DE10157820A1

DE10157820A1 - Verfahren und Anlagen zur Verarbeitung von Pulverkautschuk

Info

Publication number: DE10157820A1
Application number: DE10157820A
Authority: DE
Inventors: Ali Amash; Martin Bogun; Robert H Schuster; Reinhard Stober; Udo Goerl
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-12

Abstract

Die Erfindung betifft ein Verfahren und Anlagen zur Verarbeitung von Pulverkautschuk. Zweck der Erfindung ist es, Möglichkeiten der Verarbeitung von Pulverkautschuk in großindustriellem Maßstab zu schaffen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln die Verarbeitung von Pulverkautschuk in großtechnischem Maßstab in der Gummiindustrie zu ermöglichen und dabei nicht nur Energie einzusparen, sondern auch die Zumischung von Füll-, Zuschlag- und reaktionsbeeinflussenden Stoffen zu erleichtern, zu beeinflussen und homogener zu machen. Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Verarbeitung von Pulverkautschuk zu industriellen Produkten, das sich dadurch auszeichnet, daß man das Kautschukpulver mit pulverförmigen, hitzeverträglichen Zuschlagstoffen homogen vermischt, daß man das Kautschukpulver durch intensives Reiben der Partikel bei einem dispersiven und distributivem Mischen aneinander mechanisch erhitzt, in einen plastifizierten, mastizierten klebrigen Zustand versetzt, daß man die erhaltene zusammenhängende viskose Masse abkühlt und daß man am Ende der Abkühlphase hitzeempfindliche Zuschlagstoffe zugibt und dabei und anschließend mischt. Dazu wurden zwei Anlagen entwickelt, eine mit einem Zweischneckenextruder, bei dem hinter einer Eingangs- und Kompressionszone eine Zone angeordnet ist, in welcher alle Knetelemente zusammengezogen sind und in welcher diese Knetelemente in gegenläufigen Richtungen fördern, bei dem hinter dieser Zone eine relativ lange ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anlagen zur Verarbeitung von Pulverkautschuk.
Zweck der Erfindung ist es, Möglichkeiten der Verarbeitung von Pulverkautschuk in großindustriellem Maßstab zu schaffen.
Industriell wird meistens Kautschuk verarbeitet, der, wenn es sich um Naturkautschuk handelt, aus den Erzeugerländern in Form von Ballen angelandet wird und dann bei Naturkautschuk nach einer Mastikation zum Molekülkettenabbau bzw. zur Viskositäts-Reduzierung in Innenmischern mit Zuschlag- und Füllstoffen (vor allem Ruß) vermischt auf Walzwerken zu Fellen vorbearbeitet wird, um anschließend gegebenenfalls in Einschnecken- Extrudern aufgeschlossen, plastifiziert und dann in an den Extruder angebauten Extrusionsköpfen zu in der Gummiindustrie weiterverarbeiteten Halbprodukten, z. B. Streifen für die Reifenherstellung, oder Endprodukten, z. B. Profilsträngen und Schläuchen ausgeformt zu werden.
Diese seit mehr als einem Jahrhundert in dieser Weise ausgeführte Naturkautschukverarbeitung ist erheblich Zeit- und energieaufwendig. Bei der hierbei vorgenommenen diskontinuierlichen Verarbeitung im Innenmischer können sich von Batch zu Batch trotz gleicher Mischung erhebliche Schwankungen in der Mischungsqualität ergeben. Vor allem die Füllstoff-Dispersion kann deutlich streuen. Dabei ist für den Innenmischer eine besonders effiziente Kühlleistung erforderlich, um unter den kritischen Temperaturen zu bleiben. Diese Art der Verarbeitung hat sich jedoch trotz vieler Anstrengungen, den hohen Energiebedarf zu senken, so bewährt, daß sie bis heute beibehalten ist. Viel Energie wird in der Vorbearbeitung eingesetzt, wo der bei der mechanischen Bearbeitung erhitzte Kautschuk mehrmals zwischengelagert werden muß, wobei viel mechanisch eingebrachte Energie unwiederbringlich verlorengeht. Bei dieser Zwischenlagerung geht aber nicht nur Energie verloren, sie erfordert auch personellen Einsatz und nutzlose Lagerzeiten.
