DE69635950T2

DE69635950T2 - Mischvorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE69635950T2
Application number: DE69635950T
Authority: DE
Inventors: William Ferguson Esher Watson; William Ferguson Hythe Watson
Original assignee: Watson Brown HSM Ltd Great Britain
Current assignee: Watson Brown HSM Ltd Great Britain
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH11503667A; AU5342896A; JP3665077B2; WO1996033008A1; EP0821617A1; US5975440A; EP0821617B1; DE69635950D1

Description

Diese Erfindung betrifft Mischung, und betrifft in dieser Hinsicht Mischer und Mischverfahren, die solche Mischer verwenden, der Art, in der zwei Glieder zur Rotation relativ zueinander um eine Mittelachse angebracht sind, und gegenüberliegende gerillte Oberflächen der beiden Glieder voneinander beabstandet sind, um einen Spalt zwischen ihnen zu definieren und so gestaltet sind, daß während der Relativrotation eine oder mehrere Rillen und Stege jeder gerillten Oberfläche im Spalt durch eine oder mehrere Rillen und Stege der anderen gerillten Oberfläche gekreuzt werden, um in den Spalt eingeführtes Material einer Scherung und Spaltung zu unterziehen, und sich der Zwischenraum in den Rillen zur Achse hin reduziert und jede Rille Wände aufweist, die gegenseitig geneigt sind, um sich voneinander nach außen zu öffnen.
Mischer dieser oben angegebenen Art sind aus GB-A-2 142 554 bekannt, in der Material, das durch eines der beiden gerillten Glieder in die Mischzone zwischen ihnen eingeführt wird, sich nach außen in den Rillen bewegt, wenn die Relativrotation weitergeht. Das Material wird aus dem äußeren Umfang der beiden Glieder abgelassen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mischer der oben angegebenen Art bereitzustellen, der eine verbesserte Form aufweist und der insbesondere zur Hochleistungsmischung anwendbar ist, wobei zum Beispiel die resultierende Mischung eine Viskosität von ungefähr 3000 Poise (300 N/m²) oder mehr aufweist. Hochleistungsmischer und Mischverfahren sind zum Beispiel in der Mastikation und Mischung von Gummis, in der Mischung von Gummis mit Ruß und anderen Bestandteilen zur Vulkanisation, beim Einbau von Weichmachern und anderen Chemikalien in Polyvinylchlorid und bei der Mischung von Füllern in Polyethylen und Polystyrol anwendbar.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Mischer der angegebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glieder in einem eng anliegenden Gehäuse angebracht sind, daß die Rillung jedes Glieds eine oder mehrere Spiralrillen oder Teile solcher Rillen zur Wechselwirkung mit den kreuzenden Rillen des anderen Glieds aufweist, um eingeführtes Material allmählich nach innen zur Mittelachse hin zu treiben, und daß die Rillen nach innen zur Achse hin eine abnehmende Breite und Tiefe aufweisen, um einen zunehmenden Druck auf das Material zu erzeugen, wenn es längs der Rillen allmählich nach innen zur Mittelachse hin getrieben wird, so daß es, durch die geneigten Wände unterstützt, aus den Rillen in den Spalt zur Dehnungsscher- und Verteilungsmischung im Spalt hervorquillt, und beim Hervorquellen eine Rückbewegung des Materials im Spalt nach außen weg von der Mittelachse gegen die Bewegung nach innen des Materials in den Rillen erzwingt.
Es wird gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ein Mischverfahren bereitgestellt, wobei das zu mischende Material in einen Spalt eingeführt wird, der zwischen gegenüberliegenden gerillten Oberflächen zweier Glieder definiert ist, und es eine Relativrotation zwischen den beiden Gliedern gibt, so daß eine oder mehrere Rillen und Stege jeder gerillten Oberfläche im Spalt durch eine oder mehrere Rillen und Stege der anderen gerillten Oberfläche gekreuzt werden, um das in den Spalt eingeführte Material einer Scherung und Spaltung zu unterwerfen, und sich der Zwischenraum zwischen den Rillen zur Achse hin reduziert und jede Rille Wände aufweist, die gegenseitig geneigt sind, um sich voneinander nach außen zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glieder in einem eng anliegenden Gehäuse angebracht sind, daß die Rillung jedes Glieds eine oder mehrere Spiralrillen oder Teile solcher Rillen zur Wechselwirkung mit den kreuzenden Rillen des anderen Glieds aufweist, um das eingeführte Material allmählich nach innen zur Mittelachse hin zu treiben, und daß die Rillen nach innen zur Achse hin eine abnehmende Breite und Tiefe aufweisen, um einen zunehmenden Druck auf das Material zu erzeugen, wenn es längs der Rillen allmählich nach innen zur Mittelachse hin getrieben wird, so daß es, durch die geneigten Wände unterstützt, aus den Rillen in den Spalt zur Dehnungsscher- und Verteilungsmischung im Spalt hervorquillt, und beim Hervorquellen eine Rückbewegung des Materials im Spalt nach außen weg von der Mittelachse gegen die Bewegung nach innen des Materials in den Rillen erzwingt.
Es ist ein Mischer und Mischverfahren aus DE-U-9410196.5 bekannt, in dem sich Material durch einen Transfermischprozeß in gekrümmten Kanälen zwischen oberen und unteren Scheiben bewegt. Die Kanäle weisen keine Wände auf, die gegenseitig geneigt sind, um sich voneinander nach außen zu öffnen. Außerdem gibt es keinen Antrieb auf das Material, sich längs der Kanäle nach innen zur Drehachse hin zu bewegen und zur Dehnungsscher- und Verteilungsmischung im Spalt und erzwungenen Rückbewegung nach außen weg von der Drehachse nach oben zu quellen, in der Weise, die mit dem Mischer und Verfahren der vorliegenden Erfindung erreicht wird.
