DE60102643T2

DE60102643T2 - Verfahren zur verarbeitung einer kautschukzusammensetzung für luftreifen

Info

Publication number: DE60102643T2
Application number: DE60102643T
Authority: DE
Inventors: Antonio Proni; Gianluigi Hotellier; Daniele Balasso
Original assignee: Pirelli Pneumatici SpA; Pirelli SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA; Pirelli Tyre SpA
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2021-04-11
Also published as: EP1194272A1; US6726352B2; EP1194272B1; WO2001078956A1; PT1194272E; US20020193465A1; DE60102643D1; ATE263663T1; ES2219522T3; TR200401119T4; AU5627701A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung von Mischungen und Massen aus Kautschuk und verschiedenen Zusatzstoffen, die zur Herstellung von Reifen und ihren Bauteilen, wie Laufflächenbändern und dergleichen, verwendet werden. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn sie in Verbindung mit der Herstellung von Kautschukmassen verwendet wird, die mit Siliciumdioxid verstärkt sind.
Solche Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind beispielsweise aus den Dokumenten GB 1535545-A und US 5865535-A bekannt.
Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren solche Massen aufbereitet werden, die eine polymere Basis mit einer ungesättigten Kette haben, die mit Schwefel unter Heißbedingungen vernetzt werden kann, und der wenigstens ein Siliciumdioxid-Füllstoff und ein Siliciumdioxid-Bindemittel zugesetzt werden, das wenigstens ein Schwefelatom enthält.
Die polymere Basis kann irgendein Polymer oder Polymergemisch sein, das nicht vernetzt, natürlich oder synthetisch und in der Lage ist, alle chemischen/physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Elastomeren anzunehmen, nachdem es geeignet vernetzt ist.
Die europäische Patentanmeldung 99.830189.9 im Namen der Anmelderin der vorliegenden Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung der oben erwähnten Massen mit wenigstens einem ersten Arbeitsschritt zum Mischen der verschiedenen Grundbestandteile, um ein Gemisch zu erhalten.
Dieser Schritt wird in einem geschlossenen Durchlaufmischer ausgeführt, d.h. in einer bekannten Vorrichtung, die maßgeblich einen Behälter aufweist, der im Inneren ein Paar von Rotoren aufnimmt, die sich in entgegengesetzten Richtungen drehen, um so die in den Behälter von oben eingeführten Bestandteile zu mischen.
Für diesen Zweck ist die Vorrichtung mit einem Druckluftzylinder, der sich im oberen Teil des Behälters befindet, und einem Kolben versehen, der nach oben zum Öffnen des Behälters, wodurch die Bestandteile über spezielle Beladetrichter eingeführt werden können, und nach unten bewegbar ist, um einen Druck auf das von den Rotoren bearbeitete Material auszuüben, über denen er sich befindet.
Ein am Boden des Behälters angeordnetes Druckluftsystem ermöglicht das Abführen der Mischung am Ende des Mischzyklus durch Öffnen eines geeigneten Auslasses.
Wie oben erwähnt, sind Vorrichtungen, wie sie oben beschrieben sind, bekannt. Auf sie wird als "Banbury^®" oder "Intermix^®" abhängig davon Bezug genommen, ob die Rotoren tangential bezüglich einander oder ineinander greifend arbeiten.
Im Folgenden wird das während der verschiedenen Arbeitsschritte bearbeitete Material als "Mischung" bezeichnet, um es von der "Masse" zu unterscheiden, die das Produkt ist, das man erhält, wenn der Mischung das Vulkanisiersystem zugesetzt wird.
Das in der vorstehend beschriebenen Patentanmeldung beanspruchte Verfahren ist darauf gerichtet, im Wesentlichen konstante Eigenschaften bei diesen Massen bereitzustellen, die eine identische Zusammensetzung haben, jedoch diskontinuierlich in gesonderten Chargen, nämlich mit der Neubeladung von Grundbestandteilen in den Mischer, wenn sein vorheriger Inhalt entleert worden ist, erzeugt werden.
Es kommt tatsächlich nicht häufig vor, dass bei den bekannten Verarbeitungsverfahren die bei den aufeinander folgenden Chargen erzeugten Endmassen physikalische und mechanische Eigenschaften haben, die sich auch beträchtlich voneinander unterscheiden, obwohl sie aus den gleichen Grundbestandteilen hergestellt werden und die gleichen Rezepte verwenden.
Für diesen Zweck hat man beim Stand der Technik wenigstens zwei indirekte Prozessparameter definiert, beispielsweise die dem Paar von gegenüberliegenden Rotoren zugeführte Leistung und die Temperatur der von ihnen verarbeiteten Mischung zusammen mit wenigstens zwei direkten Parametern, beispielsweise die Drehzahl der Rotoren und der Druck, der von dem Kolben des diskontinuierlichen Mischers ausgeübt wird.
Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, schlägt deshalb das Verfahren nach der vorstehend erwähnten Anmeldung vor, periodisch einen oder beide der indirekten Parameter zu messen und erforderlichenfalls ihr Fortschreiten über der Zeit zu korrigieren, indem einer oder beide der direkten Parameter variiert werden.
Dieses Betriebsverfahren ermöglicht das Erreichen des Ziels, in wiederholbarer Weise Massen mit konstanten Eigenschaften oder in jedem Fall Massen herzustellen, die innerhalb eines vorgegebenen Änderungsbereichs fallen.
Dieses Verfahren betrifft nur die Arbeitsschritte, die innerhalb des diskontinuierlichen Mischers auftreten, und analysiert den Herstellungsprozess der Mischungen als Ganzes nicht. D.h. mit anderen Worten, dass das in der europäischen Patentanmeldung Nr. 99.830189.9 beschriebene Verfahren die Konsequenzen nicht analysiert, die durch die Nichtübereinstimmung mit den vorgegebenen Grenzwerten für die (direkten und indirekten) Mischprozessparameter für die anderen Schritte für den Verarbeitungszyklus der Mischung und Massen hervorgebracht werden (beispielsweise für zusätzliche Schritte, zu denen ein Vermischen mit anderen Mischungen gehört, um die so genannten "Verschnitte" zu erhalten, für die Vulkanisierung, usw.).
