第二節 機械式混合頭

機械式混合方式可分為兩種：內混合方式和外混合方式。外混合多見于噴涂設備，而目前聚氨酯低壓機普遍采用內混合方式進行混合作業，組分物料經過計量后連續進入低壓機混合頭的混合室，利用機械快速攪拌作用使物料連續地充分混合，然后連續吐出。為適應聚氨酯不同原料體系間的互溶性和反應性、黏度、流量，以及不同制品對不同生產方式的需要，機械攪拌方式混合頭的設計和攪拌器的形狀各種各樣。在低壓機的混合頭設計中，混合室通常都比較小，相對而言，澆注無泡聚氨酯彈性體低壓機的混合頭空間要更小一些，以避免裹入氣泡。在混合頭軸線的上方配置高速電機驅動機械攪拌器運動，根據需要可進行攪拌速度的調節。物料組分以及色料、配合劑等組分的進出口均配置在混合室上方的四周位置。低壓機混合頭的形式多種多樣，在此僅列出幾種典型的混合頭，見圖3-1（a）～（i）。其中（g）和（i）為多組分混合頭；為避免混合頭過熱，（h）顯示的混合頭可以通入冷水進行冷卻；（i）為帶有靜態混合器的混合頭。

根據產品特點、生產工藝等條件要求，攪拌器的形式也是多種多樣的。攪拌器的形狀基本可分為低剪切型和高剪切型。幾種典型的低壓機攪拌器的結構形式見圖3-2，典型的改進的攪拌器形式見圖3-3。

低剪切式攪拌器的混合室相對較大，攪拌速度一般在2000～20000r/min。攪拌齒的形狀較簡單，多為銷釘狀、銷釘槳狀、螺旋狀以及它們的變形體，由于它們不容易清洗，故以往多用于聚氨酯大塊泡沫體的連續化生產的低壓機中。高剪切式攪拌器是近幾十年發展起來的新設計類型，攪拌器在混合室中的體積較大，但配合間隙較小，裝配公差精密，在圓柱形、圓錐形等基本形狀上設計有螺旋錐體形攪拌齒，且攪拌速度很快，有的甚至可以達到20000r/min，物料在這種形狀的攪拌器的混合室中會在高剪切力的作用下獲得很好的混合效果，同時，物料還會產生較大的、向下移動的推力。因此這種攪拌器混合室中殘留物料相對較少。具有一定的自清潔功能，較少使用或不使用溶劑和空氣進行混合頭清潔程序。這種攪拌器的典型代表有日本東邦機械株式會社的EA系列聚氨酯彈性體澆注機［圖3-1(b)］，德國德司馬（DESMA）公司的PSA系列［圖3-1(d)，(f)］和DS系列混合頭和攪拌器［圖3-1(e)］，以及美國馬丁·斯偉茨（Martin Sweets）公司的低壓機混合頭［圖3-1(c)］。我國溫州市海峰制鞋設備有限公司在吸收、消化國外先進混合頭的基礎上，也開發出性能優異的長螺旋體型攪拌器混合頭，攪拌器呈逐漸縮小的長螺旋形，長徑比約為(6～7)︰1，形狀類似DESMA公司PSA型攪拌器，混合效果優異，并已用于生產聚氨酯鞋品機械上［圖3-3(b)］。

從圖中可看出，改進后的PSA型混合頭還可以將固體填料等第三組分直接添加至混合室中，在澆注完成后，錐形攪拌螺桿在高速旋轉將物料拋向混合室的同時向下推進，可以將殘余物料推出混合室，從而達到自清洗的目的。

在使用這類攪拌器的混合室中，裝配公差必須十分精密。物料在受到高剪切力攪拌作用的同時會產生較大向下推動的作用力，使混合室內殘留物料量減少，在操作間隙，混合頭停止工作時，使用少量溶劑和壓縮空氣就能將殘存物料清洗干凈。

為了獲得良好的物料混合效果，機械式攪拌器的攪拌速度都很高，一般都在3000～6000r/min，甚至更高。攪拌動力由高速電動機提供。根據物料黏度和工藝要求，其轉速可以采用皮帶-塔輪、變頻調節、液壓變速等方式進行調節。但攪拌軸轉動速度過快，其軸的密封和由高速轉動產生的高溫都將會帶來諸多技術上的難題。由于高的轉速及產生的高溫，會使密封裝置損傷、失效，造成物料經軸承套向上泄漏，產生“抱軸”現象。目前，解決此類問題的辦法是：改進密封材料和密封結構，密封圈可使用摻有石墨或二硫化鉬的橡膠或聚四氟乙烯等改性的耐高溫的彈性材料；在攪拌軸上鍍覆帶有自潤滑性能的改性陶瓷涂層等。

在解決攪拌軸密封方面，還有人采用變頻調速器控制攪拌軸在較低的速度下運行，以降低因高速旋轉產生的溫度，并在混合頭的澆注口前部安裝了一個扁管，深入到模腔中，使澆注物料在模腔中進行二次混合；還在聚多元醇或多元胺等組分和異氰酸酯組分進口位置上作了一些改動，將聚醇組分的進口位置稍作了些提高，并在兩個組分之間，在攪拌軸上裝配一個帶孔的隔離板，以減少異氰酸酯對密封件的破壞，同時利用聚醇對軸進行潤滑（圖3-4）。

新加坡潤英聚合工業有限公司低壓混合頭技術參數見表3-1。

我國在低壓機械攪拌式混合頭的開發研制方面做了許多工作。例如，溫州海峰制鞋設備有限公司根據不同的聚氨酯原料和工藝要求，設計、制造了高、中、低3種攪拌轉速，中速攪拌即可達到8600r/min以上，高速攪拌可達12000r/min。為解決高溫帶來的密封、磨損等技術難題，他們在原密封結構上又增加了陶瓷密封等結構，同時設計了創新的水冷式混合頭（見圖3-5）。海峰鞋機同時對兩種原料進入混合腔的位置也做了較大的改進。在低壓澆注機的通常設計中，兩個組分進入混合腔是在混合室的上部相距180°，而海峰鞋機設計的兩個原料注入口在混合室的側部，兩者相距小于45°。這樣，原料進入混合室后會在更短的時間內接觸，在特殊設計的攪拌器上部斜齒的高速攪拌作用下能迅速混合并將物料推向下部，減緩高溫帶來的諸多技術問題，提高了設備工作效率。