DE102017207183A1

DE102017207183A1 - Mischvorrichtung zum Mischen von Kautschukmischungen und Verfahren zur Herstellung einer Kautschukfertigmischung

Info

Publication number: DE102017207183A1
Application number: DE102017207183.4A
Authority: DE
Inventors: Detlef Kuck
Original assignee: Continental Reifen Deutschland GmbH
Current assignee: Continental Reifen Deutschland GmbH
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2018-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Mischen von Kautschukmischungen, umfassend eine obere zwei erste Mischrotoren umfassende Mischkammer, welche von einem Oberkammergehäuse, einer ersten Einfüllöffnung und einer ersten Auswurföffnung begrenzt wird und in der eine Temperatur T₁ vorliegt, eine untere zwei zweite Mischrotoren umfassende Mischkammer, welche von einem Unterkammergehäuse, einer zweiten Einfüllöffnung und einer zweiten Auswurföffnung begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung ein zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installiertes Walzwerk mit zwei koaxialen und entgegengesetzt drehenden Walzen aufweist, wobei die zwei Walzen so verschoben werden können, dass ein verstellbarer Walzenspalt zwischen den zwei Walzen ausgebildet werden kann, und die Walzen so angeordnet sind, dass sich die Mittelparallele der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer in Lotrichtung unter dem geöffneten Walzenspalt befindet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Kautschukfertigmischung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Mischen von Kautschukmischungen umfassend eine obere zwei erste Mischrotoren umfassende Mischkammer, welche von einem Oberkammergehäuse, einer ersten Einfüllöffnung und einer ersten Auswurföffnung begrenzt wird und in der eine Temperatur T₁ vorliegt, eine untere zwei zweite Mischrotoren umfassende Mischkammer, welche von einem Unterkammergehäuse, einer zweiten Einfüllöffnung und einer zweiten Auswurföffnung begrenzt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Kautschukfertigmischung.
Im Allgemeinen erfolgt die Herstellung einer Kautschukmischung in zwei Mischstufen, nämlich durch Herstellung einer Grundmischung, auch Kautschukgrundmischung genannt, und einer Fertigmischung, auch Kautschukfertigmischung genannt.
Während der Herstellung der Grundmischung wird ein Teil der Bestandteile der Mischung, wie Kautschuke, Füllstoffe, Verarbeitungshilfsmittel, Alterungsschutzmittel, Ozonschutzmittel und weitere übliche Zusatzstoffe jedoch ohne die Vulkanisationschemikalien (Schwefel, Vulkanisationsbeschleuniger, Harze u. a.), miteinander unter Energieeintrag, zum Beispiel durch hohe Temperaturen, in einer ersten Mischkammer vermischt.
Nach der Fertigstellung der Grundmischung werden dann zur Herstellung der Fertigmischung die restlichen Zusatzstoffe, wie zum Beispiel Schwefel und Vulkanisationsbeschleuniger, eingemischt. So entsteht aus der Grundmischung eine Fertigmischung.
Im Stand der Technik sind verschiedene Mischvorrichtungen zum Mischen von Kautschukmischungen bekannt:
Die EP 0618055 B1 beschreibt ein Verfahren zum Verarbeiten von nicht reaktive Zusatzstoffe enthaltenden Kautschukgrundmischungen zu Kautschukfertigmischungen unter Verwendung eines Stempelkneters, wobei dem Stempelkneter eine vorher hergestellte, fertige Grundmischung zum Plastizieren zugeführt wird und nach dem Plastizieren die Charge unmittelbar einem stempellosen Kneter zugeführt wird, um die Fertigmischung durch Zugabe von reaktiven Zusatzstoffen bei verringerter Temperatur im Vergleich zum Stempelkneter fertig zu mischen.
DE4309451A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kautschukmischungen, bei dem in einer ersten Stufe in einem Stempelkneter aus Kautschuk und nicht reaktiven Zusatzstoffen chargenweise eine Grundmischung hergestellt und die Grundmischung ohne Zwischenlagerung in einer zweiten Stufe unter Zufügen von reaktiven Zusatzstoffen in einem stempellosen Kneter ebenfalls chargenweise bei verringerter Temperatur fertig gemischt wird.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Mischen von Kautschukmischungen oder eine verbesserte Mischvorrichtung zum Mischen von Kautschukmischungen bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß in Bezug auf eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben dadurch, dass die Mischvorrichtung