Beispielsweise wäre auf den Fall Bezug zu nehmen, bei welchem eine Fehlfunktion einer Maschine oder ein menschlicher Irrtum zu einer Temperatur der Mischung oder einer durch die Rotoren zu einem gegebenen Zeitpunkt genutzten Leistung führt, die von den vorgegebenen Werten abweicht. Was wären die Konsequenzen und welche Schritte können ausgeführt werden, um in dieser Situation Abhilfe zu schaffen?
Zu erwähnen ist, dass die Antwort auf diese Fragen von beträchtlicher Bedeutung ist, da sie, wie zu sehen sein wird, die Produktion großer Materialmengen, die am Ende des Herstellungsprozesses entsorgt werden müssten, zusammen mit all den daraus entstehenden negativen Folgen vermeidet.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, dieses Problem zu lösen, indem ein Verfahren zur Verarbeitung von Mischungen und Kautschukmassen bereitgestellt ist, mit dem es möglich ist, unmittelbar online zu arbeiten, um die aus Schwankungen der Verfahrensparameter jenseits der vorgegebenen Toleranzgrenzen entstehenden negativen Folgen zu korrigieren oder zu begrenzen.
Die Erfindung ergibt sich aus der Kenntnis der Anmelderin, dass die Arbeitsschritte, die den Zyklus zur Verarbeitung von Mischungen und Massen ausmachen, eine sich ändernde Bedeutung für die Erreichung der gewünschten Merkmale des Endprodukts haben.
Demzufolge wurde nach der Erfindung ein Verarbeitungsverfahren entwickelt, bei welchem zuerst Referenzwerte mit zugehörigen Abweichungstoleranzen für die Prozessparameter während eines oder mehrerer Arbeitsschritte definiert werden.
Diese Parameter können die von den Rotoren genutzte Energie, die Temperatur der Mischung und die Verweilzeit der Mischung in dem Mischer oder, stromab von diesem, die Dauer des Zyklus für eine Extraktion des Halbfabrikats in Bahnform (worauf auch kurz als "Extrusion" Bezug genommen wird) sowie irgendein anderer Parameter entsprechend den Umständen sein.
Danach werden Koeffizienten zugeordnet, die das Gewicht (oder die Bedeutung) einer Übereinstimmung mit den Toleranzen angeben, um die gewünschten Endeigenschaften einer bestimmten Masse zu erreichen.
Während des Herstellungsprozesses werden die vorher erwähnten Prozessparameter für jede Charge gemessen und entsprechende Bewertungskoeffizienten abhängig von den gemessenen Werten zugeeignet. Schließlich werden die zugeeigneten Koeffizienten zusammengefasst, und auf der Basis des erhaltenen Ergebnisses wird eine Klassifizierung der Halbfabrikate bestimmt, die bei den verschiedenen Materialchargen erhalten werden.
Die Klassifizierung bietet eine qualitative Bewertung des Halbfertigprodukts. Auf dieser Basis wird es möglich, direkt längs der Produktsstraße zu arbeiten, um zu verhindern, dass irgendwelche defekten Mischungen oder Massen einen Schaden an der darauf folgenden Produktion herbeiführen.
Beispielsweise kann der Fall in Betracht kommen, bei welchem eine zu entsorgende Mischung mit anderen fehlerfreien Mischungen vermischt wird, wodurch der erhaltene "Verschnitt" nachteilig beeinflusst wird und wodurch es erforderlich sein kann, große Mengen des erzeugten Materials zu entsorgen.
Insbesondere wird das Verfahren nach der Erfindung speziell zur Herstellung von mit Silicium verstärkten Massen verwendet, die die folgenden Bestandteile in variablen Mengen pro hundert Gewichtsteile der polymeren Basis (phr) zwischen den folgenden Grenzen aufweisen:
Die Toleranzbereiche der Prozessparameter werden für jede herzustellende Massenart vorherbestimmt.
Weitere kennzeichnende Merkmale der vorliegenden Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden deutlich aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich, die sich auf eine bevorzugte und nicht ausschließliche Ausführung bezieht und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
1 in Form eines Schaubilds die typischen Verarbeitungsschritte der Mischung unter Verwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 in vereinfachter Form einen chargenweisen Mischer zeigt, der bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendet wird, und
3 in Form eines Diagramms mit kartesischen Koordinaten die zeitlichen Änderungen der Hauptprozessparameter während der Verarbeitung in dem Mischer von 2 zeigt.
Die erste der obigen Figuren zeigt schematisch die Hauptschritte des Verarbeitungszyklus zur Aufbereitung einer Mischung ausgehend von Grundbestandteilen. Die Hauptmerkmale dieser Schritte sind bereits bekannt, da sie normalerweise für die Herstellung von Reifenmassen verwendet werden.
Der erste dieser mit 1 bezeichneten Schritte besteht aus dem Abwiegen der verschiedenen Bestandteile und ihrer Zuführung zu einem Chargenmischer, der nachstehend im Einzelnen beschrieben wird.
Während des Schritts 2 führt der Mischer das Mischen der verschiedenen Bestandteile in Übereinstimmung mit vorgegebenen Prozessparametern aus, und die so erhaltene Mischung wird zu einem Extruder gefördert, wo Schritt 3 ausgeführt wird.
Der Extruder kann eine Doppelschnecken- oder Einzelschneckenbauweise haben. In beiden Fällen wird die Mischung am Extruderauslass unter Verwendung eines Paars von Kalanderwalzen (Schritt 3 von 1 von der Seite sichtbar) so gewalzt, dass sie in die Form von Bahnen mit vorgegebener Breite (60 bis 80 cm) und Dicke (6 bis 10 mm) gebracht wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die Kalanderwalzen eine Bauweise mit variabler Reibung, so dass es möglich ist, ihr Drehmoment und ihre Arbeitsgeschwindigkeit zu ändern.
