第二节 机械式混合头

机械式混合方式可分为两种：内混合方式和外混合方式。外混合多见于喷涂设备，而目前聚氨酯低压机普遍采用内混合方式进行混合作业，组分物料经过计量后连续进入低压机混合头的混合室，利用机械快速搅拌作用使物料连续地充分混合，然后连续吐出。为适应聚氨酯不同原料体系间的互溶性和反应性、黏度、流量，以及不同制品对不同生产方式的需要，机械搅拌方式混合头的设计和搅拌器的形状各种各样。在低压机的混合头设计中，混合室通常都比较小，相对而言，浇注无泡聚氨酯弹性体低压机的混合头空间要更小一些，以避免裹入气泡。在混合头轴线的上方配置高速电机驱动机械搅拌器运动，根据需要可进行搅拌速度的调节。物料组分以及色料、配合剂等组分的进出口均配置在混合室上方的四周位置。低压机混合头的形式多种多样，在此仅列出几种典型的混合头，见图3-1（a）～（i）。其中（g）和（i）为多组分混合头；为避免混合头过热，（h）显示的混合头可以通入冷水进行冷却；（i）为带有静态混合器的混合头。

根据产品特点、生产工艺等条件要求，搅拌器的形式也是多种多样的。搅拌器的形状基本可分为低剪切型和高剪切型。几种典型的低压机搅拌器的结构形式见图3-2，典型的改进的搅拌器形式见图3-3。

低剪切式搅拌器的混合室相对较大，搅拌速度一般在2000～20000r/min。搅拌齿的形状较简单，多为销钉状、销钉桨状、螺旋状以及它们的变形体，由于它们不容易清洗，故以往多用于聚氨酯大块泡沫体的连续化生产的低压机中。高剪切式搅拌器是近几十年发展起来的新设计类型，搅拌器在混合室中的体积较大，但配合间隙较小，装配公差精密，在圆柱形、圆锥形等基本形状上设计有螺旋锥体形搅拌齿，且搅拌速度很快，有的甚至可以达到20000r/min，物料在这种形状的搅拌器的混合室中会在高剪切力的作用下获得很好的混合效果，同时，物料还会产生较大的、向下移动的推力。因此这种搅拌器混合室中残留物料相对较少。具有一定的自清洁功能，较少使用或不使用溶剂和空气进行混合头清洁程序。这种搅拌器的典型代表有日本东邦机械株式会社的EA系列聚氨酯弹性体浇注机［图3-1(b)］，德国德司马（DESMA）公司的PSA系列［图3-1(d)，(f)］和DS系列混合头和搅拌器［图3-1(e)］，以及美国马丁·斯伟茨（Martin Sweets）公司的低压机混合头［图3-1(c)］。我国温州市海峰制鞋设备有限公司在吸收、消化国外先进混合头的基础上，也开发出性能优异的长螺旋体型搅拌器混合头，搅拌器呈逐渐缩小的长螺旋形，长径比约为(6～7)︰1，形状类似DESMA公司PSA型搅拌器，混合效果优异，并已用于生产聚氨酯鞋品机械上［图3-3(b)］。

从图中可看出，改进后的PSA型混合头还可以将固体填料等第三组分直接添加至混合室中，在浇注完成后，锥形搅拌螺杆在高速旋转将物料抛向混合室的同时向下推进，可以将残余物料推出混合室，从而达到自清洗的目的。

在使用这类搅拌器的混合室中，装配公差必须十分精密。物料在受到高剪切力搅拌作用的同时会产生较大向下推动的作用力，使混合室内残留物料量减少，在操作间隙，混合头停止工作时，使用少量溶剂和压缩空气就能将残存物料清洗干净。

为了获得良好的物料混合效果，机械式搅拌器的搅拌速度都很高，一般都在3000～6000r/min，甚至更高。搅拌动力由高速电动机提供。根据物料黏度和工艺要求，其转速可以采用皮带-塔轮、变频调节、液压变速等方式进行调节。但搅拌轴转动速度过快，其轴的密封和由高速转动产生的高温都将会带来诸多技术上的难题。由于高的转速及产生的高温，会使密封装置损伤、失效，造成物料经轴承套向上泄漏，产生“抱轴”现象。目前，解决此类问题的办法是：改进密封材料和密封结构，密封圈可使用掺有石墨或二硫化钼的橡胶或聚四氟乙烯等改性的耐高温的弹性材料；在搅拌轴上镀覆带有自润滑性能的改性陶瓷涂层等。

在解决搅拌轴密封方面，还有人采用变频调速器控制搅拌轴在较低的速度下运行，以降低因高速旋转产生的温度，并在混合头的浇注口前部安装了一个扁管，深入到模腔中，使浇注物料在模腔中进行二次混合；还在聚多元醇或多元胺等组分和异氰酸酯组分进口位置上作了一些改动，将聚醇组分的进口位置稍作了些提高，并在两个组分之间，在搅拌轴上装配一个带孔的隔离板，以减少异氰酸酯对密封件的破坏，同时利用聚醇对轴进行润滑（图3-4）。

新加坡润英聚合工业有限公司低压混合头技术参数见表3-1。

我国在低压机械搅拌式混合头的开发研制方面做了许多工作。例如，温州海峰制鞋设备有限公司根据不同的聚氨酯原料和工艺要求，设计、制造了高、中、低3种搅拌转速，中速搅拌即可达到8600r/min以上，高速搅拌可达12000r/min。为解决高温带来的密封、磨损等技术难题，他们在原密封结构上又增加了陶瓷密封等结构，同时设计了创新的水冷式混合头（见图3-5）。海峰鞋机同时对两种原料进入混合腔的位置也做了较大的改进。在低压浇注机的通常设计中，两个组分进入混合腔是在混合室的上部相距180°，而海峰鞋机设计的两个原料注入口在混合室的侧部，两者相距小于45°。这样，原料进入混合室后会在更短的时间内接触，在特殊设计的搅拌器上部斜齿的高速搅拌作用下能迅速混合并将物料推向下部，减缓高温带来的诸多技术问题，提高了设备工作效率。