DE2925266C2 - Misch- und Knetmaschine - Google Patents
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Description
Die Erfimfcng betrifft eine Misch- und Knetmaschine mit einem Gehäuse und zwei in demselben parallel
zueinander Beigeordneten, in entgegengesetzten Richtungen drehbar gelagerten Rotoren, von denen jeder
wenigstens eine lange Rippe und wenigstens eine kurze Rippe aufweist, die wendelförmig zur Längsachse des
betreffenden Rotors verlaufen, wobei die langen Rippen untereinander und die kurzen Rippen untereinander im
wesentlichen gleich lang sind.
Misch- und Knetmaschinen dieser Art vermischen und kneten unabhängig von der Art des zu bearbeitenden
Materials dieses intensiv. Sie sind zum Vermischen von Gummi geeignete Chargenkneter und damit für die
Gummiindustrie unerläßliche Maschinen. Sie werden beispielsweise /um Mastizieren b/.w. Kneten von Gummi
von Reifenherstellern, zum Kneten von Kohlenstoff-Mastcrbaich für Gummi oder zum Kneten von Vulkanisiermitteln,
d. h. zum sogenannten Vorkneten benutzt.
Um ein homogenes Gemisch zu erzeugen, ist eine makroskopische Dispersion b/.w. Verteilung von großer
Bedeutung. Dl? Materialien müssen gleichförmig vermischt werden und durch und durch gleichmäßig verteilt
einen Zuschlagstoff enthalten, damit das Gemisch eine gleichförmige Dichte aufweist. Wenn beispielsweise bei
der Herstellung währeiid des Vorknetens ein Vulkanisiermittcl nicht homogen beigemischt wird, weist das
fertige Produkt ungleichförmige physikalische Eigenschaften auf, was zu Schwierigkeiten bei der Herstellung
von Qualitätsreifen führt Währviid der Anteil von Stahl-Radialreifen mit eingebettetem Stahlcord an der
Gesamtmenge der hergestellten Reifen aus Sicherheitsgründen wegen des Hochgeschwindigkeitsfahrcns immer
mehr zunimmt, geht der Trend dahin, für solche Reifen alsGummimalcrial gebrauchic Materialien zu benutzen,
die von sich aus härter sind. Bei der Verarbeitung derartiger Materialien ist es schwieriger als bei der Verarbeitung
üblichen Gummimaterials, ein homogenes Gemisch mit guter Dispersion der Zuschlagstoffe zu erzielen.
Die hierfür bekannten Misch- und Knetmaschinen haben keine befriedigende Festigkeit zum Verarbeiten
derartiger Materialien und sind nicht geeignet, eine ausreichend gleichmäßige Verteilung bzw. Dispersion
verschiedenster Zuschlagstoffe zu erreichen.
Bei einer bekannten Misch- und Knetmaschine der eingangs genannten Cuttung (US-PS 34 03 894) sind auch
nach längeren Mischzeiten die Mischergebnisse im Hinblick auf die makroskopische Dispersion von Knetmaterial
und Zuschlagstoffen ungleichförmig und somit ungenügend, weil sowohl die hingen als auch die kurzen
Rippen einen verhältnismäßig hohen Schub auf das Material in Achsrichtung des Rotors ausüben, so daß sich
Material im mittleren Bereich jedes Rotors staut und dort eine unerwünschte Verdichtung stattfindet. Es kann
von dort auch nicht genügend Material in den Bereich des anderen Rotors übertreten, weil dort ebenfalls
Material gestaut ist. Deshalb bleibt das zu knetende und zu mischende Material bald nur noch in einem mehr
oder weniger begrenzten Bereich der Rotoren und erfähi t praktisch keine axiale Verschiebung mehr, obwohl die
Rippen zu diesem Zweck wendelförmig ausgebildet sind. Die für die eingangs genannten Zwecke notwendige
gute Dispersion von Zuschlagstoffen in einem homogenen Gemisch ist somit nicht zu erzielen.
