DE4413550C1 - Meßvorrichtung und Meßverfahren zum Messen der visko-elastischen Eigenschaften von polymerem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 8.

Polymere Materialien, z. B. Gummi, werden durch Mischen von Natur- oder synthetischem Kautschuk mit weiteren Materialien hergestellt. In beiden Fällen wird das polymere Material unter Hinzufügung von Additiven, Stabilisatoren, Weichmachern oder dergleichen solange weiterverarbeitet, bis die gewünschten Materialeigenschaften erzielt worden sind. Die Materialeigenschaften des Naturkautschuks sind je nach Anbaugebiet und Ernte sehr stark unterschiedlich. Zusätzlich können geringfügige Schwankungen in den physikalischen und/oder chemischen Werten der Ausgangsstoffe sowie verfahrensbedingte Toleranzen bei der Mischungsherstellung zu Qualitätsschwankungen der Fertigprodukte führen. Nach dem Mischprozeß wird das polymere Material in einem Walzwerk zu Bahnen ausgeformt, wobei die visko-elastischen Eigenschaften des polymeren Materials u. a. durch die Dauer und andere Verfahrensparameter des Walzprozesses gezielt verändert werden können.

Zur Messung der visko-elastischen Eigenschaften des polymeren Materials in einem Walzwerk während des Knetprozesses ist aus der DE-OS 40 32 375 ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung bekannt. Die Meßvorrichtung umfaßt ein Walzwerk mit zwei parallel angeordneten, antreibbaren Walzen, die einen Walzenspalt bilden. Durch diesen Walzenspalt wird das polymere Material unter Bildung eines auf der Arbeitswalze angeordneten Walzfells transportiert. Bei dem Meßverfahren wird das polymere Material durch einen Meßspalt gefördert, der durch einen gegen die Arbeitswalze zustellbaren Meßkeil und die Arbeitswalze gebildet wird. Dabei werden die auf den Meßkeil wirkenden Kräfte und die Weite des Meßspaltes erfaßt. Außerdem wird die Dicke des Walzfells hinter dem Walzenspalt gemessen. Die so erfaßten Daten werden in einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage ausgewertet und zur Regelung des Walzwerkes verwendet. Erst wenn die gewünschte Viskosität und Elastizität erreicht ist, wird der Knetprozeß beendet.

Die Meßvorrichtung umfaßt einen Meßkeil mit einer daran gekoppelten Kraftmeßein­ richtung. Der Meßkeil kann während des Knetprozesses in das Walzfell hineingefahren werden, um dann die am Meßkeil auftretenden Kräfte zu messen. Außerdem ist die Meßvorrichtung mit einer Wegmeßeinrichtung zum Erfassen des Meßspaltes und einer Meßvorrichtung zum Erfassen der Walzfelldicke versehen.

Aus der Weite des Meßspaltes, der Felldicke und der am Meßkeil angreifenden Kräfte werden relative Werte für die Viskosität und die Elastizität errechnet.

Fertigungs- oder verschleißbedingte Toleranzen der Walzen, der Walzenlagerung und gegebenenfalls der Walzenverstelleinrichtung führen zu unregelmäßigen Schwankungen des Walzenspaltes und somit zu unregelmäßigen Felldicken. Außerdem führt das mechanische Spiel der Stellelemente des Meßkeils in Kombination mit den o. g. Toleranzen der Arbeitswalze zu einem nicht präzise bestimmbaren Meßspalt. Auf der Basis derart ungenauer Meßergebnisse ist auch die daraus errechnete Viskosität und Elastizität nur ungenau bestimmbar.

Aus der DE-GM 72 12 994 ist eine Vorrichtung zum Prüfen der Fließeigenschaften von plastischen Massen an Walzenmaschinen bekannt, bei der an einem Teil des freien Umfanges und einem Teil der Ballenlänge einer Walze eine Meßschale so angeordnet ist, daß ein keilförmiger Stauraum zwischen Walze und Schale entsteht, die mit Druckmeßmitteln ausgestattet ist. Da insbesondere bei abrasiven Medien die erforderliche Dicke der Druckmeßmembran sehr groß sein muß, um eine ausreichende Standzeit des Druckmessers zu erreichen, ist die Auflösung und damit die Genauigkeit dieser Messung unzureichend. Außerdem wird hiermit lediglich der Druck und weder die Viskosität noch die Elastizität des Materials gemessen.

