DE3734215A1

DE3734215A1 - Verfahren zur on-line-charakterisierung der viskoelastischen eigenschaften des mischgutes in einem innenmischer

Info

Publication number: DE3734215A1
Application number: DE19873734215
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Grajewski; Andreas Dr Ing Limper
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1987-10-09
Publication date: 1989-04-27
Also published as: DE3734215C2

Description

Die Erfindung betrifft diskontinuierlich arbeitende Innenmischer für die Aufbereitung von Elastomermischungen und Polymer-Blends.

Innenmischer werden in den oben erwähnten Anwendungsfällen - vor allem für Elastomermischungen - fast ausschließlich zum Mischen eingesetzt. Die Größe der eingesetzten Maschinen schwankt dabei zwischen einem Mischkammervolumen von wenigen cm³ bis zu einem Volumen von etwa 600 l. Vor allem in Kombination mit kontinuier lich arbeitenden Weiterverarbeitungsprozessen (z.B. der Extrusion von Kautschuken) ist ein großer Nachteil der diskontinuierlichen Mischprozesse auszumachen. Eine Extrusionslinie z.B. wird vom Verarbeiter - möglichst ohne Unterbrechung mit möglichst wenigen Änderungen - des herzustellenden Produktes und/oder der verwen deten Mischung gefahren. Hierbei müssen in der Regel zahlreiche Chargen des Mischgutes verarbeitet werden. Da der Mischprozeß von vielen voneinander unabhängigen Einflußgrößen abhängt, ist eine Variation der viskoelastischen Eigenschaften von Charge zu Charge unvermeidbar. Da diese Unterschiede aber einen entscheidenden Einfluß auf nachfolgende Prozeßschritte haben, ist man in der Praxis bestrebt, Chargenunterschiede so klein wie möglich zu halten. So sind in modernen Mischereien aufwendige Rohstoffein gangskontrollen und vollautomatische Verwiegestationen instal liert. Außerdem wird im Anschluß an den Mischvorgang eine aus führliche Prüfung der viskoelastischen Eigenschaften angestrebt.

Da moderne Innenmischer jedoch mehr als 12 Chargen pro Stunde mischen und die Lagerzeiten des gemischten Materials möglichst kurz sein sollen, reichen derartige Kontrollen nach dem Mischen oft zu einer vollständigen Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften nicht aus. Man ist daher bestrebt, schon im Innen mischer etwas über den Zustand des Mischgutes zu erfahren bzw. zumindest durch das Konstanthalten von Prozeßgrößen des Misch prozesses die Mischbedingungen zu reproduzieren. An Innenmischern werden heute die Verfahrensparameter

- Zeit
- Temperatur des Mischgutes
- Drehmoment bzw. Drehmomentverlauf
- Anzahl der Überrollungen
- spezifische Energie

erfaßt und zur Steuerung bzw. Regelung des Prozesses benutzt. Zu diesem Thema existiert eine ausführliche Literatur, welche die einzelnen Steuerkriterien erläutert und verschiedene Aspekte des Einsatzes dieser Prozeßgrößen zur Regelung beleuchtet. Allen Ansätzen in der Praxis ist jedoch gemein, daß eine Beurteilung des viskoelastischen Verhaltens des Mischgutes On-Line nicht erfolgt.

Die Temperatur und auch das Drehmoment werden von diesem zwar beeinflußt, allerdings werden beide Größen von einer Vielzahl materialunabhängiger Parameter beeinflußt, wie z.B. Kammerwand temperatur, Füllgrad oder Rotortemperatur, Stempeldruck etc.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Größe zur Verfügung zu stellen, welche sehr stark mit den viskoelastischen Material eigenschaften korreliert und andererseits On-Line meßbar ist. Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patent anspruches genannten Merkmale gelöst.

Die Beanspruchung des Mischgutes im Innenmischer ist durch die ungleichmäßige Rotorform in der Regel dynamisch, d.h., freie Volumina im Mischer werden zyklisch geschlossen und geöffnet, ebenso treten zyklische Beanspruchungsspitzen auf. Ein visko elastisches Material weist stets das Charakteristikum auf, daß bei dynamischer Beanspruchung eine Zeitverzögerung zwischen der beanspruchenden Deformation und der daraus resultierenden Kraft erfolgt.