Auch andere Misch- und Knetmaschinen (JP-OS 42-27 032 und IP-Gm 49-43 330) sind nicht in der Lage,
zufriedenstellende homogene Gemische aus gebrauchten Gumniimaterialien und Zuschlagstoffe zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Misch- und Knetmaschine zu schaffen, die unabhängig von der
An der zu verarbeitenden Materialien unter Berücksichtigung der Materialbewegungen im Betrieb der Maschinedie
Materialien intensiv zu einem homogenen Gemisch miteinander vermischt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäQ dadurch gelöst, daß bei einer Misch- und Knetmaschine der eingangs
genannten Gattung die Länge der kurzen Rippen — in Achsrichtung des Rotors gesehen — in einem Verhältnis
von 0,1 bis 0.48 zur Länge der langen Rippen steht. Dadurch wird auch bei der Verarbeitung von harten
Materialien ein relativer Matcrialfhiß entlang den Rotoren erzeugt, der praktisch iillc Ik-reiche im Innern des
Gehäuses erfaßt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der I Intcriinsprüchc.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispicle einer erfindungsgemäßen Misch- und Knetmaschine schematisch
b5 dargestellt, und zwar zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf die beiden Rotoren der Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform.
Fig. 2 eine Draufsicht auf die beiden Rotoren der Maschine gemäß einer/weilen Ausführungsform.
F i g. 3 eine Abwicklung einer der beiden Rotoren aus F i g. 2,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die beiden Rotoren der Maschine gemäß einer/weilen Ausführungsform.
F i g. 3 eine Abwicklung einer der beiden Rotoren aus F i g. 2,
^" F i g. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Mischqualität vom Längenverhältnis der Rotor-Rip
F i g. 5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Mischqualitat vom Schubverhältnis der Rotor-Rip-
'·... pen und
s:;: Fig.6a und 6b graphische Darstellungen der mit erfindungsgemäßen Rotoren und mit bekannten Rotoren
f.-' erreichbaren Misch- bzw. Dispersionsergebnisse.
?j· Gemäß F i g. 1 hai jeder der beiden dort gezeigten Rotoren 2 und 3 jeweils zwei lange Rippen 4 und jeweils
v" zwei kurze Rippen 5, die wendelförmig zur Längsachse des betreffenden Rotors verlaufen. Das Längenverhältnis
LJLi zwisenen den kurzen und den langen Rippen ist kleiner als 0,4. Fig.4 zeigt anhand von zwei mit
unterschiedlichem Misch- und Knetzeiten ermittelten Kurven 11 und 12 für unterschiedliche Ripper.längen, daß
■/ bei einem Längenverhältnis über 0,4 die Abweichungen von einer homogenen Dispersion stark zunehmen.
Deshalb liegt das Längenverhältnis der kurzen zu den langen Rippen unter 0,48 und vorzugsweise im Bereich
von 03 bis 0,15.
Anhand der nachfolgenden Tabelle werden die Unterschiede beim Vorkneten von natürlichem Gummi und
:· einem Vulkanisiermittel mit Hilfe einer Misch- und Knetvorrichtung mit einem inneren Volumen von 236 I mit
;'.'- bekannten Rotoren, bei denen das Längenverhältnis der kurzen zu den langen Rippen 0,49 beträgt, und mit
- erfindüngsgemäßen Rotoren mit -einem Längenverhältnis von 0.23 aufgezeigt Die Tabelle zeigt, daß mit den
;-_ erfindungsgemäßen Rotoren die Dispersion bzw. Verteilung von Zuschlagstoffen im Gummimaterml verbessert
',' wird, und zwar sowohl gegenüber vorbckannlcn Rotoren mit vier als auch mit zwei Rippen. Die in der Tabelle
v; angegebenen Werte sind die Abweichungen von einer gleichförmigen Dispersion.
-i Tabelle
Roter | bekannter | bekannter |
Erfindungsgem. | Rotor | Rotor |
Rotor | ||
Anzahl der Kippen | 4 | 2 |
4 | ||
0,75 | 10,4 | 1,0 |
0,5 | 3.1 | 1,0 |
0.3 | 1,0 |
f < Längenverhältnis der Rippen 0,23 0,49 —
Gummimaterial
Weichgummi
mitielweicher Gummi
Hartgummi 0,3 1,0 —
Weichgummi
mitielweicher Gummi
Hartgummi 0,3 1,0 —
\ Die Tabelle zeigt, daß mit Rotoren gemäß F i g. I eine gleichförmige Dispersion des gemischten und geknete-
•t, ten Materials sowohl in makroskopischer als auch in mikroskopischer Hinsicht zu erzielen ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 sind die kurzen Rippen 5 der Rotoren 2 und 3 relativ länger ah beirr·
Ausführungsbeispie! gemäß Fig. 1 und damit die langen Rippen 4 relativ kürzer ausgebildet. Das Längenverhältnis
zwisenen den kurzen und den langen Rippen liegt zwischen 0,48 und 0,1. Der Steigungswinkel der
wendelförmig verlaufenden langen und kurzen Rippen 4 und 5 ist i.n wesentlichen gleich.
