DE102018010041B4

DE102018010041B4 - Vulkanisationsverfahren und Vulkanisationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018010041B4
Application number: DE102018010041.4A
Authority: DE
Inventors: Bengt Schmidt
Original assignee: Plastivation Machinery GmbH
Current assignee: Plastivation Machinery De GmbH
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: DE102018010041A1; WO2020127055A1

Abstract

Vulkanisationsverfahren zum Vulkanisieren von Kautschuk (130), umfassend:Erhitzen eines Materials (120) auf dessen Siedepunkt und dadurch Ausbilden von Dampf (125) über dem Material (120), der das Material (120) in seiner Gasphase aufweist;Einbringen von Kautschuk (130), dessen Temperatur kleiner als die Temperatur des Dampfes (125) ist, in den Dampf (125), wodurch der Dampf (125) auf dem Kautschuk (130) kondensiert und den Kautschuk (130) hierdurch auf eine Vulkanisationstemperatur erhitzt; undVulkanisieren des Kautschuks (130) mit der Vulkanisationstemperatur; wobei das Material (120) eine Flüssigkeit ist, deren Dampf schwerer ist als Luft;die Flüssigkeit in einem nach oben offenen Gefäß (110) erhitzt wird;der Dampf (125) sich in einem Arbeitsgebiet über der Flüssigkeit ausbildet;der Dampf (125) an Rändern des Arbeitsgebietes durch eine oder mehrere Kühlvorrichtungen (150) abgekühlt wird und hierdurch kondensiert, um hierauf in flüssigem Zustand zurück in das Gefäß (110) geleitet zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass der Kautschuk (130) für das Vulkanisieren auf einer Fördervorrichtung (140) im Fließbandverfahren durch den Dampf transportiert wird, wobei die Fördervorrichtung (140) einen allseitigen Kontakt des Dampfes (125) mit dem Kautschuk (130) ermöglicht und der Kautschuk (130) vor dem Vulkanisieren mittels eines Extrusionsverfahrens geformt oder extrudiert wurde und das Vulkanisationsverfahren sich direkt an das Extrusionsverfahren anschließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vulkanisationsverfahren und eine Vulkanisationsvorrichtung, insbesondere zum Vulkanisieren von in Extrusionsverfahren erzeugten bzw. geformten Kautschukelementen.
In Verfahren zur Herstellung von Gummielementen mittels Extrusion wird ein plastisch verformbarer Kautschuk oder eine plastisch verformbare, Kautschuk enthaltende Masse (im nachfolgenden der Einfachheit halber ebenfalls als „Kautschuk“ bezeichnet) durch einen Extruder in eine gewünschte Form gebracht. Hierauf wird das dadurch erzeugte/geformte Kautschukelement mittels Vulkanisation in ein Gummielement mit elastischen Eigenschaften umgewandelt. Für die Vulkanisation können hierbei sämtliche gängige Verfahren angewendet werden, wie etwa Schwefelvulkanisation oder Vulkanisation mittels Peroxiden oder Metalloxiden. Der Kautschuk muss hierzu natürlich mit den für die Vulkanisation notwendigen Bestandteilen, wie z.B. Schwefel, angereichert werden. Wenn im Folgenden von zu vulkanisierendem „Kautschuk“ gesprochen wird, ist diese Anreicherung stets vorausgesetzt.
Die für die Vulkanisation notwendige Temperatur wird üblicher Weise mittels eines Infrarotofens oder über Mikrowellenstrahlung erzeugt. Auch ist es möglich, die erzeugten Kautschukelemente für die Vulkanisation in ein Salzbad mit ausreichend hoher Temperatur zu tauchen.
Hierbei ergibt sich aber die Schwierigkeit, den Kautschukelementen in kontrollierter Weise Wärme zuzuführen. Zum einen kann bereits die Regelung auf eine bestimmte Temperatur schwierig sein, z.B. bei der Verwendung von beheizten Salzbädern, d.h. die Temperatur des als Wärmereservoir für die Erhitzung verwendeten Systems kann nicht ausreichend genau eingestellt werden. Zum anderen kann es aber auch schwierig sein, dem Kautschukelement an allen Stellen die gleiche Wärmemenge bereitzustellen, um es überall auf die gleiche Temperatur zu erhitzen. So kann z.B. bei Strahlungsheizung wie einer Infrarotheizung eine Abschattung durch Vorsprünge des Kautschukelements entstehen, die verhindert, dass ein im Schatten liegender Bereich des Kautschukelements auf die gleiche Temperatur aufgeheizt wird, wie ein den Schatten werfender Teil des Kautschukelements.
Daraus resultiert eine ungleiche Temperaturverteilung innerhalb des Kautschukelements, die eine gleichmäßige Umwandlung des Kautschuks in Gummi verhindern kann. Dadurch kann es nicht nur zu Ausschäumungen kommen, sondern auch zu unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften des fertigen Gummielements. Die Qualität von Gummibauteilen wird also durch einen räumlich uneinheitlichen Temperatureintrag bei der Vulkanisation herabgesetzt. Dies ist vor allem bei Gummielementen mit einer dünnen Wandstärke nachteilhaft, die typischerweise mittels Extrusion hergestellt werden, wie z.B. für Gummilippen wie sie etwa für Scheibenwischer verwendet werden oder für Laufsteifen für die Herstellung von Reifen.
Die GB 1 285 246 A offenbart eine Dampf-Vulkanisationsvorrichtung, bei der überhitzter Dampf in einen mit Kautschuk ausgekleideten Tank eingebracht wird.
In der EP 2 908 079 A1 ist eine Verbesserung der Energieeffizienz bei einer Reifenvulkanisation offenbart.
Die EP 0 282 973 A1 befasst sich mit verschiedenen Flüssigkeitsmischungen, die für eine Dampf-Vulkanisation verwendet werden können.