Dasselbe trifft im Fall des Mischers und des Verfahrens der Mastikation zu, die aus US-A-1 869 833 bekannt ist, in dem Material, das durch einen zentralen Trichter eintritt, nach außen und nach unten zwischen zusammenarbeitende konische, spiralgerillte Oberflächen eines Rotors und Stators eingeführt wird. Außerdem reduziert sich in diesem Fall vielmehr der Zwischenraum in den Rillen nach außen von der Drehachse des Rotors weg, als nach innen, wie in der vorliegenden Erfindung.
Die Oberflächen des Mischers und des Mischverfahrens der vorliegenden Erfindung können im wesentlichen ebene Flächen sein, und ein erstes der beiden Glieder kann zur Rotation relativ zum zweiten Glied angebracht werden, wobei seine gerillte Fläche über den Spalt der gerillten Fläche des zweiten Glieds gegenüberliegt. Beide Glieder, oder nur eines, können rotieren, und die Rillung eines oder beider kann eine Vielzahl von Spiralrillen mit jeweils weniger als einer Umdrehung aufweisen.
Die Scherung und Spaltung, die von der gegenseitigen Überkreuzung der Rillen und Stege der beiden Oberflächen herrührt, trennt kleine Elemente des Materials voneinander, um die Mischung zu verbessern, die aus der Verteilung des Materials in größere Menge in den Rillen herrührt. Es ist möglich, die An teile der Scher-, Spaltungs- und Verteilungsmischung, die auftreten, um die erwünschte Mischung zu erzielen, durch eine geeignete Auswahl der Rillung festzulegen. Indem zum Beispiel die Rillen schmaler gemacht werden, kann der Anteil der Schermischung erhöht werden, wohingehen der Anteil der Spaltmischung durch Erhöhung der Anzahl der Rillen erhöht werden kann. Der Anteil der Verteilungsmischung kann erhöht werden, indem der Zwischenraum in den Rillen erhöht wird, damit eine Turbulenz des Materials auftritt.
Schermischung ist in Beziehung auf das Erzielen einer mechanochemischen Verarbeitung von besonderem Vorteil, durch die eine Zerlegung des Materials auf molekularer Ebene stattfindet. Folglich wird gemäß eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Mischung von Material bereitgestellt, wobei das Material zwischen sich relativ bewegenden Oberflächen einer Scherung ausgesetzt wird, um mechanochemische Reaktionen innerhalb des Materials zu bewirken, die seine Molekularstruktur zerlegen. Eine mechanochemische Verarbeitung dieser Art weist eine weite Anwendung auf, ist jedoch bei der Rückgewinnung von Gummi aus gebrauchten Produkten, insbesondere Fahrzeugreifen und dem vulkanisierten Gummiausschuß von besonderem Vorteil, der während der Reifenherstellung auftritt. Insbesondere können die vernetzten Ketten der Molekularstruktur des verwendeten Gummis auf diese Weise ausreichend zerlegt werden, um sie löslich machen, so daß es mit Rohkautschuk oder Lösungsmitteln in Lösung gehen wird, die in der Gummiherstellung verwendet werden.
Es werden nun beispielhaft erfindungsgemäße Mischer und Mischverfahren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 einen seitlichen Aufriß eines ersten erfindungsgemäßen Chargenmischers;
2 eine Schnittansicht, die auf der Linie II-II der 1 aufgenommen ist;
3 und 4 veranschaulichend in einem vergrößerten Maßstab die relativen Positionen von zwei Spiralrotorscheiben des Chargenmischers der 1 und 2 während auf einanderfolgenden Stadien des Mischvorgangs, der durch ihn ausgeführt wird;
5 und 6 perspektivisch bzw. in einem auf der Linie VI-VI der 5 aufgenommenen Schnitt eine Form einer einspiraligen Schnecke, die für die Scheibenrotoren des Chargenmischers der 1 und 2 verwendet werden kann;
7 und 8 perspektivisch bzw. in einem auf der Linie VIII-VIII der 7 aufgenommenen Schnitt eine weitere Schnecke, die für die Scheibenrotoren des Chargenmischers der 1 und 2 verwendet werden kann;
9 einen seitlichen Teilaufriß einer zweiten Form des erfindungsgemäßen Chargenmischers.
Bezugnehmend auf die 1 und 2, umfaßt der Chargenmischer in diesem Fall zwei ausgekehlte oder gerillte Rotorscheiben 1 und 2, die gegenüberliegend mit einem kleinen Spalt 3 zwischen ihnen in einer geschlossenen Kammer 4 angebracht sind. Die Scheiben 1 und 2 werden in der Kammer 4 durch einzelne Flanschwellen 5 getragen, die axial horizontal ausgerichtet sind. Die Wellen 5, die in der Wand 6 der Kammer 4 wellengelagert sind, werden durch einen oder mehrere (nicht gezeigte) Motore (durch ein Getriebe oder auf andere Weise) in Rotation versetzt, um sich zueinander in entgegengesetzte Richtungen zu drehen.