- ein zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installiertes Walzwerk mit zwei koaxialen und entgegengesetzt drehbaren Walzen aufweist, wobei
- - die zwei Walzen verschoben werden können, bevorzugt in horizontaler Richtung, sodass ein verstellbarer Walzenspalt zwischen den zwei Walzen ausgebildet werden kann, und
- - die Walzen so angeordnet sind, dass sich die Mittelparallele der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer in Lotrichtung unter dem geöffneten Walzenspalt befindet.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „sich die Mittelparallele der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer in Lotrichtung unter dem geöffneten Walzenspalt befindet“, dass ein herkömmliches, funktionsgemäß angelegtes Lot, dessen unteres Ende an der Mittelparallelen der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren endet, zur anderen Richtung hin durch den geöffneten Walzenspalt verlaufen würde oder eine der Walzen tangieren würde.
Gleiches gilt für den Ausdruck „in Lotrichtung unter dem geometrischen Mittelpunkt der ersten Auswurföffnung der oberen Mischkammer“.
Der Walzenspalt im geschlossenen Zustand ist definitionsgemäß die Kontaktfläche an der Stelle, wo sich die beiden Walzenoberflächen der zwei Walzen im geschlossenen Zustand berühren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gilt für den Walzenspalt im geschlossenen Zustand, dass sich die Mittelparallele der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer nicht in Lotrichtung unter dem geschlossenen Walzenspalt befinden muss.
Bevorzugt ist die vorstehend beschriebene Mischvorrichtung ein Tandemmischer, besonders bevorzugt ein Tandemmischer zum Abkühlen einer Kautschukgrundmischung vor Überführen der Kautschukgrundmischung in eine stempellose unteren Mischkammer, ganz besonders bevorzugt ein Tandemmischer zum Überführen einer Kautschukgrundmischung zwischen die Rotoren einer stempellosen unteren Mischkammer. In sämtlichen vorstehend beschriebenen Fällen ist die Mischvorrichtung geeignet zur Herstellung einer Kautschukfertigmischung.
Die Begriffe „obere erste Mischkammer“, „obere Mischkammer“
und „erste Mischkammer“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung synonym verwendet. Die Begriffe „untere zweite Mischkammer“, „untere Mischkammer“
und „zweite Mischkammer“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung synonym verwendet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine Mittelparallel zwischen zwei Rotationsachsen gemäß der geometrischen Definition die Menge der Mittelpunkte sämtlicher Kreise, welche die zwei Rotationsachsen berühren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur T₁, welche in der oberen zwei erste Mischrotoren umfassenden Mischkammer vorliegt, durch einen aus dem Stand der Technik bekannten, in der oberen Mischkammer fest installierten Temperaturfühler gemessen. Alternativ kann die Temperatur T₁ auch durch einen mobilen Temperaturfühler gemessen werden, wobei zum Temperaturmessen der Temperaturfühler durch die offene Einfüllöffnung in die obere Mischkammer eingeführt wird und die Temperatur in der oberen Mischkammer direkt nach dem Öffnen der Einfüllöffnung gemessen wird.
Bevorzugt liegt die Temperatur T₁ im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Bereich von 140 °C bis 250 °C, bevorzugt im Bereich von 150 °C bis 230 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 160 °C bis 210 °C, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 165 °C bis 190 °C. Solche Temperaturen werden durch aus dem Stand der Technik bekannten Heizelementen in einer Mischkammer erreicht.
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschriebene oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die zwei Walzen des zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installierten Walzwerkes horizontal in einer Ebene liegen.
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschriebene oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die obere Mischkammer einen Stempel umfasst, welcher wie im Stand der Technik bekannt sicherstellt, dass die Kautschukgrundmischung auch von den Rotoren erfasst wird. Die untere Mischkammer umfasst bevorzugt keinen Stempel.
Vorteilhafterweise wird die Grundmischung vor dem Vermischen mit den Vulkanisationschemikalien abgekühlt, da die Temperatur der Grundmischung sonst so hoch ist, dass sie unerwünschte Nebenreaktionen beim Vermischen mit den Vulkanisationschemikalien in der unteren Mischkammer hervorruft. Durch das Verweilen der fertigen Grundmischung auf dem Walzwerk erreicht die Grundmischung so vor dem Hinzufügen in die untere Mischkammer die gewünschte Temperatur. Dies wird vorzugsweise durch einen Temperaturfühler an einer geeigneten Stelle beim Walzwerk gemessen.
Nachdem die Grundmischung die gewünschte Temperatur erreicht hat, kann ein Spalt zwischen den Walzen, der so genannte Walzenspalt, ausgebildet werden. Dies geschieht vorzugsweise durch Verschieben einer oder gleichzeitig beider Walzen in horizontale Richtung. Dadurch dass die Walzen genau über der Mittelparallelen der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer angeordnet sind, wie dies vorstehend beschrieben ist, fällt die ausgewalzte Grundmischung aufgrund entgegengesetztes Drehen der beiden Walzen durch den Walzenspalt hindurch direkt zwischen die zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer.