Neben dieser Art der Vorbearbeitung von Naturkautschuk gibt es auch Arbeitsverfahren zur Herstellung von Pulverkautschuk, die in jüngerer Zeit entwickelt wurden, aber bisher keinen kommerziellen Eingang in der Gummiindustrie gefunden haben. Das liegt vermutlich daran, daß die bisher in der Gummiindustrie eingesetzten Maschinen immer in zusammenhängender Form, sei es als Ballen, Fell oder sonstigem Streifen vorliegenden Rohstoff zu verarbeiten hatten und auf die Verarbeitung von Rohstoff in Pulver- oder Granulatform nicht eingerichet sind. Dabei verspricht die Verarbeitung von Kautschuk in Pulverform erhebliche Einsparungen an Energie, Zeit und Arbeitskraft. Pulverkautschuk stellt einen Batch aus Kautschuk (Emulsions-SBR oder Naturkautschuk) und Füllstoff (Ruß oder Silika) dar. Damit läßt sich auch der Kontakt mit dem freien Ruß umgehen.
Es ist bekannt, daß man Kautschuk in Pulver- und/oder Granulatform auf Doppelschneckenextrudern verarbeiten kann, jedoch ist diese Art der Verarbeitung noch unausgereift und sie ist für die reifenherstellungsrelevanten Kautschuksorten (z. B. SBR, NR) industriell bisher nicht einsatzfähig Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik. Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln die Verarbeitung von Pulverkautschuk in großtechnischem Maßstab in der Gummiindustrie zu ermöglichen und dabei nicht nur Energie einzusparen, sondern auch die Zumischung von Füll-, Zuschlag- und reaktionsbeeinflussenden Stoffen zu erleichtern, zu beeinflussen und homogener zu machen.
Die Erfindung besteht in einem kontinuierlichen Verfahren zur einstufigen Verarbeitung von Pulverkautschuk zu industriellen Produkten, das sich dadurch auszeichnet, daß man das Kautschukpulver mit pulverförmigen, hitzeverträglichen Zuschlagstoffen homogen vermischt, daß man das Kautschukpulver und bestimmte Additive wie z. B. Zinkoxid durch intensives dispersives Mischen der Partikel mechanisch erhitzt, in einen plastzierten und mastizierten, klebrigen Zustand versetzt, daß man die erhaltene zusammenhängende viskose Masse abkühlt und daß man am Ende der Abkühlphase hitzeempfindliche Additive und/oder Vernetzungschemikalien zugibt und dabei fördert sowie anschliessend weitermischt.
Dieses Verfahren bringt den Vorteil, daß man eine pulverige Mischung aus Kautschuk, Füll- und Zuschlagstoffen, die sich leicht mit großer Homogenität herstellen läßt, verarbeitet und dabei bereits nach einer sehr kurzen Bearbeitungszeit auf einer sehr kurzen Bearbeitungsstrecke z. B. in einem Extruder in einem ersten, kurzen Schneckenteil der Verarbeitungsmaschine einen sonst nicht auf einem derart kurzen Schneckenabschnitt erreichbaren Homogenitäts- bzw. Dispersionsgrad erzielt. Dabei ist der Energieverbrauch und der Zeitaufwand (auch bei der Vorbereitung) zur Erzielung dieses Homogenitätsgrades vergleichsweise gering. Die Ersparnis an Personal liegt dabei vor allem in der Herstellung des Pulverkautschuks, aber auch bei der Verarbeitung, da beim automatischen Dosieren und kontinuierlichen Mischen nur wenige Arbeitskräfte zum Nachfüllen und zur Kontrolle notwendig sind.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn man die mechanische Erhitzung durch intensives Reiben der Kautschukpartikel aneinander mit Hilfe von in Richtungen gegeneinander arbeitenden, nacheinander tätigen fördernden Mischeinheiten, wie z. B. Knetblöcken oder ähnlichen Elementen durchführt.
Dabei sollte das erste Knetelement einen maximalen Durchmesser für ein besseres Kompaktieren und für den Druckaufbau aufweisen
Dieses Verfahren läßt sich in einfacher Weise so durchführen, daß man die Verarbeitung in einem Zweischneckenextruder vornimmt, bei dem man hinter einer Eingangs- und Kompressionszone eine Zone anordnet, in welcher alle Knetelemente zusammengezogen sind und in welcher diese geeigneten Knetelemente in gegenläufigen Richtungen fördern, bei dem man hinter dieser Zone eine relativ lange Abkühlzone anordnet, an deren Ende man das Extrudat mit erhöhter Geschwindigkeit in und durch eine weitere Zone fördert, in der man hitzeempfindliche Zuschlagstoffe zugibt, die man in einer letzten Zone mit dem Extrudat mischt. Die Extrudattemperatur am Ausgang ist weit unterhalb der kritischen Temperatur.
