DE102018204831A1

DE102018204831A1 - Herstellung einer faserverstärkten Kautschukmischung

Info

Publication number: DE102018204831A1
Application number: DE102018204831.2A
Authority: DE
Inventors: Sören Fischer; Andre Schreek
Original assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kautschukmischung, die nach dem Verfahren hergestellte faserverstärkte Kautschukmischungen sowie die Verwendung der faserverstärkten Kautschukmischung als Material für Riemen oder Zahnriemen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kautschukmischung, die nach dem Verfahren hergestellte faserverstärkte Kautschukmischungen sowie die Verwendung der faserverstärkten Kautschukmischung als Material für Riemen oder Zahnriemen.
Kautschukmischungen bestehen aus mindestens einer Kautschuk-Komponente, einem Vernetzer sowie verschiedensten Zuschlagstoffen bzw. Füllstoffen.
Neben Kautschuk als Matrixpolymer besteht eine Mischung aus diversen Füllstoffen (z. B. Ruß), Weichmachern bzw. Plastikatoren, Aktivatoren, Vernetzern, Beschleunigern bzw. Verzögerern, Verarbeitungshilfsmitteln (z. B: Gleitmittel, innere Trennmittel), Treibmitteln sowie Spezialzusätzen (z. B. Farbe). Während der Kautschuk-Anteil Eigenschaften wie die Temperaturbeständigkeit (Warm, kalt), die Alterungs-/ Witterungsbeständigkeit, chemisches Beständigkeit und die Verarbeitung maßgeblich beeinflusst, bestimmt das Vernetzungssystem die Dichte, die Struktur und die Alterung. Durch den Einfluss auf die Dichte und die Struktur hat somit das Vernetzungssystem ebenfalls Einfluss auf die mechanischen sowie dynamischen Materialeigenschaften; gleichzeitig ist die Reaktionskinetik verantwortlich für das Verarbeitungs- und Vulkanisationsverhalten. Es kann daher der Einfluss der Einzelkomponente hinsichtlich der Viskosität, die Vulkanisationskinetik, die physikalischen Eigenschaften und die Lebensdauer unterschieden werden.
Zuschlagstoffe (auch Additive) wie Füllstoffe, Weichmacher (innere, äußere) und Alterungsschutzmittel aber auch Fasern werden ebenfalls für die Verbesserung von Materialeigenschaften sowie der Verarbeitbarkeit benötigt.
Um jedoch signifikant zur Steigerung der Eigenschaften beizutragen, muss die Anbindung der Faser zur Matrix bei einer möglichst homogenen Dispersität gewährleistet sein.
Zeitgleich wird angestrebt, dass die Fasern möglichst ohne Schädigung der Faserlänge zur Anwendung kommen. Eine inhomogene Verteilung zeigt sich in Form von Faseragglomeraten, die ausschließlich im fertigen Produkt zu erkennen sind. Diese Agglomerate sorgen für eine punktuelle strukturelle Schwächung des Matrixmaterials, da sie einen Fremdkörper darstellen. Die einzige Möglichkeit diese Problematik zu umgehen, ist die Entwicklung eines Mischverfahrens, das von vornherein eine gute Dispersität gewährleistet. Dies ist insbesondere bei Produkten erforderlich, die für den Betrieb von Maschinen relevant sind (z. B. Zahnriemen).
Derzeit faserverstärkten Kautschukmischungen werden, wie in der 1 dargestellt, gefertigt. Dabei wird zunächst eine Vormischung hergestellt, bei der zunächst Kautschuk auf ein so genanntes Brecherwerk aufgebracht wird.
Das Brecherwerk weist gewöhnlich eine Glattwalze und eine Riffelwalze aus. Dies ermöglicht eine gute Einarbeitung der Fasern in das Polymer auf Grund der gesteigerten Scherung. Ist der Kautschukballen gleichmäßig auf der Glattwalze verteilt, wird Fasermaterial möglichst gleichmäßig über dem Walzenspalt verteilt. Bei den Fasern kann es sich um natürlich gewonnene oder synthetisch hergestellte Fasern mit mannigfaltigen Faserlängen handeln. Zusätzlich können die Fasern mit einer Resorcinol-Formaldehyd-Latex-Beschichtung versehen sein. Diese Beschichtung dient der besseren Anbindung der Faser an die Matrix. Unmittelbar nach der Faserzugabe kommt es auf dem Brecherwerk vermehrt zu Fellabrissen, da die Härte des Kautschuk-Faser-Gemisches zunimmt. Die Fasern liegen zu diesem Zeitpunkt in einem schlecht dispergierten Zustand vor. Nach Abschluss der Vor-Batch-Herstellung wird das Fell abschließend manuell in längliche Stücke geschnitten und auf eine Palette gelegt.
Im Anschluss wird das Vor-Batch in einen Innenmischer überführt. Dort werden die weiteren Komponenten wie das restliche Kautschuk und Zuschlagstoffe zugegeben. Um Fasernester in der Mischung zu reduzieren, wird das Batch abschließend auf einem Glatt-Walzenwerk nachverteilt. Befindet sich die Mischung auf dem Walzwerk, wird unter der zusätzlichen Verwendung eines so genannten Stockblenders, der die Mischung nach oben hin wendet und im Anschluss wieder zurückführt, die Masse homogenisiert. Erst innerhalb dieses letzten Schrittes wird die Homogenität der faserverstärkten Mischung maßgeblich gesteigert. Dennoch verbleiben nicht aufgelöste Fasernester in der Mischung. Ist der Gesamt-Zyklus abgeschlossen, kann die Mischung an den Produktionsbetrieb ausgeliefert werden. Sind Faseragglomerate, z. B. bei der Riemenproduktion sichtbar, werden alle betroffenen Riemen aussortiert. Dies führt zu einem hohen Abfallaufkommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung lag deshalb in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer faserverstärkten Kautschukmischung, wobei durch hohe Dispergierung nahezu keine Faseragglomerate entstehen. Ferner war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, wobei die Faserlänge einer eingesetzten Faser weitestgehend erhalten bleibt.
Die Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kautschukmischung umfassend die Schritte:

a) Zugabe mindestens einer Kautschukverbindung und Fasern direkt in einen Innenmischer,
b) Mischen der Kautschukverbindung und Fasern im Innenmischer zum Erhalt einer Kautschuk-Fasermischung,
c) Überführen der Kautschuk-Fasermischung auf ein Walzwerk oder einen Doppel schneckenextruder.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Verfahren ohne Herstellung eines Vor-Batches, beispielsweise an einem Brecherwerk oder an Walzen. Dieser Verfahrensschritt führt in erheblichem Masse zu Agglomerationen und zu Faserverkürzungen. Das erfindungsgemäße Verfahren ohne Vor-Batch-Herstellung ist deshalb geeignet, die vorliegenden Probleme zu beseitigen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kautschukverbindung bevorzugt Naturkautschuk oder Synthesekautschuk. Am meisten bevorzugt ist eine Kautschukmischung, welche sowohl Mischungen verschiedener Naturkautschuke oder Synthesekautschuke als auch Mischungen aus Naturkautschuk und Synthesekautschuk. Insbesondere bevorzugt ist eine Mischung von hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Jedoch können, wie eben beschrieben, je nach gewünschter Anwendung auch Naturkautschuk sowie alle anderen bekannten Synthesekautschukverbindungen, alleine, oder als Mischung, in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Die Kautschukmischung kann ferner alle im Stand der Technik bekannten Zusatzstoffe, wie beispielsweise Vernetzungsmittel, Weichmacher, Füllstoffe Verarbeitungshilfsmittel, Oxidationsschutzmittel, Ozonschutzmittel und weitere Zuschlagsstoffe enthalten. Diese kann der Fachmann entsprechend der gewünschten Anwendung auswählen und variieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Fasern ausgewählt sind aus Aramid-, Carbon- und Polyesterfasern, oder Kombinationen der genannten.