Die Scheiben 1 und 2 weisen identische Spiralflächen 7 auf, von denen jede aus einer Reihe von Spiralrillen 8 besteht (acht Rillen im spezifischen Beispiel, das in 2 gezeigt wird), die nach außen geneigte Wände aufweisen. Die Rillen 8 weisen zur Scheibenmitte hin sowohl eine abnehmende Tiefe als auch Breite auf; die Rillentiefe reduziert sich vorzugsweise in der Mitte auf null. Es ist ein abnehmbarer Stopfen 9 im oberen Teil der Kammerwand 6 vorgesehen, um es zu ermöglichen, daß das Material zur Mischung in die Kammer 4 eingeführt wird und in den Spalt 3 zwischen den gegenläufigen Spiralflächen 7 eintritt. Die Drehrichtung jeder Scheibe 1 und 2 ist in Beziehung zum Sinn der Spiralrillung ihrer Spiralfläche 7 so gestaltet, daß das Material, das in den Spalt 3 eintritt, längs der Rillen 8 nach innen getrieben wird. Der Zwischenraum, der diesem Material zur Verfügung steht, reduziert sich mit der Abnahme der Rillenbreite und -Tiefe zur Mitte hin, so daß der Druck auf es zunimmt, wenn es nach innen vorankommt. Das Ergebnis ist, daß das nach innen gezogene Material schließlich von der Scheibenmitte weg hervorquillt und sich von dort zwischen dem Material aus den Scheiben 1 und 2 herausbewegt, das längs der Rillen 8 der beiden Flächen 7 nach innen gezogen wird. Es findet folglich eine Verteilungsmischung innerhalb des Materials statt, wenn es sich bewegt und unter dem Druck im Spalt 3 auf sich selbst hervorquillt.
Eine Mischung durch Scherung und Spaltung findet auch im Spalt 3 zwischen den gegenläufigen Scheiben 1 und 2 statt. Diese weiteren Mischungsarten entstehen insbesondere aus den zyklischen Änderungen der Relativposition der gegenüberliegenden Spiralflächen 7, die an jeder Stelle auftreten. Die Relativpositionen der Flächen 7 zu zwei Stadien des Zyklus werden durch die 3 und 4 dargestellt.
Im in 3 dargestellten Zustand decken sich die Rillen 8 der beiden Flächen 7 gegenseitig, so daß das Material an dieser Stelle in diesem Stadium zwischen den dazwischenliegenden Stegen 10 in die Zwischenräume herausgequetscht wird, die durch die Paare gegenüberliegender Rillen 8 breitgestellt werden. Wenn die Relativrotation zu dem Zustand hin weitergeht, der in 4 dargestellt wird, für den die Rillen 8 jeder Fläche 7 mit den Stegen 10 der anderen zur Deckung gebracht werden, gibt es einen allmählichen Transport des Materials in beide Richtungen in die kleineren Zwischenräume, die durch die Rillen 8 unter den Stegen 10 bereitgestellt werden. Der Transport, der durch die nach außen geneigten Wände der Rillen 8 verstärkt wird, führt nicht nur zu einer Aufspaltung des Materials, um die Mischung zu verstärken, sondern setzt das Material an dieser Stelle Scherkräften aus. Das Material, das aus den nach außen geneigten Wänden der Rillen 8 auf die sich bewegenden Stege 10 nach oben austritt, wird im Scherprozeß gedehnt oder gestreckt, und diese Dehnung des Materials bei der Scherung bewirkt mechanochemische Reaktionen, die das Mischverfahren durch Zerreißen der Molekularstruktur der Bestandteile des Materials fördern.
Die Scher- und Spaltungsmischung findet weiter an jeder Stelle statt, wenn die Relativrotation der Scheiben 1 und 2 durch den Zustand weitergeht, der in 4 dargestellt wird, um zu jenem zurückzukehren, der in 3 dargestellt wird. Da außerdem das Material an jeder Stelle dieser Mischung unterzogen wird, findet daher an angrenzenden Stellen, die radial einwärts und auswärts von dieser Stelle beabstandet sind, dieselbe Abfolge einer zyklischen Änderung statt, die in den 3 und 4 dargestellt wird, jedoch mit anderer Phasenlage. Die Folge ist, daß das Material nicht nur der Mischbewegung quer zu den Rillen 8 und Stegen 10, sondern auch längs zu ihnen unterzogen wird. Die Drehrichtungen der Scheiben 1 und 2 werden in Beziehung zur Richtung der Spiralform ihrer Spiralflächen 7 gewählt, um, wie oben angegeben, ein Herunterziehen des Materials zur Mitte der Scheiben 1 und 2 hin zu bewirken. Folglich findet die Mischung durch Scherung und Spaltung in Zusammenhang und verbunden mit einer Verteilungsmischung statt, die durch die Bewegung des Materials die Rillen 8 hinab stattfindet.
Das Mischverfahren erzeugt beträchtliche Wärme, und es ist im allgemeinen notwendig, dafür zu sorgen, daß die Wand 6 und die Scheiben 1 und 2 gekühlt werden; es wird zur Einfachheit in den 1 und 2 keine solche Einrichtung gezeigt. Außerdem kann die Mischung wünschenswerterweise in einer kontrollieren Atmosphäre stattfinden, und es werden folglich ein Gaseinlaß 11 und ein Gasauslaß 12 für die Kammer 4 bereitgestellt, um dies zu erleichtern. Wie in 1 gezeigt, ist der Gasauslaß 12 praktischerweise im Stopfen 9 vorgesehen, und der Einlaß 11 ist entsprechend in einem Stopfen 13 vorgesehen, der aus der Wand 6 entfernt wird, wenn das Produkt des Mischverfahrens vom Boden der Kammer 4 abgezogen werden soll.