Nachfolgend wird das Verhältnis zwischen der Wendelung der Rippen und der Druck- bzw. Schubbelastung
erläutert. Das zu verarbeitende Material wird Kräften ausgesetzt, welche senkrecht zur Arbeitsfläche der lungen
und kurzen Rippen 4 und 5 wirken, und wird von einer axialen Komponente der Kraft beim Drehen der Rotoren
2 und 3 in axialer Richtung derselben bewegt. Dieser Druck oder Schub in axialer Richtung wird vom Neigungswinkel
oder Schraubenwinkcl der langen oder der kurzen Rippen 4 bzw. deren Länge bestimmt. Die Schubkraft
kann wie folgt definiert werden, wobei Pi für die langen und P, für die kurzen Rippen gilt:
Pi = Ax Z./X tanfV/
P, = fx L,
= fx lh
PJP, = aJa,
Dabei bezeichnet 6'/(6',J den Steigungswinkel, Li (Z.,) die Rippenliingc,;/; (a,) «Jas Maß der Wendelung und f
(constant) die axiale Druck- oder .Schubbelastung pro Breiteneinheit (Fig. 3).
Es ergibt sich, daß das Druck- und Schubverhältnis der langen zu den kurzen Rippen vom Neigungswinkel der
Rippen abhängt. Experimente beim Vorkneten von hartem Gummi in einem Mischer mit einem Rauminhalt von
236 I und jeweils vier Rippen aufweisenden Rotoren haben gezeigt, daß die Verteilung eines Zuschlagmittels bei
einigen Gummimaterialicn sehr ungleichmäßig ist und daß eine Maschine mil vier Rippen aufweisenden Rotoren
eine sehr viel schlechtere Verteilung der Zuschlagstoffe bewirkt wie eine Maschine mit zwei Rippen aufweisenden
Rotoren. Es wurde eine Testmaschine gebaut, um das Flicßverhalten des Materials beim Misch- und
Knetvorgang zu beobachten und somit die Gründe für die ungleichmäßige Verteilung aufzudecken. Diese
Testmaschine hatte ein trommclförmigcs Gehäuse aus Acryl-Kunsiharz, so daß der Matcrialfluß in ihr direkt
beobachtet werden konnte. Um die erreichte Verteilung durch quantitative Analyse auswerten zu können,
wurde eine bestimmte Mongc farbiger Kunstsioffkörncr (Polyester) zugegeben und die Anzahl der in mehreren
Proben enthaltenen Körner mehrfach (n-x) nach dem Kneten ermittelt und daraus die Abweichung (o„-1) der
Anzahl der Körner berechnet. Die Testmaschine hatte dieselbe Größe wie ein Mischer mit einer inneren
Ausnehmung von 1.7 I. Eine wäßrige Lösung mit 30% CMC (Carboxymethylcellulose) wurde zum Durchführen
der Experimente benutzt, da dieses Material ein ähnliches Flioßvcrhalten wie in der Praxis verarbeiteter
Hartgummi hat.
S Die Gleichförmigkeit der Dispersion nimmt bei Verwendung einer Misch- und Knotvorrichtung mit Rotoren,
die jeweils vier Rippen aufweisen, bei steigendem Füll-Faktor ab, wie F i g. 6a und 6b zeigt, und zwar auch bei
Erhöhung der Miscn- und Knetdauer. F i g. 6a zeigt dabei die Abweichung der Kornverteilung bei einer Misch-
und Knetdauer von 40see und Fig.6b die Abweichung bei einer Misch- und Knetdauer von 60see. Die Kurve
22 zeigt jeweils die Abweichung für eine Misch- und Knetvorrichtung mit Rotoren, die vier Rippen aufweisen,
wobei das Längenverhältnis der kurzen zu den langen Rippen über 0,48 liegt. Die Kurve 21 zeigt jeweils die
Abweichung der Kornverteilung bei Verwendung von Rotoren mit nur zwei Rippen. Die Kurve 23 zeigt die
Ergebnisse bei Verwendung von Rotoren mit vier Rippen auf. bei denen das Liingenvcrhälinis zwischen den
kurzen und den langen Rippen zwischen 0,4 und 0,1 liegt. Es ist erkennbar, daü dabei der Füllfaktor der Misch-
und Knetvorrichtung auf die Abweichung der Kornverteiliing nahc/u keinen Einfluß hat.