Alternativ zu dem Extrudersystem plus Kalanderwalzen zur Formung der Mischung in eine Bahn ist es auch möglich, Mischer in offener Bauweise zu verwenden, bei denen die Mischung von oben bezogen auf ein Paar von entgegendrehenden Trommeln gegossen wird, die sie walzen und dann auf eine von ihnen aufwickeln.
Die erhaltenen Bahnen unterliegen dann einer "Entchargungs"-Behandlung (Schritt 4), bei dem sie mit einer flüssigen Lösung benetzt werden, die ihre Oberflächenadhäsion verringert. Nach diesem Schritt werden sie gekühlt und getrocknet, wobei sie in Girlanden in speziell belüfteten Kammern aufgehängt werden.
Die so behandelten Bahnen werden dann auf Arbeitstischen angeordnet, wo sie auf ihre weitere Verarbeitung warten.
Insbesondere werden die bandförmigen Bahnen auf verschiedene Arbeitstische abhängig von dem Ausmaß aussortiert, in welchem sie während der Verarbeitung mit den vorgegebenen Prozessparametern übereinstimmten. Die Art und Weise, wie diese Auswahl ausgeführt wird, wird nachstehend im Einzelnen beschrieben.
Zu erwähnen ist hier jedoch, dass als Folge des Aussortierens der Bahnen auf verschiedenen Arbeitstischen entsprechend dem Qualitätsgrad des Produkts entsprechende Verwendungen für die verschiedenen ausgewählten Bahnen vorgesehen werden können, um zu verhindern, dass diejenigen, die defekt sind oder auf jeden Fall den notwendigen Anforderungen nicht perfekt genügen, danach mit fehlerfreien Bahnen vermischt werden.
Demzufolge können die Bahnen auf einem Arbeitstisch Verarbeitungsvorgängen unterworfen werden, die sich von denen eines anderen Arbeitstisches unterscheiden. Beispielsweise werden einige Bahnen (solche, die als zufrieden stellend für die gegebenen Anforderungen angesehen werden) in einem diskontinuierlichen Mischer zusammen mit dem Vulkanisiermittel weiterverarbeitet, um die abschließende Rohmasse zu bilden, während andere Bahnen (die als fehlerhaft angesehen werden) mit weiteren Mischungen kombiniert werden, um einen gewünschten Verschnitt zu erhalten, während schließlich andere Bahnen (die als nicht akzeptabel angesehen werden) entsorgt werden.
Die weiteren Verarbeitungsvorgänge können mit den gleichen Einrichtungen, wie sie für die Schritte 2 bis 5 verwendet werden, oder auch in anderen Anlagen ausgeführt werden.
Die Tabellen 3 und 4 zeigen einige Werte der Toleranzen bezogen auf Referenzsollwerte, die für bestimmte Prozessparameter anwendbar sind, die jeweils während der entsprechenden Schritte H bis N überwacht werden. Diese Sollwerte und die zugehörigen Toleranzen können auf experimentelle Weise erhalten werden und hängen offensichtlich von der Art der zu verarbeitenden Mischung ab.
Diese Werte hängen deshalb von der Zusammensetzung der Mischung und von ihren während der verschiedenen Verarbeitungsschritte zu erzielenden Merkmale ab.
Beispielsweise ist es bei einem diskontinuierlichen Mischer 10, wie er beispielsweise in 2 gezeigt ist (Banbury^®-Bauweise), der mit einem Paar von tangentialen Rotoren 11 und 12, die ein Profil mit unterbrochener Schnecke haben und die in entgegengesetzte Richtungen innerhalb einer Kammer 13 drehen, und mit einem pneumatischen (oder hydraulischen) Zylinder 14 versehen sind, der einen Kolben 16 mittels einer Stange 18 so betätigt, dass er die Mischung 17 zusammendrückt, möglich, einen Mischvorgang auszuführen, wie er in 3 gezeigt ist.
Bei diesem Mischer kann tatsächlich der von dem Kolben 16 auf die Mischung 17 ausgeübte Druck dadurch variiert werden, dass der Kolben angehoben oder abgesenkt wird. Als Folge ermöglicht dies auch eine Änderung der Leistung, die für die Drehung der Rotoren 11, 12 erforderlich ist, und somit die von dem System verbrauchte Energie. Die Energie tritt als Zunahme oder Abnahme der Temperatur der Mischung in Erscheinung.
Die indirekten Prozessparameter, wie die durch das Paar von Rotoren 11, 12 eingesetzte Energie, werden während der Verarbeitung in einer vorgegebenen Zeitfolge überwacht. Insgesamt ist das Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden Überwachungsvorgängen kleiner als zwei Minuten, vorzugsweise nicht größer als 30 Sekunden, und besonders bevorzugt nicht größer als 15 Sekunden, so dass in Realzeit jede Schwankung in den vorgegebenen Toleranzintervallen korrigiert werden kann.
Wo es als notwendig oder geeignet angesehen wird, werden diese indirekten Prozessparameter in noch kürzeren Intervallen, die geringer als eine Sekunde sind, während der unterschiedlichen oben erwähnten Verarbeitungsstufen überwacht, um den Abweichungsgrad der Werte der Parameter von dem vorgegebenen Sollwert zu minimieren.
Am Beginn des Arbeitszyklus ist der Kolben 16 vollständig angehoben, so dass er das Einführen einer Materialcharge mit wenigstens einem Polymer oder einem Polymergemisch, einem verstärkenden Füllstoff, der Siliciumdioxid in Kombination mit oder anstatt Ruß aufweist, und einem Bindemittel für den weißen Füllstoff durch einen Seitentrichter 18 des Mischers zulässt.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass bei der vorliegenden Beschreibung "weiße verstärkende Füllstoffe" anorganische Füllstoffe, wie Gips, Talk, Kaolin, Bentonit, Titandioxid, Aluminiumoxid und verschiedene Silicate und Siliciumdioxid bezeichnet, die bei Reifenmassen verwendet werden, beispielsweise um die Straßenhaftung bei Nasszuständen zu verbessern oder den Rollwiderstand des Reifens zu verringern.