Der Betrieb des Mischers der 1 und 2 ist im Laboratorium unter Verwendung von Rotorscheiben 1 und 2 mit ungefähr 60 mm Durchmesser und acht Rillen 8 reproduziert worden, deren Tiefe linear von 10 mm an der Außenkante auf null im Zentrum abnimmt. Es ist festgestellt worden, daß wenn der Spalt 3 zwischen den Scheiben 1 und 2 (zum Beispiel zwischen 0,2 mm und 5 mm) bis zum Optimum von etwa 50% gefüllt wird, ein Motorantrieb von etwa 1 PS (745,7 W) bei fünfzig Umdrehungen pro Minute zur erfolgreichen Ausführung des Mischverfahrens an einem Gummimaterial von etwa 3000 Poise (300 N/m²) adäquat ist.
Die Spiralflächen 7 der Scheiben 1 und 2 des Mischers der 1 und 2 bestehen auf einer Vielzahl von Spiralrillen 8 mit kurzem Winkelausmaß. Jedoch kann stattdessen eine einzelne Spiralrille mit einer oder mehreren Windungen verwendet werden; die Form einer Rotorscheibe, die mit einer einzelnen Spiralrille 14 mit mehreren Windungen gerillt ist, ist in den 5 und 6 dargestellt. Wo eine Spiralrille mit mehreren Windungen, wie die Rille 14 verwendet wird, ist die Kraft, die Material zur Mitte hin treibt, kleiner als dort, wo ein Muster mit kürzeren Sektoren einer Rillung mit mehreren Anfängen verwendet wird, wie jenes, das in 2 dargestellt wird. Die Rillenwände, die im allgemeinen nach außen geneigt sind, sind im Schnitt vorzugsweise gerade, um einen leichten Fluß des Materials herein und heraus zuzulassen, und der Boden jeder Rille ist für denselben Zweck vorzugsweise abgerundet. Eine spaltende Mischung kann verbessert werden, indem der Neigungswinkel der Rillenwände erhöht wird, so daß die Rillung im Schnitt zu einer U-Form neigt, wohingegen eine Verteilungsmischung durch die Verwendung weniger abgerundeter Böden der Rillen verbessert wird.
Eine weitere mögliche Form einer Rotorscheibe wird in den 7 und 8 dargestellt. Die Form beruht in diesem Fall auf einer Spiralrille 17 mit mehreren Windungen und nach außen geneigten Wände, die mit jener des Rotors vergleichbar ist, der in den 5 und 6 dargestellt wird, jedoch eine geneigte Fläche 18 aufweist, die in das Spiralmuster gefräst ist, um nur zwei Halbwindungen der Rillung zu hinterlassen. Eine Verteilungsmischung wird durch die Verwendung von Rotoren dieser Form verbessert.
Obwohl beide gerillte Flächen 7 im Mischer der 1 und 2 in vertikalen Ebenen rotieren, ist es nicht notwendig, daß es eine Rotation beider oder irgendeine spezielle Orientie rung von ihnen gibt. Es ist eine Form eines Chargenmischers (der zum Beispiel zur Wiederverwertung von Abfall in einer Gummifabrik geeignet ist), in dem nur eine der gerillten Flächen rotiert, und die Rotation in einer horizontalen Ebene stattfindet, in 11 dargestellt und wird nun beschrieben.
Bezugnehmend auf 9, befindet sich die Mischkammer 20 in diesem Fall in einem schalenförmigen Glied 21, das eine Spiralrillung 22 aufweist, die jener der Scheiben 1 und 2 innerhalb seiner Basis 23 entspricht (wie bei den Scheiben 1 und 2 können stattdessen die modifizierten Formen der Rillung verwendet werden, die unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 beschrieben werden). Das Glied 21 ist an der vertikalen Welle 24 eines Motors 25 zur Rotation in einer horizontalen Ebene relativ zur Kolbenstange 26 eines festen Hydraulikstößels 27 angebracht. Die Stange 26 ist axial mit der Welle 24 ausgerichtet und trägt eine gerillte Scheibe 28, die in die zylindrische Seitenwand 29 des Glieds 21 eingeführt ist. Die Scheibe 28 wird gegen die Rotation gehalten und ist auf der Stange 26 angeordnet, wobei ihre Rillung 30 (mit nach außen geneigten Rillenwänden) mit einem kleinen Abstand von der Basis 23 des Glieds 21 in der Kammer 20 zur Rillung 22 weist.
Die Rotation des Glieds 21 relativ zur Scheibe 28 unter dem kontrollierten Antrieb vom Motor 25 schafft Bedingungen für eine gut verteilende, spaltende und Schermischung in der Kammer 20 zwischen den gegenüberliegen Rillungen 22 und 30. Die Kante der Scheibe 28 weist Rillen oder Hohlkehlen 31 auf, die in Beziehung zur Drehrichtung des Glieds 21 geneigt sind, so daß jedes Material, das während der Mischung aus der Kammer 20 an den Seitenwänden 29 nach oben versucht auszutreten, zurück in den Zwischenraum zwischen den Rillungen 22 und 30 getrieben wird. Die Innenseite der Seitenwand 29 kann zum selben Zweck ebenfalls ausgekehlt sein.
Die Scheibe 28 kann vom Glied 21 zurückgezogen werden, um einen Zugang zur Beladung und Leerung der Mischkammer 20 zuzulassen, und kann durch eine einfache Betätigung des Stößels 27 zurückgebracht werden, um den erwünschten kleinen Abstand zwischen den Rillungen 22 und 30 herzustellen. Es ist ein Wasser mantel 32 zur Kühlung des Glieds 21 und eine Wasserkammer 33 zu Kühlung der Scheibe 28 vorgesehen. Das Wasser wird durch den Mantel 31 und die Kammer 12 unter Kontrolle einer Pumpe 34 umgewälzt.