Die US 2 595 964 A offenbart gemäß einer zweiten Ausführungsform Kautschuk, der über ein Förderband in eine Kammer zur Dampf-Vulkanisation eingeführt wird. Dabei wird Wasserdampf für die Dampf-Vulkanisation verwendet.
In der DE 11 2014 007 111 T5 ist eine Chloroprenkautschauk-Zusammensetzung offenbart.
Die DE 29 06 173 A1 befasst sich mit einer Dampf-Vulkanisation in Druckrohren. Die Vulkanisation wird dabei über einen erhitzten Leiter und ein erhitztes Gas vorgenommen.
Die DE 614 054 A und die US 1 868 791 A offenbaren jeweils eine Dampf-Vulkanisation in geschlossenen Behältern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vulkanisationsverfahren bzw. eine Vulkanisationsvorrichtung anzugeben, mit denen die oben genannten Probleme abgemildert bzw. ausgeräumt werden können. Aufgabe ist insbesondere zu ermöglichen, Kautschuk bei einer bestimmten Temperatur räumlich gleichmäßig zu vulkanisieren. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Vulkanisationsverfahren zum Vulkanisieren von Kautschuk umfasst gemäß Anspruch 1 unter anderem folgende Maßnahmen: Erhitzen eines Materials auf dessen Siedepunkt und dadurch Ausbilden von Dampf über dem Material, der das Material in seiner Gasphase aufweist; Einbringen von Kautschuk, dessen Temperatur kleiner als die Temperatur des Dampfes ist, in den Dampf, wodurch der Dampf auf dem Kautschuk kondensiert und den Kautschuk hierdurch auf eine Vulkanisationstemperatur erhitzt; und Vulkanisieren des Kautschuks mit der Vulkanisationstemperatur.
Bei einem derartigen Vulkanisationsverfahren werden die physikalischen Grundprinzipien von Phasenübergängen für die Erhitzung des zu vulkanisierenden Kautschuks verwendet. Geht ein Teil eines Materials durch Sieden in die Gasphase über, so hängt die Temperatur des dadurch entstehenden Dampfes (neben den Umgebungsbedingungen) im Wesentlichen von der Siedetemperatur des Materials ab. Der Wärmeeintrag in das Material führt, nachdem die Siedetemperatur erreicht ist, zu keiner weiteren Erhitzung des Materials über die Siedetemperatur hinaus, sondern nur zu einer zunehmenden Verdampfung des Materials. Der sich über dem Material bildende Dampf wird durch die zunehmende Verdampfung nicht weiter aufgeheizt, so dass die Temperatur des Dampfes nur von der Siedetemperatur des Materials und den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Gesamtdruck, Dampfdruck der umgebenden Gase) abhängt. Durch geeignete Wahl von Material und Umgebungsbedingungen lässt sich die Temperatur des Dampfes also zielgenau einstellen.
Andererseits ist durch die mittels Kondensieren des Dampfes an der Oberfläche des Kautschuks stattfindende Wärmeübertragung gesichert, dass der Kautschuk maximal auf die Temperatur des umgebenden Dampfes gebracht werden kann. Beim Übergang von der Gasphase in die flüssige Phase gibt der Dampf Wärme an den Kautschuk ab. Erreicht der Kautschuk durch diese Wärmeübertragung die Temperatur des Dampfes, kann jedoch keine Kondensation mehr stattfinden, d.h. die Wärmeübertragung wird beendet.
Durch das Einbringen in die Dampfphase kann ein Kautschukelement also auf eine bestimmte Vulkanisationstemperatur gebracht werden. Zudem findet die Kondensation des Dampfes auf dem Kautschuk an allen Stellen der Oberfläche des Kautschuks statt, z.B. auch in schmalen Öffnungen. Die Temperatur des Kautschukelements wird also von dessen Oberfläche aus von allen Seiten gleichmäßig auf die Vulkanisationstemperatur gebracht und dadurch die Umwandlung von Kautschuk in Gummi durch die im Kautschuk enthaltenen Vulkanisationskomponenten wie etwa Schwefel in Gang gesetzt. Es ist damit möglich, den Kautschuk homogen und bei einer durch Wahl des erhitzten Materials bestimmbaren Temperatur zu vulkanisieren. Dadurch wird die Qualität der erzeugten Gummielemente erhöht.
Durch geeignete Platzierung des Kautschuks über dem siedenden Material kann zudem sichergestellt werden, dass das am Kautschuk kondensierte Material wieder zurück zu seiner Ausgangsposition gelangt, z.B. indem es von dem Kautschuk nach unten zurück auf das Material tropft oder fließt. Hierdurch wird der Verbrauch des für die Wärmeübertragung verwendeten Materials reduziert.
Optional ist es auch möglich, den Gummi nach vollständiger Vulkanisation durch externe Mittel, wie etwa Infrarotstrahlung, weiter zu erhitzen, um ein vollständiges Abdampfen des kondensierten Materials zu erreichen. Bei Einbringen in entsprechend gekühlte Zonen kann hierfür auch die während der Vulkanisation aufgenommene Eigenwäre des Gummis ausreichen. Der so erzeugte Dampf kann dann eingefangen werden, wodurch ebenfalls der Verbrauch des Materials durch Verschleppung reduziert werden kann.
Das zu erhitzende Material ist erfindungsgemäß eine, vorzugsweise chemisch inerte und elektrisch nicht leitende, Flüssigkeit, deren Dampf schwerer ist als Luft. Die Verwendung einer Flüssigkeit als zu erhitzendes Material erlaubt einen leichteren Transport des Materials, z.B. in Rohrleitungen. Zudem kann eine Flüssigkeit z.B. durch die Verwendung von in die Flüssigkeit tauchenden Heizwendeln oder dergleichen vergleichsweise leicht und homogen erhitzt werden.