Zur Abkürzung wurde und wird auf diese weißen Füllstoffe insgesamt durch den Ausdruck "Siliciumdioxid" oder "Siliciumdioxid-Füllstoffe" Bezug genommen. Dieser Ausdruck ist dennoch im weitesten Sinn seiner Bedeutung zu verstehen.
Die abhängig vom Volumen des Mischers eingebrachte Materialmenge liegt in diesem Fall vorzugsweise zwischen 220 und 250 kg.
Wie aus dem Diagramm von 3 zu sehen ist, hat die Kurve für die adsorbierte mechanische Leistung während des Beladens einen Minimalwert, da das Paar von Rotoren noch nicht mit der mechanischen Verarbeitung der Materialien begonnen hat. Längs dieses Abschnitts zeigt die Temperaturkurve einen Abwärtstrend aufgrund der Tatsache, dass die Thermoelemente die Temperatur innerhalb der Kammer 13 messen, die sich nach dem Entladen der vorherigen Mischung und dem darauf folgenden Einführen von neuem Material mit Umgebungstemperatur abkühlt.
Die Gesamtmenge von Siliciumdioxid kann zu Beginn des Verarbeitungszyklus oder vorzugsweise während zwei getrennter Schritte des oben erwähnten Zyklus eingebracht werden.
Wenn das Einbringen des Materials abgeschlossen ist, wird der Kolben 16 so abgesenkt, dass er das Material in der Kammer 13 zusammendrückt. Hier und in der folgenden Beschreibung werden die Bewegungen des Kolbens als im Wesentlichen momentan betrachtet.
Nach dieser Absenkbewegung nimmt die adsorbierte mechanische Leistung schnell zu, bis sie einen Spitzenwert (nach 30 Sekunden) erreicht, da die Rotoren 11 und 12, die mit konstanten Drehzahlen in Drehung gehalten werden, die maximale Kraft ausüben, die erforderlich ist, um die Komponenten der Mischung, die noch hohe Viskositätswerte haben, aufzubrechen und miteinander zu vermischen. Auch die Temperatur beginnt zu steigen. Wenn das Mischen fortschreitet und die Temperatur ansteigt, nehmen daraufhin die Viskosität und als Folge der Leistungsverbrauch ab.
Im Punkt C des Verarbeitungszyklus unterliegt die Anzahl der Umdrehungen der Rotoren einer ersten Reduzierung (in der Größenordnung von 10%), und gleichzeitig wird der Kolben angehoben, so dass die adsorbierte Leistung auf einen entsprechenden Minimalwert reduziert wird. Nach wenigen Augenblicken wird jedoch der Kolben wieder abgesenkt, wodurch ein neuer Spitzenwert der adsorbierten Leistung (Punkt D längs der Abszisse) entsteht, worauf der Wert wieder fällt aufgrund der allmählichen Reduzierung der Viskosität, die auch mit der fortlaufenden Temperaturzunahme verbunden ist, die einen Wert von etwa 100°C erreicht.
Das Anheben des Kolbens hat auch die Wirkung, dass diejenigen Chargenteile, die nicht in die Mischung eingeschlossen worden sind und sich an der schließenden Oberfläche der Vorrichtung als Staub zwischen dem Kolbenkörper und der Behälterwand angesammelt haben, zu den Rotoren fallen können. Die verschiedenen Prozentsätze der Mischungskomponenten werden so auf ihre vorgegebenen Werte gebracht, wodurch eine wesentliche Vorbedingung zur Erzielung der Endeigenschaften der Mischung erfüllt wird.
Wie oben erwähnt, ermöglicht der Vorgang der Steuerung der Verarbeitung der Mischung mit Hilfe des Kolbens, dass der Temperaturfortschritt über der Zeit innerhalb der gewünschten Werte gehalten wird, die für eine korrekte Bildung des Endprodukts erforderlich sind.
Das Anheben des Kolbens, wodurch der Druck auf das zu verarbeitende Material verringert wird, gewährleistet eine allmähliche Temperaturzunahme mit einem vorgegebenen Gradienten und hat auf jeden Fall den Effekt, dass dieser Parameter innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten wird, so dass die Eigenschaften der zu verarbeitenden Mischung nicht nachteilig beeinflusst werden.
Gleichzeitig wird die Änderung der Drehzahl der Rotoren dazu verwendet, sowohl die mechanische Verarbeitung als auch die Temperatursteuerung zu optimieren.
Die gesamte Bearbeitungszeit vom Beginn des Zyklus bis zum Punkt E kann für Siliciumdioxid-Füllstoffe enthaltende Massen zwischen 95 und 115 Sekunden liegen.
Wenn dieser Punkt erreicht worden ist, wird der Einschluss des Siliciumdioxid-Füllstoffs in die polymere Grundmasse als ausreichend angesehen. Deshalb werden weitere Zusatzstoffe in den Mischer eingebracht. Vorzugsweise wird während dieses Schritts eine Restmenge von Siliciumdioxid, die etwa 25% der Gesamtmenge entspricht, eingebracht.
Der Vorgang erfolgt durch Anheben des Kolbens und durch Halten des Kolbens in dieser Stellung während der ganzen erforderlichen Zeit. Während dieses Vorgangs fällt der Leistungsverbrauch auf Minimalwerte (E-F), und auch die Mischungstemperatur fällt nicht nur aufgrund der Aufhebung des Kolbendrucks, sondern auch infolge des Einbringens von Zusatzstoffen bei Raumtemperatur, die spezielle flüssige Zusatzstoffe aufweisen können, wie Weichmacheröl, was diesen Kühleffekt begünstigt.
Wenn das Beschicken abgeschlossen worden ist (Punkt F), wird der Kolben wieder abgesenkt und gegen die Mischung gedrückt gehalten, was zu einem erneuten Anstieg der adsorbierten Leistung und einer entsprechenden Temperaturerhöhung führt.
Die gesamte Bearbeitungszeit vom Beginn des Zyklus bis zu dieser Zunahme kann im Falle von Massen mit einem Siliciumdioxid-Füllstoff zwischen 150 und 195 Sekunden liegen.