Als Aramidfasern, Carbonfasern oder Polyesterfasern werden bevorzugt Fasern mit Längen von bis zu 15 mm, mehr bevorzugt 4-15 mm eingesetzt. Überraschend wurde festgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein geringerer Anteil der eingesetzten Fasern in ihrer Länge verkürzt wird. Der Anteil an Fasern ursprünglicher Länge kann um mehr als 20 %, bevorzugt mehr als 30 % und insbesondere mehr als 50 % im Vergleich zu einem Verfahren mit Vor-Batch-Herstellung erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt, wenn die Temperatur im Innenmischer beim Mischvorgang 80-170 °C beträgt, mehr bevorzugt 100-160 °C und insbesondere bevorzugt 110-140 °C. Die Rotordrehzahl des Innenmischers beträgt dabei bevorzugt von 5 bis 60 U/min, mehr bevorzugt 10 bis 35 U/min, noch mehr bevorzugt 15-30 U/min.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Schritt b) mindestens einmal wiederholt wird. Bevorzugt wird dabei weitere Kautschukmischung und Fasern zugegeben. Der Schritt b) kann vorzugsweise auch in einem weiteren Innenmischer erfolgen. Um eine ausreichend geringe Viskosität der Mischung einzustellen kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, dass ein Weichmacher oder ein weichmachendes Prozessöl zugegeben wird. Der Anteil an Weichmacher oder weichmachendem Prozessöl in der Mischung beträgt vorzugsweise 1-10 Gew.-%, mehr bevorzugt 2-8 Gew.-%.
Vor dem Mischprozess liegt der Kautschuk in Festform (z. B. Ballen) vor. Kautschukmischungen bestehen aus den Komponenten Polymer, Füllstoff, Weichmacher sowie sonstiger Hilfsmittel (z. B. Alterungsschutzmittel). Die Durchmischung von Kautschuk erfolgt primär durch mechanischen Energieeintrag per Innenmischer oder dem gemäß der Erfindung weniger bevorzugtem Walzwerk und sorgt für eine größtmögliche Durchmischung in kürzester Zeit. Es kann hierbei unterschieden werden zwischen einstufigen Mischungen und Mischungen, die unter Verwendung von Vor-Batchen hergestellt werden. Die Problematik bei der Vor-Batch Herstellung wurde bereits angesprochen. Bei den einstufigen Verfahren, die primär Verwendung finden, wird zunächst der Kautschuk vorgemischt und anschließend die weiteren Zuschlagstoffe zu dosiert. Zu beachten ist, dass die höher-viskose Komponente in der Viskosität durch Mastikation erniedrigt werden muss, um eine gute Durchmischung zu erreichen. Von einer guten Homogenität wird gesprochen, wenn alle Komponenten derart zerkleinert wurden, bis ein optisch einheitliches Material entsteht. Die Polarität der verwendeten Kautschuke und Zuschlagstoffe kann ggf. zur Problematik der präferentiellen Füllstoffverteilung kommen. Ruß und Öl führen zu einer verbesserten Dispersität.
Grundlegend kann zwischen dem dispersiven und distributiven Mischen unterschieden werden. Bei dem dispersiven Mischvorgang kommt es zu einer Zerkleinerung der beteiligten Komponenten. Auf dem Innenmischer und der Walze erfolgt das dispersive Mischen. Während das Walzwerk primär für die Homogenisierung eingesetzt wird, erfüllt der Innenmischer die Funktion eines Kneters, d.h. in diesem Arbeitsgang werden alle Rezepturbestandteile vermengt. Die Distribution findet u. a. am nachgelagerten Extruder statt. Bedingt durch die verwendete Peripherie verbleibt ein Teil der Zuschlagstoffe als Agglomerat in der Mischung. Bei dem distributiven Mischvorgang ist das Ziel einer einheitlichen Verteilung der Komponenten; unabhängig von dem Grad der Homogenität. Die Bestimmung des Durchmischungsgrades ist ausschließlich in nachgelagerten Stufen möglich. Dies ist von Nachteil, da zu diesem Zeitpunkt bereits die Mischungsherstellung abgeschlossen ist. Vor-Batches sind in der Lage, die Verteilung in der Mischung zu fördern oder zu blockieren.
Hohe Scherspannungen und große Agglomerate führen zu einer verbesserten Dispersität, da die Effizienz zum einen und die Wahrscheinlichkeit eines Agglomeratbruches zum anderen steigen.
Bei dem Mischprozess kommt es zunächst zu einer Luft-Verdrängung, sodass die Matrix in die Zwischenräume der Agglomerate eindringen kann. Dieser Vorgang wird als Inkorporation bezeichnet. In der nachfolgenden Dispersionsphase werden die Aggregate und Agglomerate verteilt. Hierbei kommt es zu einer Vergrößerung der Kontaktoberfläche von Ruß und Kautschuk. Je kleiner die Ruß-Oberfläche und je größer die Struktur, desto besser die Verteilung in der Matrix. Weiterhin kann die Verteilung gesteigert werden, wenn nach der Inkorporation der Mischung Öl zugegeben wird.
In dem Innenmischer kommt es durch Zugabe aller benötigten Füllstoffe zur letztendlichen Batchherstellung. Der Innenmischer besteht aus einem Fallschacht mit Stempel, einer Mischkammer mit Kneter-Rotorsystem sowie einem Auswurfschacht (Klappsattel) mit nachgelagerter Peripherie, der so genannten Batch-Off-Anlage. Durch den Fallschacht gelangen die benötigten Komponenten (z. B. Kautschuk, Ruß) der Rezeptur in die Mischkammer. Dort erfolgt die Durchmischung anhand ineinandergreifender oder tangierender Rotoren. Tangierende Innenmischer besitzen zwischen Rotor und Kammerwand die größte Scherzone. Hierbei kommt es zu einer Temperaturerhöhung, die den Einsatz von Vernetzungsmitteln zunächst ausschließt. Die Zugabe temperaturanfälliger Komponenten erfolgt daher in einer zweiten Stufe mit weniger Temperatureintrag. Zudem ist die Mischkammer kühlbar, um die Prozesstemperatur zu regulieren. Bei der Verarbeitung im Innenmischer ist ein zweistufiges Verfahren zu bevorzugen, da es zu hohen Verarbeitungstemperaturen kommt. Erst im zweiten Schritt wird ein Vernetzungsmittel der Mischung zugeführt. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es deshalb bevorzugt, dass der Schritt b) wenigstens einmal wiederholt wird. Das heißt, es wird ein weiteres Mal eine Vermischung im Innenmischer durchgeführt, wobei gegebenenfalls zusätzlicher Kautschuk und Fasern zugegeben werden. Vorzugsweise kann die Wiederholung des Schritts b) des erfindungsgemäßen Verfahrens auch in einem weiteren Innenmischer erfolgen, wobei dieser gleiche oder unterschiedliche mechanische Eigenschaften zum ersten Innenmischer aufweisen kann.