Aus der DD-PS 87 680 ist ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung zur Bestimmung des Verfestigungsgrades von Polymeren bekannt, bei dem ein auf dem Material abrollbares Rädchen zur Meßwertaufnahme eingesetzt wird. Dieses Rädchen ist den bereits oben beschriebenen Schwankungen der Materialdicke des Walzfells ausgesetzt und liefert folglich nur ungenaue Meßwerte. Darüberhinaus werden von den Rädchen lediglich die elastischen Eigenschaften des Materials gemessen, da keine Scherung des Materials erzeugt wird. Eine Messung der Viskosität erfolgt nicht.

Aus C. Kohlert et al., Kunststoffe 81 (1991) 5, 446-448 ist eine Kalandriervorrichtung bekannt, bei der im Knet vor dem Walzenspalt ein Keil angeordnet ist. Auch hier werden Dickenschwankungen des Walzfells nicht eliminiert und führen zu Fehlinterpretationen der Meßwerte.

Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß zur Bestimmung der Viskosität und der Elastizität die Eindringtiefe des Meßkeils in Relation zu den am Meßkeil wirkenden Kräften herangezogen wird.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Meßverfahren gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 8 dahingehend weiterzubilden, daß die Eindringtiefe des Meßkeils in das polymere Material konstant gehalten wird.

Bei einer Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen vor dem Meßkeil angeordneten Vorkeil zur Erzeugung einer definierten Spur im Walzfell.

Bei einem Meßverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Vorkeil in dem Walzfell eine definierte Spur erzeugt, ein Meßkeil im Bereich der Spur in das Walzfell eindringt und die auf den Meßkeil wirkenden Kräfte mißt.

Dies hat den Vorteil, daß der Vorkeil in dem Walzfell eine Spur erzeugt, die eine plane und genau definierte Oberfläche aufweist. In diese definierte Spur taucht der Meßkeil ein, wodurch sich die Eindringtiefe exakt bestimmen läßt. Damit erübrigt sich das permanente Messen der Eindringtiefe, so daß eine Meßgröße entfällt und folglich auch weniger Meßfehler auftreten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Meßkeil fest und starr mit dem Vorkeil verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die Anordnung des Meßkeils in Relation zum Vorkeil während des Knetprozesses unverändert bleibt. Auf die Art macht der Meßkeil jede Bewegung des Vorkeils mit, d. h. jede Ungenauigkeit der Walze oder des Walzenspaltes beeinflußt beide Keile gleichermaßen, so daß sie das Meßergebnis nicht beeinträchtigen können. Folglich bestimmt sich die Eindringtiefe von der Anordnung des Meßkeils in Relation zum Vorkeil und diese ist starr, also frei von jeglichem Spiel und jeglicher Toleranz.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform greift der Meßkeil und der Vorkeil, abgesehen vom Eingriffswinkel, tangential in das Walzfell ein. Dabei greift der Meß­ keil und der Vorkeil exakt tangential in das Walzfell ein, wenn der Eingriffswinkel 0° beträgt. Vorteilhafterweise wird ein Eingriffswinkel zwischen 0° und 45°, vorzugs­ weise zwischen 5° und 15° gewählt. Es versteht sich, daß der Eingriffswinkel an der jeweiligen Keilspitze anzusetzen ist.

In einer besonderen, erfindungsgemäßen Ausführungsform beträgt die Eindringtiefe des Vorkeils in das Walzfell etwa 10% bis 50%, vorzugsweise 25 bis 30% der Material­ dicke. Dies hat den Vorteil, daß eventuell auftretende Dickenschwankungen nicht dazu führen können, daß der Vorkeil aus dem Walzfell herausgerät.

In einer weiteren besonderen, erfindungsgemäßen Ausführungsform beträgt die Ein­ dringtiefe des Meßkeils in das Walzfell etwa 10% bis 50%, vorzugsweise 25 bis 30% der verbleibenden Materialdicke. Dies hat den Vorteil, daß die Kraftmessung in der Mitte des Walzfells erfolgt, also dort wo die Temperatur am höchsten ist. Je höher das Temperaturniveau während der Messung ist, desto größer ist die Kraftschwankung bei gleicher Elastizitäts- und Viskositätsschwankung. Folglich wird dadurch die Sensiblität der Messung erhöht.