Danach werden andere (eine oder mehrere) Einstellungen der direkten Prozessparameter ausgeführt, d.h. Änderungen in der Drehzahl der Rotoren (beispielsweise zwei Verringerungen jeweils mit einem Wert von etwa 40%) und/oder Bewegungen des Druckkolbens mit den daraus folgenden Zunahmen der adsorbierten Leistung in Kombination miteinander oder getrennt voneinander und über einen vorgegebenen Zeitraum, um die Dispergierung und Homogenisierung sowohl des Siliciumdioxids und der weiteren gerade zugegebenen Zusatzstoffe in der polymeren Grundmasse abzuschließen.
Man nimmt an, dass am Ende dieser Verarbeitungsphase beginnend mit dem Start des Zyklus bis zum mit M längs der Abszissenachse bezeichneten Punkt in Verbindung mit der letzten Absenkbewegung des Kolbens eine optimale Dispergierung der Füllstoffe in der polymeren Grundmasse erreicht worden ist. Auf diese Phase wird als Silicierungsschritt Bezug genommen.
Am Ende dieser Phase hat die Temperatur der Mischung einen Maximalwert in der Größenordnung von 140°C zusammen mit einem Temperaturprofil erreicht, das immer in einem Bereich vorgegebener Werte verbleibt.
Nun beginnt die so genannte Silanisierungsphase, die den ganzen darauf folgenden Zeitraum bis zum Ende des Zyklus einnimmt und während der die chemische Reaktion zwischen Silan, Siliciumdioxid und Polymer hauptsächlich eintritt.
Diese Reaktion besteht aus einer chemischen Bindung des Siliciumdioxids an die polymere Matrix mit Hilfe des Silans.
Während dieser Phase dreht das Paar von Rotoren mit niedrigen Drehzahlen (vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 5 bis 10 UpM), so dass die Temperatur im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dies ist möglich, da die Dispergierung des Siliciumdioxids und anderer Komponenten in der polymeren Grundmasse bereits ausgeführt worden ist und es nicht länger erforderlich ist, eine hochgradige mechanische Bearbeitung der Mischung vorzunehmen.
Der Temperaturparameter wird während dieser Phase auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten. Dies beruht auf der Wärme, die während der vorherigen Schritte gespeichert wurde, und auf der Wirkung des Kolbens, der nur eine Abweichung der Tempe ratur von dem vorgegebenen Mittelwert korrigiert, insbesondere Abweichungen, die größer sind als der erlaubte Schwankungsbereich bezogen auf den Mittelwert.
Wenn die Silanisierung einmal abgeschlossen ist, wird die Mischung ausgebracht.
Dieser Vorgang erfolgt durch Öffnen des Abführauslasses 19, der sich am Boden der Kammer 13 befindet, und durch ein solches Erhöhen der Drehzahl des Paars von Rotoren, so dass sie vorzugsweise auf den Wert des Beginns des Zyklus gebracht wird.
Während dieses Schritts verzeichnet die adsorbierte Leistung unmittelbar einen neuen Spitzenwert (Punkt N auf der Abszisse), der sofort nach dem Abführen der Mischung zurückgeht. Die Energie, die im Mittel während des ganzen beschriebenen Bearbeitungszyklus zum Einsatz kommt, wie durch die entsprechende Kurve in 3 aufgezeigt ist, beträgt bei diesem Beispiel etwa 0,12 kWh pro kg erzeugter Masse.
Die aus dem Mischer abgezogene Mischung hat eine Temperatur von etwa 140°C und wird, wie vorstehend erwähnt, in Bahnform extrudiert und auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die Verarbeitung des Materials in dem geschlossenen Mischer 10, insbesondere für die Herstellung von mit Siliciumdioxid verstärkten Massen, beeinflusst die Eigenschaften des Materials (der Masse), das während der darauf folgenden Schritte erhalten wird.
Der Bereich der Akzeptabilität, innerhalb dessen die Prozessparameter schwanken können, wird unter Berücksichtigung der Variabilität der physikalischen und mechanischen Eigenschaften festgelegt, die für eine Referenzmasse im Hinblick auf ihre beabsichtigte genaue Verwendung geeignet sind.
Unter dem Ausdruck "Referenzmasse" ist eine Masse mit solchen physikalischen und mechanischen Eigenschaften versehen, die, wenn die Masse einen Teil des Endprodukts bildet, die Leistungen bestimmt, die von dem Produkt gefordert werden, beispielsweise die Leistungen eines Laufflächenbandes.
Zu den Eigenschaften einer "Referenzmasse" gehören diejenigen der Mischung am Auslass des Mischers 10, diejenigen der Rohmasse, die aus einem zweiten Mischer abgezogen wird, wenn die aus dem ersten Mischer kommende Mischung mit dem Vernetzungssystem vermischt worden ist, und diejenigen der vulkanisierten Masse.
Zu den wichtigsten Eigenschaften der aus dem ersten Mischer extrahierten Mischung gehören die Viskosität und der Silanisierungsprozentsatz, während zu denjenigen der Rohmasse am Auslass des zweiten Mischers wieder die Viskosität und der Silanisierungsprozentsatz sowie die rheometrischen Eigenschaften gehören, während zu denjenigen der vulkanisierten Masse die Dichte, die Härte sowie die statischen und dynamischen Module gehören.
Es soll angenommen werden, dass das oben unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschriebene Verfahren der optimale Zyklus für das Herstellungsverfahren einer Masse ist und dass es erforderlich ist, den Bereich der Akzeptabilität der Prozessparameter zu bestimmen.
Das Verfahren zur Bestimmung des Bereichs der Akzeptabilität wird wie nachstehend beschrieben ausgeführt.
Bei gleichförmigen Bedingungen der Rohmaterialien und bei optimalem Wirkungsgrad der Anlage und Geräte wird eine beträchtliche Anzahl von Chargen, sowohl der Mischung als auch der Masse, mehrere Male unter Verwendung des optimalen Prozesses erzeugt.
