CN110691679B - 利用连续液体混合来捏合弹性体复合材料 - Google Patents

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Abstract

提供一种在凝集物制备周期的过程中实现复合材料在预定的凝集物制备区域内的连续受控的前进的系统(10)。还提供了一种在制备弹性体母料组合物的过程中实现复合材料在预定的凝集物制备区域内的连续受控的前进的方法。

Description

利用连续液体混合来捏合弹性体复合材料
技术领域
本发明涉及在制备弹性体母料组合物的过程中使复合材料在预定的凝集物制备区域内连续受控地前进。控制复合材料在每个凝集物制备区域中的停留时间，从而在将复合材料输送到随后的凝集物制备区域之前实现渐进式凝集。
背景技术
母料(或母料组合物)是一种弹性体复合材料，在所述弹性体复合材料中引入配料连同其他任选添加剂。母料通常用于制备橡胶组合物，例如用于制造轮胎或轮胎半成品(包括但不限于成型产品，例如胎面)。存在用于制备母料的多种方法，这些方法的示例公开于美国专利号6,048,923和6,075,084以及日本专利号JP5139610。
在以液相(水或溶剂)实现橡胶混合物时，存在从液相弹性体(例如乳液或乳胶、溶液)形成母料的阶段。在该阶段的过程中，弹性体合意地显示配料颗粒(有机或无机)在弹性体基质中的纳米分布。这种纳米分布通常由凝集物反应器、混合器或使液相弹性体与液体和配料的混合物(以下称为“浆料”)结合的等效装置产生。随后将配料固定在弹性体基质中，并且该阶段对应于两种液体之间的“凝集”状态。
一些母料制备过程依赖于均质凝集的原理，其中在由相似的单分散胶体颗粒组成的悬浮液中发生聚集。对于这样的过程，即使当配料已经精细磨碎(例如，尺寸＜100nm)时，也不能保证配料的纳米分布。配料通常被基质的凝集捕获，并且自由配料表现出随后重新絮凝的趋势。
在由不同的胶体颗粒组成的悬浮液中聚集时发生异质凝集。异质凝集是具有不同特征(例如，尺寸、化学组成、配料等)的颗粒之间的凝集过程，所述过程导致团簇聚集，随后导致固体结构或凝胶状结构。异质凝集可以通过带相反电荷的颗粒之间的相互作用造成和/或通过剪切引起。
为了既维持迅速凝集又维持连续过程，所公开的发明提供了适合利用异质凝集原理的设施。由于在轮胎制备过程中考虑了多种类型的母料组合物，本发明根据凝集反应的进展调节了已建立的凝集物制备区域的结构。
发明内容
本发明提供了一种系统，所述系统能够在凝集物制备周期的过程中实现复合材料在预定的凝集物制备区域内的连续受控的前进。所述系统包括乳液储存机构，所述乳液储存机构具有配备有搅拌器的乳液储罐，所述乳液储罐储存弹性体乳液。所述系统还包括浆料储存机构，所述浆料储存机构具有配备有搅拌器的浆料储罐，所述浆料储罐储存包含配料颗粒水溶液的浆料。所述系统中设置有混合机构，所述混合机构具有与乳液储罐和浆料储罐的每一者流体连通的混合器，所述混合器在其混合区域中使弹性体乳液的流与浆料的流接触，其中一个流进入另一个流，并且两个流在彼此接触之前都处于低压。连续捏合机构接收来自混合机构的复合材料并将复合材料输送通过每个凝集物制备区域，从而在将复合材料输送至随后的凝集物制备区域之前控制复合材料在每个凝集物制备区域中的停留时间。
凝集物制备区域包括均质化区域，所述均质化区域具有均质化器，所述均质化器具有预定长度的螺旋均质化搅拌器。螺旋均质化搅拌器可旋转地设置在均质化室内，所述均质化室具有在混合器和均质化器之间建立流体连通的入口范围以及在均质化器和捏合区域之间建立流体连通的相对的出口范围。
凝集物制备区域还包括捏合区域，所述捏合区域具有预定长度的捏合和输送搅拌器。捏合和输送搅拌器可旋转地设置在捏合室内，所述捏合室具有邻近均质化室的出口范围设置的入口范围以及靠近绞扭区域的入口的相对的出口范围。捏合和输送搅拌器具有促进捏合区域中的互补过程的输送部段和捏合部段。
凝集物制备区域还包括绞扭区域，所述绞扭区域包括具有预定长度的绞扭搅拌器。绞扭搅拌器可旋转地设置在绞扭室内，所述绞扭室具有靠近捏合室的出口范围设置的入口范围以及以凝集物形式排出复合材料的相对的出口范围。绞扭搅拌器包括促进绞扭区域中的互补过程的纹理化部段和绞扭部段的每一者。
在一些实施方案中，捏合和输送搅拌器的输送部段包括靠近捏合区域的出口范围设置的自由旋转的输送螺杆。输送螺杆具有沿着捏合和输送搅拌器的预定范围均匀分布的螺距相当的输送螺纹。在一些实施方案中，输送螺杆是阿基米德螺杆，所述阿基米德螺杆在输送螺纹的最外周与捏合室的内表面之间保持预定的间隙。