Bei der Ausführungsform gemäß Fi g. 2 hat jeder Rotor 2 und 3 jeweils zwei lange Rippen 4 und zwei kurze
Rippen 5, die in entgegengesetzten Richtungen wendelförmig zur Längsachse des Rotors verlaufen und das zu
bearbeitende Material zur Mitte des Rotors fördern. Die Steigung der Wendelung ist so gewählt, daß der von
den kurzen Rippen auf das Material ausgeübte axiale Schub oder Druck zu dem von den langen Rippen
ausgeübten axialen Schub oder Druck in einem Verhältnis von 0,7 bis etwa 0 steht. Bei einer derartigen
Anordnung weicht das Fließverhallen des Materials in axialer Richtung zwischen den beiden Rotoren voneinander ab und ist beschleunigt, um die Homogenität der erzielten Mischung zu verbessern.
F i g. 3 zeigt eine Abwicklung eines der Rotoren 2 bzw. 3 gemäß F i g. 2. wobei das Verhältnis (PJPi) des von
den kurzen Rippen 5 ausgeübten Druckes P, zu dem von den laugen Rippen 4 ausgeübten Druck Pi durch
entsprechende Wahl der Steigung der Rippcnwendelung in einen Bereich zwischen 0.7 bis etwa 0 eingestellt ist.
Das Material wird dann abwechselnd von den langen und den kurzen Rippen zurückgeschoben und der axiale
Materialfluß durch Umschalten der axialen Richtung gegenüber dem Material beschleunigt. Wenn das Längenverhältnis (LJLl) der kurzen zu den langen Rippen im Bereich von 0,48 bis 0,1 liegt, wird verhindert, daß das
Material an den Enden der Rotoren zum Stillstand kommen kann.
Besonders gute Ergebnisse zeigten sich, wenn das Längcnvcrhällnis zwischen den kurzen und den langen
Das Diagramm aus F i g. 5 zeigt die Abhängigkeit der Abweichung der Kornverteilung vom Schubverhältnis
der Rotor-Rippen. Die Kurven 13,14,15 und 16 gelten für ein l.ängenvcrhällnis LJLi von 0,48. von 0375, von 0,25
bzw. von 0,125. Es ist erkennbar, daß die Abweichung der Kornverteiliing (on-i) stark anzusteigen beginnt, wenn
das Schubverhältnis (PJL) 0,7 übersteigt, hingegen ein Minimum aufweist, wenn sich das Schubverhältnis dem
Wert 0 nähert. Die Abweichung der Kornverteilung ist bei allen untersuchten Längcnverhältisscn noch zufriedenstellend, wenn das Schubverhältnis den Wert von 0.45 nicht übersteigt. Das Schubverhältnis wird daher im
Bereich zwischen 0,7 und 0 und vorzugsweise im Bereich zwischen 0,45 und nahezu 0 gewählt.
Damit das unter Einfluß der langen Rippen 4 in den Bereich der kurzen Rippen 5 fließende Material von der
kurzen Rippe zur Rückseite der langen Rippe zurückgeschoben wird, ist eine genügend große Durchlauföffnung
zwischen den Enden der langen und der kurzen Rippen vorhanden. Eine derartige Durchlauföffnung erhält man
durch Verringern der Steigung der kurzen Rippe. Dadurch wird der auf das Material im Mischer ausgeübte
Druck verringert und somit auch der auf die Rotoren ausgeübte axiale Druck.
Claims (4)
1. Misch- und Knetmaschine, mit einem Gehäuse umd zwei in demselben parallel zueinander angeordneten,
in entgegengesetzten Richtungen drehbar gelagerten Rotoren, von denen jeder wenigstens eine lange
Rippe und wenigstens eine kurzo Rippe aufweist, die wendelförmig zur Längsachse des Rotors verlaufen,
wobei die langen Rippen untereinander und die kurzen Rippen untereinander im wesentlichen gleich lang
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der kurzen Rippen (5) — in Achsrichtung des Rotors
(2,3) gesehen — in einem Verhältnis von 0,1 bis 0,48 zur Länge der langen Rippen (4) steht.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhälinis der kurzen Rippen (.") zu
ίο den langen Rippen (4) in einem Bereich von 0,4 bis0,1 liegt.
3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längen verhältnis der kurzen Rippen (5) zu
den langen Rippen (4) in einem Bereich von 03 bis 0,15 liegt.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von den kurzen Rippen (5)
auf das zu bearbeitende Material ausgeübte axiale Schub zu dem von den laugen Rippen (4) ausgeübten
axialen Schub in einem Verhältnis von 0,7 bis etwa 0 steh·.
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