Bei Verwendung einer chemisch inerten und elektrisch nicht leitfähigen Flüssigkeit wird die Sicherheit bei der Verarbeitung und dem Arbeiten mit der Flüssigkeit erhöht. Die Flüssigkeit kann zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und/oder eine große Wärmemenge beim Phasenübergang von gasförmig zu flüssig abgeben. Hierdurch wird die Erhitzung des Kautschuks vereinfacht.
Da der Dampf der Flüssigkeit schwerer als Luft ist, bildet der Dampf auch ohne äußeres Zutun eine „Dampfglocke“ über der Flüssigkeit. Diese kann ausschließlich aus verdampfter Flüssigkeit bestehen. Die Temperatur des Dampfes ist dann die Siedetemperatur. Auf diese Weise kann um den Kautschuk eine inerte Gasphase erzeugt werden, die insbesondere frei von Sauerstoff sein kann. Dies ermöglicht es, das Verfahren auf Vulkanisationsverfahren anzuwenden, die unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt werden müssen. Da dies typischerweise durch die aufwändige Verwendung von Salzbädern erreicht wird, wird durch das vorliegende Verfahren eine erhebliche Vereinfachung der Prozessführung erzielt.
Die Flüssigkeit wird erfindungsgemäß in einem nach oben offenen Gefäß erhitzt, und der Dampf bildet sich in einem Arbeitsgebiet über der Flüssigkeit aus und wird an Rändern des Arbeitsgebietes durch eine oder mehrere Kühlvorrichtungen abgekühlt. Hierdurch kondensiert der Dampf, um in flüssigem Zustand zurück in das Gefäß geleitet zu werden. Der Kautschuk wird hierbei für das Vulkanisieren in das Arbeitsgebiet eingebracht.
Ein derartiger Aufbau verhindert, dass Flüssigkeit durch horizontales Abwandern des Dampfes verloren geht, da der Dampf zuvor an den Kühlvorrichtungen kondensiert und in das Flüssigkeitsreservoir in dem Gefäß zurückgeleitet wird. Gleichzeitig wird aber auch das Einbringen des Kautschuks in die Dampfzone bzw. das Arbeitsgebiet erleichtert, da keine geschlossene Einhausung zum Halten der Dampfzone erforderlich ist. Der Kautschuk kann stattdessen durch Lücken zwischen den Kühlvorrichtungen in das Arbeitsgebiet eingebracht bzw. aus diesem herausgebracht werden. Es wird also bei einfachem Aufbau ein übermäßiger Flüssigkeitsverlust vermieden.
Erfindungsgemäß wird der Kautschuk auf einer Fördervorrichtung im Fließbandverfahren durch den Dampf transportiert, die einen allseitigen Kontakt des Dampfes mit dem Kautschuk ermöglicht, vorzugsweise auf einem Gitter oder über beabstandete Rollen. Der Kautschuk wird vor dem Vulkanisieren mittels eines Extrusionsverfahrens geformt (z.B. als Kautschukelemente oder als Kautschuk-Endlosstrang) und das Vulkanisationsverfahren schließt sich direkt an das Extrusionsverfahren an.
Eine derartige Förderung des Kautschuks durch den Dampf ermöglicht, dass Dampf auf einem genügend großen Teil der Oberfläche des Kautschuks bzw. sogar auf der gesamten Oberfläche kondensieren kann. Dies erlaubt es, den Kautschuk im Fließbandverfahren durch den Dampf zu ziehen und dadurch zu vulkanisieren. Dadurch wird eine kontinuierliche Vulkanisation einer Serie von Kautschukelementen oder eines Kautschuk-Endlosstranges bei homogener und von oben begrenzter Temperatur ermöglicht.
Der Ausstoß einer Extrusionsvorrichtung kann also direkt vom Extrusionsauslass in die Dampfphase gefördert werden, um dort zu Gummi vulkanisiert zu werden. Dies erlaubt es, Gummielemente mit hoher Qualität in einem einzigen Arbeitsgang mit hoher Effizienz herzustellen.
Die Flüssigkeit kann Perfluorpolyether, PFPE, sein oder aufweisen. Die Siedetemperatur der Flüssigkeit kann zwischen 100°C, 120°C, 150°C, 165°C oder 180°C und 240°C, 260°C, 280°C oder 300°C liegen. PFPE zeichnet sich dadurch aus, dass es reaktionsträge ist und eine Siedetemperatur aufweist, die in einem weiten Temperaturbereich frei eingestellt werden kann, z.B. durch Stoffzusatz. Entsprechend eingestelltes PFPE ist z.B. unter den Markenbezeichnungen „Galden“, „Fomblin“ von der Firma „Solvay“ oder unter „Krytox“ von der Firma „Chemours“ erhältlich. Die für die Vulkanisation notwendige Temperatur kann also durch die Verwendung von PFPE in einfacher Weise gewählt werden. Zudem ermöglicht PFPE aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften die Ausbildung einer reinen Dampfphase ohne Beimengung von anderen Gasen. Hierdurch wird also eine inerte Vulkanisationsatmosphäre geschaffen.
Die Temperatur des Dampfes kann die Siedetemperatur des Materials sein und der Kautschuk kann durch die Kondensation des Dampfes auf die Siedetemperatur des Materials erhitzt werden. Durch Ausbilden einer ausreichend großen „Dampfglocke“ bzw. durch Verwendung des richtigen zu erhitzenden Materials kann der Dampf zumindest in einem bestimmten Bereich nur aus dem verdampften Material bestehen und genau die Siedetemperatur des Materials aufweisen. Bringt man den Kautschuk genau in diesen Bereich ein, nimmt dieser ebenfalls genau die Siedetemperatur der Flüssigkeit an. Die Auswahl bzw. Einstellung der Flüssigkeit auf eine bestimmte Siedetemperatur erlaubt es also, eine bestimmte Vulkanisationstemperatur festzulegen.