Diese bei dynamischer Beanspruchung "Phasenverschiebung" genannte Verzögerung ist - bezogen auf einen zyklus (360°) - bei ideal elastischen Fluiden 0°, bei ideal viskosen Fluiden 90°.

Entnimmt man einem Mischer über der Mischzeit Proben, so ist eine stetige Änderung dieser Phasenverschiebung mit zunehmender Misch zeit auszumachen.

Die Lösung der Aufgabe dieser Materialänderungen On-Line aufzu zeigen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotorpo sition durch einen Sensor, welcher dessen aktuelle Position anzeigt, gemessen wird. Die beigefügten Skizzen zeigen dies am Beispiel eines Impulsgebers, welcher stets den Zeitpunkt der Passage einer definierten Rotorposition angibt. Da es sich bei der Drehung des Rotors um eine gleichförmige Bewegung handelt, können alle anderen Rotorpositionen daraus abgeleitet werden. Weiterhin wird im Drehmomentverlauf, welcher ebenfalls, z.B. durch Aufnahme des Ankerstroms des Antriebsmotors, erfaßt wird, das Beanspruchungsmaximum detektiert. Dies ist mit einer modernen Meßwerterfassung kein Problem und kann z.B. durch Signalglättung, Differenzierung und Nulldurchgangsdetektion elektronisch durch geführt werden. Der zeitliche Abstand einer definierten Rotor position zum Drehmomentmaximum, bezogen auf die Zykluszeit einer Umdrehung, ist den viskoelastischen Eigenschaften des Materials direkt proportional und kann daher als materialspezifische Kenn größe während des Mischzyklus erfaßt werden.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des zweiten Patentanspruchs kann die Aufgabe der Messung der viskoelastischen Eigenschaften ebenso durch Messung des Innendruckverlaufs statt des Drehmomentverlaufs gelöst werden. Da es sich bei dem Prozeß des Mischens im Innen mischer um einen dynamischen Vorgang handelt, unterliegt der Innendruck den gleichen zyklischen Schwankungen wie das Dreh moment. Die Detektion des Druckmaximums kann dabei mit den gleichen elektronischen Mitteln erfolgen wie die des Drehmoment maximums.

In Fig. 1 ist die On-Line-Erfassung der viskoelastischen Eigen schaften nach Anspruch 1 dargestellt. Die Passage eines bestimm ten Teils (1 a) des Rotors (1), wird durch einen Impulsgeber (2) detektiert und über eine geeignete Meßwerterfassung (8) als eine Funktion der Zeit gespeichert. Simultan wird die Leistung des Motors (3), welche bei konstanter Drehzahl dem Drehmoment pro portional ist, z.B. über die Messung des Ankerstroms (4) erfaßt. Dieser wird nun ebenfalls elektronisch verarbeitet (5), wobei die Drehmomentmaxima detektiert (6) und als Funktion der Zeit ge speichert werden. Die Differenz der Signale t ₁-t _u bzw. t ₁′- t _u′ ergibt schließlich die Verzögerungszeit als Funktion der Mischzeit (7).

Fig. 2 zeigt das analoge Vorgehen nach Anspruch 2, wobei statt des Drehmoments der Innendruck mit einem Sensor (1) in der Wand der Mischkammer (3) erfaßt wird. Hier meldet der Impulsgeber, analog zu Fig. 1, eine bestimmte Rotorposition (I) an der Meß elektronik (4). Das Signal des Innendrucks, welches analog wie in Fig. 1 das Signal des Drehmoments verarbeitet wird (d.h. Maximumdetektion), liefert die zeitliche Position der Druckmaxima (6). Die zeitliche Differenz beider Signale ergibt wiederum die Verzögerungszeit t _v zu den diskreten Zeitpunkten 1-n.

Eine nachgeschaltete Elektronik kann nun noch zu dem Zweck ein gesetzt werden, diese Verzögerungszeit auf die Zykluszeit, welche der Drehzahl direkt proportional ist, zu beziehen und den entsprechenden Zahlenwert entweder anzuzeigen und/oder einer Prozeßsteuerung zu übermitteln.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Veränderung des Verhältnisses von viskosen zu elastischen Eigenschaften, dadurch gekennzeich net, daß an einem Innenmischer die zeitliche Verschiebung eines Leistungsextremums zu einer fixen Rotorposition ge messen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Verschiebung eines Extrems des Innendruckverlaufes an einer Position in der Kammerwand zu einer fixen Rotor position gemessen wird.