在一些实施方案中，捏合和输送搅拌器的捏合部段在捏合室的入口范围至输送部段之间延伸。捏合部段包括一个或多个连续设置的螺旋输送器，所述螺旋输送器被数量相当的共线设置的过渡输送螺纹中断。在一些这样的实施方案中，每个螺旋输送器具有大致螺旋形元件，所述大致螺旋形元件在其自身与捏合室的内壁表面之间保持预定的间隙。
在一些实施方案中，过渡输送螺纹包括靠近捏合室的入口范围设置的引导输送螺纹，复合材料在所述引导输送螺纹处开始经历捏合制备过程。
在一些实施方案中，绞扭搅拌器的纹理化部段包括靠近捏合室的出口范围设置的自由旋转的纹理化螺杆。纹理化螺杆具有沿着绞扭元件的预定范围均匀分布的多个切断螺纹。对于一些这样的实施方案，纹理化螺杆是阿基米德螺杆，所述阿基米德螺杆在切断螺纹的最外周与绞拧室的内表面之间保持预定的间隙。
在一些实施方案中，靠近捏合室的出口范围设置至少一个输送螺纹，从而在捏合区域和绞扭区域之间实现连续过渡。
在一些实施方案中，绞扭搅拌器的绞扭部段从绞扭元件的靠近绞扭室出口范围的范围朝向纹理化部段延伸。对于这样的实施方案，绞扭部段包括锥形螺杆。锥形螺杆可以包括螺旋螺纹，所述螺旋螺纹相对于绞扭室的内壁表面保持预定的间隙。
在一些实施方案中，绞扭搅拌器的绞扭部段还包括设置在锥形螺杆和纹理化部段之间的一个或多个输送螺纹。
捏合室和绞扭室的每一者具有选自如下的预定的截面几何形状：大致环形构造、U形倒角和U形拐角。对于一些实施方案，在捏合室和绞扭室的至少一者的至少一部分内设置一个或多个抗旋转杆。
本发明还提供了一种在制备弹性体母料组合物的过程中实现复合材料在预定的凝集物制备区域内连续受控的前进的方法。所述方法包括如下步骤：提供以液相形式储存在乳液储罐中的乳液和以液相形式储存在浆料储罐中的浆料的每一者；将预定体积的乳液和预定体积的浆料同时输送到混合机构，所述混合机构具有与乳液储罐和浆料储罐的每一者流体连通的混合器；由预定体积的乳液和预定体积的浆料制备复合材料；以弹性体配料的细分散体的形式从混合器中排出复合材料；和通过连续捏合机构的每个凝集物制备区域输送复合材料，从而在将复合材料输送到随后的凝集物制备区域之前控制复合材料在每个凝集物制备区域中的停留时间。
一些方法实施方案还包括在混合器的混合区域中使弹性体乳液的流和浆料的流接触的步骤，其中一个流进入另一个流，并且两个流在彼此接触之前都处于低压。
凝集物制备区域包括：均质化区域，所述均质化区域包括均质化器，所述均质化器具有可旋转地设置在均质化室内的具有预定长度的螺旋均质化搅拌器；捏合区域，所述捏合区域包括可旋转地设置在捏合室内的具有预定长度的捏合和输送搅拌器，所述捏合和输送搅拌器(24a)具有便于捏合区域中的互补过程的输送部段和捏合部段；和绞扭区域，所述绞扭区域包括可旋转地设置在绞扭室内的具有预定长度的绞扭搅拌器，所述绞扭搅拌器包括便于绞扭区域中的互补过程的纹理化部段和绞扭部段的每一者。
在一些实施方案中，所述方法还包括如下步骤：将复合材料从混合器排出到均质化区域；和用均质化搅拌器以1000s-1的最小剪切速率搅拌复合材料，同时实现复合材料朝向捏合区域的受控前进。
在一些实施方案中，所述方法还包括如下步骤：将复合材料从均质化区域排出到捏合区域；和用捏合和输送搅拌器以500s-1的最小剪切速率搅拌复合材料，同时实现复合材料朝向绞扭区域的受控前进。
在一些实施方案中，该方法还包括如下步骤：将复合材料从捏合区域排出到绞扭区域；在将复合材料引入绞扭部段之前，沿着纹理化部段限定复合材料的凝集物尺寸；和用绞扭搅拌器以200s-1的最小剪切速率搅拌复合材料，同时实现复合材料的受控前进，以便从受控的捏合机构排出。
在一些实施方案中，所述方法还包括从连续捏合机构排出复合材料的步骤。一些这样的实施方案还包括将乳液和浆料同时输送到混合机构的步骤。
通过如下详细描述，公开的发明的其它方面将变得明显。
附图说明
通过考虑如下详细描述并且结合附图，本文公开的发明的性质和各种优点将变得更明显，附图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1显示了用于制备橡胶混合物的母料的系统的示意图。
图2显示了与图1的系统一起使用的示例性混合器的截面图。
图3、图3A和图3B分别显示了与图1的系统一起使用的示例性均质化工具的立体图、端视图和截面图。