Dies hat den Vorteil, dass auch die gesamte Kautschukgrundmischung, oder zumindest ein Großteil der Kautschukgrundmischung, von den zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer erfasst werden. Im Stand der Technik ist es häufig ein Problem, dass Kautschukgrundmischungen, insbesondere kieselsäurehaltige Kautschukgrundmischungen wie nachstehend beschrieben, nicht richtig von den zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer erfasst werden und somit eine unzufrieden stellende Mischung der Grundmischung mit den Vulkanisationschemikalien entsteht.
Hinzu kommt, dass die untere Mischkammer in der Regel keinen Stempel aufweist, welcher dafür sorgt, dass verbleibende, noch nicht vermischte Grundmischungsbestandteile zur restlichen Kautschukmischung hinzufügt werden. Es ist daher insbesondere bei Mischvorrichtungen, welche keinen Stempel aufweisen, sinnvoll, die Walzen wie vorstehend beschrieben so anzuordnen, dass sich die Mittelparallele der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer in Lotrichtung unter dem geöffneten Walzenspalt befindet. Hierdurch wird eine schnellere und bessere Vermischung der gesamten Grundmischung mit den Vulkanisationschemikalien erreicht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Walzenspalt im offenen Zustand, wenn sich die zwei Walzen nicht berühren. Der Walzenspalt ist dann der Raum zwischen den beiden Walzen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung befindet sich der Walzenspalt oder genauer gesagt befinden sich die zwei Walzen im geschlossenen Zustand, wenn sich die zwei Walzen berühren.
Bei Kautschukgrundmischungen mit Füllstoffen wie Silica ist zudem zu beachten, dass zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und zur Anbindung der Füllstoffe, wie z.B. Silica, an Kautschuke so genannte Organosilane als reaktive Zusatzstoffe nötig sind, die mit den polaren Gruppen des Füllstoffs reagieren und im weiteren Verlauf die Anbindung an den Kautschuk ermöglichen. Solche aus dem Stand der Technik bekannten Organosilane sind vorteilhafterweise z. B. bifunktionelle Organosilane, die am Siliciumatom mindestens eine Alkoxy-, Cycloalkoxy- oder Phenoxygruppe als Abgangsgruppe besitzen und die als andere Funktionalität eine Gruppe aufweisen, die gegebenenfalls nach Spaltung eine chemische Reaktion mit den Doppelbindungen des Polymers, insbesondere eines Kautschuks, eingehen kann. Bei der Reaktion des Füllstoffs, insbesondere Silica, mit dem Organosilan sind Temperatur und Mischzeit exakt einzuhalten, um eine vollständige Umsetzung, die in der Regel bei Temperaturen von 140 bis 160 °C stattfindet, zu erreichen und gleichzeitig eine Zersetzung des oder der Organosilane zu vermeiden. Die Zugabe der Füllstoffe und des Organosilans erfolgt üblicherweise bei der Herstellung der Grundmischung, da die Temperaturen bei der Herstellung der Fertigmischung mit ca. 120 °C nicht hoch genug für die Reaktion zwischen Organosilan und Füllstoff sind.
Ein bifunktionelles Organosilan kann als zweite funktionelle Gruppe z. B. eine der folgenden chemischen Gruppen umfassen: -SCN, -SH, -NH₂ oder -S_x- (mit x = 2 bis 8).
So können z. B. 3-Mercaptopropyltriethoxysilan, 3-Thiocyanato-propyltrimethoxysilan oder 3,3'-Bis(triethoxysilylpropyl)polysulfide mit 2 bis 8 Schwefelatomen, wie z. B. 3,3'-Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid (TESPT), das
entsprechende Disulfid (TESPD) oder auch Gemische aus den Sulfiden mit 1 bis 8 Schwefelatomen mit unterschiedlichen Gehalten an den verschiedenen Sulfiden, verwendet werden. TESPT kann dabei beispielsweise auch als Gemisch mit Industrieruß
zugesetzt werden. Dieses Gemisch ist unter dem Handelsname X50S® der Firma Evonik bekannt.
Die Begriffe „Kieselsäure“ und „Silica“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung synonym verwendet.
Bevorzugt umfasst die Kautschukgrundmischungen wenigstens einen Dienkautschuk, da die Vernetzung zwischen Silica, Dienkautschuken und den funktionellen Gruppen der bifunktionellen Organosilanen länger dauert als mit anderen Organosilanen und daher bei besonders hohen Temperaturen wie vorstehend für T₁ beschrieben in der oberen Mischkammer reagieren muss. Aufgrund der besonders hohen Temperaturen ist es vorteilhaft ein Walzwerk wie für eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung beschrieben zu installieren, insbesondere falls die Walzen zusätzlich gekühlt werden. Die vorstehend beschriebenen Kautschukmischungen, welche Silica, Dienkautschuke und Organosilane umfassen, sind zudem besonders schwierig vollständig in die untere Mischkammer zu überführen, da sie besonders krümmelig sind. Insbesondere wenn mehr als 45 phr Silica in der Kautschukmischung vorliegen.
Die in dieser Schrift verwendete Angabe phr (parts per hundred parts of rubber by weight) ist dabei die in der Kautschukindustrie übliche Mengenangabe für Mischungsrezepturen. Die Dosierung der Gewichtsteile der einzelnen Substanzen wird dabei stets auf 100 Gewichtsteile der gesamten Masse aller in der Kautschukfertigmischung vorhandenen Kautschuke mit einem Gewichtsmittel Mw des Molekulargewichts gemäß GPC von 250.000 bis 5.000.000 g/mol bezogen.