Insbesondere ist es möglich, Kautschuk sowohl im Endlosverfahren als auch in der Einzelstückfertigung zu vulkanisieren. Gestaltet man nämlich das Gefäß, in dem das Material verdampft wird, ausreichend lang oder groß aus, etwa als lange Rinne mit einer Länge von z.B. 2 m, 5 m, 10 m, 20 m, 30 m oder mehr, so können Kautschukelemente oder ein Kautschuk-Endlosstrang in kontinuierlicher Weise ausreichend lang durch den Dampf geführt werden, um sie vollständig zu vulkanisieren. Andererseits ist es bei begrenzten Platzverhältnissen auch möglich, den zu vulkanisierenden Kautschuk genügend lange in ein gerade ausreichend großes Dampfvolumen einzubringen, ihn nach vollständiger Vulkanisation wieder herauszunehmen und durch ein neues Kautschukelement zu ersetzen.
Optional kann der Kautschuk nach der Formgebung mittels Extrusion bereits in üblicher Weise vorgeheizt werden, z.B. durch einen Infrarotofen. Dadurch wird die in der Dampfphase aufzunehmende Wärmemenge reduziert, wodurch sich der für die Vulkanisation nötige Aufenthalt in der Dampfphase reduziert.
Die erfindungsgemäße Vulkanisationsvorrichtung zum Vulkanisieren von Kautschuk gemäß Anspruch 5 ist dazu geeignet, das erfindungsgemäße Vulkanisationsverfahren, wie es oben beschrieben wurde, auszuführen.
Die Vulkanisationsvorrichtung umfasst hierzu ein nach oben offenes Gefäß mit dem Material, Heizvorrichtung(en) zum Heizen des Materials in dem Gefäß, Kühlvorrichtung(en) zum Kühlen des Dampfes, eine Rückleitvorrichtung zum Rückführen des durch die Kühlvorrichtung(en) gekühlten und verflüssigten Dampfes und eine Fördervorrichtung zum Transportieren des Kautschuks durch den Dampf im Fließbandverfahren.
Die erfindungsgemäße Vulkanisationsvorrichtung weist auch eine vorgelagerte Extrusionsvorrichtung zum Formen des Kautschuks (z.B. in ein Kautschukelement oder in einen Kautschuk-Endlosstrang) auf.
Mit derartigen Vulkanisierungsvorrichtungen ist es möglich, Kautschuk in verlässlicher Weise bei einer bestimmten Temperatur in homogener Weise zu vulkanisieren.
Beispiele für Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass diese Ausgestaltungen rein beispielhaft sind. Die vorliegende Erfindung ist alleine durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigt:

1 ein schematisches Ablaufdiagram eines Vulkanisationsverfahrens;
2 eine schematische Darstellung einer Vulkanisationsvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Vulkanisationsvorrichtung; und
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Vulkanisationsvorrichtung.

Mit Bezug auf die 1 soll ein Verfahren zur Vulkanisation von Kautschuk beschrieben werden. Der Begriff „Kautschuk“ wird hierbei derart verstanden, dass er jede Mischung von Materialien einschließt, die einen plastisch verformbaren Bestandteil aufweisen, der durch Vulkanisation derart erstarrt, dass er nurmehr elastisch verformbar ist. Die im Folgenden erwähnten Kautschuke umfassen auch Bestandteile, die unter Hitzeeinwirkung die Umwandlung von plastischer Verformbarkeit in elastische Verformbarkeit bewirken. Der Begriff „Gummi“ soll alle durch Vulkanisation erzeugten Materialien umfassen. Konkrete Beispiele für verwendbare Kautschuke und die damit herstellbaren Gummis sind aus dem Stand der Technik bekannt und brauchen deshalb hier nicht aufgeführt zu werden.
Gemäß des in dem Ablaufdiagramm der 1 schematisch dargestellten Verfahrens wird bei S100 ein Material auf dessen Siedepunkt erhitzt, um einen Teil des Materials zu verdampfen. Hierdurch entsteht eine Dampfphase über dem Material.
Erfindungsgemäß wird für das Material eine Flüssigkeit verwendet, deren Dampf schwerer ist als Luft, die z.B. in einem beheizbaren Gefäß gehalten wird. Als Flüssigkeit bieten sich hierbei insbesondere chemisch inerte und elektrisch nichtleitende Flüssigkeiten an, da mit diesen mit weniger Risiko gearbeitet werden kann und/oder diese eine Vulkanisation in inerter Dampfphase unter Sauerstoffausschluss ermöglichen. Zudem muss der Siedepunkt des verwendeten Materials bzw. der Flüssigkeit ausreichend hoch sein, um für die Vulkanisation genutzt werden zu können und z.B. einen Wert zwischen 100°C, 120°C, 150°C, 165°C oder 180°C und 240°C, 260°C, 280°C oder 300°C aufweisen. Bei der Flüssigkeit kann es sich z.B. um Perfluorpolyether, PFPE, handeln.
Durch das Verdampfen des Materials bildet sich über dem Material eine Dampfphase aus. Diese wird typischer Weise aus einem Gemisch der Umgebungsatmosphäre und des Materialdampfes bestehen. Die Eigenschaften der Dampfphase hängen dann von der Umgebungsatmosphäre, wie z.B. Luft, und der Siedetemperatur des Materials ab. Zudem wird die Dampfphase durch die physikalischen Parameter der Umgebungsatmosphäre wie Druck, Temperatur und Zusammensetzung beeinflusst. Insbesondere die Temperatur der Dampfphase wird aber im Wesentlichen von der Siedetemperatur des Materials abhängen, insbesondere im inneren Bereich der Dampfphase, der fast ausschließlich aus dem verdampften Material besteht. Von der Umgebung verursachte Abweichungen in der Temperatur von der Siedetemperatur können dort in erster Näherung als vernachlässigbar angesehen werden.