图4、图4A和图4B分别显示了与图1的系统一起使用的示例性输送工具的立体图、端视图和截面图。
图5、图5A和图5B分别显示了与图1的系统一起使用的示例性捏合工具的立体图、端视图和截面图。
图6、图6A和图6B分别显示了与图1的系统一起使用的示例性剪切工具的立体图、端视图和截面图。
图7、图7A和图7B分别显示了与图1的系统一起使用的脱水工具的立体图、端视图和截面图。
图8、图8A、图8B和图8C显示了与图1的系统和图3至图7B的工具一起使用的不同的示例性导管的端视图。
具体实施方式
现在进一步参考附图，其中相同的数字表示相同的元件，图1显示了示例性凝集物制备系统10，所述凝集物制备系统10实现了用于制备弹性体母料组合物的连续流动过程(本文所用的术语“弹性体母料组合物”和“母料组合物”是可互换的)。系统10包括建立了多个不同的凝集物制备区域的设施。在将复合材料输送到随后的制备区域之前，所述设施通过控制中间复合材料在每个已建立的制备区域中的停留时间来维持母料组合物的制备节奏。因此，在给定的母料制备周期中，从多个母料组合物配方中选择母料组合物配方。母料性质的控制不仅通过控制为给定母料选择的成分来实现，而且还通过控制制备周期的过程中成分在给定制备区域中的停留时间来实现，从而控制母料中的配料水平。该控制包括控制复合材料进入和离开每个制备区域的时间(或“停留时间”)。因此实现了复合材料在系统10中以恒定且经调节的速度移动。
仍参考图1，设置有系统10的设施包括乳液储存机构12，所述乳液储存机构12具有配备有搅拌器12b的乳液储罐12a。乳液储罐12a储存弹性体乳液(或乳胶)13。弹性体选自天然橡胶、各种合成弹性体(例如，SBR、BR等)和各种弹性体共混物。
系统10还包括浆料储存机构14，所述浆料储存机构14具有配备有搅拌器14b的浆料储罐14a。浆料储罐14a储存浆料15，在所述浆料15中配料颗粒分散在水中。所述配料选自一种或多种已知材料，包括但不限于炭黑、二氧化硅、高岭土、白垩、合成有机配料、天然有机配料(例如，木纤维、纤维素纤维等)及其等同物和组合。
每个搅拌器12b、14b各自维持足以确保乳液和浆料的每一者中的颗粒分散的低湍流度，尽管能够理解搅拌器可以被等效搅拌装置代替。为了避免倾析，可以引入
Figure BDA0002293253700000061
来破碎分散液中残留的任何配料聚集体。可将
Figure BDA0002293253700000062
设置在浆料储罐14的上游或下游(例如，如本文所述和所示，设置在浆料储罐和蠕动泵14c之间)。
再参考图1以及图2，系统10还包括混合机构16，所述混合机构16具有与乳液储罐12a和浆料储罐14a中的每一个流体连通的混合器16a。具有预定直径d的乳液导管16aa连同设置在乳液导管和乳液储罐12a之间的蠕动泵(或一系列泵)12c将精确体积的乳液13从乳液储罐12a输送到混合器16a。以类似的方式，具有预定直径D的浆料导管16ab连同设置在浆料导管和浆料储罐14a之间的蠕动泵(或一系列泵)14c将精确体积的浆料15从浆料储罐14a输送到混合器16a。应当理解，蠕动泵14c可以被一个或多个等效设备代替，所述等效设备包括但不限于一个或多个正排量泵(例如，偏心转子泵、隔膜泵、活塞泵等)。
相应的质量流量计12d、14d可以相对于乳液导管16aa和浆料导管16ab可操作地设置，从而直接测量所输送的乳液和浆料的质量和密度。每个质量流量计12d、14d可以是位于相应蠕动泵下游的科里奥利流量计，尽管能够理解科里奥利流量计可以被等效设备代替。
如图2所示，混合器16a接收乳液13和浆料15，并且进行制备和从中排出复合材料的连续过程，所述复合材料是配料在弹性体基质中的细分散体(或“分散体”)。本文使用的“连续”过程表示所有步骤都可以不间断进行的过程或过程的任何部分。连续过程消除了中间步骤的需要，从而维持了多种工业应用(例如，用于制备轮胎的各种橡胶混合物的制备)。申请人的已公开申请WO2017/021219记载了本文所述和所示的混合器16a的示例。
混合器16a包括供应部段16b，设置在供应部段下游的平行流出部段16c以及设置在供应部段和流出部段两者的更下游的混合部段16d。在凝集物制备周期的过程中，将乳液13和浆料15同时进料至混合部段16d。可以精确地计量乳液和浆料每一者的进料速率从而保持连续流动过程并且避免从系统10排出时存在游离乳胶和未凝集填料。