Ineinandergreifende Mischer sorgen für eine Durchmischung zwischen den Rotorflügeln und weniger zwischen Rotor und Kammerwand. Somit kann mit ineinandergreifenden Mischern eine bessere Durchmischung erreicht werden. Bevorzugt werden deshalb ineinandergreifende Mischer in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt. Ein Durchmischen zwischen den Rotoren ist gewöhnlich weniger stark ausgeprägt. Zur Steigerung der Scherung kann eine Modifikation der Rotorengeometrie (Anzahl Rotorfügel, Geometrie der Rotorflügel) vorgenommen werden. Zum Schutz der Rotoren können diese bevorzugt mit einer bis zu 5 mm starken Panzerung ausgerüstet werden. Dies gewährleistet einen konstanten Mischspalt. Durch den verfahrbaren Stempel kann der Druckaufbau in der Mischkammer reguliert werden. Nach Abschluss des Mischvorganges gelangt das Batch durch einen Klappsattel vorzugsweise in ein Walzwerk oder einen Doppel schneckenextruder.
Das Volumen des Innenmischers bei der Herstellung technischer Artikel liegt vorzugsweise bei 40 bis 250 1.
Die Erfindung soll nun anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wobei diese jedoch als nicht limitierend auf den Schutzumfang der Erfindung zu verstehen sind.
Figurenliste

1: zeigt Ergebnisse der Rauheitsmessung der Vor-Versuche am Vor-Batch.
2: zeigt Ergebnisse der Rauheitsmessung der Vor-Batches unter Aufsicht.
3: zeigt Mittlere Faserlänge der Groß-Versuche.
4: zeigt Faserlängenverteilung des IST-Prozesses.
5: zeigt Faserlängenverteilung der Vor-Serie.

Beispiele:
Messmethoden
Die verarbeiteten Proben, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt wurden, wurden an Hand folgender Prüfmethoden auf ihre Eigenschaften untersucht. Dies ermöglicht es, eine vergleichende Aussage zu treffen. Füllstoffe wie zum Beispiel Ruß können die Einsatzmöglichkeiten der am Markt verfügbaren Prüfmethoden reduzieren.
Optische Prüfung
Die optische Prüfung erfolgte primär, außer im laufenden Betrieb, an Spaltrahmen mit den Maßen 125 x 125 x 4 mm. Nach der Herstellung durch Vulkanisieren (180°C für 20 Minuten) werden diese mittels rotierender Rollmesser, die vertikal in ihrer Schneidhöhe verstellbar sind, geteilt. Wurde keine Spaltrahmen zur Begutachtung gefertigt, erfolgte die Beurteilung anhand von Digital-Mikroskopie-Aufnahmen.
Nach dem Heizen und dem Abkühlen werden die Platten mittig auf 2 mm gespalten und optisch auf Fasernester geprüft. Ist die Dispersität unzureichend, findet ein erneutes Nachverteilen statt (auch zwicken genannt). Nachteilig ist, dass es sich hierbei um ein subjektives Verfahren handelt, das keine gesicherte Reproduzierbarkeit ermöglicht.
Digital Mikroskopie
Für die Aufnahmen wurde das Digital-Mikroskop VHX-500 (Fa. Keyence Deutschland GmbH verwendet, das über einen 2,11 Millionen-Pixel CCD Bild-Sensor mit einer effektiven Auflösung von 1628 (horizontal) und 1236 (vertikal) Pixeln verfügt.
Raster-Elektronen-Mikroskopie
Die elektronenmikroskopischen Untersuchungen wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop Typ Supra 40 VP von Zeiss durchgeführt, die energiedispersive Röntgenspektroskopie mittels eines Bruker AXS Quantax 200-Systems. Die Genauigkeit der EDX-Analyse bewegt sich (bei einer idealen Probe) in einem Bereich von 0,1 % bei Elementen mit einer Ordnungszahl ≥ 13. Bei Elementen niedrigerer Ordnung beträgt die Genauigkeit bis zu 5%. Eine Identifikation von Bor oder leichteren Elementen ist nicht möglich.
Mooney-Viskosität (ISO 289)
Die Bestimmung der Mooney-Viskosität erfolgt entsprechend der Prüfnorm ISO 289 (unvernetztes Gummi) mittels einer Doppelbestimmung und erfolgt an dem Prüfgerät Mooney MV 200 E des Herstellers Monsanto [Mez11].
Messungen erfolgten bei einer gleichbleibenden Drehzahl von 2 min^-1. Die Untersuchung erfolgt nach Norm bei 100°C mit einer Vorheizzeit von einer Minute und einer Prüfdauer von vier Minuten (kurz: 1+4). Das Ergebnis der Messung wird in so genannten Mooney-Units [MU] ausgegeben, wobei 100 MU einem Drehmoment von 8,3 Nm entsprechen. Es ist i. d. R. ein Mindestwert von 40 MU zu erreichen. Der Rotor kann in den Varianten large (ML) und small (MS) vorliegen. Eine typische Messung trägt daher z. B. die Bezeichnung ML (1+4) bei 100 °C.
Production-Process-Analyzer (PPA)
Für die Untersuchung des elastischen Anteils wird ein Production-Process-Analyser der Fa. Alpha Technologies, Typ PPA 2000, verwendet. Messungen sind innerhalb eines Temperaturbereiches bis 230°C bei einer Frequenz von bis zu 50 Hz sowie einer Belastung von bis zu 90° durchführbar. Es dient der Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften des Kautschuks vor, während sowie nach der Aushärtung.
Damit sind produktionsnahe Testbedingungen abbildbar. Parameter sind die Oszillationsfrequenz [Hz], die Deformationsamplitude [°] als auch die Temperatur [°C]. Die Prüfkammer besteht aus einem Doppelkegel, wobei durch auf den Flächen befindlichen Rippen das Wandgleiten verhindert wird. Gleichzeitig ist die Deformation der Probe sichergestellt.
Im Ergebnis werden der Speichermodul G' und der Verlusmodul G" erhalten. G' beschreibt die von der Probe gespeicherte Energie, die durch die Scherung eingebracht wurde. Gleichermaßen beschreibt das Verlustmodul die dissipierte Energie.
Rauhigkeitsmessung (ISO 1997)
Bei der Rauhigkeitsmessung wird das Messsystem „SJ-410“ der Fa. Mitutoyo verwendet. Dabei wird die zu untersuchende Oberfläche mit einem Taster abgefahren, ähnlich einem Atomic Force Microscope. Bei weichen Kunststoffen sinkt dieser tiefer in die Oberfläche ein und kann das Messresultat verfälschen. Die Messtiefe beträgt 800 µm bei einer maximalen Auflösung von 0,000125 µm (lt. Herstellerangaben). Die Messkraft beträgt 0,75 mN.
Thermografie
Vorteilhaft an der Thermografie ist, dass es sich um ein berührungsloses Verfahren handelt, das in Echtzeit betrieben werden kann und das Ergebnis als flächenhaftes Temperaturprofil in Form eines Bildes ausgibt. Weiterhin ist es portabel, hygienisch und erlaubt Untersuchungen im laufenden Prozess. Die Genauigkeit bewegt sich bei +- 2K.
Röntgen
Röntgen- bzw. Gammastrahlen ermöglichen auf Grund ihrer kleinen Wellenlängen (0,3 bis 3 * 10^-5 nm) eine größere Frequenz (10¹⁸ bis 10²² MHz). Hierdurch können Sie zwischen den Atomen eindringen. Für die Fehleranalyse wird die Strahlungsabsorption verwendet. Je höher die Dichte eines Materials, desto stärker die Abschwächung der Strahlen.