Es muß eine Auswahl der Anteile der unterschiedlichen Mischungsarten getroffen werden, die in der Mischwirkung effektiv sind. Zum Beispiel ist es wichtig, eine Mischung mit Dehnungsscherung zum Mastizieren von Gummis und Einbauen von aggregiertem Ruß in sie zu erhalten. Dies wird im Kontext der nach außen geneigten Rillenwände erreicht, indem schmale Spalte zwischen den relativ rotierenden Oberflächen und 25% oder mehr ihrer Oberflächen in der Form von Stegen vorhanden sind. Andererseits ist eine Maschine mit einer stark verteilenden und Spaltwirkungsmischung zur einheitlichen Mischung von leicht getrennten, nicht verstärkenden Füllerteilchen, wie Kreide oder Ton in Polyethylen oder einem Weichmacher in Polyvinylchlorid, oder der Chemikalien, die eine Vulkanisation in Gummis bewirken, nützlich.
Wenn es erwünscht ist, eine Faser zu zerkleinern, während sie in ein Polymer gemischt wird, ist ein hoher Anteil an Scher- und Spaltwirkungsmischung erwünscht. Wenn es andererseits erwünscht ist, leicht trennbare Materialien mit einer minimalen Energie zu mischen, ist ein hoher Anteil einer Verteilungs- und Spaltwirkungsmischung vorteilhaft.
Eine wichtige Anwendung von Hochleistungsmischern liegt in der Mischung von Rohkautschuk mit Mischungsbestandteilen. Ungefähr fünfzehn Millionen Tonnen Gummi werden so jährlich behandelt. Jedoch weist der gegenwärtige Bereich von Mischern offensichtliche Mängel darin auf, daß sie keine konsistente Mischwirkung aufweisen und dazu neigen, trotz der Bereitstellung einer Wasserkühlung zu überhitzen. Der Anstieg der Temperatur, zum Beispiel um bis zu 150 Grad Celsius, kann das Material, das gemischt wird, in einem Ausmaß beeinflussen, daß das gemischte Produkt in seinen Eigenschaften von einer Charge zur anderen, wenn ein Chargenmischer beteiligt ist, und von einem Teil zum anderen der Abgabe eines Durchlaufmischers beträchtlich variieren kann. Es ist festgestellt worden, daß erfin dungsgemäße Mischer eine konsistentere Mischwirkung und damit zusammenhängende Temperatureigenschaften aufweisen, so daß die Qualität des gemischten Produkts einer geringeren Variation unterliegt und leichter reproduzierbar ist.
Ein Zug von zwei oder mehr Mischern mit unterschiedlichen Mischungseigenschaften, die unter unterschiedlichen mechanischen und Temperaturbedingungen arbeiten, ermöglicht es, daß eine optimale Mischung während unterschiedlicher Phasen des Gesamtverfahrens erreicht wird. Zum Beispiel kann bei der Mischung von Gummis ein erster Mischer einen hohen Anteil einer Dehnungsschermischung bereitstellen, um das Gummi zu mastizieren und den Füller zu dispergieren. Die zweite Maschine kann dann einen hohen Anteil einer Verteilungsmischung aufweisen und mit niedrigeren Temperaturen arbeiten, um die Gefahr des „Anbrennens" für Vulkanisierungschemikalien zu vermeiden, um es zu ermöglichen, daß eine feinere Kontrolle der Viskosität und Elastizität der Endkompoundmasse erreicht wird.
Die Mischung von Gummis ist außerdem ein häufiger Vorgang bei der Herstellung der Kompoundmasse. Jedoch sind Polymere von sich aus ineinander unlöslich und bilden Domänen jedes Gummis mit unterschiedlichen Mengen Füller und Vulkanisierungschemikalien in jeder Art Domäne. Es ist festgestellt worden, daß erfindungsgemäße Mischer innigere Mischungen mit kleineren Domänen ergeben. Außerdem können sich durch eine Mischung in der Abwesenheit von Sauerstoff und anderen Radikalakzeptoren die Gummiradikale miteinander kombinieren, um Blockpolymere zu bilden. Die Blockpolymere dienen als Lösungsmittel für die einzelnen Gummis und führen daher zu einer innigeren Mischung.
Es tritt häufig eine unvollständige Mischung, die sich als „ringförmige Fehlstelle" ("Fischaugen") manifestiert, bei der Mischung von Polyvinylchloridpulver mit Weichmachern auf. Dies wird durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Mischers mit einem hohen Anteil einer Schermischung verhindert; die resultierende Verbindung ist für nachfolgende Extrusionen von klaren Röhren besonders wertvoll. Die Bereitstellung eines hohen Anteils einer Schermischung ist außerdem bei der Mischung von Polyethylen mit Rußfüllern darin von Vorteil, daß sie die sonst häufig erlittene unvollständige Mischung vermeidet, die zu einer ungleichmäßigen Verteilung (auf einer mikroskopischen Ebene) des Füllers und Verminderung der physikalischen Eigenschaften des Endprodukts führt.
Die erfindungsgemäßen Mischer kann außerdem verwendet werden, um Kombinationen von Materialien zu behandeln, die durch herkömmliche Mischer nicht zufriedenstellend zu behandeln sind. Zum Beispiel Können sie zur Mischung eines hohen Anteils von Stroh mit Polyethylen angewendet werden; es sind Mischungen erzielt worden, die 75% Stroh enthalten und zur Verwendung als Preßmasse geeignet sind und eine Dichte von nahezu eins aufweisen. Außerdem können sie zur Mischung von Gummischnitzeln mit Polystyrol in einer Mischung verwendet werden, die ausreichend innig ist, um es zu ermöglichen, daß ein gehärtetes Polystyrol verwirklicht wird, das mit dem vergleichbar ist, das durch Zugabe von Latex erreicht wird.
