎn)子。六棱轉(zhuǎn)子能夠提高膠料混煉效率，但增加轉(zhuǎn)子棱數(shù)會使膠料混煉過程中溫度升高過快導(dǎo)致焦燒，而且棱數(shù)增加后轉(zhuǎn)子制造難度加大，成本提高[9]。研究[10-12]表明，為提高橡膠混煉效果而繼續(xù)增大轉(zhuǎn)子棱數(shù)效果不佳。

本工作在原有四棱轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上進(jìn)行拉伸型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，通過拉伸型轉(zhuǎn)子與四棱轉(zhuǎn)子流場模擬分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證[13-16]，考察拉伸型轉(zhuǎn)子在密煉機(jī)中的應(yīng)用效果。

1 拉伸型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)及流場數(shù)值模擬

1.1 物理模型

在普通四棱轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上對拉伸型轉(zhuǎn)子進(jìn)行設(shè)計(jì)，所選四棱剪切型轉(zhuǎn)子基本參數(shù)為：中心距65 mm，回轉(zhuǎn)直徑 62 mm，長棱軸向長度 65 mm，短棱軸向長度 28 mm，長棱螺旋角度 30°，短棱螺旋角度 45°，梯形槽深度 3 mm。為保證剪切效果，在設(shè)計(jì)過程中拉伸型轉(zhuǎn)子的3個梯形槽均勻分布在長棱上，其三維模型如圖1所示。該設(shè)計(jì)有利于膠料在流經(jīng)長棱上的梯形槽時受到強(qiáng)烈的拉伸作用，實(shí)現(xiàn)物料分布混合，保證混煉效果。

圖1 拉伸型轉(zhuǎn)子的物理模型

1.2 流場數(shù)值模擬

1.2.1 有限元網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Gambit中的網(wǎng)格重疊技術(shù)對拉伸型轉(zhuǎn)子進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。圖2（a）中膠料部分和轉(zhuǎn)子部分運(yùn)用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為5 mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共63 757個，網(wǎng)格單元共87 619個。圖2（b）示出了膠料網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果，可以看出六面體網(wǎng)格大約占總網(wǎng)格的95%，由此可以確定此網(wǎng)格密度質(zhì)量非常高，網(wǎng)格不會失真，能夠保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 拉伸型轉(zhuǎn)子和膠料的有限元模型

1.2.2 邊界條件

膠料在密煉機(jī)中混煉是一個非常復(fù)雜的過程，在不同時間內(nèi)膠料呈現(xiàn)的流動狀態(tài)有很大區(qū)別。為了得到正確的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停治銮靶枰獙δz料做簡化處理。在綜合考慮滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、流場、膠料、加工條件等因素的前提下，假設(shè)膠料為不可壓縮的非牛頓流體，流動方式為層流，流體本構(gòu)粘度方程符合Bird-Carreau模型，膠料在密煉機(jī)內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子之間無滑移，膠料流動過程中恒溫，混煉膠填滿密煉室。

（1）壁面邊界條件：根據(jù)基本假設(shè)，轉(zhuǎn)子表面速度與轉(zhuǎn)子表面膠料速度相等。

（2）對膠料在密煉機(jī)混煉過程中的流場低壓區(qū)做零壓處理，原因?yàn)椋夯鞜捘z制備過程中密煉機(jī)處于全封閉且膠料充滿狀態(tài)，這種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子運(yùn)動會產(chǎn)生較大的壓力峰值，影響分析結(jié)果。

1.2.3 流場參數(shù)設(shè)定

對流場模擬采用Bird-Carreau模型，該模型能夠比較準(zhǔn)確地表達(dá)出流體在高或低應(yīng)變速率下的牛頓穩(wěn)流以及剪切變稀性質(zhì)。

流場模擬分析中膠料參數(shù)為：密度1.066 Mg·m-3，非牛頓指數(shù)0.75，零剪切粘度100 000 Pa·s，無窮剪切粘度 0，粘彈性特征時間 0.4 s。