Zur Kontrolle der Aufnahmequalität wird ein Drahtsteg-Test vorgenommen. Dabei gilt, je feiner der erkennbare Draht, desto höher die Aufnahmequalität. Ebenfalls führt eine Streuung der Strahlung zu einer Kontrastreduktion, weshalb die Auflösungsgrenze an auftretende Streuverluste gekoppelt ist. Eine Vergrößerung des Prüfobjektes ist über den Abstand zur der Röntgenquelle einstellbar. Ein hoher Kontrast ist durch einen hohen Dichteunterschied der zu untersuchenden Materialien möglich.
Mikrowellen
Bei Mikrowellen handelt es sich um elektromagnetische Welle, die über eine Frequenz von 300 MHz bis 10 GHz verfügen. Proben bzw. Fehlstellen in den Proben sind durch die dielektrische Leitfähigkeit identifizierbar, die in Form von reflektierter oder transmittierter Strahlung ausgewertet werden können. Bei der Mikrowellenanalyse handelt es sich um ein berührungsloses wie zerstörungsfreies Verfahren; aus Grund der großen Wellenlänge ist ein möglichst geringer Abstand zwischen Prüfkopf und Probe zu wählen.
Auf Grund der geringen elektrischen Leitfähigkeit von Polymeren sind diese gut per Mikrowellen zu untersuchen. Dabei wird die Reflexion des Prüfobjektes bzw. der Einfluss auf das Stehwellenfeld des Hohlleiters. Jede lokale Änderung im Material hat Einfluss auf die Reflexion. Liegen Fasern, mit Vorzugsrichtung, im Prüfobjekt vor entstehen polarisationsabhängige Effekte. Diese sind anhand des Stehwellenfeldes detektierbar. Bei der rasterförmigen Untersuchung eines Objektes sind somit z. B. die Faserorientierung oder Faseragglomerate darstellbar.
Verwendete Materialien
Elastomere
Therban C3446
Therban C3446 (Fa. Lanxess) ist ein hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk mit guten dynamischen Eigenschaften. Es besitzt eine Mooney-Viskosität von 61 MU, einen Acrylnitril-Anteil von 34 % sowie einen Gehalt an Doppelbindungen von 3,95 %. Die Dichte des reinen HNBR beträgt 0,95 g/cm³. Weiterhin ist es von einer leicht bräunlichen Färbung.
Therban 3629
Bei dem Therban 3629 (Fa. Lanxess) handelt es sich um ein hochviskoses HNBR. Es wird primär für Anwendungen mit einer hohen Beständigkeit gegen Wärme, Ozon sowie unpolare Kohlenwasserstoffe. Das hohe Molekulargewicht ermöglicht die Aufnahme hoher Füllstoff-Anteile. Die Mooney-Viskosität beträgt 87 MU bei einem Acrylnitril-Gehalt von 36%.
Zetpol 2001EP
Für die Überprüfung des Einflusses der Viskosität wurde für Versuche auf dem Brechwerk das niederviskose HNBR mit der Bezeichnung Zetpol 2001 EP (Fa. Zeon). Dieser Typ wird primär für spritzgießtechnische Anwendungen verwendet. Laut Datenblatt besitzt das Zetpol 2001 EP eine Mooney-Viskosität von 23 MU. Der Acrylnitril-Anteil beträgt 39 %.
Keltan 5260Q
Bei Keltan 5260Q (Fa. Lanxess) handelt es sich um einen semikristallinen Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (siehe Kapitel. Es besitzt eine mittlere Mooney-Viskosität von 55 MU und einen Ethylen-Gehalt von 62 %, die Dichte beträgt 0,86 g/cm³. Auf Grund seiner chemischen Struktur zeigt es gute Verarbeitungs- und physikalische Eigenschaften sowie eine gute Gebrauchstemperatur.
Fasern
Da die zu untersuchenden Mischungen eine Aramidfaser mit der Bezeichnung Twaron 1588 verwenden, wurden die Versuche primär an dieser Faser orientiert. Zur Überprüfung der Übertragbarkeit des Prozess erfolgten weitere Versuche an einer 6 mm Aramidfaser (Twaron 1080), einer 15 mm Carbonfaser (HTA) sowie einer 4 mm Polyesterfaser (PES CHDA 918).
Twaron 1588
Die Aramidfaser Twaron 1588 beinhaltet laut Hersteller eine Faserlänge von 3 mm und wird im Guillotinen-Schnitt-Verfahren produziert. Die Faserlänge ist homogen. Zur besseren Anbindung an den Kautschuk wird die Faser mit einem RFL-Dip versehen, wodurch die Farbe bräunlich ist. RFL fungiert als Haftvermittler für die Anbindung an die Kautschukmatrix. Die Breite der Rovings bewegt sich in einem Bereich von bis zu 5 mm. Die Schüttdichte beträgt 0,14.
Twaron 1080
Die Aramidfaser Twaron 1080 verfügt laut Hersteller über eine Faserlänge von 6 mm. Sie enthält keine RFL-Beschichtung. Die Faserlänge kann als homogen betrachtet werden. Sie liegt als Filament oder Roving vor, wobei die Breite bis zu 4 mm betragen kann (Rovingab schnitte).
Carbon HTA
Bei der Carbonfaser HTA handelt es sich um eine Recyclatfaser aus Prepreg-Abschnitten. Diese werden auf eine Länge von 15 mm geschnitten, wobei Filamente oder Rovings mit einer Breite bis zu 5 mm entstehen. Die Faserlänge ist als inhomogen zu beschreiben.
PES CHDA 918
Bei der Polyesterfaser PES CHDA 918 handelt es sich um eine Faser mit einer Länge von 4 mm. Die Fasern liegen als Rovings oder Einzelfilament vor. Die Faserbreite der Einzelfilamente beträgt 8 µm, die Breite der Rovings variiert dabei von 500 µm bis zu 5 mm. Die Faserlänge ist homogen.
Verarbeitungsmethoden
Brecherwerk
Das Brecherwerk (Eigenkonstruktion Continental; BJ 1985) für die Vor-Batch-Herstellung für die vergleichenden Versuche verfügt über eine Walzenbreite von 220 cm bei einer Leistung von 55 kW. Als Besonderheit ist anzugeben, dass die rückwärtige Walze über eine Riffelung verfügt.
Bei der Herstellung des Vor-Batch wird auf der Riffelwalze das Polymer in Ballenform aufgegeben und zunächst zu einem Fell ausgeformt. Danach werden die Fasern aufgestreut und inkorporiert. Nach Abschluss des Vorgangs wird das Vor-Batch in einzelnen Lagen manuell von der Glattwalzenseite abgerissen und auf eine Palette überführt. Dabei wird nach fünf Lagen ein Trenngewebe eingelegt.
Innenmischer
Alle hier aufgeführten Innenmischer (IM) verfügen in der Mischkammer über einen ineinandergreifenden Rotor mit PS5-Geometrie.
Vor-Versuche
Die Vor-Versuche erfolgten im Prüf-Technikum an einem Innenmischer Typ GK5E (Fa. Werner & Pfleiderer; BJ 1962). Dieser Innenmischer verfügt über ein Volumen (ohne Rotoren) von 5 1 und einer Leistung von 90 kW. Die Drehzahl ist in dem Bereich von 32,7 bis 163,5 U/min konfigurierbar.
Für die Mischung wird das Polymer sowie die benötigten Zuschlagstoffe vorab abgewogen, wobei die Additive in niederviskosen Beuteln abgefüllt werden. Danach werden die einzelnen Komponenten in Abhängigkeit von der Rezeptur in den Fallschaft überführt. Nachdem eine Mischung hergestellt wurde, ist ein manuelles Überführen auf das Labor-Walzwerk erforderlich, wo die Fellbildung erfolgt. Zum Kühlen wird dieses anschließend auf ein Gestell aufgehangen.