Jedoch liegt eine bedeutende Anwendung der Mischtechnik der vorliegenden Erfindung im Kontext der mechanochemischen Rückgewinnung von Gummi, durch das ein lösliches Material mit guten Gummieigenschaften aus gebrauchten Gummierzeugnissen zurückgewonnen wird, indem die Vernetzung der vernetzte Ketten unter Verwendung mechanischer Kräfte zerlegt wird, die auf molekularer Ebene auf das Gummi ausgeübt werden. Wenn die Vernetzungsstellen und Ketten in der Vernetzung auf unter den Flory-Gelierpunkt reduziert werden, wird das Produkt in Lösungsmitteln für das Gummi löslich, die zum Beispiel Asphalt und Bitumen einschließen.
Ein Hauptanwendung für dieses Verfahren liegt in der Rückgewinnung zur Wiederverwendung von Gummi aus gebrauchten Fahrzeugreifen. Es kann auch zur Wiederverwertung des vulkanisierten Gummiausschusses verwendet werden, der bei der Herstellung von Reifen und anderen Gummierzeugnissen erzeugt wird.
Eine lösliche Rückgewinnung kann nicht mit herkömmlichen Mühlen oder Mischern vorgenommen werden. Diese können einen Reifen zerlegen, und das Metall und das Gewebe können durch Magnete und Siebe entfernt werden. Jedoch wird das Gummi in einer Bröckelchen- oder Schnitzelform hinterlassen, wobei im wesent lichen all seine Vernetzungsstellen erhalten werden. Das Brökkelchen oder der Schnitzel, der in den Lösungsmitteln für Gummi unlöslich ist, ist folglich im Gummi jeder frischen Formulierung unlöslich, und seine Teilchenform wird bis zum zweiten Vulkanisat erhalten.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das Gummi zur Rückgewinnung dem Mischer in Chipform mit einem kleinen Anteil Rohkautschuk oder anderem Material über 3000 Poise (300 N/m²) gemischt zugeführt. Die wiederholte Scherung des hinzugefügten Matrixmaterials ist mit einer Scherung der Gummischnitzel verbunden. Die Scherung führt schließlich zu einer mechanochemischen Zerlegung der Ketten und/oder Vernetzungsstellen des Gummimaterials der Schnitzel auf unter den Flory-Gelierpunkt, so daß es löslich wird und mit den Rohkautschuk oder anderen hinzugefügten Matrixmaterial in Lösung geht.
Das Profil eines Bus-, Lastkraftwagen-, Gelände- und Flugzeugreifens umfaßt üblicherweise unvermischten Naturkautschuk, und es gibt einen Vorteil, nur diesen Teil des Reifens zur mechanochemischen Behandlung zu verwenden. Das Profilgummi kann zur Bearbeitung als Streifen aus der Auflage und/oder Unterprofil des Reifenumfangs geschnitten werden, oder kann in der Form von Raspelspänen, Schnitzeln oder Bröckelchen aus diesen beiden Teilen des Reifens vorliegen. Das betreffende Gummi weist gute physikalische Eigenschaften auf, die in einem großen Maß in der mechanochemischen Rückgewinnung bewahrt werden. Es ist festgestellt worden, daß dieses zurückgewonnene Material, wenn es mit ungefähr 20% in eine neue Gummiformulierung eingebaut wird, zu einem Material führt, das eine Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 75% von jener aufweist, die andernfalls verwirklicht worden wäre.
Es kann auch vorteilhaft sein, nur das Gummi im unteren Teil des Reifens zurückzugewinnen, der als der Wulstfüller bezeichnet wird. Dieser ist in eine Textilschicht eingeschlossen, die auf der Außenseite durch Gummi bedeckt ist, und während es machbar ist, diese Schicht durch Schneiden vor der Behandlung zu entfernen, kann das Ganze, einschließlich der Schicht behandelt werden. Im letztgenannten Fall wird die Schicht während der mechanochemischen Rückgewinnung aufgebrochen, so daß die resultierende Mischung ein faserverstärktes Gummiprodukt ist, das zum Beispiel in der Feuchtigkeitssperrschicht eines Gebäudes Anwendung findet, wo eine Tragfähigkeit und Kriechfestigkeit erwünscht sind.
Das Mischverfahren kann auch an Radial- und Diagonalteilen der Reifen mit oder ohne angrenzendes Profil ausgeführt werden. Dies ist insbesondere so, wenn die Schichten aus Textil bestehen. Nichtsdestoweninger kann es auch mit Metallschichten ausgeführt werden, wenn die gerillten Rotorscheiben des Chargenmischers aus einer geeigneten Legierung bestehen, damit sie nicht durch die Metallfasern beschädigt werden. Außerdem kann der gesamte Reifen, nachdem er vom Wulstdraht abgestreift worden ist, wiederverwertet werden, wobei der flachgedrückte Reifen zum Beispiel in im wesentlichen rechteckige Streifen zerhackt wird, die eine Breite von etwa 50 mm zur Zuführung in den Mischer zur mechanochemischen Verarbeitung aufweisen. Das Ergebnis ist ein gelöstes Gummi, das alle polymeren und nichtpolymeren Bestandteile des Reifens mit zufällig orientierten Fasern aus den zerrissenen Reifenschichten enthält. Falls erforderlich, können die Fasern durch Extrusion oder Kalandrieren orientiert werden.