Die Bestimmung des Gewichtsmittels Mw und des Zahlenmittels Mn des Molekulargewichtes der Polymere erfolgt mittels Gelpermeationschromatographie (GPC mit Tetrahydrofuran (THF) als Elutionsmittel bei 40 °C, Apparat PPS, kalibriert mit Polystyrol- Standard; Größenausschlußchromatographie; engl. SEC = size exclusion chromatography in Anlehnung an BS ISO 11344:2004).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Abkürzung Mw für das Gewichtsmittel des Molekulargewichts verwendet.
Als Dienkautschuke werden Kautschuke bezeichnet, die durch Polymerisation oder Copolymerisation von Dienen oder Cycloalkenen entstehen und somit entweder in der Hauptkette oder in den Seitengruppen C=C-Doppelbindungen aufweisen. Bevorzugt ist der Dienkautschuk ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Polyisopren (IR) und natürlichem Polyisopren (NR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Polybutadien (BR).
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei das Walzwerk so weit unterhalb der Auswurföffnung der oberen Mischkammer installiert ist, dass die gesamte Kautschukgrundmischung aus der oberen Mischkammer auf das Walzwerk geworfen werden kann und anschließend die Auswurfsöffnung wiedergeschlossen werden kann, während die Kautschukgrundmischung noch vollständig auf dem Walzwerk liegt. Dies hat den Vorteil, dass die obere Mischkammer wieder beladen werden kann, obwohl die Kautschukgrundmischung noch nicht auf die nötige Temperatur für die untere Mischkammer abgekühlt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das Walzwerk zumindest, vorzugsweise besteht das Walzwerk aus, den zwei koaxialen und entgegengesetzt drehbaren Walzen. Entgegengesetzt drehbaren Walzen sind dabei gegensinnig umlaufende Walzen, sodass die Kautschukgrundmischung durch den Walzenspalt bewegt wird.
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Oberflächen der Walzen durch eine Kühlvorrichtung temperiert werden können.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass die auf den Walzen aufliegende Grundmischung mithilfe der Kühlvorrichtung schneller gekühlt werden kann und somit den Mischprozess beschleunigt.
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, die Oberflächen der Walzen eine Temperatur aufweisen, die mindestens 10 °C unter der Temperatur T₁ liegt, bevorzugt mindestens 20 °C, besonders bevorzugt mindestens 40 °C unter der Temperatur T₁, ganz besonders bevorzugt um mindestens 60 °C unter der Temperatur T₁, insbesondere ganz besonders bevorzugt um mindestens 80 °C unter der Temperatur T₁.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass bei der Einstellung der Temperatur auf der Oberflächen der Walzen ein prozesstechnisch besonders günstiger Zeitraum für das gewünschte Herunterkühlen der Grundmischung erreicht wird, insbesondere beim Einsatz von bifunktionellen Organosilanen und wenn hohen Temperaturen wie vorstehend für T₁ beschrieben in der oberen Mischkammer vorliegen.
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Walzen eine Entfernungsvorrichtung aufweisen, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil einer Kautschukgrundmischung, welche an den Mantelflächen der zwei Walzen haftet, von den Mantelflächen der zwei Walzen zu entfernen.
Bevorzugt sorgt beim Überführen der gewalzten Kautschukgrundmischung in die untere Mischkammer eine Entfernungsvorrichtung dafür, dass eventuelle Reste der Kautschukgrundmischung von der Schutzhülle gestrichen werden, wodurch die Zugabe der Menge an Vulkanisationschemikalien noch genauer erfolgen kann.
Die Entfernungsvorrichtung ist bevorzugt aus Metall gefertigt, besonders bevorzugt aus Edelstahl oder Messing oder vergleichbaren geeigneten Metallen. Der Abstreifer kann beispielsweise und bevorzugt ein Winkel oder ein dreieckig geformtes Materialstück sein.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass eventuell an den Walzenoberflächen verbleibende Kautschukmischungsreste auch in die untere Mischkammer überführt werden können.
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Mischvorrichtung zusätzlich Fördermittel aufweist, welche dazu geeignet sind, weitere Mischungsbestandteile der oberen oder unteren Mischkammer zuzuführen, bevorzugt ausschließlich der unteren Mischkammer zuzuführen. Weitere Mischungsbestandteile sind insbesondere Vulkanisationschemikalien wie Schwefel, Vulkanisationsbeschleuniger und Harze.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die zusätzlichen Fördermittel die Vulkanisationschemikalien für die zweite Mischstufe bereits in die untere Mischkammer eingefüllt und gemischt werden können, bevor die Grundmischung hinzugefügt wird. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Vormischung der Vulkanisationschemikalien und somit eine bessere Kontrolle der chemischen Reaktionen der gesamten Fertigmischung nach Zugabe der Grundmischung. Zudem ist aufgrund des Walzwerkes eine Zuführung der Vulkanisationschemikalien wie im Stand der Technik nur auf schwierige Weise zu realisieren.
Bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei sich der Walzenspalt in Lotrichtung unter dem geometrischen Mittelpunkt der ersten Auswurföffnung der oberen Mischkammer befindet.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass nach dem Auswerfen der Grundmischung aus der ersten Mischkammer die Grundmischung gleichmäßig auf den zwei Walzen verteilt wird und somit gleichmäßiger in die untere Mischkammer überführt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Kautschukfertigmischung durch eine Mischvorrichtung umfassend