Eine andere ebenso vorteilhafte Möglichkeit der Ausführung dieses Verfahrens besteht darin, daß man die Verarbeitung zunächst in einem Zweischneckenextruder vornimmt, bei dem man hinter einer Eingangs- und Kompressionszone eine Zone anordnet, in welcher mehrere Knetelemente einer bestimmten Anordnung zusammengezogen sind und in welcher diese Knetelemente zum Plastifizieren, Kompaktieren und dispersivem Mischen in gegenläufigen Richtungen fördern, wonach man das Extrudat in einen weiteren Extruder überführt, bei dem man das Extrudat mit angepaßter Geschwindigkeit fördert und die hitzeempfindlichen Zuschlagstoffe zugibt, die man mit dem Extrudat mischt.
Diese Ausführungsmöglichkeit des Verfahrens bringt den Vorteil mit sich, daß man als ersten Extruder einen kurzgebauten Zweischneckenextruder einsetzen kann und daß man als weiteren Extruder einen Einschneckenextruder benutzen kann. Das spart mittel- und langfristig Kosten bei der Anschaffung der Anlage, die Investition wird lohnender. Der Zweischneckenextruder läßt sich hierbei besonders kurz bauen und erreicht die Vorteile noch kürzerer Mischzeiten und erhöhten Durchsatzes. Gleichzeitig wird eins Verbesserung der Kontrollmöglichkeiten erzielt. Die Verarbeitung kann variabler erfolgen.
Dabei gibt es die vorteilhafte Möglichkeit, daß man für die Überführung des Extrudates vom vorgeschalteten Zweischneckenextruder in den nachgeschalteten Ein- oder Zweischneckenextruder eine Zahnradpumpe benutzt. Das erbringt die Vorteile einer Vergleichmäßigung des Durchsatzes, eines Druckaufbaues bereits in der Pumpe, verbesserter Temperatureinstellung und Kontrolle.
Die eine erfindungsgemäße Anlage zur Verarbeitung von Pulverkautschuk zu industriellen Produkten ist gekennzeichnet durch einen Zweischneckenextruder, bei dem hinter einer Eingangs- und Kompressionszone eine Zone angeordnet ist, in welcher alle Knet- bzw. Mischelemente (zum dispersiven Mischen und Plastifizieren) zusammengezogen sind und in welcher diese Knetelemente in gegenläufigen Richtungen fördern, bei dem hinter dieser Zone eine relativ lange Abkühlzone angeordnet ist, an deren Ende das Extrudat mit erhöhter Geschwindigkeit in und durch eine weitere Zone gefördert ist, in der im Extruderzylinder eine Zuführungsöffnung für hitzeempfindliche Zuschlagstoffe befindlich ist, an die eine Mischzone anschließt.
Bei dieser Anlage ist es vorteilhaft, wenn die Zone erhöhter Fördergeschwindigkeit durch einen hinterschnittenen Schneckenteil mit vergrösserter Steigung gebildet ist.
Die andere erfindungsgemäße Anlage zur Verarbeitung von Pulverkautschuk zu industriellen Produkten ist gekennzeichnet durch die Hintereinanderschaltung eines vorgeschalteten Zweischneckenextruders und eines nachgeschalteten Einschneckenextruders, wobei hinter der Eingangs- und Kompressionszone des Zweischneckenextruders eine Zone angeordnet ist, in welcher alle Knetelemente zusammengezogen sind und in welcher diese Knetelemente gegenläufige Förderrichtungen aufweisen, wobei im nachgeschalteten Einschneckenextrder die Zugabe hitzeempfindlicher Zuschlagstoffe in eine hierfür dienende Zone erfolgt, der eine Mischzone nachgeschaltet ist.
Diese Anlage besitzt den Vorteil, daß der vorgeschaltete Zweischneckenextruder kurz gebaut ist, einen höheren Durchsatz ermöglicht und einen geringeren Energiebedarf hat.
Für die Überführung des Extrudates vom vorgeschalteten Zweischneckenextruder in den nachgeschalteten Einschneckenextruder läßt sich mit deutlichem Vorteil eine Zahnradpumpe benutzen.
Die Anlagen nach dieser Erfindung sind für Pulverkautschuk auf der Basis von Natur- und Synthesekautschuk einsetzbar.
Dabei können im Einschneckenextruder Schnecken verschiedener Geometrien zum Einsatz gelangen. Die Schnecke soll möglichst eine Mischzone mit relativ geringen Scherkräften enthalten
Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand von zwei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anlage mit einem langgebauten Zweischneckenextruder,
Fig. 2 ein Schneckenteil im Einzugsbereich des Extruders der Fig. 1,