Wenn die Mischung in Luft, Sauerstoff oder ozonisierter Luft ausgeführt wird, ist das behandelte Material verhältnismäßig weich und klebrig, d.h. selbstklebend, was in bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein kann, wo eine Adhäsion von Teilen während der Produktherstellung benötigt wird; es ist der Sauerstoffgehalt, der das Maß an Klebrigkeit bestimmt. Wenn Luft, oder insbesondere Sauerstoff, aus der Mischkammer durch die Verwendung einer Stickstoff-, Argon-, Kohlendioxid- oder anderen Inertgas-Atmosphäre in der Mischkammer ausgeschlossen wird, oder durch Evakuierung entfernt wird, ist das behandelte Material verhältnismäßig steif und weist eine im allgemeinen nicht klebrige Oberfläche auf; verbesserte physikalische Eigenschaften, wie Festigkeit und Elastizitätsmodul von Jungfernkautschukformulierungen können unter Verwendung des zurückgewonnenen Materials als Bestandteil erreicht werden.
Der Mischverfahren kann leicht so gesteuert werden, daß es das optimale Abgabeprodukt ergibt. Insbesondere können die Eigenschaften des Abgabeprodukts durch die Geschwindigkeit der Relativrotation der gerillten Teile in der Mischkammer beeinflußt werden. Es ist zum Beispiel festgestellt worden, daß wenn mit einer Luftatmosphäre in der Mischkammer gearbeitet wird, das Problem, daß das Gummimaterial so oxidiert wird, daß es an den gerillten Teile klebt, vermieden werden kann, während immer noch ein zufriedenstellend gelöstes Produkt erzeugt wird, indem einfach die Geschwindigkeit der Relativrotation reduziert wird. Das Ausmaß der Scherung, das beteiligt ist, um eine Löslichkeit zu erzeugen, kann ebenfalls die physikalischen Eigenschaften des resultierenden gelösten Gummis beeinflussen.
Die erfindungsgemäß ausgeführte Mischung wird mechanisch und nicht chemisch bewirkt. Folglich sind die unterschiedlichen chemischem Reaktivitäten von Gummis, zum Beispiel die Unpolarität von Butylgummi verglichen mit der Polarität von Nitrilgummi, nicht von großer Bedeutung. Was bedeutend ist, ist die Stärke der Vernetzungsstelle oder Hauptkettenbindung und der Scherungsbetrag, der auf sie ausgeübt werden kann, um sie zerreißen zu lassen. Da die meisten Vulkanisate Schwefel-Schwefel-Bindungen in den Vernetzungsstellen aufweisen und diese schwächer als die Hauptkettenbindungen sind, ist es erklärbar, daß alle Schwefel-Vulkanisate mit Geschwindigkeiten derselben Größenordnung zerlegt werden, um löslich zu werden. Die Zerlegungsgeschwindigkeiten sind mehr mit den Gesamtviskositäten der Gummis als mit irgendeiner chemischen Eigenschaft korreliert, und innerhalb einer Gummiart wird zum Beispiel ein Vulkanisat, das aus Kreppgummi besteht, schneller als eines aus einer SMR20-Naturkautschukqualität zerlegt.
Jedoch ist das Verfahren der Erfindung nicht nur auf Schwefel-Schwefel-vernetzte Vulkanisate anwendbar. Kohlenstoffbindungs-Vernetzungsstellen von peroxidvulkanisierte Gummis (zum Beispiel Butylgummi von Schläuchen von Reifen) und Polyisocyanat-Vernetzungsstellen von Polyurethanen machen ebenfalls eine Zerlegung durch die erfindungsgemäße Behandlung durch, um schließlich lösliche Materialien zu erzeugen.
Es können Bitumen und Asphalte mit dem vulkanisierten Gummi als Matrizen zur Scherung anstelle von oder zusammen mit Rohkautschuk verwendet werden. Unpolare Gummis, wie Styrolbutadien und Naturkautschuk sind in Bitumen und Asphalten löslich und verleihen bei Umgebungstemperatur und während abnorm heißem Wetter eine Viskosität. Sie erhöhen außerdem die Adhäsion des Bitumens oder Asphalts an Aggregat- und anderen feste Bestandteilen von Straßenmarkierungsverbundstoffen, und erhöhen die Flexibilität gegenüber Reißen oder Verbundstoffen in Anwendungen wie Brückenstraßenarbeiten.

Claims

Mischer, in dem zwei Glieder (1, 2; 23, 28) zur Rotation relativ zueinander um eine Mittelachse angebracht sind, und gegenüberliegende gerillte Oberflächen (7) der beiden Glieder (1, 2; 23, 28) voneinander beabstandet sind, um einen Spalt (3) zwischen ihnen zu definieren und so gestaltet sind, daß während der Relativrotation eine oder mehrere Rillen (8; 14; 17; 22, 30) und Stege (10) jeder gerillten Oberfläche im Spalt (3) durch eine oder mehrere Rillen (8; 14; 17; 22, 30) und Stege (10) der anderen gerillten Oberfläche gekreuzt werden, um in den Spalt (3) eingeführtes Material einer Scherung und Spaltung zu unterziehen, und sich der Zwischenraum in den Rillen (8; 14; 17; 22, 30) zur Achse hin reduziert und jede Rille (8; 14; 17; 22, 30) Wände aufweist, die gegenseitig geneigt sind, um sich voneinander nach außen zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glieder (1, 2; 23, 28) in einem eng anliegenden Gehäuse (6; 21) angebracht sind, daß die Rillung jedes Glieds (1, 2; 23, 28) eine oder mehrere Spiralrillen oder Teile solcher Rillen (8; 14; 17; 22, 30) zur Wechselwirkung mit den kreuzenden Rillen (8; 14; 17; 22, 30) des anderen Glieds (1, 2; 23, 28) aufweist, um eingeführtes Material allmählich nach innen zur Mittelachse hin zu treiben, und daß die Rillen (8; 14; 17; 22, 30) nach innen zur Achse hin eine abnehmende Breite und Tiefe aufweisen, um einen zunehmenden Druck auf das Material zu erzeugen, wenn es längs der Rillen (8; 14; 17; 22, 30) allmählich nach innen zur Mittelachse hin getrieben wird, so daß es, durch die geneigten Wände unterstützt, aus den Rillen (8; 14; 17; 22, 30) in den Spalt (3) zur Dehnungsscher- und Verteilungsmischung im Spalt (3) hervorquillt, und beim Hervorquellen eine Rückbewegung des Materials im Spalt (3) nach außen weg von der Mittelachse gegen die Bewegung nach innen des Materials in den Rillen (8; 14; 17; 22, 30) erzwingt.