- eine obere zwei erste Mischrotoren umfassende Mischkammer,
- eine untere zwei zweite Mischrotoren umfassende Mischkammer, und
- ein zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installiertes Walzwerk mit zwei koaxialen und entgegengesetzt drehbaren Walzen aufweist, wobei die zwei Walzen so verschoben werden können, dass ein verstellbarer Walzenspalt zwischen den zwei Walzen ausgebildet werden kann,

a) Mischen einer Kautschukgrundmischung in der oberen Mischkammer, in der eine Temperatur T₁ vorliegt,
b) Zugabe von Vulkanisationschemikalien in die untere Mischkammer,
c) Überführung der Kautschukgrundmischung auf das zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installierte Walzwerk,
d) Walzen der Kautschukgrundmischung durch den Walzenspalt,
e) Überführung der gewalzten Kautschukgrundmischung in die untere Mischkammer, bevorzugt zwischen die zwei zweiten Rotoren der unteren Mischkammer, und
f) Mischen der gewalzten Kautschukgrundmischung mit den in Schritt b) zugegebenen Vulkanisationschemikalien zu einer Kautschukfertigmischung.

Bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben, bei dem eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben zur Herstellung einer Kautschukfertigmischung verwendet wird.
Die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Aspekte einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung zum Mischen von Kautschukmischungen gelten auch für sämtliche Aspekte eines nachstehend beschriebenen Verfahrens und die nachstehend diskutierten vorteilhaften Aspekte erfindungsgemäßer Verfahren gelten entsprechend für sämtliche Aspekte einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung zum Mischen von Kautschukmischungen.
Bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Kautschukgrundmischung wenigstens einen reaktiven Zusatzstoff, bevorzugt ein Organosilan, wenigstens eine Kieselsäure als Füllstoff und ein Dienkautschuk umfasst.
Bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Kautschukgrundmischung in die obere Mischkammer hinzugegeben wird, während einer oder mehrere der Schritte b) bis e) durchgeführt werden.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass die Zykluszeit des erfindungsmäßen Verfahrens beschleunigt werden kann, da die obere Mischkammer bereits wieder gefüllt und zum Mischen gebraucht werden kann, während die Kautschukgrundmischung noch nicht vollständig in die untere Mischkammer überführt wurde.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Kautschukgrundmischung während Schritt d) um mindestens 5 °C abgekühlt wird, bevorzugt um mindestens 10 °C, besonders bevorzugt um mindestens 20 °C, ganz besonders bevorzugt um mindestens 30 °C, insbesondere ganz besonders bevorzugt um mindestens 40 °C.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur der Kautschukgrundmischung, welche während Schritt d) vorliegt, durch einen aus dem Stand der Technik bekannten, an geeigneter Stelle zwischen den Walzen fest installierten Temperaturfühler gemessen. Eine geeignete Stelle ist beispielsweise eine Stelle zwischen den Walzen an einer Wand, an der das Walzwerk installiert ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beginnt Schritt b) bevorzugt, sobald die Kautschukgrundmischung zu mindestens 50 Gew.-% auf das zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installierte Walzwerk überführt wurde, und endet Schritt b) bevorzugt, wenn mindestens 50 Gew.-% der auf dem Walzwerk liegenden Kautschukgrundmischung in die untere Mischkammer überführt wurden.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Kautschukgrundmischung ein Organosilan und/oder ein funktionalisiertes Polymer und/oder Kieselsäure umfasst. Bevorzugt umfasst die Kautschukgrundmischung ein bifunktionelles Organosilan, ein funktionalisiertes Polymer und Kieselsäure.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass insbesondere Kautschukgrundmischungen, welche ein Organosilan, ein funktionalisiertes Polymer oder Kieselsäure umfassen, besonders krümmelig sind und somit nur schwer im Gesamten von den zwei Mischrotoren der stempellosen Mischkammern erfasst werden. Die gesamte Kautschukgrundmischung kann somit nur zu einer Fertigmischung verarbeitet werden, wenn die Walzen erfindungsgemäß wie vorstehend beschrieben angeordnet sind. Anderenfalls wird nicht die gesamte Kautschukgrundmischung zwischen die zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer überführt, wodurch Materialverlust und ungewollte Massenverhältnisse von Grundmischung zu Vulkanisationschemikalien entstehen. Zu den Organosilanen, Silica und funktionalen Polymeren gilt zudem das zuvor gesagte.
Unter dem Begriff „funktionalisiertes Polymer“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Polymer verstanden, das entlang der Polymerketten und/oder am Ende der Ketten eine Funktionalisierung aufweisen, die eine Anbindung an Kieselsäure oder vergleichbare Füllstoffe ermöglichen. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer HydroxyGruppe und einer Ethoxy-Gruppe und einer Epoxy-Gruppe und einer Siloxan-Gruppe und einer Aminosiloxan und einer Carboxy-Gruppe und einer Silan-Sulfid-Gruppe und einem primären Amin und einem Thiol.
Das funktionalisierte Polymer ist bevorzugt ein Polymer mit einem M_w von 500 bis 55000 g/mol. Geeignete funktionalisierte Polymere werden beispielsweise in der US 20020082333 A1 offenbart. Funktionalisierte Polymere bewirken, dass die Kautschukmischung besonders schwierig zwischen die zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer überführt werden können. Daher ist es vorteilhaft Kautschukmischungen mit funktionalisierten Polymeren in einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung zu verarbeiten.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Kautschukgrundmischung Kieselsäure umfasst und die Menge an Kieselsäure in der Kautschukgrundmischung mehr als 45 phr beträgt.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass Kautschukgrundmischungen mit mehr als 45 phr Kieselsäure ganz besonders krümmelig sind und somit noch schwieriger von den zwei Mischrotoren der stempellosen Mischkammern erfasst werden können. Das vorstehend Gesagte gilt entsprechend.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei während Schritt d) die Temperatur der Walzenoberflächen und der Walzenspalt zwischen den Walzen so angepasst werden, dass die gesamte Kautschukgrundmischung nach Schritt d) kälter als 160 °C ist, bevorzugt kälter als 150 °C, besonders bevorzugt kälter als 140 °C, ganz besonders bevorzugt kälter als 130 °C.
Ein Vorteil der beiden vorstehenden Aspekte der vorliegenden Erfindung ist, dass die durch den Walzenspalt geführte Grundmischung schneller gekühlt werden kann und somit den Mischprozess beschleunigt. Dieser vorteilhafte Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde bereits weiter oben im Rahmen einer Kühlvorrichtung für eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung erläutert.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Kautschukgrundmischung ein oder mehrere Organosilane umfasst und zeitlich zwischen Schritt c) und Schritt d) ein weiterer Schritt cd) durchgeführt wird:

c-d) Reagieren lassen der auf dem installierten Walzwerk liegenden Kautschukgrundmischung bis die Silanisierung der Organosilane größtenteils abgeschlossen ist, bevorzugt Reagieren lassen der auf dem installierten Walzwerk liegenden Kautschukgrundmischung für 1 bis 10 Minuten, besonders bevorzugt 3 bis 6 Minuten.

Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass die Silanisierung der Organosilane, also deren Vernetzung wie bereits vorstehend beschrieben, in der Regel etwas länger dauert als das Mischen der Kautschukgrundmischung in der oberen Mischkammer. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass vor einer Kühlung der auf dem Walzwerk liegenden Kautschukgrundmischung in Schritt d) die Kautschukgrundmischung noch bei einer möglichst hohen Temperatur gelassen wird, damit ein möglichst großer Teil der Organosilane fertig reagiert. Zudem kann während des Schrittes c-d) bereits die obere Mischkammer wieder beladen werden, wodurch die Zykluszeit der Mischvorrichtung verkürzt wird.
Nachteile, welche durch eine unzureichende Silanisierung der Organosilane entstehen können, sind beispielsweise eine verschlechterte Vermischung der Silica-Füllstoffe in der Kautschukgrundmischung oder eine verschlechterte Vernetzung der Füllstoffe mit dem Kautschuk. Beides hat negative Effekte auf den resultierenden Reifen oder das resultierendes technisches Gummiprodukt.
Im Rahmen der vorigen Erfindung bedeutet der Ausdruck „bis die Silanisierung der Organosilane größtenteils abgeschlossen ist“, dass mindestens 50 mol-% der Alkoxysilangruppen der Organosilane reagiert haben und nicht mehr als Alkoxysilangruppen vorliegen. Bevorzugt haben mindestens 70 mol-% der Alkoxysilangruppen der Organosilane reagiert, besonders bevorzugt mindestens 80 mol-% der Alkoxysilangruppen, ganz besonders bevorzugt mindestens 90 mol-% der Alkoxysilangruppen, insbesondere ganz besonders bevorzugt mindestens 99 mol-% der Alkoxysilangruppen. Eine entsprechende Messung der bereits reagierten Alkoxysilangruppen kann beispielsweise mittels ¹H-NMR durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich zu den Alkoxysilangruppen können auch Cycloalkoxy- und/oder Phenoxysilangruppe entsprechend gemessen werden, falls eine Quantifizierung der Alkoxysilangruppen nur unter schwierigen Bedingungen möglich ist.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben oder wie vorstehend als bevorzugt beschrieben, wobei die Zugabe in Schritt b) durch ein Fördermittel, welches räumlich zwischen der oberen und unteren Mischkammer installiert ist, stattfindet, bevorzugt ein Förderband, welches räumlich zwischen der oberen und unteren Mischkammer und unterhalb der zwei Walzen (9, 10) installiert ist,. Bevorzugt werden zeitlich vor Schritt f) auch bereits vorvermischte Fertigmischungsanteile in die untere Mischkammer überführt und in Schritt f) mit den in Schritt b) zugegebenen Vulkanisationschemikalien und der in Schritt d) gewalzten Kautschukgrundmischung zu einer Kautschukfertigmischung gemischt.
Ein Vorteil des vorstehenden Aspekts der vorliegenden Erfindung ist, dass auf prozesstechnisch besonders vorteilhafte Weise die Vulkanisationschemikalien der unteren Mischkammer hinzugefügt werden können und dies ohne zusätzliche Konstruktion an der oberen Mischkammer oder dem Walzwerk vorzunehmen.
In besonders hohem Maße bevorzugt ist eine Mischvorrichtung wie vorstehend beschrieben, umfassend

- eine obere zwei erste Mischrotoren umfassende Mischkammer, welche von einem Oberkammergehäuse, einer ersten Einfüllöffnung und einer ersten Auswurföffnung begrenzt wird und in der eine Temperatur T₁ vorliegt,
- eine untere zwei zweite Mischrotoren umfassende Mischkammer, welche von einem Unterkammergehäuse, einer zweiten Einfüllöffnung und einer zweiten Auswurföffnung begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung
- ein zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installiertes Walzwerk mit zwei koaxialen und entgegengesetzt drehbaren Walzen aufweist, wobei
- - die zwei Walzen so verschoben werden können, dass ein verstellbarer Walzenspalt zwischen den zwei Walzen ausgebildet werden kann, und
- - die Walzen so angeordnet sind, dass sich die Mittelparallele der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer in Lotrichtung unter dem geöffneten Walzenspalt befindet. wobei
- die Oberflächen der Walzen durch eine Kühlvorrichtung temperiert werden können und
- die Oberflächen der Walzen eine Temperatur aufweisen, die mindestens 80 °C unter der Temperatur T₁ liegt.