Die Reinheit des Dampfes und damit die Gleichheit von Dampftemperatur und Siedetemperatur können hierbei dadurch verbessert werden, dass ein möglichst großer Bereich der Dampfphase von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt wird. Dies kann dadurch geschehen, dass das Material in einem nahezu geschlossenen Raum verdampft wird, aus dem dadurch nach und nach die Umgebungsatmosphäre verdrängt wird.
Eine reine Dampfphase kann sich aber auch dann ausbilden, wenn das Material in seiner Gasphase schwerer ist als die Umgebungsatmosphäre, wie etwa Luft. Der Dampf sammelt sich dann zunächst direkt über dem Material und drängt die Umgebungsatmosphäre nach oben und nach außen. Durch ausreichend rasches Verdampfen bei gleichzeitigem Sammeln des nach außen drängenden Dampfes durch Kondensation an hierfür vorgesehenen Kühlvorrichtungen kann über dem Material ein ausreichend großes Volumen mit reinem Dampf ausgebildet werden. Dieses Volumen kann hierbei den Bedürfnissen der Vulkanisation entsprechend und nahezu beliebig gewählt werden. So ist es zum Beispiel möglich, bei Erzeugung eines ausreichend großen Dampfvolumens, z.B. über einer langen Rinne oder dergleichen, Kautschuk, etwa als Strang, in Endlosproduktion durch den Dampf zu führen. Bei kleineren Dampfvolumina können einzelne Kautschukelemente nacheinander in den Dampf ein- und ausgebracht werden.
In den Dampf wird hierauf bei S110 ein zu vulkanisierender Kautschuk bzw. ein Kautschukelement eingebracht. Dies kann auch das Einbringen einer Serie von Kautschukelementen hintereinander umfassen, z.B. auch in Endlosproduktion, oder das Einbringen eines Kautschuk-Endlosstranges.
Der Kautschuk weist dabei eine Temperatur auf, die unter der Dampftemperatur bzw. Siedetemperatur des Materials liegt. Dadurch kondensiert der Dampf auf der Oberfläche des Kautschuks. Die dabei freiwerdende Wärme geht zum Teil auf den Kautschuk über und erwärmt diesen. Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis der Kautschuk die Temperatur des Dampfes angenommen hat. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt keine Kondensation des Dampfes mehr, der Kautschuk wird also nicht mehr weiter erwärmt.
Dadurch wird ermöglicht, den Kautschuk für die Vulkanisation auf die Temperatur des Dampfes aufzuheizen. Bei Kenntnis der Umgebungsbedingungen bzw. bei ausreichend großem Dampfvolumen kann die Vulkanisationstemperatur deshalb in Abhängigkeit von der Siedetemperatur des Materials eingestellt werden. Vorzugsweise entspricht die Vulkanisationstemperatur der Siedetemperatur, z.B. wenn der Kautschuk in das Innere des Dampfvolumens eingebracht wird.
Der Kautschuk wird hierbei relativ rasch auf die Vulkanisationstemperatur gebracht. Die dafür nötige Zeit hängt neben der Ausgangstemperatur des Kautschuks bei Eintritt in die Dampfphase auch von der Masse und/oder Form des Kautschukelements ab. Bei sehr dünnen Kautschukelementen, wie etwa Folien oder Lippen kann die Vulkanisationstemperatur innerhalb von Millisekunden oder sogar nahezu instantan erreicht werden. Bei dickwandigen Elementen kann die nötige Zeit einige Sekunden betragen, z.B. 1 s, 5 s, 10 s, 60 s.
Die für die Erreichung der Dampftemperatur nötige Zeit kann hierbei durch Vorheizen des Kautschuks durch andere Mittel wie eine Infrarotheizung oder dergleichen reduziert werden.
Dies ermöglicht es, eine Serie von Kautschukelementen oder einen Kautschuk-Endlosstrang kontinuierlich durch den Dampf zu fördern, um sie/diesen auf die Vulkanisationstemperatur zu bringen. Vorzugsweise wird der Kautschuk hierbei derart durch den Dampf transportiert, dass nahezu seine gesamte Oberfläche mit dem Dampf in Kontakt steht, bzw. Auflagepunkte des Kautschuks derart variieren, dass über den Transport durch den Dampf die gesamte Oberfläche Kontakt zu dem Dampf hat. Dies erlaubt es, Wärme an ausreichend vielen Stellen der Oberfläche in den Kautschuk einzubringen, um eine homogene Erhitzung des Kautschuks zu ermöglichen.
Hierzu eignen sich z.B. Förderbänder, bei denen die Kautschukelemente auf Gittern aufliegen, die ein Durchtreten des Dampfes erlauben. Alternativ können die Kautschukelemente auch mittels Rollen gefördert werden, die einen Abstand aufweisen, der ein Durchtreten des Dampfes erlaubt, aber nicht ein Herunterfallen oder eine Verformung der Kautschukelemente. Es versteht sich aber von selbst, dass auch jede andere Art von Fördervorrichtung verwendet werden kann, die ausreichenden Kontakt zwischen Kautschuk und Dampf erlaubt. Bei Verwendung eines entsprechenden Behältnisses für die zu verdampfende Flüssigkeit kann durch eine solche Förderung Kautschuk im Endlosbetrieb vulkanisiert werden.