Up-Scaling
Das Up-Scaling erfolgte an einem Innenmischer Typ GK320E (Fa. Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH, BJ 2002). Die maximale Drehzahl beträgt 60 U/min. Das Volumen (ohne Rotoren) beträgt 320 1.
Die Beschickung erfolgt dabei über ein Transportband mit Wägezelle. Der Arbeiter kann per Vorgabe der zu fertigenden Mischung die benötigten Komponenten gezielt dosieren, da bei Auflegen ein Ampelsystem verwendet wird. Die Entleerung erfolgt in einen Doppelschneckenextruder (DSE) Typ CONVEX 12 (Fa. POMINI Rubber & Plastics S.r.l; BJ 2010) mit einer Leistung von 72,8 kW und einer Drehzahl von 1000/22 U/min. Das Füllvolumen beträgt 80 1. Der DSE überführt die Mischung vom IMI zum Kalander, der wiederum die Mischung an die Batch-Off-Anlage übergibt. Dort wird das Material zunächst mit einem Trennmittel (Promol) besprüht, in Falten gelegt und per Ventilator kontinuierlich abgekühlt. Nach Erreichen der Abkühldauer erfolgt die vollautomatisierte Beschickung der Palette.
Walzwerke
Vor-Versuche
Im Prüftechnikum werden die am Innenmischer 1 erzeugten Mischungen auf einem Walzwerk (Labor-Walzwerk) der Fa. August Seeger Zahnräderfabrik GmbH (BJ 1944) zu einem sogenannten Fell weiterverarbeitet. Im Anschluss werde diese zum Abkühlen auf ein Gestell aufgehängt. Die Leistung beträgt 46 kW bei einer Drehzahl von 1500/85 U/min. Die Walzenbreite beträgt 80 cm.
Up-Scaling
Die Verarbeitung der Mischungen aus dem Up-Scaling erfolgte auf einem Walzwerk der Fa. Berstorff (BJ 1961) mit einer Leistung von 165 kW sowie einer Drehzahl von 1000 U/min. Die Breite der Walzen beträgt 2100 cm.
Die Beschickung erfolgt manuell, indem die Mischung vom Innenmischer 1 auf einen Hubwagen mit Wägevorrichtung am Walzwerk steht. Ist die Verteilungsdauer erreicht, wird die Mischung über ein Trennmittelbad auf eine Batch-Off-Anlage überführt und vollautomatisch umgelagert.
Roller-Head-Anlage
Die Roller-Head-Anlage (RHA) wurde im Rahmen des Up-Scalings verwendet, um aus der Mischung Platten in den jeweiligen Schichtdicken zu fertigen.
Dabei wird die hergestellte Fertigmischung vom Innenmischer in einen Einschneckenextruder überführt. Die plastifizierte Mischung wird per Kleiderbügel-Breitschlitzdüse unmittelbar in den Walzenspalt des Dreiwalzen-Kalanders gefördert. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass die Mischung nicht mit Luft in Berührung kommt und somit für die Plattenherstellung genutzt werden kann. Mögliche Plattendicken betragen zwischen 0,1 und 20 mm, in Abhängigkeit der verwendeten Maschine. Zwecks Reinigung kann nach Verfahren der Extrudereinheit der Düsenkopf aufgeklappt werden.
Bei dem Kalandrieren von Platten kann es zum Schrumpf, zu Änderungen an der Oberfläche oder Blasenbildung kommen. Es kommt insbesondere in Längsrichtung bei gezogenen Platten zum Schrumpf, was Einfluss auf die Plattendicke und damit auf das Flächengewicht hat. Da die genannten Nachteile bei dicken Platten ausgeprägter sind als bei dünnen Platten, werden dünnere Platten oftmals doubliert, um die gewünschte Plattendickte zu erreichen.
Ergebnisse und Auswertung
In den nachfolgenden Kapiteln wird die nachfolgende Nomenklatur verwendet (siehe Tabelle):
Um ein besseres Verständnis für die folgenden Versuche zu erhalten, wurde das Viskositätsverhalten der beiden Primärpolymere HNBR 1 sowie EPDM mit Hilfe eines Mooney-Viskosimeters für den Temperaturbereich von 80 °C bis 170 °C ermittelt. Dieser Bereich wurde gewählt, da diese Temperaturen im Prozess erreicht werden.
EPDM besitzt eine höhere Viskosität als das HNBR 1. Bei Betrachtung des relevanten Temperaturbereiches der Verarbeitung im Bereich von 110 °C bis 150 °C liegt bei HNBR 1 50 MU bzw. bei EPDM 70 MU vor (jeweils bei 110 °C). Mit dem Temperaturanstieg ändern sich die Werte für HNBR 1 auf 25 MU und für EPDM auf 35 MU. Somit ist festzuhalten, dass es bei einem Temperaturanstieg von 36 % zu einer Halbierung der Viskositätswerte kommt.
Vor-Versuche
Brecherwerk (AP 1)
Ziel der Vor-Versuche (VV) am Brecherwerk (BW) war die Verbesserung der Fasereinarbeitung als auch der Faserverteilung im Vor-Batch. Hierfür wurde der Einfluss des Faser-Polymer-Verhältnisses als auch die Art des Polymers bzw. die Viskosität des Polymers untersucht. Bei den Versuchen am Brecherwerk, wurde, wenn nicht anders angegeben eine Verarbeitungszeit von 30 Minuten eingehalten.
Wie der Tabelle 2 zu entnehmen ist, beinhaltet der Versuch mit der Bezeichnung VV_BW 1 eine um 50 % reduzierte Fasermenge (3,75 kg). Die Probe W BW 3 beinhaltet eine um 100 % gesteigerte Polymermenge (EPDM). Die übrigen Versuche (VV_BW 2, VV_BW 4 sowie VV_BW 5) wurden in dem gleichen Polymer-Faser-Verhältnis von 1:3,3 gefertigt, wie derzeit im Vor-Batch BA-TARK-LEV (IST) üblich.
Die optische Begutachtung der Proben ergab, dass die Proben unter Verwendung des EPDM (VV_BW 2 und VV_BW 3) keine bessere Einmischung sowie Verteilung erreichen, als das bisherige Standard-Vor-Batch (BA-TARK-LEV). Eine verbesserte Einarbeitung wurden bei den Proben mit einer um 50 % reduzierten Fasermenge (3,75 kg; VV_BW 1) sowie einem niederviskosen (W_BW 4) als auch höherviskosen (VV_BW 5) Kautschuk als Matrixpolymer erzielt. Diese Aussage konnte durch Verwendung einer Rauhigkeitsmessung unterstützt werden (siehe 1).
Zur Reduktion des Einflusses der Polymeroberfläche wurde bei der Rauhigkeitsmessung darauf geachtet, die gleichmäßigste Oberfläche zu verwenden. Zudem erfolgte die Messung mittig der Prüffläche. Die Ergebnisse der Proben mit EPDM als Matrixkomponente weisen eine deutliche höhere Rautiefe (Rz = 289 bzw. 250 µm) auf als die übrigen Proben. Insbesondere die Probe mit 50 kg EPDM bewegt sich mit einem Wert von 289 µm dabei auf dem Niveau des IST-Vor-Batches BA-TARK-LEV (25 kg HNBR 1 + 7,5 kg Aramid 1) mit 291 µm. Die niedrigsten Werte erreichen die Proben mit dem niederviskosen HNBR (HNBR 2; Rz = 159 µm) und dem höherviskosen HNBR (HNBR 3; Rz = 158 µm). Dies entspricht einer Reduktion um 55 %. Der Wert der Probe mit der reduzierten Fasermenge von 3,75 kg bewegt sich mit Rz = 171 µm im mittleren Bereich.
