物料混合工艺与设备详解

在工业上，塑料成型前物料的混合主要包括原料的准备、混合、混合物造粒三个工艺过程。

（一）物料混合工艺

1.原料的准备原料的准备通常包括原料的预处理、称量及输送。首先要将树脂过筛以除去机械杂质、吸磁以除去金属杂质和干燥处理以除去水分；增塑剂使用前应通过一定细度的滤网进行过滤或对增塑剂预热，以降低其黏度并加快其向树脂中扩散的速度，同时强化传热过程。为保证配比准确，各组分原料须经准确称量。

2.物料的混合工业上，混合一般由初混合和初混物的塑炼两部分组成。物料的初混合是一种在树脂熔点以下和较为缓和的剪切力作用下进行的简单混合。其过程仅在于增加各组分微粒空间的无规则排列程度，微粒的尺寸尚未减小。混合依靠设备的搅拌、振动、翻滚、研磨等作用完成。

初混合通常是按下列次序逐步加入的：树脂，增塑剂，由稳定剂、染料等调制的混合物和其他固体物料（填料）等。

图10-2　聚氯乙烯聚合度与塑炼时间的关系（150℃）

1-起始聚合度=2235　2-起始聚合度=1785　3-起始聚合度=1540

初混合的塑炼指经初混合得到的干混料，虽然原料组分有了一定的均匀性，但仍存在聚合物本身因合成时局部聚合条件差异造成的不均匀性，还可能含有的杂质、单体、催化剂、水分等难以去除。塑炼的目的在于借助加热和剪切力的作用使聚合物（混合物）熔化、剪切、混合而驱逐出其中的挥发物并进一步分散其中的不均匀组分，这样使制品性能更均匀一致。但混合塑炼的条件比较严格，如果控制不当，必然会造成混合料各组分物理及化学上的损伤，例如塑炼时间过久，会引起聚合物降解而降低其质量（图10-2是聚氯乙烯的聚合度与塑炼时间的关系）。因此，不同种类的塑料应各有其相宜的塑炼条件，并需通过实践来确定。主要的工艺控制条件是塑炼温度、时间和剪切力。

3.塑炼物的粉碎和粒化塑炼好的物料经粉碎和切粒即可得到粉料和粒料。粉料一般是将片状塑炼物用切碎机先进行切碎，然后再用粉碎机粉碎。粒料是将冷却成条状的塑炼物用切粒机切碎得到。粉碎和切粒同时都是使塑炼物的固体尺寸减小，所不同的是前者所成的颗粒大小不等，并且较细小，而后者比较整齐并且有固定的形状，其目的均是为了便于输送和成型。

（二）物料混合设备

工业上用于固体物料混合的设备主要有高速混合机、转鼓式混合机、双锥混合机、螺带混合机、Z型混合机、开炼机等。

1.高速混合机兼用于润性与非润性物料，而且更适宜于配制粉料。该机主要是由一个圆筒形的混合室和一个设在混合室的搅拌装置组成（图10-3）。

混合时，物料受到高速搅拌，在离心力的作用下，由混合室底部沿侧壁上升，至一定高度时落下，然后再上升和落下，从而使物料颗粒之间产生较高的剪切作用和热量。因此，除具有混合均匀的效果外，还可使塑料温度上升而部分塑化。挡板的作用是使物料运动呈流化状，更有利于分散均匀。高速混合机在需要时可利用外加热套进行加热，视具体情况而定。

图10-3　高速混合机

1-回转盖　2-容器　3-挡板　4-快转叶轮　5-出料口　6-机座　7-电动机　8-进料口

2.转鼓式混合机图10-4是最简单的转鼓式混合设备。转鼓式混合机的混合室两端与驱动轴相连接，当驱动轴转动时，混合室内的物料即在垂直平面内回转。初始时位于混合室底部的物料由于物料间的黏结作用以及物料与侧壁间的摩擦力而随鼓升起，又由于离心力的作用，物料趋于靠近壁面，使物料间以及物料与室壁间的作用力增大。当物料上升到一定高度时，在重力作用下落到底部，接着又升起，如此循环往复，使物料在竖直方向反复重叠、换位，从而达到分散混合的目的（图10-5）。(www.xing528.com)

图10-4　转鼓式混合机

图10-5　转鼓式混合机物料的混合原理

3.卧式单螺带混合机如图10-6所示为卧式单螺带混合机。它由螺带、混合室、驱动装置和机架组成。混合室是一个两端封闭的半圆筒，上部有可以开启或关闭的压盖或加料口，下部有卸料口。混合室可设计为夹套式，用于通入加热介质或冷却物料。

卧式单螺带混合机是最简单的螺带混合机。当螺带旋转时，螺带的推力棱面推动与其接触的物料沿螺旋方向移动。由于物料之间的相互摩擦作用，使得物料上、下翻转，同时部分物料也沿着螺旋方向滑移，这样就形成了螺带推力棱面一侧部分物料发生螺旋状的轴向移动，而螺带上部与四周的物料又补充到螺带推力面的背侧（拖曳侧），于是发生了螺带中心处物料与四周物料位置的更换。随着螺带的旋转，推力棱面一侧的物料渐渐堆积，物料的轴向移动现象减弱，仅发生上、下翻转运动，所以卧式单螺带混合机主要是靠物料的上、下运动达到径向分布混合的。在轴线方向，物料的分布作用很弱，因而混合效果并不理想。

图10-6　卧式单螺带混合机

1-螺带　2-混合室　3-驱动装置　4-机架　5-上盖　6-卸料口

4.Z形捏合机Z形捏合机又称双臂捏合机或Sigma桨叶捏合机，是广泛用于塑料和橡胶等高分子材料的混合设备。典型的Z形捏合机结构如图10-7所示。

图10-7　Z形捏合机

1-捏合室壁　2-转子

Z形捏合机主要有转子、混合室及驱动装置组成。混合室是一个W形或鞍形底部的钢槽，上部有盖和加料口，下部一般设有排料口。钢槽呈夹套式，可通入加热或冷却介质。

对于转子为相切式安装的捏合机，当转子旋转时，物料在两转子相切处受到强烈剪切，同向旋转的转子或速比较大的转子间剪切力可能达到很大的数值。此外，转子外缘与混合室壁的间隙内，物料也会受到强烈剪切。所以转子作相切式安装的Z形捏合机，主要有两个分散混合区域——转子之间的相切区域和转子外缘与混合室壁间的区域。

螺杆混合设备将在第三节中进行介绍，开炼机在第十一章第二节中讨论。

（三）树脂溶液的配制

作为塑料成型的物料除固体物料外，也有液体状物料，它们主要是树脂溶液。

配制溶液所用的设备一般是带有强力搅拌和加热夹套的溶解釜。通常先将溶剂在溶解釜内加热至一定温度，而后在强力高速搅拌下缓慢地投入粉状或片状的聚合物，投料速度应以不出现结块现象为度。