In besonders hohem Maße bevorzugt ist ein Verfahren wie vorstehend beschrieben dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Mischen einer Kautschukgrundmischung in der oberen Mischkammer, in der eine Temperatur T₁ vorliegt,
b) Zugabe von Vulkanisationschemikalien in die untere Mischkammer,
c) Überführung der Kautschukgrundmischung auf das zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installierte Walzwerk,
d) Walzen der Kautschukgrundmischung durch den Walzenspalt,
e) Überführung der gewalzten Kautschukgrundmischung in die untere Mischkammer zu den Vulkanisationschemikalien, und
f) Mischen der gewalzten Kautschukgrundmischung mit den in Schritt b) zugegebenen Vulkanisationschemikalien zu einer Kautschukfertigmischung,

- die Kautschukgrundmischung ein oder mehrere bifunktionelle Organosilane, ein Dienkautschuk und Kieselsäure umfasst und die Menge an Kieselsäure in der Kautschukgrundmischung mehr als 45 phr beträgt,
- die Temperatur der Walzenoberflächen und der Walzenspalt zwischen den Walzen so angepasst werden, dass die gesamte Kautschukgrundmischung nach Schritt d) kälter als 130 °C,
- die Zugabe in Schritt b) durch ein Förderband, welches räumlich zwischen der oberen und unteren Mischkammer und unterhalb der zwei Walzen (9, 10) installiert ist, stattfindet und
- zwischen Schritt c) und Schritt d) ein weiterer Schritt c-d) durchgeführt wird:
- c-d) Reagieren lassen der auf dem installierten Walzwerk liegenden Kautschukgrundmischung für 1 bis 10 Minuten.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch Kautschukfertigmischung durch ein Förderband direkt in die untere Mischkammer hinzugegeben werden. Die Zugabe dieser Kautschukfertigmischung kann vor, gleichzeitig oder nach der Zugabe der Vulkanisationschemikalien erfolgen. Bevorzugt wird die Kautschukfertigmischung vor den Vulkanisationschemikalien hinzugegeben.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten, auf die die Erfindung in ihrem Umfang aber nicht beschränkt ist, werden nun anhand der 1 und 2 näher beschrieben.
Figurenliste
Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsmäßen Tandemmischers, wobei das zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installierte Walzwerk geschlossen ist
2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsmäßen Tandemmischers, wobei das zwischen der oberen und der unteren Mischkammer installierte Walzwerk geöffnet ist

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 1 umfassend einen ersten Schacht 2, eine erste obere Mischkammer 3 mit zwei ersten Mischrotoren 7, 8. Zudem befindet sich unterhalb der ersten Auswurföffnung 4 die Mischerbühne 5 der oberen Mischkammer 3 und ein zweiter Schacht 6. Unterhalb des zweiten Schachtes 6 befindet sich das Walzwerk, welches zwei Walzen 9, 10 umfasst. Die zwei Walzen9, 10 sind in 1 miteinander in Kontakt, so dass sich der Walzenspalt im geschlossenen Zustand befindet. Zudem sind die zwei Walzen so angeordnet, dass sich die Mittelparallele 19 der Rotationsachsen 17, 18 der zwei zweiten Mischrotoren15, 16 in der unteren Mischkammer 12 in Lotrichtung 20 unter dem geschlossenen Walzenspalt der zwei Walzen 9, 10 befindet.
Zudem ist ein Förderband 11 gezeigt, über welches Vulkanisationschemikalien in die untere Mischkammer 12 zugegeben werden können. Die untere Mischkammer 12 umfasst zwei zweite Mischrotoren 15, 16. Am unteren Ende der Mischkammer 12 ist die zweite Auswurföffnung 13 gezeigt, durch welche die Fertigmischung aus der unteren Mischkammer 12 geworfen werden kann. Zudem ist die Mischerbühne 14 der unteren Mischkammer 14 gezeigt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 1 umfassend einen ersten Schacht 2, eine erste obere Mischkammer 3 mit zwei ersten Mischrotoren 7, 8. Zudem befindet sich unterhalb der ersten Auswurföffnung 4 die Mischerbühne 5 der oberen Mischkammer 3 und ein zweiter Schacht 6. Unterhalb des zweiten Schachtes 6 befindet sich das Walzwerk, welches zwei Walzen 9, 10 umfasst. Die zwei Walzen 9, 10 sind in 2 nicht miteinander in Kontakt, so dass ein Walzenspalt ausgebildet wird, d.h. der Walzenspalt befindet sich im geöffneten Zustand. Zudem sind die zwei Walzen 9, 10 so angeordnet, dass sich die Mittelparallele 19 der Rotationsachsen 17, 18 der zwei zweiten Mischrotoren 15, 16 in der unteren Mischkammer 12 in Lotrichtung 20 unter dem geöffneten Walzenspalt befindet.
Zudem ist ein Förderband 11 gezeigt, über welches Vulkanisationschemikalien in die untere Mischkammer 12 zugegeben werden können. Die untere Mischkammer 12 umfasst zwei zweite Mischrotoren 15, 16. Am unteren Ende der Mischkammer 12 ist die zweite Auswurföffnung 13 gezeigt, durch welche die Fertigmischung aus der unteren Mischkammer 12 geworfen werden kann. Zudem ist die Mischerbühne 14 der unteren Mischkammer 12 gezeigt.
Bezugszeichenliste