Weiterhin wird die Aussagekraft der Ergebnisse in Kombination durch Aufnahmen eines Digital-Mikroskops gesteigert.
In einem weiteren Schritt erfolgte die Bestimmung des Einflusses der Qualität der hergestellten Vor-Batches auf die Bildung von Agglomeraten in der Haupt-Mischung. Hierfür wurden zunächst 20 Vor-Batch in der bisherigen Zusammensetzung (25 kg HNBR 1 + 7.5 kg Aramid 1; Nr. 1 bis 20) unter Aufsicht gefertigt. Optisch war die Qualität als gut zu bewerten.
Die Rauigkeit bei allen Vor-Batches unter Aufsicht konnte reduziert werden. Die Ergebnisse der Vor-Batche unter Aufsicht sind als identisch zu betrachten. Bei Verwendung in der Serie wurde optisch festgestellt, dass es zur Ausbildung von Faseragglomeraten kam.
Innenmischer (AP 2)
Ziel der Versuche am Innenmischer war die Untersuchung des Einflusses der veränderlichen Parameter (Drehzahl, Massetemperatur, Verweilzeit) auf die Fasereinarbeitung. Des Weiteren erfolgten Untersuchungen des Einflusses der Fasertype und die Verwendung von Weichmachen (z. B. Öl) zur Viskositätsabsenkung. Die Fasern wurden hierzu über den Einfüllschacht in einem leichtschmelzenden Polyethylenbeutel zugegeben.
Wie in der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellt ist, variiert die Drehzahl am Labor-Innenmischer von 15 U/min (IST-Wert VGPT 8590) über 25 U/min bis hin zu 35 U/min (VV_IM 1 bis VV IM 4). Hervorzuheben ist der Versuch mit der Bezeichnung VV IM 1, der eine Imitation der Vor-Batch Herstellung am Brecherwerk ist. Hier wurde das identische Polymer-Faser-Verhältnis von 1:3 gewählt. Die Versuche mit den Bezeichnungen VV_IM 5 bis VV_IM 8 dienten der Überprüfung der Verbesserten Fasereinarbeitung durch Absenkung der Viskosität durch Zugabe von Öl (VV IM 5) bzw. der Überprüfung der Übertragbarkeit der Resultate auf alternative Fasertypen (VV_IM 6 bis VV_IM 8). Innerhalb der ersten 300 Sekunden wurde bei jeder Mischung eine Lüftung durchgeführt, um eventuell aufschwimmende Fasern in die Mischkammer zu überführen; durch die Öffnung des Systems kam es danach zu einem kurzweiligen Temperaturabfall.
Nach jeweils fünf Minuten erfolgte der Auswurf des Mischgutes zur optischen Beurteilung der Faserinkorporation. Dies wurde für die Gesamtdauer von 15 Minuten (drei Auswürfe) wiederholt. Optisch ist festzuhalten, dass mit steigender Drehzahl, und damit einhergehend der Zunahme der Temperatur, die Homogenität der Mischung zunimmt. Ausnahmen bilden die Proben mit der Bezeichnung VV IM 2, VV_IM 6 sowie VV_IM 8. Da die Versuche nach einer Pause fortgeführt wurden, konnte die Temperatur bei VV_IM 2 stärker abfallen. Trotz hoher Verarbeitungs-temperaturen zeigen die Proben VV_IM 6 und VV_IM 8 optische eine geringere Homogenität. Die Ergebnisse der optischen Homogenität korrelieren mit den Resultaten der Rauhigkeitsmessung.
Die Rautiefe Rz der Probe VV_IM 1 bei 25 U/min ist mit einem Wert von 122 µm am geringsten. Dies entspricht im Vergleich mit der BA-TARK-LEV (Rz = 291 µm) einer Reduktion der Rautiefe um 58 %. Die weiteren Proben mit dem EPDM (VV IM 2 bis VV_IM 4) belegen, dass mit steigender Drehzahl die Rauhigkeit abnimmt. Von 257 µm bei 15 U/min über 223 µm (- 13%) bei 25 U/min auf 210 µm (- 18 %) bei 35 U/min. Die Rauhigkeitsmessung der weiteren Versuche am Labor-Innenmischer (VV IM 5 bis VV_IM 8) zeigen ein Minimum der Probe VV_IM 7 (Carbonfaser) mit einem Wert von Rz = 143 µm. Den zweitniedrigsten Wert erzielt die Probe mit den PES-Fasern (VV IM 8; Rz = 168 µm). Die Werte der Proben VV_IM 5 (Aramid 1 + Öle) und VV_IM 6 (Aramid 2) liegen mit 235 µm bzw. 226 µm in einem ähnlichen Bereich.
Zur Identifikation des Verhaltens der Faser im Innenmischerpozess wurde die die Faserlänge detektiert. Hierzu wurden die Proben für 24 h in Toluol gequellt, manuell aufgerührt und im Anschluss wurde die Lösung auf ein Cellulosetuch überführt. Danach folgte die manuelle Vermessung von je 100 Fasern per Digital-Mikroskop.
Nach einer Mischdauer von 15 min sowie einer Drehzahl von 35 U/min stellt sich das Ergebnis der Faserverteilung der Probe VV_IM 5 wie folgt dar: 33 % der Fasern bewegen sich in einem Bereich von 1,6 mm bis 2 mm, gefolgt von 27 % von 2,1 mm bis 2,5 mm. 16 % bzw. 13 % besitzen eine Faserlänge von 1,1 bis 1,5 mm bzw. 2,6 mm bis 3 mm. Jeweils 4 % aller vermessenen Fasern verfügen über eine Länge von 0,6 mm bis 1 mm sowie 3,1 mm bis 3,5 mm. In einem Bereich von 3,6 mm bis 4 mm liegen die verbleibenden 3 %. Der Mittelwert und der Median betragen 2 mm bei einer Standardabweichung von 0,6 mm. Die kleinste Faser hat eine Länge von 0,9 mm, die Größte 3,7 mm.
Zur Überprüfung des Einflusses der Faser wurden in der gleichen Polymer-Faser-Zusammensetzung die Aramid 2-, die Carbon- sowie die PES-Fasern erprobt. Die Einarbeitung erfolgte ebenfalls bei einer Dauer von 15 min sowie einer Drehzahl von 35 U/min.
Die Faserlängenverteilung der Probe VV_IM 6 (Aramid 2) zeigt einen Peak in dem Bereich von 1,1 mm bis 1,5 mm (34 %). In einem Bereich von 0,6 mm bis 1 mm befinden sich 28 % der Fasern, 23 % in einem Bereich von 1,6 bis 2 mm. 12 % aller Fasern sind kleiner gleich 0,5 mm lang. 2 % bzw. 1 % besitzen eine Faserlänge von 2,1 mm bis 2,5 mm bzw. 2,6 mm bis 3 mm. Die kleinste Faser hat weist eine Länge von 0,2 mm, die Größte eine Länge von 2,8 mm auf (siehe Tabelle 4). Der Mittelwert und der Median betragen 1,1 mm bei einer Standardabweichung von 0,5 mm.
Die Faserlängenverteilung der Carbonfaser (VVIM 7) zeigt einen Peak in dem Bereich kleiner gleich 0,5 mm. Dies entspricht dem Wert von 100 % aller vermessenen Fasern. Die kleinste Faser besitzt eine Länge von 0,1 mm, die Größte Faser eine Länge von 0,5 mm. Der Mittelwert als auch der Median weisen einen Wert von 0,2 mm bei einer Standardabweichung von 0,1 mm auf.