Die Eigenschaften der erzeugten Gegenstände werden gemessen und jeweils mit denjenigen der Referenzmasse und der Referenzmischung, die während des oben erwähnten optimalen Verfahrens erreicht wurden, sowie mit den Werten der eingesetzten Prozessparameter verglichen.
Unter Verwendung von statistischen Berechnungsverfahren werden die Grenzen bestimmt, innerhalb der jeder Prozessparameter variieren kann, um Produkteigenschaften zu erhalten, die innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen.
Lediglich beispielsweise und nicht begrenzend werden nachstehend die quantitativen Grenzen angegeben, innerhalb deren es eine Änderung der Bestandteile der Zusammensetzung der typischen Masse gibt, die unter Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung erzeugt werden kann.
Die Mengen der Bestandteile werden in Gewichtsteilen pro hundert Teile polymeres Material (phr) ausgedrückt:
Zusätzlich dazu wird das Vernetzungssystem in an sich bekannten Mengen eingeschlossen, die von der Zusammensetzung der Mischung abhängig sind und gewöhnlich Schwefel (von 0,5 bis 2,5 phr) und Vulkanisierbeschleuniger aufweisen.
Von den polymerischen Basen wird der Vorzug Polymeren oder Copolymeren mit einer ungesättigten Kette gegeben, die mittels Polymerisierung von konjugierten Dienen und/oder aliphatischen oder aromatischen Vinylmonomeren erhalten werden.
Nachstehend werden unter Bezug auf die vorstehenden Ausführungen beispielsweise einige Tabellen angegeben, die sich auf die Referenzwerte für eine gegebene Massenzusammensetzung und Akzeptabilitätsbereiche der Prozessparameter beziehen.
So zeigt die Tabelle 1 Werte der Eigenschaften der Rohmasse am Auslass eines Mischers, wie er beispielsweise in 2 gezeigt ist, während die Tabelle 2 einige Eigenschaften der vulkanisierten Masse zeigt. In beiden Fällen sind die Toleranzbereiche durch Abweichungsgrenzen an dem (zentralen) Referenzwert definiert und mit dem Symbol ± bezeichnet.
Die Tabellen beziehen sich auf die Verarbeitung einer Materialcharge von 230 kg, die bezüglich des Volumens des Mischers und der Mischungsdichte optimiert ist. Das in den Mischer 10 eingeführte Material hat eine Zusammensetzung, die von den vorstehend angegebenen ausgewählt und insbesondere wie nachstehend angegeben gebildet wird:
Tabelle 1
Die rheometrischen Eigenschaften werden in diesem Fall nach den Normen ISO 6502 unter Verwendung eines MDR-Geräts für 2 Minuten bei der Temperatur von 195°C gemessen.
Die rheometrischen Einheiten M_L und M_H werden in dN*m (Zehntel Newtonmeter) entsprechend der Anfangskraft und der Maximalkraft ausgedrückt, die durch eine Schwingvorrichtung an dem Massenteststück ausgeübt wird, das auf eine gegebene Temperatur erhitzt ist.
Der Verlauf der Vulkanisierkurve zeigt anfänglich eine Eindellung (Sattelbereich), wo es die Minimalkraft in dem Rohzustand entsprechend dem plastischen Stadium (M_L) gibt, während dann die Kurve allmählich auf einen konstanten Maximalwert (M_H) entsprechend dem Vulkanisierungsniveau ansteigt, wo das Gerät die maximale Kraft ausübt.
Die in Tabelle 1 durch die Symbole t₃₀, t₆₀ angegebenen Eigenschafen werden in Sekunden ausgedrückt, wobei jedes die Zeit anzeigt, die erforderlich ist, um den Prozentsatz (30% und 60%) der Differenz zwischen der Maximalkraft und der Minimalkraft zu erreichen.
Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften des Versuchsstücks auf, das aus der Masse besteht, die aus dem zweiten Mischer nach der Vulkanisierung über 30 Minuten bei der Temperatur von 151 °C extrahiert ist.
Tabelle 2
Die Dichte wird unter Verwendung des Verfahrens gemessen, die in der Norm ISO 2781 festgelegt ist.
Die dynamometrischen Eigenschaften werden durch die Module ausgedrückt, die längs der Kraft-Nerformungskurve ausgedrückt werden, die in einem Diagramm mit kartesischen Koordinaten eingezeichnet ist, auf dessen Ordinate die in MPa ausgedrückten Kräfte und auf dessen Abszisse die Verformungen aufgetragen sind.
Die Prüfvorgänge sind in der Norm ISO 37 festgelegt, und die Symbole CA1 und CA3 von Tabelle 2 stehen für die Belastungswerte gemessen bei der 100%- bzw. 300%-Verformung des Teststücks.
Unter Verwendung einer Methodik, die ähnlich zu der vorstehend für den Mischschritt erläuterten ist, werden bei dem Verfahren nach der Erfindung Referenzwerte mit den zuge ordneten Abweichungen auch für andere kritische Schritte in der Verarbeitung der Mischungen bestimmt.
So werden beispielsweise die Verweilzeiten (Aufrechterhaltungszeiten) in dem Extruder für den Schritt 3 stromab von dem geschlossenen Mischer zusammen mit irgendwelchen anderen Vorgängen in darauf folgenden Mischern und dergleichen abhängig von dem verwendeten Arbeitszyklus bestimmt.
Auf der Basis der oben erhaltenen Daten und Informationen wird ein Koeffizient zugeordnet, der für die Gewichtung steht, die die Nichtübereinstimmung eines gegebenen Parameters mit den vorgegebenen Toleranzen bei der Herstellung einer Masse oder einer abschließenden Mischung mit den gewünschten Eigenschaften annimmt.
Diese Situation ist in den Tabellen 3 und 4 veranschaulicht.
Fig. 4 zeigt eine Tabelle, die in eine Anzahl von Abschnitten unterteilt ist, von denen der erste (links) die Prozessparameter enthält, die für die Verarbeitung einer gegebenen Mischung in dem diskontinuierlichen Mischer 10 in Betracht gezogen werden.