Fig. 3 das hinter dem Einzugsbereich angeordnete Knetelement des Extruders der Fig. 1,
Fig. 4 ein Förderelement als dem Knetbereich nachgeschaltetes Schneckenteil,
Fig. 5 ein weiteres Förderelement anderer Schneckensteigung,
Fig. 6 ein als Mischelement dienendes dispersives Schneckenteil,
Fig. 7 ein als Mischelement dienendes Polygon-Schneckenteil.
Fig. 8 eine aus einem kurzgebauten Zweischneckenextruder und einem nachgeschalteten Einschneckenextruder aufgebaute Anlage,
In der Schnittdarstellung der Fig. 1 ist ein Zweischneckenextruder gezeichnet, von dem nur eine Extruderschnecke 1 sichtbar ist, welche in dem Gehäuse 2 befindlich ist und deren Antrieb nicht dargestellt ist. Das hier eingesetzte Schneckenpaar besteht aus einem Eingangsbereich 3, die hier verwendete Schneckenfiguration ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird der zu verarbeitende Pulverkutschuk durch den Eingangstrichter 4 in das Extrudergehäuse 2 eingeführt. An diesen Eingangsbereich 3 schließt sich ein Knetbereich 5 an, dessen Schneckenkonfiguration in Fig. 3 dargestellt ist. Die Knetelemente sind aus mehreren gegeneinander um jeweils einen spitzen Winkel versetzten im wesentlichen ovalen Scheiben 6 zusammengesetzt, wobei die Aufeinanderfolge linksherum oder rechtsherum für die Förderrichtung (Vorwärtsförderung-Rückförderung) bestimmend ist. Zur Erhöhung der Mischqualität kann das kontinuierliche Mischelement in Fig. 6 hinter dem Knetbereich eingesetzt werden. An diesen Knetbereich 5 schließt sich ein Förderbereich 7 mit Schneckenelementen 8 an, dargestellt in der Fig. 4, der von einem weiteren Förderbereich 9 mit Schneckenelementen 10 einer vergrößerten Steigung gefolgt ist. Durch die schnellere Förderung in diesem Bereich 9 herrscht hier ein gegenüber dem Bereich 7 verminderter Druck, der es zuläßt, in diesem Bereich eine Evakuierungsöffnung 11 im Gehäuse 2 anzuordnen. Nach einer weiteren Förderzone 12 ist im Extrudergehäuse 2 eine Zuführungsöffnung 13 für hitzeempfindliche Zusatzstoffe vorgesehen, da das Extrudat im Bereich der Förderzonen 7,9 und 12 gekühlt wurde. An diesen Bereich schließt sich ein Mischbereich 14 mit Mischelementen 15, abgebildet in den Fig. 3 oder 7, vor der Auslaßöffnung 16 an.
Um solch eine Anlage in ihrer Anschaffung und in ihrem Energieverbrauch günstiger zu gestalten, besteht die in Fig. 8 dargestellten Möglichkeit der Kombination eines sehr kurz gebauten Zweischneckenextruders 17 mit einem Einschneckenextruder 18. Dabei dient der kurz gebaute Zweischneckenextruder 17 mit seinem Knetbereich 5 der Plastifizierung des Pulverkautschuks und dem Aufschluß des Extrudates sowie einer Homogenisierung, die sich hier bereits zu 95% des überhaupt erreichbaren Füllstoff-Dispersionsgrades erreichen läßt, während der Einschneckenextruder 18 der Zumischung von hitzeempfindlichen Chemikalien durch den Zuführtrichter 20 dient.
In Fig. 8 erfolgt die Überführung des Extrudates aus dem kurz gebauten Zweischneckenextruder 17 in den Einschneckenextruder 18 durch einen Zahnradextruder 19 (im technischen Aufbau eine Zahnradpumpe), der die Homogenisierung des Extrudates noch weiter verbessert und eine schwankungslose Beschickung des nachgeschalteten Extruders 18 mit gleichbleibendem Druck ermöglicht. Im Einschneckenextruder 18 sind die gleichen oder ähnliche Schneckenelemente wie in den vorhergehenden Beispielen in Anwendung gebracht. Liste der Bezugszeichen 1 Extruderschnecke
2 Gehäuse
3 Eingangsbereich
4 Eingangstrichter
5 Knetbereich
6 im wesentlichen ovale Scheiben
7 Bereich verminderten Drucks
8 Schneckenelement
9 Förderbereich
10 Schneckenelement
11 Evakuierungsöffnung
12 Förderzone
13 Zuführungsöffnung für hitzeempfindliche Zusatzstoffe
14 Mischbereich
15 distributives Mischelement (Polygon)
16 dispersives Mischelement
17 kurz gebauter Zweischneckenextruder
18 Einschneckenextruder (eventuell auch Doppelschneckenextruder)
19 Zahnradextruder bzw. Zahnradpumpe als Förderaggregat
20 Zuführtrichter für hitzeempfindliche Chemikalien
21 Auslaßöffnung