Die Verteilung der Faserlängen der PES-Fasern zeigt einen Peak in dem Bereich von 3,1 mm bis 3,5 mm; dies entspricht einem Wert von 44 %. 20 % aller Fasern besitzen eine Länge von 2,6 mm bis 3 mm. Jeweils 14 % bewegen sich in einem Bereich von 3,6 mm bis 4 mm bzw. sind größer als 4,1 mm. In Wert von 2,1 mm bis 2,5 mm weisen 5 % der Fasern auf, 3 % liegen darunter (1,6 mm bis 2 mm). Die kleinste Faser besitzt eine Länge von 1,6 mm (siehe Tabelle 4). Die Größte Faser weist einen Wert von 10,1 mm auf. Der Mittelwert bzw. der Median geben ein Wert von 3,4 mm bzw. 3,3 mm an. Die Standardabweichung beträgt 0,9 mm.
Analyse (AP 3)
Rauhigkeitsmessung (ISO 1997)
Für die Analyse der Mischungen wurde die Rauhigkeitsmessung validiert. Es konnte festgestellt werden, dass bei den Vor-Batches eine Untersuchung der Schnittfläche aussagekräftiger ist als die Analyse der Oberfläche. Zudem konnte beobachtet werden, dass bei wiederholten Messungen derselben Messstrecke sich die Messspitze in den Kautschuk „eingräbt“ und es im Umkehrschluss zu einer Verfälschung des Messwertes kommt. Auf Grund dessen ist die Verwendung der Rautiefe [Rz] der ersten Messung empfehlenswert.
Weiterhin ist festzustellen, dass bei den Fertigmischungen eine Analyse der gespaltenen Plattenoberfläche bessere Resultate ermöglicht, als die Aussage der Schnittflächen. Hierbei ist darauf zu achten, dass bei den gespaltenen Platten die Fasern quer zur Messrichtung ausgerichtet werden.
Thermografie
Ergebnisse der Thermografie-Messungen zeigen, dass eine zerstörungsfreie Agglomeratidentifikation per Thermografie-Prüfung möglich ist. Optisch ist erkennbar, dass es in Bereichen mit Vor-Batch-Agglomeraten größere Wärmeabstrahlungen vorherrschen als in der restlichen Mischung. Eine optische Bestätigung ist erst nach Zerschneiden der Probe möglich.
Röntgen
Zur Überprüfung der Verwendungsmöglichkeit einer Röntgenanalyse zur zerstörungsfreien Kontrolle wurden zwei Gummiplatten mit einer geringen Faserdispersität sowie ein Probenbeutel mit den verwendeten Aramidfasern Twaron 1588 vermessen.
Hierbei erfolgte eine Aufnahme von der Gummiplatte (Versuchsanordnung 1) sowie eine Aufnahme mit hinter gehängtem Probenbeutel (Versuchsanordnung 2) um einen eindeutigen Einfluss der Aramidfasern zu erkennen.
Die Aufnahmen zeigen nicht-einheitliche Graustufenwerte. Die Aufnahme der Versuchsanordnung 2 zeigen bei Faseranhäufungen dunklere Bereiche an, die Fasern sind identifizierbar.
Mikrowellen
Zur Überprüfung des Verwendungspotentiales von Mikrowellen erfolgte die Messung einer Probe, enthaltend zwei Gummiplatten mit einer geringen Faserdispersität sowie ein Probenbeutel mit den verwendeten Aramidfasern Twaron 1588.
Zum Ausgleich von Unebenheiten in der Oberfläche wurden die Gummiplatten auf eine Plexiglasscheibe drapiert und zunächst zweimal (0° / 90°) mittels Wobbierverfahren geprüft. Ein Einfluss der Drehung auf das Messergebnis ist feststellbar. Die eigentliche Messung erfolgte auf einer zehn Zentimeter dicken Styroporplatte; die Gummiplatte wurde durch das Eigengewicht des Messkopfes fixiert. Für die Messung wurde ein Messkopf mit einem Wobbelbereich von 2400 bis 3400 Frequenzeinheiten mit einem ein-Zentimeter-Raster mit einer Gesamtkantenlänge von 11 cm verwendet. Die Temperatur des Messkopfes betrug 22°C. Die Messung erfolgte staubfrei bei Raumtemperatur.
Um einen möglichen Effekt besser darzustellen, wurde zwischen die Gummiplatten die Aramidfaser einmal homogen und einmal inhomogen aufgestreut. Die Ergebnisse sind die Differenz der Messung der Gummiplatten mit und ohne Fasern. Da das elektromagnetische Feld der Mikrowellen über den Messbereich hinausgeht, wurden die äußeren Datensätze als konstant gesetzt. Die Resultate der Messungen belegen, dass eine Inhomogenität mittels Mikrowellen zu detektieren ist.
Up-Scaling
Groß-Versuche
Die Mischungen der Groß-Versuche tragen die Bezeichnung „VXXT“, um eine Verwendung in der Produktion zu vermeiden (siehe Tabelle 5). Es wurden jeweils 245 kg Mischung auf den Geräten der Serienproduktion hergestellt. In allen Mischungen wurde die Standardfaser Aramid 1 eingesetzt.
Während im ersten Groß-Versuch die Mischstücke VXXT 1 und VXXT 2 gefertigt wurden, erfolgte zu einem späteren Zeitpunkt die Herstellung der Mischungen VXXT 3 bis VXXT 5. Die Mischungen unterscheiden sich in der Prozessabfolge des Herstellungskonzeptes. Unter dem Begriff „zwicken“ bzw. „zwick“ ist eine Nachverteilungsstufe zu verstehen.
Bei dem ersten Groß-Versuch wurden die Fasern in Polyethylenbeutel abgewogen, die einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen. Um eine ausreichende Mischungsmenge zu fertigen, war die Herstellung zweier Grundmischungen (GM) erforderlich. Die Mischung VXXT 1 beinhaltete die Faserzugabe in der Mitte der Polymerballen, die Mischung VXXT 2 am Ende aller Polymerballen. Die Anordnung erfolgte jeweils auf dem Förderband. Nach der Fertigung von 185 kg GM wurden hiervon 126 kg in die Fertigmischung (GM + Chemikalien) überführt. Die Fertigmischung wiederum wurde in drei Stufen à 80 kg auf dem Walzwerk nachverteilt.
Es konnte eine Steigerung der Faserverteilung in der Fertigmischung im Vergleich zu der Grundmischung erreicht wird. In der Grundmischung sind Rovings erkennbar, während in der Fertigmischung die Filamente vorliegen.
Die produzierten Versuchs-Riemen mit Schleifrücken zeigen allesamt ein gutes optisches Ergebnis.
Im Weiteren wurde eine Optimierung der Verfahrensabfolge untersucht, indem die im Innenmischer gefertigte Grundmischung zu 80 kg zunächst auf dem Walzwerk nachverteilt wurde (VXXT 3). Dies würde eine erhebliche Reduktion der Bearbeitungszeit (ca. 50%) bedeuten. Bei dem Einsatz der Grundmischung auf dem Walzwerk hat sich in einem ersten Versuch gezeigt, dass die verwendete Masse von 80 kg nicht optimal ist. Hierbei entstehen tote Räume, d.h. die Mischung durchläuft nicht den Walzenspalt und schwimmt oben auf. Im weiteren Durchlauf wurde die Masse auf 60 kg reduziert.