Bei S120 erfolgt aufgrund der Erhitzung des Kautschuks die Vulkanisation des 15 Kautschuks. Hierbei kann es sich um ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Vulkanisationsverfahren handeln, z.B. Schwefelvulkanisation oder Vulkanisation mittels Peroxiden oder Metalloxiden. Da derartige Verfahren und die hierzu nötigen Kautschukmischungen einem Fachmann bekannt sind, braucht hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
Bei dem Verfahren stammen die zu vulkanisierenden Kautschukelemente aus einem Extrusionsvorgang. Die mit einer erfindungsgemäß verwendeten Extrusionsvorrichtung erzeugten Kautschukelemente werden dann über eine Fördervorrichtung direkt der Vulkanisation zugeführt, z.B. als noch nicht in Einzelkomponenten getrennte Endloskomponente. Dies erlaubt es, in einem Arbeitsgang extrudierte Gummielemente herzustellen.
In der 2 ist ein schematisch ein Beispiel für eine Vulkanisationsvorrichtung 100 gezeigt, mit der sich das oben beschriebene Verfahren ausführen lässt.
Die Vulkanisationsvorrichtung 100 weist ein Gefäß 110 auf, das mit der zu verdampfenden Flüssigkeit 120 gefüllt ist. Die Dimensionierung des Gefäßes 110 ist hierbei beliebig und richtet sich nach dem Dampfvolumen, das erzielt werden soll, bzw. nach der Größe des zu vulkanisierenden Kautschuks/Kautschukelements 130 oder der verwendeten Fertigungstechnik (Endlosproduktion oder Einzelstückvulkanisierung).
Bei dem Gefäß 110 kann es sich z.B. um eine mit Flüssigkeit gefüllte Schale oder einen Kessel handeln. Das Gefäß 110 kann aber auch eine lange Rinne bzw. ein langer Trog mit einer Länge von z.B. 2 m, 5 m, 10 m, 20 m, 30 m oder mehr sein. Es ist anzumerken, dass die 2 rein schematisch ist und allein der Verdeutlichung dient. Tatsächliche Abmessungen können aus der 2 nicht abgeleitet werden.
Das Material 120 wird in dem Gefäß 110 durch nicht gezeigte Heizvorrichtungen bis zu seiner Siedetemperatur erhitzt. Als Heizvorrichtungen können jegliche Mittel verwendet werden, die das Gefäß 110 und/oder das Material 120 erhitzen, wie z.B. elektrische Heizwendel oder -platten, induktive Heizung oder Strahlungsheizung.
Bei dem Material 120 kann es sich z.B. um eine Flüssigkeit handeln, deren Siedepunkt im Bereich zwischen 100°C bis 300°C liegt, etwa bei 120°, 150°C, 175°C, 200°C, 220°C, 245°C, 270°C oder 290°C. Zum Beispiel kann PFPE als Material verwendet werden.
Das verdampfende Material 120 bildet oberhalb des Materials 120 einen mit Dampf 125 gefüllten Bereich. Innerhalb des Dampfes 125 bildet sich eine Zone aus, in der die Temperatur des Dampfes im Wesentlichen, d.h. in erster Näherung, durch die Siedetemperatur des Materials 120 bestimmt ist. Zum Beispiel kann bei einer nahezu reinen Dampfphase, die fast ausschließlich aus dem verdampften Material 120 besteht, die Dampftemperatur gleich der Siedetemperatur sein. Bei der
Verwendung einer Flüssigkeit als Material 120, deren Dampf 125 schwerer ist als die Umgebungsatmosphäre, etwa Luft, verdrängt der Dampf 125 jegliches andere Gas von der Oberfläche der Flüssigkeit. Es entsteht dann eine reine Dampfphase, deren Temperatur gleich der Siedetemperatur der Flüssigkeit ist. Ist die Flüssigkeit bzw. der Dampf 125 zudem chemisch inert, kann das Vulkanisationsverfahren auch zur Vulkanisation unter Sauerstoffausschluss verwendet werden.
In eine derartige Zone des Dampfes 125 wird Kautschuk 130 durch eine Fördervorrichtung 140 eingebracht. In der 2 ist die Fördervorrichtung 140 als eine Reihe von beabstandeten Rollen dargestellt, die den Kautschuk 130 durch Drehung entlang des Pfeiles von rechts nach links transportieren. Dadurch kommt jeder Bereich der Oberfläche des Kautschuks 130 mit dem Dampf 125 in Kontakt, so dass die oben beschriebene Wärmeübertragung durch Kondensation des Dampfes 125 auf der Kautschukoberfläche gleichmäßig über die Oberfläche verteilt erfolgt. Dadurch wird eine homogene Temperaturerhöhung des Kautschuks 130 und damit eine homogene Vulkanisation ermöglicht.
Es kann aber auch jede andere Fördervorrichtung 140 im Fließbandverfahren verwendet werden, die eine ausreichend homogene Vulkanisation ermöglicht. Zum Beispiel kann der Kautschuk 130 auch auf einem Gitter liegend in den Dampf 125 transportiert werden, das derart ausgestaltet ist, dass Auflageflächen klein sind gegen dem Dampfkontakt zugängliche Flächen des Kautschuks 130. Auch hier kann der Dampf 125 an nahezu allen Stellen des Kautschuks 130 kondensieren. In der Endlosfertigung muss durch die Dimensionierung des Gefäßes 110 sichergestellt werden, dass der Kautschuk 130 bis zur vollständigen Vulkanisation durch den Dampf 125 läuft.
Der Kautschuk 130 verbleibt ausreichend lange im Dampf 125, um durch Kondensation des Dampfes 125 am Kautschuk 130 diesen auf die Temperatur des Dampfes 125 zu bringen, die vorzugsweise der Siedetemperatur des Materials 120 entspricht. Wie oben beschrieben führt aufgrund des zugrundeliegenden physikalischen Prinzips für die Wärmeübertragung auch eine Verweildauer über der Mindestzeit für das Erreichen dieser Temperatur nicht zu einer weiteren Erhitzung des Kautschuks 130. Vielmehr ist die Maximaltemperatur des Kautschuks 130 in erster Näherung die Dampftemperatur. Durch die Erhitzung des Kautschuks 130 5 wird dieser zu Gummi vulkanisiert und kann dann wieder aus dem Dampf 125 entnommen werden, z.B. wie in der 2 gezeigt durch Weiterbewegen auf einer als Fließband ausgestalteten Fördervorrichtung 140.