再参考图2，混合器16a在其供应部段16b中接收来自乳液导管16aa和浆料导管16ab的进入流。沿着供应部段16b的会聚部分16b'，乳液导管16aa将乳液从乳液储罐12a输送到混合器16a(参见箭头A)。在该会聚部分中，乳液导管16aa穿透浆料导管16ab的输送路径，所述浆料导管16ab从浆料储罐14a通向混合器16a(参见箭头B)。乳液导管16aa和浆料导管16ab保持同轴，直到具有预定长度H的流出部段16c在乳液导管16aa的排出范围16aa'处终止。
来自乳液导管16aa和浆料导管16ab的进入流在混合部段16d中相互接触时保持低压。乳液导管16aa的排出范围16aa'和浆料导管16ab的排出范围16ab'共同界定了具有预定长度L的混合部段16d的边界。
应当理解，导管16aa和16ab在供应部段16b、流出部段16c和混合部段16d之间建立了保持稳定和有效凝集的关系。每个导管的长度和直径可以根据所选的母料组合物来调节，只要在混合器16a的各部段之间遵循所建立的关系即可。例如，该示例显示了浆料导管16ab，所述浆料导管16ab的内径D大于乳液导管16aa的内径d。本领域技术人员将理解，在维持供应部段16b、流出部段16c和混合部段16d之间的功能关系的同时，也可以采用相反的构造(即，乳液导管16aa具有更大的直径)。
浆料导管16ab的排出范围16ab'还提供了将复合材料从混合器16a不受阻碍地排出到连续捏合机构18的出口，所述连续捏合机构18输送复合材料用于进一步处理。为了在宏观水平上实现纳米凝集的蔓延，连续捏合机构18必须在不干扰瞬时流动的情况下输送复合材料。因此实现了功能结构，所述功能结构界定了多个不同的凝集物制备区域(或“制备区域”)，同时确保了复合材料在每个制备区域内的连续受控的前进。
再参考图1以及图3、图3A和图3B，混合器16a将复合材料排放到连续捏合机构18的均质化区域20中，在所述均质化区域20中配料颗粒(例如二氧化硅配料)更精细地分散。在均质化区域20中设置示例性均质化器22，所述均质化器22包括可旋转地设置在大致环形的均质化室22b内的具有预定长度的螺旋均质化搅拌器22a。可以理解，均质化室22b可以呈现适于实施本发明的任何截面几何形状。
均质化室22b具有靠近混合器16a的排出端(更具体地邻近浆料导管16ab的排出范围16ab')设置的入口范围22b'，以及靠近连续捏合机构18的捏合区域24的入口的相对出口范围22b”(在此参考图4至图5B进一步描述)。在混合器16a的排出端和均质化室22b的入口范围22b'之间建立的流体连通通常在大气压下或接近大气压下并且通常通过重力作用维持复合材料的不间断排出。均质化器22可以选自各种可商购设备。
在混合器16a排出复合材料之后的最初几秒钟，复合材料在宏观水平上尚未反应。在均质化的过程中，均质化搅拌器22a在给定方向上旋转(参见图3的箭头C)，从而在由其输送的复合材料和均质化室22b的内壁表面22b”'之间产生足够的摩擦。螺旋搅拌器22a相对于均质化室22b的几何形状以可控方式将复合材料推向随后的制备区域(即，捏合区域24)(参见图3的箭头D)。搅拌器的转速(转速由电动机M20控制)决定复合材料的输送速率和由此造成的剪切效率(例如，在某些实施方案中，实现大于1000s-1的剪切速率)。保持给定的转速控制了复合材料在均质化区域22中的停留时间，因此控制了复合材料从均质化区域22中流出时所实现的凝集效率水平。
仍参考图1以及图4至图5B，混合器16a将复合材料排放到连续捏合机构18的捏合区域24中，在所述捏合区域24中纳米凝集物必须团聚从而实现复合材料的最终宏观结构。因此，在均质化区域20内实现的提高的凝集效率能够在捏合区域24内实现配料在弹性体基质中的有效纳米分布。
在捏合区域24中，示例性捏合和输送元件包括可旋转地设置在捏合室24b内的具有预定长度的捏合搅拌器24a。捏合室24b具有靠近均质化区域20的排出端(更具体地邻近均质化室22b的出口范围22b”)设置的入口范围24b'，以及靠近连续捏合机构18的绞扭区域28的入口的相对出口范围24b”(在此参考图6至图7B进一步描述)。可以理解，捏合室24b可以呈现适于实施本发明的任何截面几何形状。