1.3 計(jì)算結(jié)果與討論

對拉伸型轉(zhuǎn)子與普通四棱轉(zhuǎn)子的流場模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，兩種轉(zhuǎn)子所設(shè)置的邊界參數(shù)、膠料參數(shù)和運(yùn)動部件參數(shù)一致。分別模擬兩種轉(zhuǎn)子的壓力場、速度場和粘度場，通過對比模擬結(jié)果找出拉伸型轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)。

1.3.1 壓力場

拉伸型轉(zhuǎn)子與普通四棱轉(zhuǎn)子的壓力場分布如圖3（a）和（b）所示。由圖3可以得出以下結(jié)果。

圖3 拉伸型轉(zhuǎn)子和普通四棱轉(zhuǎn)子的壓力云圖

（1）當(dāng)膠料流經(jīng)相對較窄的區(qū)域時，具有較大的壓力梯度，如轉(zhuǎn)子長棱和短棱頂端與密煉室內(nèi)壁之間的區(qū)域或者轉(zhuǎn)子長棱和短棱頂端相對的位置。這些區(qū)域膠料粘度一般較大，當(dāng)從較窄位置流過時受到劇烈的擠壓作用而產(chǎn)生較大的體積變化，在流動方向上形成較大的壓力梯度。對比圖3（a）和（b）可知，用拉伸型轉(zhuǎn)子混煉的膠料最高壓力較小，這是由于拉伸型轉(zhuǎn)子長棱上梯形槽的設(shè)置使膠料自由流動區(qū)域體積變大，從而導(dǎo)致膠料在拉伸型轉(zhuǎn)子中混煉時的最高壓力減小。當(dāng)膠料在流經(jīng)梯形槽時，由于梯形槽空間體積的變化，導(dǎo)致膠料運(yùn)動形態(tài)隨之變化，此處膠料內(nèi)部的速度梯度與運(yùn)動方向一致，從而使得膠料受到拉伸作用。

（2）膠料混煉過程中存在與高壓區(qū)域相對的低壓區(qū)域。圖3中藍(lán)色或者淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)域，出現(xiàn)在密煉室內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子之間或者轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間相對較寬的區(qū)域，這些區(qū)域具有更大的空間體積，在高壓區(qū)域受到強(qiáng)烈擠壓作用的膠料快速通過狹小間隙，進(jìn)入具有較大空間體積的負(fù)壓區(qū)域。在此過程中，受外力作用拉伸取向的分子鏈由于擺脫了外力的束縛不斷蜷縮，產(chǎn)生回彈，體積逐漸恢復(fù)，從而形成負(fù)壓區(qū)。粘性的存在也加快了膠料的流動速度并改變膠料的流動曲線，因而低壓區(qū)域的存在一定程度上增強(qiáng)了混合效果。從圖3可以看出，拉伸型轉(zhuǎn)子的負(fù)壓區(qū)域更多，但是負(fù)壓值相對較小，這是由于梯形槽的設(shè)置整體上增大了密煉室內(nèi)部空間體積，相應(yīng)的高剪切區(qū)域難以建立起局部高壓，使得膠料在流動過程中的壓力變化不再明顯，而螺棱上梯形槽的設(shè)置增大了體積變化區(qū)域，形成了更多負(fù)壓值較小的負(fù)壓區(qū)域。

1.3.2 速度場

拉伸型轉(zhuǎn)子和普通四棱轉(zhuǎn)子的速度場分布分別如圖4和5所示。

圖4 拉伸型轉(zhuǎn)子速度場分布

從圖4和5可以看出：膠料的最大速度出現(xiàn)在兩個轉(zhuǎn)子之間、長短棱頂端、密煉室內(nèi)壁，其原因在于膠料在間隙較小處受轉(zhuǎn)子表面對膠料的摩擦拖拽和體積變化造成的局部壓力雙重作用而向前流動。通過拉伸型轉(zhuǎn)子與普通四棱轉(zhuǎn)子對比可以看出，膠料處于中間截面位置時，拉伸型轉(zhuǎn)子中長棱的速度較高，而且膠料在拉伸型轉(zhuǎn)子中沿軸線速度差值較大，且呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的循環(huán)模式，其原因是膠料在流經(jīng)拉伸型轉(zhuǎn)子梯形槽時，流道瞬間由大變小，速度驟然增大，在流經(jīng)兩轉(zhuǎn)子中間時，膠料的流動速度下降。膠料這種流動速度先減小后增大然后又減小的循環(huán)模式說明拉伸型轉(zhuǎn)子梯形槽的設(shè)置具有改變混煉過程中膠料流動曲線的效果，使得膠料在混煉過程中的流動更加復(fù)雜且產(chǎn)生更多的有規(guī)律擾動，具有良好的混煉效果。