Zur Vermeidung von Verschleppung des auf dem Kautschuk 130 kondensierten 10 Materials 120 kann der zum Gummi vulkanisierte Kautschuk 130 nach Ausbringen aus dem Dampf 125 weiter geheizt werden, um das kondensierte Material 120 wieder abzudampfen und über dafür geeignete Vorrichtungen einzusammeln. Die Eigenhitze des Gummis kann bei entsprechender Umgebung auch ausreichend sein, das kondensierte Material 120 zumindest teilweise wieder zu verdampfen, z.B. bei ausreichend geringer Umgebungstemperatur oder ausreichend geringem Umgebungsdruck.
Durch die Verwendung der Vulkanisationsvorrichtung 100 können Kautschukelemente also bei einer fest vorgebbaren Temperatur in einfacher Weise vulkanisiert werden. Insbesondere ist eine fließbandbasierte Verarbeitung möglich.
In der 3 ist eine Kühlvorrichtung 150 gezeigt, die dazu dient, den Dampf 125 auf ein bestimmtes Arbeitsgebiet einzugrenzen. Breitet sich der Dampf 125 nämlich bei zunehmender Verdampfung des Materials 120 weit über die Ränder des Gefäßes 110 aus, so kann Material 120 verloren gehen, wodurch es zu Kostensteigerungen durch übermäßigen Nachführbedarf des Materials 120 kommt. Dies kann zwar prinzipiell auch dadurch verhindert werden, dass die gesamte Vulkanisationsvorrichtung 100 oder der von ihr produzierte Dampf 125 eingehaust werden, um so den Dampf auf ein bestimmtes Volumen zu begrenzen. Dies bringt aber den Nachteil mit sich, dass dadurch das Einbringen des Kautschuks 130 in die innere Zone des Dampfes 125 erschwert wird und der Einbau von zusätzlichen Einlassvorrichtungen, wie etwa Klappen oder Schleusen, notwendig gemacht wird.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Kühlvorrichtung 150 bietet hierzu eine Alternative. Durch sie wird am Rand eines Volumenbereiches, der von dem Dampf 125 gefüllt werden kann, eine Abkühlung erzeugt, die dafür sorgt, dass der Dampf 125 kondensiert und mittels einer Rückleitvorrichtung 160 in flüssigem Zustand zurück in das Gefäß 110 geleitet werden kann.
Wie in der 3 schematisch dargestellt, kann es sich bei der Kühlvorrichtung 150 um eine Anordnung von Kühlwendeln handeln, die das Dampfvolumen wie ein Käfig umgibt. Der Dampf 125 kondensiert dann an den Kühlwendeln und tropft entweder direkt zurück in das Gefäß 110 oder wird aufgefangen und über die Rückleitvorrichtung 160 in das Gefäß 110 geleitet. Die Rückleitvorrichtung 160 ist in der 3 schematisch als schräg angeordneter Kragen dargestellt, der das kondensierte Material 120 in das Gefäß 110 leitet.
Der in der 3 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigte Kautschuk 130 kann, wie auch mit Bezug auf die 2 beschrieben, über die Fördervorrichtung 140 durch Lücken in der Struktur der Kühlvorrichtung 150 in den Dampf 125 eingebracht und aus diesem entfernt werden. Dies beeinträchtigt die Fähigkeit der Kühlvorrichtung 150 nicht, den Dampf 125 auf ein bestimmtes Arbeitsvolumen zu begrenzen, da das zur Abkühlung und damit Auskondensation des Dampfes 125 notwendige Temperaturgefälle auch innerhalb der für das Ein- bzw. Ausbringen des Kautschuks 130 vorgesehenen Lücke aufrechterhalten werden kann, wenn diese nicht zu groß ausgestaltet wird. Zum Beispiel kann ein Förderband den Kautschuk 130 zwischen Kühlwendeln hindurch in den Dampf 125 ein- bzw. aus ihm ausbringen.
Es versteht sich von selbst, dass die Kühlvorrichtung 150 auch jede andere Gestalt annehmen kann, die dafür sorgt, dass ein vom Arbeitsgebiet für die Vulkanisation aus abfallender Temperaturgradient entsteht, der zu einer weitgehenden Auskondensation des Dampfes 125 in einem bestimmten Bereich führt und so eine Rückführung des kondensierten Materials 120 zurück in das Gefäß 110 erlaubt.
Dadurch kann ein unnötiger Verbrauch des Materials 120 durch übermäßiges Verschleppen verhindert werden. Übermäßiges Verschleppen wird zudem auch durch die Verwendung eines Materials 120 verhindert, das im gasförmigen Zustand schwerer ist als Luft, da sich der Dampf 125 dann nahe der Oberfläche des Materials 120 sammelt. Auch die Erhitzung des Kautschuks 130 über dem Gefäß 110 verhindert naturgemäß die Verschleppung, da auf dem Kautschuk 130 auskondensiertes Material 120 zurück in das Gefäß 110 fällt.
Weitere, nicht gezeigte Rückleitvorrichtungen können auch entlang des Weges des durch Vulkanisation hergestellten Gummis angeordnet sein, nachdem dieser die Dampfphase verlassen hat. Diese können z.B. geeignet sein, durch Ausheizen des Gummis verdampfte Kondensationsrückstände aufzufangen und zurück in das Gefäß 110 zu leiten.