捏合和输送搅拌器24a包括促进捏合区域24中的互补过程的输送部段25和捏合部段27。参考图4、图4A和图4B，输送部段25包括靠近捏合区域24的出口范围24b”设置的自由旋转的输送螺杆25a。输送螺杆25a优选是阿基米德螺杆，其在输送螺杆25a'的最外周和捏合室24b的内表面24b”'之间保持预定的间隙t25。输送螺杆25a包括螺距相当的多个输送螺纹25a'，所述输送螺纹25a'沿着捏合和输送搅拌器24a的预定范围均匀分布。尽管图4至图4B显示了具有四个螺纹25a'的输送螺杆25a，可以理解的是，可以根据所选择的母料组合物来确定螺纹的确切数量。
再参考图5、图5A和图5B，打浆部段27在捏合室24b的入口范围24b'至输送部段25之间延伸。捏合部段27包括一个或多个连续设置的螺旋输送器27a，所述螺旋输送器27a被数量相当的共线设置的过渡输送螺纹27b中断(参见图1)。每个螺旋输送器27a包括大致螺旋形元件，所述螺旋形元件在其自身和捏合室24b的内壁表面24b”'之间保持预定的间隙t27。螺旋形元件的选择造成低轴向流量和有限的切向驱动力，因此延长了复合材料在捏合区域24中的停留时间(即，凝集时间)。
为了实现均质化区域20和捏合区域24之间的复合材料的连续供应，过渡输送螺纹27b包括靠近捏合室24b的入口范围24b'设置的引导输送螺纹27b'。每个过渡输送螺纹的结构可以与输送螺杆25a的螺纹25a'相当。尽管图5至图5B显示了具有四个螺旋输送器27a和四个过渡输送螺纹27b(包括引导输送螺纹27b')的组件的捏合部段27，可以理解，可以根据所选的母料组合物确定螺旋输送器和输送螺纹的确切数量。
为了促进捏合(即，使纳米凝集蔓延的机械作用)同时实现复合材料朝向随后制备步骤的受控前进，捏合和输送搅拌器24a在给定方向上旋转(参见图4和图5的箭头E)，从而在由其输送的复合材料和捏合室24b的内壁表面24b”'之间产生足够的摩擦。捏合和输送搅拌器24a相对于捏合室24b的几何形状以可控方式将复合材料推向随后的制备区域(即，绞扭区域28)(参见图5的箭头F)。捏合和输送搅拌器的转速(转速由电动机M24控制)决定复合材料的输送速率和由此造成的剪切效率(例如，在某些实施方案中，实现大于500s-1的剪切速率)。
因此，一旦复合材料接触最初的过渡输送螺纹27b'，复合材料就开始经历捏合制备过程。由此避免了制备步骤(即均质化和捏合)之间的过渡期间的停滞时间。因此，不同体积的复合材料(包括较小体积的复合材料)实现了维持给定转速的优势，从而控制了复合材料在捏合区域24中的停留时间。
仍参考图1以及图6至图7B，捏合和输送搅拌器24a将复合材料从捏合区域24朝向连续捏合机构20的绞扭区域28计量输送，其中将来自捏合制备过程的粗凝集物机械加工成合适形式，然后进行脱水。在绞扭区域28中，示例性绞扭元件包括可旋转地设置在绞扭室28b内的具有预定长度的绞扭搅拌器28a。绞扭室28b具有靠近捏合室24b的排出端设置的入口范围28b'和相对的出口范围28b”，复合材料以凝集物的形式从所述出口范围28b”排出。应当理解，绞扭室28可以呈现适于实施本发明的任何截面几何形状。
绞扭元件28a包括纹理化部段29和绞扭部段31的每一者，它们促进绞扭区域28中的互补过程。再参考图6、图6A和图6B，纹理化部段29包括靠近捏合室24b的出口范围24b”设置的自由旋转的纹理化螺杆29a。纹理化螺杆29a优选为阿基米德螺杆，其在切断螺纹29a'的最外周和绞扭室28b的内表面28b”'之间保持预定的间隙t29。纹理化螺杆29a包括沿着绞扭元件28a的预定范围均匀分布的多个切断螺纹29a'。可以理解，可以根据所选择的母料组合物确定切断螺纹29a'的确切数量。
可以包括至少一个任选的输送螺纹29b从而通过捏合室24b的出口范围24b”实现捏合区域24和绞扭区域28之间的连续过渡。对于这样的实施方案，每个输送螺纹29b的结构可以与本文关于捏合和输送搅拌器24a所描述的过渡输送螺纹27b(包括引导输送螺纹27b')相当。
再参考图7、图7A和图7B，绞扭部段31从绞扭元件28a的靠近绞扭室28b的出口范围28b”的范围朝向纹理化部段29延伸。绞扭部段31包括锥形螺杆31a，所述锥形螺杆31a具有介于锥形螺杆和纹理化部段29之间的任选的输送螺纹31b(参见图1)。任选的输送螺纹31b的结构可以与本文关于捏合和输送搅拌器24a所述的过渡输送螺纹27b(包括引导输送螺纹27b')相当。锥形螺杆31a包括螺旋螺纹31a'，所述螺旋螺纹31a'相对于绞扭室28b的内壁表面28b”'保持预定的间隙t31。