圖5 普通四棱轉(zhuǎn)子速度場分布

拉伸型轉(zhuǎn)子和普通四棱轉(zhuǎn)子的速度矢量圖如圖6所示。

由圖6可以看出，轉(zhuǎn)子兩側(cè)的軸向速度場比較大，膠料最大速度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子棱峰位置。在梯形槽中，速度梯度方向與膠料運(yùn)動方向一致，說明膠料受到了拉伸作用。轉(zhuǎn)子兩端速度比中間位置速度大有利于膠料的折卷。拉伸型轉(zhuǎn)子中棱峰的最大速度比普通四棱轉(zhuǎn)子大，梯形槽的設(shè)置使粒子的移動速度加快，更快地完成了分散和混合作用。同時，拉伸型轉(zhuǎn)子中膠料的速度差異大于普通四棱轉(zhuǎn)子，速度梯度的存在強(qiáng)化了膠料間的粘性耗散作用，保證了膠料良好的混煉效果。

圖6 拉伸型轉(zhuǎn)子與普通四棱轉(zhuǎn)子的速度矢量圖

1.3.3 粘度場

拉伸型轉(zhuǎn)子和普通四棱轉(zhuǎn)子的粘度場分布如圖7和8所示。

圖7 拉伸型轉(zhuǎn)子粘度場分布

圖8 普通四棱轉(zhuǎn)子粘度場分布

從圖7（a）和8（a）可以看出，膠料在靠近螺棱以及螺棱與密煉室內(nèi)壁交接的區(qū)域粘度最小，這是由于這些部位是混煉過程的高剪切區(qū)域，膠料在高剪切作用下分子鏈不斷被打斷，粘度顯著下降，即膠料的剪切變稀現(xiàn)象。

從圖7和8的（b）和（c）可以看出，粘度最大值相差不大，但在兩轉(zhuǎn)子捏合區(qū)域膠料的粘度值有一定差距，且拉伸型轉(zhuǎn)子中間捏合區(qū)域的膠料粘度較低。通過對比還可以看出梯形槽的設(shè)置使得轉(zhuǎn)子的低粘度范圍擴(kuò)大，從理論上分析這是由于拉伸對膠料提供的作用力約為剪切對膠料提供作用力的3倍。梯形槽的設(shè)計(jì)增大了膠料在混煉過程中的拉伸作用，因而在拉伸型轉(zhuǎn)子的模擬中膠料的低粘度區(qū)域更為廣泛。

2 轉(zhuǎn)子構(gòu)型對膠料性能的影響

針對拉伸型轉(zhuǎn)子和普通四棱轉(zhuǎn)子的模擬分析結(jié)果，通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本工作研究兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對天然橡膠（NR）/順丁橡膠（BR）并用膠性能的影響。

2.1 試驗(yàn)配方及方案

試驗(yàn)配方：NR 50，BR 50，炭黑N550 50，氧化鋅 4，硬脂酸 2，橡膠油 5，石墨烯 0或1，防老劑 2.5，微晶蠟 1，硫黃 2，促進(jìn)劑1.3。

試驗(yàn)分為4組，分別為：采用拉伸型轉(zhuǎn)子，配方中未加入石墨烯（簡稱拉伸未加）；采用拉伸型轉(zhuǎn)子，配方中加入石墨烯（簡稱拉伸加入）；采用普通四棱轉(zhuǎn)子，配方中未加入石墨烯（簡稱普通未加）；采用普通四棱轉(zhuǎn)子，配方中加入石墨烯（簡稱普通加入）。