In der 4 ist schematisch die Vulkanisation von Kautschukelementen gezeigt, die in einer Extrusionsvorrichtung 200 erzeugt wurden. Kautschuk 130 wird hierbei von der Extrusionsvorrichtung 200 in eine bestimmte Form gebracht ausgegeben. Alternativ kann die Extrusionsvorrichtung 200 einen Kautschuk-Endlosstrang erzeugen bzw. formen. Die Funktionsweise von Extrusionsvorrichtungen 200 ist hierbei bekannt und braucht deshalb an dieser Stelle nicht weiter erklärt zu werden.
In der in der 4 schematisch dargestellten Erweiterung der Vulkanisationsvorrichtung 100 wird der von der Extrusionsvorrichtung 200 extrudierte Kautschuk 130 über eine Fördervorrichtung 140, etwa die oben besprochene Anordnung von sich drehenden Rollen oder ein mit gitterförmigen Ablagen versehenes Fließband in die durch die Vulkanisationsvorrichtung 100 erzeugte Dampfphase eingebracht, dort erhitzt und damit vulkanisiert. Anschließend wird der hierdurch erzeugte Gummi zur weiteren Verarbeitung aus der Dampfphase herausgefördert. Obwohl hier nicht gezeigt, weist die Vulkanisationsvorrichtung 100 auch in diesem Beispiel eine Kühlvorrichtung 150 und eine Rückleitvorrichtung 160 auf, wie sie mit Bezug auf die 3 beschrieben wurden. Es versteht sich zudem von selbst, dass anstatt getrennter Kautschukelemente auch ein zusammenhängender Kautschukstrang durch den Dampf 125 geführt werden kann.
Zudem kann eine nicht dargestellte Heizvorrichtung zwischen dem Extrusionsauslass und der Dampfphase angeordnet sein, die den Kautschuk auf eine vorgegebene Temperatur bringt, die unter der Dampftemperatur bzw. Vulkanisationstemperatur liegt. Dies ermöglicht es, die nötige Verweildauer in der Dampfphase zu beeinflussen.
Mit der Vulkanisationsvorrichtung 100, wie sie in der 4 schematisch dargestellt ist, lassen sich also serienmäßig Gummielemente mittels Extrusion herstellen, die aufgrund der homogenen Erhitzung und der vorgebbaren Vulkanisationstemperatur höchsten Qualitätsansprüchen genügen.
Bezugszeichenliste

100: Vulkanisationsvorrichtung
110: Gefäß
120: Material
125: Dampf
130: Kautschuk
140: Fördervorrichtung
150: Kühlvorrichtung
160: Rückleitvorrichtung
200: Extrusionsvorrichtung

Claims

Vulkanisationsverfahren zum Vulkanisieren von Kautschuk (130), umfassend: Erhitzen eines Materials (120) auf dessen Siedepunkt und dadurch Ausbilden von Dampf (125) über dem Material (120), der das Material (120) in seiner Gasphase aufweist; Einbringen von Kautschuk (130), dessen Temperatur kleiner als die Temperatur des Dampfes (125) ist, in den Dampf (125), wodurch der Dampf (125) auf dem Kautschuk (130) kondensiert und den Kautschuk (130) hierdurch auf eine Vulkanisationstemperatur erhitzt; und Vulkanisieren des Kautschuks (130) mit der Vulkanisationstemperatur; wobei das Material (120) eine Flüssigkeit ist, deren Dampf schwerer ist als Luft; die Flüssigkeit in einem nach oben offenen Gefäß (110) erhitzt wird; der Dampf (125) sich in einem Arbeitsgebiet über der Flüssigkeit ausbildet; der Dampf (125) an Rändern des Arbeitsgebietes durch eine oder mehrere Kühlvorrichtungen (150) abgekühlt wird und hierdurch kondensiert, um hierauf in flüssigem Zustand zurück in das Gefäß (110) geleitet zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass der Kautschuk (130) für das Vulkanisieren auf einer Fördervorrichtung (140) im Fließbandverfahren durch den Dampf transportiert wird, wobei die Fördervorrichtung (140) einen allseitigen Kontakt des Dampfes (125) mit dem Kautschuk (130) ermöglicht und der Kautschuk (130) vor dem Vulkanisieren mittels eines Extrusionsverfahrens geformt oder extrudiert wurde und das Vulkanisationsverfahren sich direkt an das Extrusionsverfahren anschließt.
Vulkanisationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Perfluorpolyether, PFPE, ist oder aufweist; und/oder die Siedetemperatur der Flüssigkeit zwischen 100°C, 120°C, 150°C, 165°C oder 180°C und 240°C, 260°C, 280°C oder 300°C liegt.
Vulkanisationsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Dampfes (125) die Siedetemperatur des Materials (120) ist; und der Kautschuk (130) durch die Kondensation des Dampfes (125) auf die Siedetemperatur des Materials (120) erhitzt wird.
Vulkanisationsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet durch Fördern des geformten oder extrudierten Kautschuks (130), von einem Extrusionsauslass in den Dampf (125).
Vulkanisationsvorrichtung (100) zum Vulkanisieren von Kautschuk (130), umfassend: ein nach oben offenes Gefäß (110) mit dem Material (120), wobei das Material (120) eine Flüssigkeit ist, deren Dampf schwerer ist als Luft; eine oder mehrere Heizvorrichtungen zum Heizen des Materials (120) in dem Gefäß (110); eine oder mehrere Kühlvorrichtungen (150) zum Kühlen des Dampfes (125); eine Rückleitvorrichtung (160) zum Rückführen des durch die eine oder mehreren Kühlvorrichtungen (150) gekühlten und verflüssigten Dampfes (125); eine Fördervorrichtung (140) zum Transportieren des Kautschuks (130) im Fließbandverfahren durch den Dampf (125); und eine Extrusionsvorrichtung (200) zum Formen oder Extrudieren des Kautschuks (130), wobei die Vulkanisationsvorrichtung dazu geeignet ist, ein Vulkanisationsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.