Es konnte bei dem Zwicken der Grundmischung des Versuchs VXXT 3 beobachtet werden, dass die Mischung weniger geschmeidig wirkte als die mit Ruß gefüllte Fertigmischung. Zur Verifikation dieser Beobachtung wurde eine PPA-Messung bei unterschiedlichen Winkeln vorgenommen. Bei einem Winkel von einem Grad kommt es zu einer Überkreuzung der Fertigmischung von VXXT 1/2 mit der Grundmischung VXXT 3. Danach liegt die Kurve der Grundmischung über der der Fertigmischung, d.h. das er elastische Anteil G' in der Grundmischung größer ist.
Der Groß-Versuch mit der Bezeichnung VXXT 4 ist ein zweistufiger Innenmischerprozess, bei dem nach der Mischungsherstellung keinerlei Nachverteilung am Walzwerk erfolgte. Nach der Fertigung der Mischungen VXXT 1 bis VXXT 5 wurden im weiteren Schritt die Platten mit einer Stärke von 3,1 mm sowie einer Breite von 990 mm an der Roller-Head-Anlage gefertigt. Eine Überwachung des Riemenaufbaus der Proben VXXT 3 bis VXXT 5 sowie eine Aussage hinsichtlich der Entstehung von Fasernestern war nicht möglich, da diese Platten unkontrolliert in der laufenden Produktion verarbeitet wurden. Durch eine Probennahme der jeweiligen Platten ist jedoch eine Untersuchung des Einflusses der Prozessstufen auf die Faserlänge sowie zur Überprüfung der Qualität der einzelnen Mischungen möglich gewesen.
Hierzu wurden die Mischungen in Toluol gequellt und im Anschluss die Fasern per Digital-Mikroskop vermessen. Die Ergebnisse der Faservermessung (siehe 3) belegen, dass die mittlere Faserlänge der Groß-Versuche über dem des IST-Prozess (x = 1,5 mm, s = 0,6 mm) liegt. Den niedrigsten Wert von 1,7 mm ± 0,5 besitzt die Probe VXXT 3. Alle anderen Werte liegen mit 1,8 mm ± 0,6 (VXXT 4 und VXXT 5) sowie 1,9 mm ± 0,5 (VXXT 1/2) darüber. Bis auf die Probe VXXT 1/2 beträgt die kleinste gefundene Faserlänge aller übrigen Proben einen Wert von 0,4 mm (siehe Tabelle 6). Dort beträgt der Wert 0,7 mm. Die längste vermessene Faser hat eine Länge von 3,9 mm (VXXT 5), gefolgt von 3,8 mm (VXXT 1/2) und 3,4 mm (VXXT 3) bzw. 3,3 mm (VXXT 4). Der Median der Proben VXXT 1/2 und VXXT 3 beträgt 1,7 mm. Die restlichen Proben verfügen über einen Median von 1,8 mm (VXXT 4) und 1,9 mm (VXXT 5). Die gefertigten Mischungen können somit als identisch betrachtet werden.
Vor-Serie
Im Rahmen der Vor-Serie wurde das identische Vorgehen wie aus den Groß-Versuchen Nummer eins und zwei (VXXT 1 bzw. VXXT 2) gewählt. Um die Reproduzierbarkeit der Methode zu untersuchen, wurde zunächst eine zwei Tonnen Mischung am Innenmischer gefertigt, die auf dem Walzwerk nachverteilt wurde. Im Anschluss daran erfolgte die Plattenherstellung mit unterschiedlichen Stärken von 1,85 mm bis 3,3 mm an der Roller-Head-Anlage.
Um eine Schädigung der Faserlänge durch den neuen Prozess auszuschließen, wurden erneut Proben des IST-Prozesses sowie der Vor-Serie aus der gezogenen Platte genommen und für 24 h in Toluol. Im Anschluss erfolgte die Überführung auf Cellulosetücher. Die Probennahme wurde so gewählt, dass die Fasern alle vorherigen Fertigungsstufen (Innenmischer, Walzwerk, RHA) durchlaufen haben. Es wurden jeweils 100 Fasern anhand von Digital-Mikroskopie Aufnahmen vermessen.
49 % der Fasern des IST-Prozesses befinden sich in einem Bereich von 1,5 mm bis 2 mm. Je 15 % der Fasern befinden sich in den Bereichen von 1 mm bis 1,5 mm, 2 mm bis 2,5 mm sowie 2,5 bis 3 mm. Die kleinste vermessene Faser hat eine Länge von 0,5 mm, die Größte eine Länge von 4,5 mm. Der Mittelwert bzw. Median beträgt 1,5 mm bzw. 1,4 mm bei einer Standardabweichung von 0,6.
Die Faserlängenverteilung der Vor-Serie (siehe 4) belegt, dass sich 37 % der Fasern in dem Bereich von 2 mm bis 2,5 mm bewegen, 29 % in einem Bereich von 2,5 bis 3mm sowie 26 % in einem Bereich von 1,5 bis 2 mm. Die kleinste gefundene Faser hat eine Länge von 0,9 mm, die Größte eine Länge von 3,2 mm. Der Mittelwert und der Median betragen 1,8 mm bei einer Standardabweichung von 0,5.
Nach der Plattenherstellung wurden die Wickel unter Beobachtung erneut zu Riemen mit Schleifrücken aufgebaut, die optisch keinerlei Fasernester aufwiesen. Zur Generierung aussagekräftiger Werte wurden die Abfallkennzahlen von 600 Riemen mit Schleifrücken betrachtet. Im Ergebnis ergab sich ein Abfallwert von 1,8 %; dies entspricht 11 Riemen.
Der erfasste Abfall ist zurückzuführen auf Fehler des Zugstrangverlaufs als auch auf Schleiffehler, nicht auf Grund von Fasernestern.
Zur weiteren Verifikation der Homogenität des neuen Herstellungsverfahrens wurde eine REM- bzw. EDX-Aufnahme der Fertigmischung angefertigt, welche eine homogene Elementverteilung zeigen.
Insgesamt konnte gezeigt werden, dass mit dem Verfahren ohne Vor-Batch durch direkten Eintrag der Komponenten in einen Innenmischer und Anpassung der entsprechenden Parameter wie Temperatur, Drehzahl des Rotors und somit einer optimalen Viskosität, die Faseragglomeration sowie Faserverkürzungen nahezu verhindert wurden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kautschukmischung umfassend die Schritte: d) Zugabe mindestens einer Kautschukverbindung und Fasern direkt in einen Innenmischer, e) Mischen der Kautschukverbindung und Fasern im Innenmischer zum Erhalt einer Kautschuk-Fasermischung, f) Überführen der Kautschuk-Fasermischung auf ein Walzwerk oder einen Doppel schneckenextruder.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kautschukverbindung ein Naturkautschuk, Synthesekautschuk oder eine Mischung aus mehreren Natur- und/oder Synthesekautschuken umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Fasern ausgewählt sind aus Aramid-, Carbon- und Polyesterfasern oder Kombinationen der genannten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Temperatur im Innenmischer beim Mischvorgang 80-170 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Mischen im Innenmischer bei einer Rotordrehzahl des Innenmischers von 5 bis 35 U/min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt b) mindestens einmal wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei bei der Wiederholung des Schritts b) weitere Kautschukmischung und Fasern zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Wiederholung des Schritts b) in einem weiteren Innenmischer erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Weichmacher oder weichmachendes Prozessöl zugegeben wird.
Faserverstärkte Kautschukmischung, erhältlich oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verwendung einer faserverstärkten Kautschukmischung nach Anspruch 10 oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Material für Riemen oder Zahnriemen.