Der zweite Abschnitt (längs des ersten) zeigt die Sollwerte der vorstehend erwähnten Prozessparameter und ihre Änderungstoleranzen bezogen auf die Sollwerte sowie die Koeffizienten (oder Gewichtungen), die im Falle der Nichtübereinstimmung mit den Toleranzen zugeeignet werden.
Diese Werte beziehen sich auf die Arbeitsschritte für die Verarbeitung in dem Mischer 10, die in dem Diagramm von 3 dargestellt und in der ersten Spalte durch die gleichen Buchstaben angegeben sind.
Der dritte Abschnitt (rechts von dem vorhergehenden) in Tabelle 3 zeigt andererseits die Werte der Prozessparameter, die tatsächlich während des Verlaufs der Verarbeitung einer Mischung mit dem oben erwähnten Rezept gemessen werden, zusammen mit den abhängig davon zugeeigneten Gewichtungen, ob die vorgegebenen Toleranzen respektiert sind (oder nicht).
Die Gewichtung, die eine Nichtübereinstimmung mit den verschiedenen Toleranzen bezogen auf das Erreichen einer gewünschten Mischung annimmt, hängt offensichtlich von dem Einzelfall ab. In Tabelle 3 wurde ein Maßstab von Werten gewählt, die von einem Minimum von 0 bis zu einem Maximum von 40 reichen.
Die zugeeigneten Gewichtungsfaktoren werden zusammenaddiert, so dass man ein Endgesamtresultat erhält, das, verglichen mit der Referenzklassifizierung, die in dem letzten rechten Abschnitt von Tabelle 3 gezeigt ist, die Bewertung der Mischung bildet.
Auf diese Weise ist es somit möglich, unmittelbar am Auslass aus dem Mischer 10 festzulegen, ob eine Materialcharge entsprechend den gewünschten Anforderungen verarbeitet worden ist.
Im Falle von Tabelle 3 kann man sehen, dass die Gesamtbewertung, d.h. das, was sich aus der Summe der einzelnen zugeeigneten Gewichtungsfaktoren während der verschiedenen Prozessarbeitsschritte in dem Mischer 10 ergibt, einen Wert von 45 hat. Aus einem Vergleich mit der Referenzklassifizierung kann abgeleitet werden, dass die verarbeitete Mischung in die dritte der vier betrachteten Kategorien fällt, d.h. in die Kategorie, die den zweiten Grad der Nichtübereinstimmung darstellt.
Eine ähnliche Methodik wird bei den anderen Mischverarbeitungsschritten angewendet.
Tabelle 4 bezieht sich beispielsweise auf die Extrusion des Gemisches. Da dieser Schritt (mit 3 in 1 bezeichnet) einfacher ist als der vorhergehende Mischvorgang, wird die zugehörige Tabelle ebenfalls vereinfacht.
In diesem Fall ist der Prozessparameter für die Übereinstimmung die Verweilzeit innerhalb des Extruders. Auf die gleiche Weise wie vorher wird deshalb eine Referenzklassifizierung für diesen Parameter erstellt. Die Klassifizierung wirkt als Vergleichsmittel für den aktuellen Messwert, um die Qualität der Mischung am Auslass zu bestimmen.
Wie gezeigt, sind in Tabelle 4 nur drei Klassifizierungskategorien (anstatt vier, wie im vorhergehenden Fall) für diesen Parameter definiert. Wenn die Extrusionsphase 3 einmal abgeschlossen ist, unterliegen die den Kalander verlassenden Bahnen den restlichen Verarbeitungsschritten, die in 1 gezeigt sind.
Dies wird kontinuierlich (d.h. ohne Unterbrechung) und gesteuert abhängig von dem Produktionsfortschritt durchgeführt.
Wie oben dargestellt, ist es mit dem Verfahren nach der Erfindung tatsächlich möglich, eine Bewertung in Realzeit hinsichtlich der Qualität der Halbfertigprodukte zu erreichen, die sich aus einer vorgegebenen Charge von Ausgangsmaterialien ergeben. Auf der Basis dieser Bewertung ist es somit möglich, längs der Produktionsstraße, d.h. ohne dass gesonderte Labortests an Proben ausgeführt werden müssen, die aus der Produktionsstraße genommen werden, die folgende Verwendung des Halbfabrikats sofort festzustellen.
Als Folge ist es möglich, einen nahezu kontinuierlichen Bearbeitungszyklus zu erhalten, wobei die Produktion mit einem normalen automatisierten System (d.h. einem PLC oder dergleichen) gesteuert wird, das entsprechend der Logik funktioniert, die oben beschrieben ist. Insbesondere ist es nicht länger erforderlich, den Prozess zu unterbrechen, um auf das Ergebnis der Labortests zu warten.
Für diesen Zweck reicht es aus, am Extrusionsauslass Einrichtungen zum Markieren der Bahnen vorzusehen, die aus einer gegebenen Anfangscharge erhalten werden. Auf diese Weise kann jede als Defekt oder als zu entsorgend klassifizierte Bahn (aufgrund menschlichen Irrtums oder aufgrund einer Fehlfunktion in der Mischung oder der Extrusionsvorrichtungen) von den vorhergehenden oder den folgenden unterschieden werden.
Danach wird dann längs der Produktionsstraße diese Bahn mit Hilfe eines Schneidvorgangs abgetrennt und auf einem Arbeitstisch zusammen mit den Bahnen angeordnet, in denen die gleiche Bewertung gegeben wurde.
Zu erwähnen ist, dass, wenn man dies so macht, vermieden wird, dass Bahnen aus defektfreien Chargen und Bahnen aus defekten Chargen oder die entsorgt werden müssen, miteinander vermischt werden, was die Gefahr einer Verunreinigung der Halbfabrikate, die sich in einem guten Zustand befinden, und ebenso deren Entsorgung zur Folge hätte.
Beim Stand der Technik werden zur Überwachung der Produktion Labortests nicht nur an den Zwischenmischungen, sondern auch an der (sowohl rohen als auch vulkanisierten) Masse, die damit erhalten wird, durchgeführt. Wenn eine (oder mehrere) dieser Mischungen (die entsorgt werden sollen) mit anderen defektfreien Mischungen gemischt werden, um die Masse zu erhalten, muss auch das erhaltene Endprodukt entsorgt werden, woraus ein entsprechender wirtschaftlicher Verlust entsteht.