Die Anordnung einer Temperaturmeßeinrichtung zwischen dem Vor- und dem Meßkeil bzw. das Messen der Temperatur an dieser Stelle hat den Vorteil, daß die Temperatur des Walzfells unmittelbar an der Stelle gemessen wird, an der die Kraftmessung erfolgt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mindes­ tens einer Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Die einzelnen Merkmale können je für sich oder zu mehreren bei Aus­ führungsformen der Erfindung verwirklicht sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Walzwerkes im Querschnitt mit einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung, teilweise im Schnitt;

Fig. 3a bis c ein Walzfell im Querschnitt entlang der Linien A, B oder C gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Knetwalzwerkes abgebildet. Gezeigt sind zwei sich gegenläufig drehende Walzen, eine Arbeitswalze 12 und eine Knetwalze 14, sowie eine Meßvorrichtung 16. Die beiden Walzen 12, 14 sind derart koaxial angeordnet, daß sie einen Walzenspalt 18 bilden. Je nach Ausführungsform kann eine Walze senkrecht zur Achse bewegt werden, so daß ein verstellbarer Walzenspalt 18 entsteht. Die auftretende Toleranz bzw. das gegebenenfalls vorhandene Spiel des Verstellmechanismus können eine ungewollte Verlagerung einer oder beider Walzen und somit eine Veränderung des Walzenspaltes zur Folge haben, so daß sich auch die Dicke des Walzfells verändert. Dies ist schematisch durch die schraffierte Linie (II) dargestellt. Die Sollposition der Knetwalze 14 ist mit (I) dargestellt.

Während des Knetprozesses staut sich das polymere Material vor dem Walzenspalt und bildet einen Wulst, den sogenannten Knet 20. Durch die gegenläufige Drehbewegung der Walzen 12, 14 wird das polymere Material durch den Walzenspalt 18 hindurch gefördert und bildet auf der Arbeitswalze 12 ein Walzfell 22. Bedingt durch die Viskosität und Elastizität des Materials quillt das Walzfell 22 nach Verlassen des Walzenspaltes 18 an, so daß die Dicke des Walzfells 22 in der Regel nicht der Breite des Walzenspaltes 18 entspricht, sondern größer ist. Zur Feststellung der Dicke des Walzenfells 22 kann diese in geeignetem Abstand hinter dem Walzenspalt 18 gemessen werden.

Aufgrund der Drehbewegung der Arbeitswalze 12 wird das Walzfell zur Meßvorrichtung 16 transportiert. Dort greift ein Vorkeil 24 in das Walzfell 22 ein und erzeugt eine Vorspur 26. Hinter dem Vorkeil 24 wird die Temperatur der nun offengelegten Vorspur 26 gemessen (nicht dargestellt), denn üblicherweise besteht aufgrund der Abkühlung durch Konvektion im Inneren des Walzfell 22 eine höhere Temperatur als auf dessen Außenseite. In die Vorspur 26 greift dann ein Meßkeil 28 ein und erzeugt eine Meßspur 30. Der Meßkeil 30 erfaßt die an ihm angreifenden Kräfte (nicht dargestellt) und leitet diese Meßdaten zur elektronischen Datenauswertung an eine Datenverarbeitungsanlage weiter.

Die Meßvorrichtung 16 wird vor dem Knetprozeß in einem vordefinierten Abstand zur Arbeitswalze 12 angeordnet. Durch die Vorspur 26, in die der Meßkeil 28 eintaucht, erübrigt sich daß Messen des Abstandes des Meßkeils von der Arbeitswalze 12 und somit konnten einige Meßungenauigkeiten und Toleranzen eliminiert werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Meßkeil 28 fest und starr mit dem Vorkeil 24 verbunden. Das führt dazu, daß der Vorkeil 24 und der Meßkeil 28 durch etwaige Unwuchten der Arbeitswalze 12 und durch etwaige Schwankungen der Walzfelldicke gemeinsam beeinflußt werden, so daß daraus keine Meßwertfehler mehr resultieren können. Einzig der anordnungsbedingte relative Abstand zwischen dem Vorkeil 24 und dem Meßkeil 28 bestimmt die Eindringtiefe des Meßkeils 28 in das Walzfell 22, so daß eine genau definierte, konstante und vorbestimmte Eindringtiefe während des gesamten Knetprozesses gewährleistet ist, die nicht nachgemessen werden braucht.

Die Fig. 3a bis c verdeutlichen, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die visko-elastischen Eigenschaften des polymeren Materials unabhängig von der Walzfelldicke 32, 34 gemessen werden können. Dabei zeigt Fig. 3a zwei Walzfelle 22, 22′ wie sie auf der Arbeitswalze an der Stelle A gemäß Fig. 1 vorkommen könnten.