1: Mischvorrichtung
2: erster Schacht
3: obere Mischkammer
4: erste Auswurföffnung
5: Mischerbühne der Obermaschine
6: zweiter Schacht
7: erster Mischrotor
8: erster Mischrotor
9: Walze
10: Walze
11: Förderband
12: untere Mischkammer
13: zweite Auswurföffnung
14: Mischerbühne der Untermaschine
15: zweiter Mischrotor
16: zweiter Mischrotor
17: Rotationsachse des zweiten Mischrotors 15
18: Rotationsachse des zweiten Mischrotors 16
19: Querschnitt der Mittelparallele der Rotationsachsen der zwei zweiten Mischrotoren in der unteren Mischkammer
20: Lotrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0618055 B1 [0006]
DE 4309451 A1 [0007]
US 20020082333 A1 [0060]

Claims

Mischvorrichtung zum Mischen von Kautschukmischungen, umfassend - eine obere zwei erste Mischrotoren (7, 8) umfassende Mischkammer (3), welche von einem Oberkammergehäuse, einer ersten Einfüllöffnung und einer ersten Auswurföffnung (4) begrenzt wird und in der eine Temperatur T₁ vorliegt, - eine untere zwei zweite Mischrotoren (15, 16) umfassende Mischkammer (12), welche von einem Unterkammergehäuse, einer zweiten Einfüllöffnung und einer zweiten Auswurföffnung (13) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (1) - ein zwischen der oberen Mischkammer (3) und der unteren Mischkammer (12) installiertes Walzwerk mit zwei koaxialen und entgegengesetzt drehbaren Walzen (9, 10) aufweist, wobei - die zwei Walzen (9, 10) so verschoben werden können, dass ein verstellbarer Walzenspalt zwischen den zwei Walzen (9, 10) ausgebildet werden kann, und - die Walzen (9, 10) so angeordnet sind, dass sich die Mittelparallele (19) der Rotationsachsen (17, 18) der zwei zweiten Mischrotoren (15, 16) in der unteren Mischkammer (12) in Lotrichtung (20) unter dem geöffneten Walzenspalt befindet.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, wobei - die Oberflächen der Walzen durch eine Kühlvorrichtung temperiert werden können und/oder - die Oberflächen der Walzen eine Temperatur aufweisen, die mindestens 10 °C unter der Temperatur T₁ liegt.
Mischvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mischvorrichtung (1) zusätzlich Fördermittel aufweist, welche dazu geeignet sind, weitere Mischungsbestandteile der oberen Mischkammer (3) oder unteren Mischkammer (12) zuzuführen.
Mischvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Walzenspalt in Lotrichtung unter dem geometrischen Mittelpunkt der ersten Auswurföffnung (4) der oberen Mischkammer (3) befindet.
Verfahren zur Herstellung einer Kautschukfertigmischung durch eine Mischvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) Mischen einer Kautschukgrundmischung in der oberen Mischkammer (3), in der eine Temperatur T₁ vorliegt, b) Zugabe von Vulkanisationschemikalien in die untere Mischkammer (12), c) Überführung der Kautschukgrundmischung auf das zwischen der oberen und der unteren Mischkammer (3, 12) installierte Walzwerk, d) Walzen der Kautschukgrundmischung durch den Walzenspalt, e) Überführung der gewalzten Kautschukgrundmischung in die untere Mischkammer (12), und f) Mischen der gewalzten Kautschukgrundmischung mit den in Schritt b) zugegebenen Vulkanisationschemikalien zu einer Kautschukfertigmischung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei während Schritt d) - die Kautschukgrundmischung um mindestens 5 °C abgekühlt wird, und/oder - die Temperatur der Walzenoberflächen und der Walzenspalt zwischen den Walzen (9, 10) so angepasst werden, dass die gesamte Kautschukgrundmischung nach Schritt d) kälter als 160 °C ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Kautschukgrundmischung ein oder mehrere Organosilane umfasst und zeitlich zwischen Schritt c) und Schritt d) ein weiterer Schritt c-d) durchgeführt wird: c-d) Reagieren lassen der auf dem installierten Walzwerk liegenden Kautschukgrundmischung bis die Silanisierung der Organosilane größtenteils abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Kautschukgrundmischung mindestens eine Verbindung umfasst ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Organosilanen und funktionalisierten Polymeren und Kieselsäure umfasst.
Mischvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Menge an Kieselsäure in der Kautschukgrundmischung mehr als 45 phr beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Zugabe in Schritt b) durch ein Förderband (10), welches räumlich zwischen der oberen und unteren Mischkammer (3, 12) und unterhalb der zwei Walzen (9, 10) installiert ist, stattfindet.