为了促进绞扭(即，维持宏观凝集的机械作用)同时实现复合材料朝向从系统10排放的受控前进，绞扭元件28a在给定方向上旋转(参见图6和图7的箭头G)，从而在由其输送的复合材料和绞扭室28b的内壁表面28b”'之间产生足够的摩擦。绞扭元件28a相对于绞扭室28b的几何形状以可控方式将复合材料推向绞扭室28b的出口范围28b”，并最终从系统10排放(参见图1的箭头H)。绞扭元件的转速(转速由电动机M28控制)决定复合材料的输送速率和由此造成的剪切效率(例如，在某些实施方案中，实现大于200s-1的剪切速率)。
因此，在绞扭区域28内，在将凝集物引入绞扭部段31之前，纹理化部段29限制复合材料的凝集物尺寸。绞扭部段31通过例如在10bar至80bar压力下对凝集物施加应力来修正复合材料。在一些实施方案中，实现了30bar的压力。
因此，在将乳液13和浆料15持续供应至混合器16a的同时，系统10以大致连续输出的方式实现了凝集物(即复合材料)的排放。
系统10适于维持复合材料在大气压下通过捏合区域24和绞扭区域28连续前进。现在参考图8、图8A，图8B和图8C，捏合室24b和绞扭室28b的每一者均具有阻碍复合材料旋转的预定的截面几何形状。在所示的示例性实施方案中，捏合室24b和绞扭室28b设置为具有圆形、U形构造的大致环形的元件(参见图8)。然而应理解，可以使用当相应搅拌器旋转时阻碍复合材料旋转的其他几何形状代替上述几何形状。这些选择的几何形状包括U形倒角(参见图8A)和U形拐角(参见图8B)。还应理解，任何这些变型可以与一个或多个抗旋转附件(包括一个或多个抗旋转杆40)组合(参见图8C)。
实施例
下表显示了系统10的示例性操作条件。
[表1]
Figure BDA0002293253700000121
(*)从Solvay以商标
Figure BDA0002293253700000131
1165MP购得
(**)如共同拥有的专利公开WO2013/053733中所述
因此，用于形成凝集物形式的复合材料的过程可以概括为包括以下步骤：
-均质化，即进行必要水平的均质化以获得高产量的异质凝集；
-捏合，也即使均质化过程中产生的纳米凝集蔓延并使其从液体状态转变为粘性状态；和
-预脱水，即通过机械加工造成宏观凝集并且限制凝集物的尺寸以将其引入绞扭设备。
本发明提供一种连续反应器，其中水相中的配料和弹性体之间的异质凝集性能得益于缓慢凝集动力学。通过根据凝集反应的进展调节制备区域的几何形状，本发明不太依赖进入成分的精确参数即可维持迅速凝集和连续过程。
复合材料连续穿过必要的制备区域，以获得具有所需性质的母料组合物。这些性质是可变的，并且可以根据母料组合物的最终应用进行调节。例如，对于用于制造轮胎的组合物，所得轮胎应当表现出目标性能(例如，降低的滚动阻力等)。
本文使用的术语“方法”或“过程”可以包括至少通过一个电子装置或计算机装置执行的一个或多个步骤，所述电子装置或计算机装置具有用于执行进行所述步骤的指令的处理器。
描述为“在a和b之间”的范围包括数值“a”和“b”。
尽管已经显示和描述了所公开的装置的特定实施方案，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、增加和修改。因此，除了所附权利要求书中所陈述的以外，不应对当前公开的发明的范围施加任何限制。

Claims (20)

1.一种在凝集物制备周期的过程中实现复合材料在预定的凝集物制备区域内的连续受控的前进的系统(10)，所述系统(10)包括：
乳液储存机构(12)，所述乳液储存机构(12)具有配备有搅拌器(12b)的乳液储罐(12a)，所述乳液储罐(12a)储存弹性体乳液(13)；
浆料储存机构(14)，所述浆料储存机构(14)具有配备有搅拌器(14b)的浆料储罐(14a)，所述浆料储罐(14a)储存包含配料颗粒水溶液的浆料(15)；
混合机构(16)，所述混合机构(16)具有与乳液储罐(12a)和浆料储罐(14a)的每一者流体连通的混合器(16a)，所述混合器(16a)在其混合区域(16d)中使弹性体乳液(13)的流与浆料(15)的流接触，其中一个流进入另一个流，并且两个流在彼此接触之前都处于低压；和
连续捏合机构(18)，所述连续捏合机构(18)接收来自混合机构(16)的复合材料并将复合材料输送通过每个凝集物制备区域，从而在将复合材料输送至随后的凝集物制备区域之前控制复合材料在每个凝集物制备区域中的停留时间；