2.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

雙輥開煉機(jī)、橡塑試驗(yàn)密煉機(jī)、平板硫化機(jī)、拉力試驗(yàn)機(jī)、阿爾法炭黑分散度儀、邵氏硬度計(jì)等。

試驗(yàn)用不同轉(zhuǎn)子構(gòu)型如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子構(gòu)型

2.3 試樣制備

采用不同轉(zhuǎn)子構(gòu)型的密煉機(jī)分別制備混煉膠，密煉機(jī)初始溫度為45 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1。混煉工藝為：（1）將BR和NR添加到密煉機(jī)中密煉30 s；（2）添加小料和一半石墨烯密煉30 s；（3）分別加入炭黑和剩余石墨烯，各密煉30 s；（4）加入橡膠油，觀察密煉機(jī)的溫度顯示器，達(dá)到排膠溫度后排膠；（5）在開煉機(jī)中加入硫黃和促進(jìn)劑，薄通8～10次，壓片，冷卻，待用。

在平板硫化機(jī)上硫化膠料，硫化條件為150℃/10 MPa×1.3t90，冷卻待用。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 動態(tài)流變性能

轉(zhuǎn)子構(gòu)型對NR/BR混煉膠動態(tài)流變性能的影響如圖10所示，G′為儲能模量。

從圖10可以看出，隨著應(yīng)變的增大，混煉膠的G′出現(xiàn)下降趨勢，表現(xiàn)出Payne效應(yīng)。其中采用普通轉(zhuǎn)子混煉加入石墨烯的混煉膠G′對應(yīng)變的依賴度最高，Payne效應(yīng)最明顯。采用拉伸型轉(zhuǎn)子混煉未加石墨烯的混煉膠G′對應(yīng)變的依賴度最低，Payne效應(yīng)最弱。這是由于石墨烯粒徑小、質(zhì)量輕，用機(jī)械混合法容易在膠料中發(fā)生團(tuán)聚形成填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得膠料中的填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增多，因此不管采用哪種構(gòu)型的轉(zhuǎn)子，石墨烯的加入均會導(dǎo)致膠料的Payne效應(yīng)越加明顯。在采用拉伸型轉(zhuǎn)子混煉膠料時，梯形槽的設(shè)置會使膠料受到剪切和拉伸流場的交替變化區(qū)域增多，有助于填料在膠料中的混合和分散，使得填料與橡膠分子結(jié)合得更多，降低了膠料內(nèi)填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低了Payne效應(yīng)，提高了分散性。

圖10 轉(zhuǎn)子構(gòu)型對膠料動態(tài)流變性能的影響

2.4.2 最大消耗功率

拉伸型轉(zhuǎn)子與普通四棱轉(zhuǎn)子對NR/BR混煉過程中功率消耗的影響如圖11所示。圖11縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樵诨鞜掃^程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，所以轉(zhuǎn)矩的變化趨勢同功率的變化趨勢一致。橫坐標(biāo)選取了混煉過程中功率消耗最高的一段時間。

圖11 轉(zhuǎn)子構(gòu)型與石墨烯對功率消耗的影響

從圖11可以看出，功率消耗最大的是采用普通轉(zhuǎn)子混煉加入石墨烯的膠料，功率消耗最小的是采用拉伸轉(zhuǎn)子混煉未加石墨烯的膠料，采用拉伸型轉(zhuǎn)子混煉加入石墨烯的膠料所消耗的功率與采用普通轉(zhuǎn)子混煉未加石墨烯的膠料相近。混煉加入石墨烯膠料時，由于石墨烯是納米級填料，易與其他填料團(tuán)聚而不利于膠料混合，極易導(dǎo)致混煉膠分散不均勻，從而延長混煉時間，增加能量消耗。與普通轉(zhuǎn)子混煉相比，拉伸型轉(zhuǎn)子混煉除在轉(zhuǎn)子長棱棱頂處與密煉室內(nèi)壁間隙產(chǎn)生剪切捏煉作用外，轉(zhuǎn)子長棱處設(shè)置的梯形槽還對膠料產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸作用，長棱棱頂處剪切和拉伸共同作用使膠料與填料更易分散均勻，從而縮短了混煉時間，減小了能耗。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出，本設(shè)計(jì)拉伸型轉(zhuǎn)子的功率消耗可以減小7%以上。