Mischer nach Anspruch 1, wobei die Rillung eines oder beider Glieder (1, 2; 23, 28) eine Vielzahl von Spiralrillen (8;22,30) mit jeweils weniger als einer Umdrehung aufweist.
Mischer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächen im wesentlichen ebene Flächen (7) der beiden Glieder (1 ,2; 23, 28) sind, und wobei ein erstes (1; 23) der beiden Glieder zur Rotation relativ zum zweiten Glied (2; 28) angebracht ist, wobei seine gerillte Fläche (7) über den Spalt (3) der gerillten Fläche (7) des zweiten Glieds (2; 28) gegenüberliegt.
Mischer nach Anspruch 3, wobei die beiden Glieder Scheibenglieder (1, 2) sind, die auf axial ausgerichteten Wellen (5) angebracht sind.
Mischer nach Anspruch 3 oder 4, wobei das zweite Glied (2) zur Rotation relativ zum ersten Glied (1) angebracht ist.
Mischer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eines der Glieder die innen gerillte Basis (23) eines schalenförmigen Glieds (21) ist, das eine zylindrische Wand (29) aufweist, und das andere Glied ein Scheibenglied (28) ist, das für einen eng anliegenden Einlaß in der zylindrischen Wand (29) des schalenförmigen Glieds (21) angebracht ist, so daß das schalenförmige Glied (21) das eng anliegende Gehäuse des Mischers definiert.
Mischverfahren, wobei das zu mischende Material in einen Spalt (3) eingeführt wird, der zwischen gegenüberliegenden gerillten Oberflächen (7) zweier Glieder (1, 2; 23, 28) definiert ist, und es eine Relativrotation zwischen den beiden Gliedern (1, 2; 23, 28) gibt, so daß eine oder mehrere Rillen (8; 14; 17; 22, 30) und Stege (10) jeder gerillten Oberfläche im Spalt (3) durch eine oder mehrere Rillen (8; 14; 17; 22, 30) und Stege (10) der anderen gerillten Oberfläche gekreuzt werden, um das in den Spalt (3) eingeführte Material einer Scherung und Spaltung zu unterwerfen, und sich der Zwischenraum zwischen den Rillen (8; 14; 17; 22, 30) zur Achse hin reduziert und jede Rille (8; 14; 17; 22, 30) Wände aufweist, die gegenseitig geneigt sind, um sich voneinander nach außen zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glieder (1, 2; 23, 28) in einem eng anliegenden Gehäuse (6; 21) angebracht sind, daß die Rillung jedes Glieds (1, 2; 23, 28) eine oder mehrere Spiralrillen oder Teile solcher Rillen (8; 14; 17; 22, 30) zur Wechselwirkung mit den kreuzenden Rillen (8; 14; 17; 22, 30) des anderen Glieds (1, 2; 23, 28) aufweist, um das eingeführte Material allmählich nach innen zur Mittelachse hin zu treiben, und daß die Rillen (8; 14; 17; 22, 30) nach innen zur Achse hin eine abnehmende Breite und Tiefe aufweisen, um einen zunehmenden Druck auf das Material zu erzeugen, wenn es längs der Rillen (8; 14; 17; 22, 30) allmählich nach innen zur Mittelachse hin getrieben wird, so daß es, durch die geneigten Wände unterstützt, aus den Rillen (8; 14; 17; 22, 30) in den Spalt (3) zur Dehnungsscher- und Verteilungsmischung im Spalt (3) hervorquillt, und beim Hervorquellen eine Rückbewegung des Materials im Spalt (3) nach außen weg von der Mittelachse gegen die Bewegung nach innen des Materials in den Rillen (8; 14; 17; 22, 30) erzwingt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Oberflächen im wesentlichen ebene Flächen (7) der beiden Glieder (1, 2; 23, 28), sind und wobei die Relativrotation zwischen den beiden Gliedern (1, 2; 23, 28) durch eine Relativrotation zwischen diesen Flächen (7) stattfindet, die einander über den Spalt (3) direkt gegenüberliegen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Scherung mechanochemische Reaktionen im Material bewirkt, die seine Molekularstruktur zerlegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, das zur Gummirückgewinnung verwendet wird, wobei die Scherung, der das Gummi zur Rückgewinnung unterworfen wird, seine Molekularstruktur ausreichend zerlegt, um es löslich zu machen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Verfahren in einer Luft-, Sauerstoff- oder ozonisierten Luft-Atmosphäre ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Verfahren in einer Stickstoff-, Argon-, Kohlendioxid- oder anderen Inertgas-Atmosphäre ausgeführt wird.