其中凝集物制备区域包括：
均质化区域(20)，所述均质化区域(20)包括均质化器(22)，所述均质化器(22)具有能够旋转地设置在均质化室(22b)内的具有预定长度的螺旋均质化搅拌器(22a)，所述均质化室(22b)具有在混合器(16a)和均质化器(22)之间建立流体连通的入口范围(22b')以及在均质化器(22)和捏合区域(24)之间建立流体连通的相对的出口范围(22b”)；
捏合区域(24)，所述捏合区域(24)包括能够旋转地设置在捏合室24b内的具有预定长度的捏合和输送搅拌器(24a)，所述捏合室24b具有邻近均质化室(22b)的出口范围(22b”)设置的入口范围(24b')以及靠近绞扭区域(28)的入口的相对的出口范围(24b”)，所述捏合和输送搅拌器(24a)具有便于捏合区域(24)中的互补过程的输送部段(25)和捏合部段(27)；和
绞扭区域(28)，所述绞扭区域(28)包括能够旋转地设置在绞扭室(28b)内的具有预定长度的绞扭搅拌器(28a)，所述绞扭室(28b)具有靠近捏合室(24b)的出口范围(24b”)设置的入口范围(28b')以及以凝集物形式排出复合材料的相对的出口范围(28b”)，所述绞扭搅拌器(28a)包括便于绞扭区域(28)中的互补过程的纹理化部段(29)和绞扭部段(31)的每一者。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，捏合和输送搅拌器(24a)的输送部段(25)包括自由旋转的输送螺杆(25a)，所述输送螺杆(25a)靠近捏合区域(24)的出口范围(24b”)设置并且具有沿着捏合和输送搅拌器(24a)的预定范围均匀分布的螺距相当的多个输送螺纹(25a')。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，输送螺杆(25a)包括阿基米德螺杆，所述阿基米德螺杆在输送螺纹(25a')的最外周与捏合室(24b)的内表面(24b”')之间保持预定的间隙（t25） 。
4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其中，捏合和输送搅拌器(24a)的捏合部段(27)在捏合室(24b)的入口范围(24b')至输送部段(25)之间延伸并且包括一个或多个连续设置的螺旋输送器(27a)，所述螺旋输送器(27a)被数量相当的共线设置的过渡输送螺纹(27b)中断。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，每个螺旋输送器(27a)包括大致螺旋形元件，所述大致螺旋形元件在其自身与捏合室(24b)的内壁表面(24b”')之间保持预定的间隙(t27)。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，过渡输送螺纹(27b)包括靠近捏合室(24b)的入口范围(24b')设置的引导输送螺纹(27b')，复合材料在所述引导输送螺纹(27b')处开始经历捏合制备过程。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，绞扭搅拌器(28a)的纹理化部段(29)包括自由旋转的纹理化螺杆(29a)，所述纹理化螺杆(29a)靠近捏合室(24b)的出口范围(24b”)设置并且具有沿着绞扭元件的预定范围均匀分布的多个切断螺纹(29a')。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，纹理化螺杆(29a)包括阿基米德螺杆，所述阿基米德螺杆在切断螺纹(29a')的最外周与绞扭室(28b)的内表面(28b”')之间保持预定的间隙(t29)。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的系统，进一步包括至少一个靠近捏合室(24b)的出口范围(24b”)设置的输送螺纹(29b)，从而在捏合区域(24)和绞扭区域(28)之间实现连续过渡。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，绞扭搅拌器(28a)的绞扭部段(31)从绞扭元件的靠近绞扭室(28b)的出口范围(28b”)的范围朝向纹理化部段(29)延伸并且包括锥形螺杆(31a)。