2.4.3 物理性能

轉(zhuǎn)子構(gòu)型對NR/BR硫化膠物理性能的影響如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子構(gòu)型對硫化膠物理性能的影響

從表1可以看出：加入石墨烯的膠料物理性能優(yōu)于未加石墨烯的膠料；在未加石墨烯的膠料中，拉伸型轉(zhuǎn)子制備的膠料物理性能稍優(yōu)于普通四棱轉(zhuǎn)子制備的膠料；在加入石墨烯的膠料中，拉伸型轉(zhuǎn)子制備的膠料物理性能明顯優(yōu)于普通四棱轉(zhuǎn)子制備的膠料。這是因?yàn)槟z料采用普通四棱轉(zhuǎn)子混煉，大塊的膠粒與配合劑在經(jīng)過螺棱棱峰與密煉室內(nèi)壁時受到強(qiáng)剪切作用，被剪裂粉碎，完成膠料與配合劑之間的分散混合，但由于強(qiáng)剪切作用導(dǎo)致膠溫過高，膠料焦燒，相對分子質(zhì)量降低。而采用拉伸型轉(zhuǎn)子混煉，膠料在流經(jīng)梯形槽時，經(jīng)過穩(wěn)定的拉伸作用，填料與膠料充分混合，彌補(bǔ)了剪切作用的損失對混煉效果的影響，實(shí)現(xiàn)分布混合，保證配合劑組成的分散相均勻地分布在橡膠基體組成的連續(xù)相中，從而完成最終的混煉過程。

加入石墨烯的膠料采用拉伸型轉(zhuǎn)子混煉時物理性能的提高比采用普通四棱轉(zhuǎn)子時更明顯，說明拉伸型轉(zhuǎn)子更能促進(jìn)納米級填料在橡膠混煉過程中的分散和混合。而膠料硬度由于配方一致并未出現(xiàn)明顯變化。

2.4.4 炭黑分散性

普通未加、拉伸未加、普通加入和拉伸加入方式膠料的炭黑分散度分別為7.0，7.7，5.5和6.4。轉(zhuǎn)子構(gòu)型對硫化膠中炭黑分散性的影響如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)子構(gòu)型對炭黑分散性的影響

從圖12可以看出，未加入石墨烯的硫化膠中炭黑分散度高于加入石墨烯的硫化膠，這是因?yàn)槭┦羌{米級填料，易與其他填料團(tuán)聚，造成分散不均。

從圖12還可以看出，無論是否加入石墨烯，采用拉伸型轉(zhuǎn)子混煉膠的炭黑分散性均優(yōu)于采用普通四棱轉(zhuǎn)子混煉的膠料，即單純的剪切流動分散效果并不明顯。這是由于采用普通四棱轉(zhuǎn)子混煉的膠料只在受到剪切變形的同時發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而拉伸型轉(zhuǎn)子梯形槽的設(shè)計(jì)使得膠料更容易進(jìn)入轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁之間，在原有剪切流動的基礎(chǔ)上又受到拉伸流動。

3 結(jié)論

（1）通過對拉伸型轉(zhuǎn)子與普通四棱轉(zhuǎn)子進(jìn)行流場模擬發(fā)現(xiàn)：拉伸型轉(zhuǎn)子在壓力場、速度場、粘度場中的表現(xiàn)均優(yōu)于普通四棱轉(zhuǎn)子。

（2）拉伸型轉(zhuǎn)子在混煉膠制備中消耗的功率小于普通四棱轉(zhuǎn)子。

（3）采用拉伸型轉(zhuǎn)子制備的硫化膠物理性能優(yōu)于采用普通四棱轉(zhuǎn)子制備的硫化膠。

（4）采用拉伸型轉(zhuǎn)子制備的硫化膠由于受到拉伸剪切區(qū)域的交替變化，炭黑分散性高于采用普通四棱轉(zhuǎn)子制備的硫化膠。