Fig. 3b zeigt, daß durch den Vorkeil 24 ein Teil des Walzfells 22 derart abgeschert wird, daß eine genau definierte und plane Oberfläche entsteht, die unabhängig von der Walzfelldicke 32, 34 ist. Der abgescherte Teil des Walzfells 22, 22′ wird dabei neben der Vorspur 26 in Form eines Wulstes 36 abgelagert. Der Vorkeil 24 taucht dabei etwa 10% bis 50% (je nach Schwankung der Walzfelldicke), vorzugsweise 25% bis 30% in das Walzfell 22, 22′ ein. Die verbleibende Restwalzfelldicke 32′ des Walzfells 22 muß dabei nicht gleich der verbleibenden Restwalzfelldicke 34′ des Walzfells 22′ sein. Unterschiedliche Restwalzfelldicken 32′, 34′ beeinträchtigen das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielte Meßergebnis nicht. Dabei zeigt Fig. 3b zwei Walzfelle 22, 22′ wie sie auf der Arbeitswalze an der Stelle B gemäß Fig. 1 vorkommen könnten.

Wie Fig. 3c zeigt, greift dann der Meßkeil 28 in die Vorspur 26 ein und erzeugt eine genau definierte Meßspur 30. Die Eindringtiefe 38 des Meßkeils 28 ist dabei immer konstant, egal welche Walzfelldicke 32, 34, bzw. Restwalzfelldicke 32′, 34′ das Walzfell 22, 22′ aufweist, da die Eindringtiefe 38 erfindungsgemäß vom relativen Abstand des Meßkeils 28 zum Vorkeil 24 abhängt. In dieser Meßspur 30 mißt der Meßkeil 28 die an ihm angreifenden Tangential- und Radialkräfte und leitet die erhaltenen Daten in an sich bekannter Weise an eine Datenverarbeitungs­ anlage weiter. Dabei zeigt Fig. 3c zwei Walzfelle 22, 22′ wie sie auf der Arbeitswalze an der Stelle C gemäß Fig. 1 vorkommen könnten.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird durch den Vorkeil 24 im Walzfell 22, 22′ eine Vorspur 26 erzeugt, in die der Meßkeil 28 zur Erfassung der an ihm angreifenden Kräfte eindringt.

Die erfaßten Kräfte werden elektronisch ausgewertet und zur Regelung des Knetprozesses herangezogen.

Zur weiteren Verbesserung der Meßauswertung wird zwischen dem Vorkeil 24 und dem Meßkeil 28 die Temperatur der Vorspur erfaßt.

Claims (12)

1. Meßvorrichtung zum Messen der visko-elastischen Eigenschaften von polymerem Material, welches auf einer Arbeitsunterlage in Form eines Walzfells angeordnet ist, mit einem Meßkeil, der mit mindestens einer Meßvorrichtung zur Messung der an ihm angreifenden Kräfte gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen vor dem Meßkeil angeordneten Vorkeil zur Erzeugung einer definierten Spur im Walzfell.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkeil starr mit dem Meßkeil verbunden ist.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkeil und der Vorkeil, abgesehen vom Eingriffswinkel, tangential in das Walzfell eingreifen.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Vorkeils in das Walzfell etwa 10% bis 50%, vorzugsweise 25% bis 30% der Materialdicke ausmacht.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Meßkeils in das Walzfell etwa 10% bis 50%, vorzugsweise 25% bis 30% der verbleibenden Materialdicke ausmacht.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkeil und/oder der Meßkeil einen Eingriffswinkel von 0° bis 45°, vorzugsweise 5° bis 15° aufweist.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Vorkeil und dem Meßkeil eine Temperatur-Meßeinrichtung angeordnet ist.

8. Meßverfahren zum Messen der visko-elastischen Eigenschaften von polymerem Material, welches auf einer Arbeitsunterlage in Form eines Walzfells angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorkeil in dem Walzfell eine definierte Spur erzeugt, ein Meßkeil im Bereich der Spur in das Walzfell eindringt und die auf den Meßkeil wirkenden Kräfte erfaßt.

9. Meßverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Vorkeil und dem Meßkeil die Oberflächentemperatur des Walzfells erfaßt wird.

10. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die auf den Meßkeil wirkenden Tangentialkräfte erfaßt werden.

11. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkeil etwa 10% bis 50%, vorzugsweise 25% bis 30%, der Materialdicke in das polymere Material eindringt.

12. Meßverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkeil etwa 10% bis 50%, vorzugsweise 25% bis 30%, der verbleibenden Materialdicke in das polymere Material eindringt.