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，锥形螺杆(31a)包括螺旋螺纹(31a')，所述螺旋螺纹(31a')相对于绞扭室(28b)的内壁表面(28b”')保持预定的间隙(t31)。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，绞扭搅拌器(28a)的绞扭部段(31)还包括设置在锥形螺杆(31a)和纹理化部段(29)之间的一个或多个输送螺纹(31b)。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，捏合室(24b)和绞扭室(28b)的每一者具有选自如下的预定的截面几何形状：大致环形构造、U形倒角和U形拐角。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括一个或多个抗旋转杆(40)，所述抗旋转杆(40)设置在捏合室(24b)和绞扭室(28b)的至少一者的至少一部分内。
15.一种在制备弹性体母料组合物的过程中实现复合材料在预定的凝集物制备区域内的连续受控的前进的方法，所述方法包括如下步骤：
提供以液相形式储存在乳液储罐(12a)中的乳液(13)和以液相形式储存在浆料储罐(14a)中的浆料(15)的每一者；
将预定体积的乳液(13)和预定体积的浆料(15)同时输送到混合机构(16)，所述混合机构(16)具有与乳液储罐(12a)和浆料储罐(14a)的每一者流体连通的混合器(16a)；
由预定体积的乳液(13)和预定体积的浆料(15)制备复合材料；
以弹性体配料的细分散体的形式从混合器(16a)中排出复合材料；和
通过连续捏合机构(18)的每个凝集物制备区域输送复合材料，从而在将复合材料输送到随后的凝集物制备区域之前控制复合材料在每个凝集物制备区域中的停留时间；
进一步包括在混合器(16a)的混合区域(16d)中使弹性体乳液的流和浆料的流接触，其中一个流进入另一个流，并且两个流在彼此接触之前都处于低压；
其中，凝集物制备区域包括：
均质化区域(20)，所述均质化区域(20)包括均质化器(22)，所述均质化器(22)具有能够旋转地设置在均质化室(22b)内的具有预定长度的螺旋均质化搅拌器(22a)；
捏合区域(24)，所述捏合区域(24)包括能够旋转地设置在捏合室24b内的具有预定长度的捏合和输送搅拌器(24a)，所述捏合和输送搅拌器(24a)具有便于捏合区域(24)中的互补过程的输送部段(25)和捏合部段(27)；和
绞扭区域(28)，所述绞扭区域(28)包括能够旋转地设置在绞扭室(28b)内的具有预定长度的绞扭搅拌器(28a)，所述绞扭搅拌器(28a)包括便于绞扭区域(28)中的互补过程的纹理化部段(29)和绞扭部段(31)的每一者。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括如下步骤：
将复合材料从混合器(16a)排出到均质化区域(20)；和
用均质化搅拌器(22a)以1000s-1的最小剪切速率搅拌复合材料，同时实现复合材料朝向捏合区域(24)的受控前进。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，进一步包括如下步骤：
将复合材料从均质化区域(20)排出到捏合区域(24)；和
用捏合和输送搅拌器(24a)以500s-1的最小剪切速率搅拌复合材料，同时实现复合材料朝向绞扭区域(28)的受控前进。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括如下步骤：
将复合材料从捏合区域(24)排出到绞扭区域(28)；
在将复合材料引入绞扭部段(31)之前，沿着纹理化部段(29)限定复合材料的凝集物尺寸；和
用绞扭搅拌器(28a)以200s-1的最小剪切速率搅拌复合材料，同时实现复合材料的受控前进，以便从受控的捏合机构(18)排出。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括从连续捏合机构(18)排出复合材料的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括将乳液(13)和浆料(15)同时输送到混合机构(16)的步骤。
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