Claims

1. Verfahren zur Verarbeitung von Pulverkautschuk zu industriellen Produkten, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Kautschukpulver mit pulverförmigen, hitzeverträglichen Zuschlagstoffen homogen vermischt,
daß man das Kautschukpulver und bestimmte Additive durch intensives dispersives Mischen der Partikel aneinander mechanisch erhitzt und dadurch in einen plastizierten und mastizierten klebrigen Zustand versetzt,
daß man die erhaltene zusammenhängende viskose Masse abkühlt
und daß man am Ende der Abkühlphase hitzeempfindliche Additive und/oder Vernetzungschemikalien zugibt und dabei fördert und anschliessend in einer Mischzone weitermischt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die mechanische Erhitzung durch intensives Reiben der Kautschukpartikel aneinander mit Hilfe von in Richtungen gegeneinander arbeitenden, nacheinander tätigen fördernden Knet- und/oder Mischeinheiten durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Verarbeitung in einem Zweischneckenextruder vornimmt,
bei dem man hinter einer Eingangs- und Kompressionszone eine Zone anordnet,
in welcher alle Knetelemente zusammengezogen sind und
in welcher diese geeigneten Knetelemente in gegenläufigen Richtungen fördern,
bei dem man hinter dieser Zone eine relativ lange Abkühlzone anordnet, an deren Ende man das Extrudat mit erhöhter Geschwindigkeit in und durch eine weitere Zone fördert, in der man hitzeempfindliche Zuschlagstoffe zugibt, die man in einer letzten Zone mit dem Extrudat mischt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Verarbeitung zunächst in einem Zweischneckenextruder vornimmt, bei dem man hinter einer Eingangs- und Kompressionszone eine Zone anordnet, in welcher alle Knetelemente einer bestimmten Anordnung zusammengezogen sind und in welcher diese Knetelemente in gegenläufigen Richtungen fördern,
wonach man das Extrudat in einen weiteren Extruder überführt, bei dem man das Extrudat mit angepaßter Geschwindigkeit fördert und die hitzeempfindlichen Zuschlagstoffe zugibt, die man mit dem Extrudat mischt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als weiteren Extruder einen Einschneckenextruder benutzt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als ersten Extruder einen kurzgebauten Zweischneckenextruder einsetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Überführung des Extrudates vom vorgeschalteten Zweischneckenextruder in den nachgeschalteten Einschneckenextruder eine Zahnradpumpe benutzt.

8. Anlage zur Verarbeitung von Pulverkautschuk zu industriellen Produkten, gekennzeichnet durch
einen Zweischneckenextruder,
bei dem hinter einer Eingangs- und Kompressionszone eine Zone angeordnet ist, in welcher alle Knetelemente zusammengezogen sind und in welcher diese Knetelemente in gegenläufigen Richtungen fördern,
bei dem hinter dieser Zone eine relativ lange Abkühlzone angeordnet ist,
an deren Ende das Extrudat mit erhöhter Geschwindigkeit in und durch eine weitere Zone gefördert ist,
in der im Extruderzylinder eine Zuführungsöffnung für hitzeempfindliche Zuschlagstoffe befindlich ist, an die eine Mischzone anschließt.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone erhöhter Fördergeschwindigkeit durch einen hinterschnittenen Schneckenteil mit vergrößerter Steigung gebildet ist.

10. Anlage zur Verarbeitung von Pulverkautschuk zu industriellen Produkten, gekennzeichnet durch die Hintereinanderschaltung eines vorgeschalteten Zweischneckenextruders und eines nachgeschalteten Einschneckenextruders, wobei hinter der Eingangs- und Kompressionszone des Zweischneckenextruders eine Zone angeordnet ist, in welcher alle Knetelemente zusammengezogen sind und in welcher diese Knetelemente gegenläufige Förderrichtungen aufweisen, wobei im nachgeschalteten Einschneckenextrder die Zugabe hitzeempfindlicher Zuschlagstoffe in eine hierfür dienende Zone erfolgt, der eine Mischzone nachgeschaltet ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeschaltete Zweischneckenextruder kurzgebaut ist.

12. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Überführung des Extrudates vom vorgeschalteten Zweischneckenextruder in den nachgeschalteten Einschneckenextruder eine Zahnradpumpe benutzt ist.