Zur Vervollständigung der Erläuterung zeigt Tabelle 5 die Eigenschaften der Rohmassen, die durch Verwenden von Mischungen erhalten werden, die als Defekt und als zu entsorgend in Tabelle 3 bzw. 4 angesehen werden, d.h. eine Mischung, bei der ein Mischen nicht in Übereinstimmung mit den vorgegebenen Bedingungen durchgeführt wurde, und eine Mischung, die zu lange in dem Extruder geblieben ist.
Im letzteren Fall sind die Eigenschaften der vulkanisierten Mischung (30 Minuten bei 151 °C) und das Verhalten des Lauftlächenbandes während des Extrudierens ebenfalls in Betracht gezogen. Die verwendeten Symbole sind die gleichen wie diejenigen bei den vorhergehenden Tabellen 1 und 2.
Natürlich sind Änderungen in der Erfindung bezogen auf das bisher Beschriebene möglich.
Zuerst ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur auf Verarbeitungszyklen begrenzt ist, wie sie in 1 gezeigt sind, wobei letzterer tatsächlich ein einfacher Zyklus ist, während dessen die Silicierung und Silanisierung der Mischung im gleichen Mischer durchgeführt werden, sondern dass es auch nichts gibt, um die Ausführung dieser beiden Schritte in entsprechenden Mischern zu verhindern, wobei die aus einem Mischer zu entsorgende Mischung in den anderen eingebracht wird.
Zu erwähnen wäre auch, dass das Verfahren nach der Erfindung auch auf die Verarbeitungen von Massen angewendet werden kann, nämlich auf das Produkt, das man durch Zugabe der Vulkanisierkomponenten zu einer Mischung erhält.
Mit anderen Worten, das System der Bestimmung der Referenzsollwerte mit den zugeordneten Toleranzen für die Prozessparameter und der darauf folgenden Bewertung des Übereinstimmungsgrads mit den Werten während der Fertigung, um so deren Fortschritt zu steuern, kann sowohl für Mischungen insgesamt als auch für dadurch erhaltene Produkte, beispielsweise die Massen, angewendet werden.
Diese und andere mögliche Varianten liegen auf jeden Fall innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zur Verarbeitung einer Kautschukmischung oder einer Masse für die Herstellung von Reifen, wobei die Verarbeitung wenigstens einen Mischzyklus und einen Extrusionszyklus zur Herstellung eines Halbfabrikats aufweist, die Zyklen von Prozessparametern gesteuert werden, die während ihrer Ausführung gemessen werden, und jeder der Zyklen die Schritte aufweist: a) Bestimmen von Änderungstoleranzen bezogen auf Referenzwerte für die Prozessparameter, b) Vergleichen der gemessenen Werte der Prozessparameter mit den Referenzwerten, c) Zueignen einer Bewertung zu dem Halbfabrikat abhängig von der Übereinstimmung oder Nicht-Übereinstimmung der gemessenen Werte mit den vorher definierten Toleranzen, d) Klassifizieren des Halbfabrikats auf der Basis der zugeeigneten Bewertung und e) Festlegen der Folgeschritte für die Verarbeitung des Halbfabrikats abhängig von seiner Klassifizierung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte b) bis e) in einer automatisierten Weise ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zu den gemessenen Prozessparametern einer oder mehrere der folgenden Parameter gehören: Dauer des Mischzyklus oder wenigstens eines Teils von ihm, Temperatur und Energie, die von der Mischung oder von der Masse während des Mischzyklus oder während eines Teils von ihm absorbiert werden, Dauer des Extraktionsvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Mischzyklus mit wenigstens einem Innenmischer (10) der Banbury^®- oder Intermix^®Bauweise ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem ein Koeffizient, der die Übereinstimmung mit den vorher definierten Toleranzen angibt, für die Prozessparameter zugeeignet wird, die während des Mischzyklus gemessen werden, und bei welchem die Bewertung des Halbfabrikats dadurch ausgeführt wird, dass die zugeeigneten Koeffizienten zusammenaddiert und das erhaltene Ergebnis mit einer Referenzklassifizierung verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Extraktionsvorgang unter Verwendung wenigstens eines Einzelschnecken- oder eines Doppelschneckenextruders ausgeführt wird, dem ein Paar von Kalanderwalzen zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Walzen in Reibungsbauweise und/oder in einer Bauweise mit variabler Drehzahl ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Extraktionsvorgang unter Verwendung wenigstens eines Einzelschnecken- oder Doppelschneckenextruders und wenigstens eines Mischers in offener Bauweise ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Verweilzeit in dem Extruder für den Extraktionsvorgang gemessen und die Bewertung des Halbfabrikats ausgeführt wird, indem die gemessene Zeit mit einer Bezugsklassifizierung verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Halbfabrikat stromab von dem Extraktionsvorgang markiert wird, so dass es gegenüber anderen Halbfabrikaten identifiziert und von diesen getrennt ist, die davor und/oder danach erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die verarbeitete Mischung oder Masse Siliziumdioxid als das verstärkende Element aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die erhaltene abschließende Masse wenigstens die folgenden Bestandteile in variablen Mengen und pro Hundert Gewichtsteilen der polymeren Basis (phr) zwischen den folgenden Grenzen aufweist: Polymere Basis 100 Ruß 0 bis 80 Siliziumdioxid 10 bis 80 Bindemittel 4% bis 15% des Siliziumdioxids Zinkoxid (ZnO) 1 bis 3

Stearinsäure 0 bis 3 Antizersetzungsmittel 1 bis 3 Weichmacheröl 0 bis 30 Antiozonwachs 0,5 bis 3 Spezifische chemische Ingredienzien 0 bis 15
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die abschließende Masse, das 30 Minuten lang bei 151 °C vulkanisiert wurde, die folgenden Eigenschaften hat: