DE69809530T2

DE69809530T2 - Durchlaufmischer für Kautschuk

Info

Publication number: DE69809530T2
Application number: DE69809530T
Authority: DE
Inventors: Michel Deal; Christian Van Meyel
Original assignee: Sedepro SA
Current assignee: Manufacture Francaise des Pneumatiques Michelin SAS
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2018-07-31
Also published as: JP4224726B2; AU3944797A; US6312148B1; EP0929388A1; DE69809530D1; AU8984898A; BR9806068A; EP0929388B1; WO1999006198A1; WO1999006197A1; JP2001501148A; ES2188001T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Mischen von Kautschuk. Genauer gesagt, bezieht sie sich auf die durchlaufende Erzeugung von Kautschukzusammensetzungen, die Siliciumdioxid als Verstärkungsmittel enthalten.
Das Patent EP 0605 781 beschreibt einen Durchlaufmischer zur Erzeugung einer Kautschukzusammensetzung. Dieses Gerät besitzt eine längliche Mischkammer, die mindestens einen in einem Stator drehenden Rotor, ein stromaufwärts und ein stromabwärts liegendes Ende, zwischen denen das Material progressiv wandert, eine oder mehrere Einführöffnungen, durch die hindurch die Mischkammer die Bestandteile der Kautschukzusammensetzung empfängt, und eine Ausgangsöffnung am stromabwärts liegenden Ende aufweist, durch die hindurch die Kautschukmischung ausgestoßen wird. Dieser Durchlaufmischer hat insbesondere den Vorteil, den Erhalt von Kautschukmischungen zu ermöglichen, bei denen das Verstärkungsmittel - zum Beispiel Ruß - besonders gut verteilt ist.
Das Patent EP 0 501 227 hat gezeigt, daß Kautschukzusammensetzungen, die in sehr großen Anteilen Siliciumdioxid als Verstärkungsmittel enthalten, bei einer Verwendung als Lauffläche von Luftreifen bemerkenswerte Eigenschaften haben können, insbesondere unter der Voraussetzung, daß das Siliciumdioxid eine ausgezeichnete Verteilung in der Elastomermatrix hat.
Es wurde also versucht, einen Durchlaufmischer zu verwenden, wie er in der Patentanmeldung EP 0 605 78-A1 beschrieben wurde, um Kautschukzusammensetzungen einzusetzen, die Siliciumdioxid als Verstärkungsmittel enthalten.
Die Anmelderin hat aber festgestellt, daß im Gegensatz zu ihren Erwartungen die Verwendung eines solchen Durchlaufmischers nicht in allen Fällen den Erhalt von zufriedenstellenden Kautschukzusammensetzungen ermöglichte, insbesondere, wenn diese Zusammensetzungen Siliciumdioxid als Verstärkungsmittel enthalten. Insbesondere wurden manchmal Instabilitäten des Materialdurchsatzes im Mischer festgestellt. Außerdem haben sich die Eigenschaften dieser Zusammensetzungen als sehr unterschiedlich von denjenigen herausgestellt, die mit bekannten "Batch"-Mischverfahren erhalten wurden: zum Beispiel größere Härte, verringerte Anvulkanisationszeit (Zeit, die bei einer gegebenen Temperatur notwendig ist, damit die Vulkanisationsreaktion in einer Probe der Kautschukzusammensetzung nach dem Mischen beginnt).
Die Erfindung hat ein Verfahren und einen Durchlaufmischer zum Gegenstand, die zu besseren Ergebnissen führen, insbesondere wenn Siliciumdioxid enthaltende Kautschukzusammensetzungen erzeugt werden.
Wenn das Volumen der Mischkammer in einer gegebenen Zone vollständig von den zu mischenden Bestandteilen eingenommen wird, wird nachfolgend üblicherweise gesagt, daß der Füllgrad dieser Zone gleich 1 ist. Wenn dagegen das Volumen der betrachteten Zone der Mischkammer nicht vollständig von den zu mischenden Bestandteilen eingenommen wird, sagt man, daß der Füllgrad unter 1 liegt.
Das erfindungsgemäße Durchlaufmischverfahren zur Erzeugung einer Kautschukzusammensetzung in einer länglichen Mischkammer, die von dem Volumen zwischen der radial inneren Fläche eines Stators und der radial äußeren Fläche mindestens eines im Stator drehenden Rotors definiert wird, besteht darin:
- in die Mischkammer, und an einem oder mehreren Einführpunkten, verschiedene Bestandteile durchlaufend einzuführen, unter ihnen mindestens ein Basiselastomer und mindestens ein Verstärkungsfüllstoff, wobei die Bestandteile so sind, daß ihre Mischung innerhalb der Mischkammer das Auftreten mindestens eines Produkts in Gasphase bewirken kann,
- die verschiedenen Bestandteile von ihrem Einführungspunkt zu einer Ausgangsöffnung der Mischkammer wandern zu lassen, und
- in mindestens einem Teil der Mischkammer einen Gasstrom strömen zu lassen, der die Gasphase aus der Mischkammer hinaus mitreißen soll.
Die Strömung dieses Gases hat zum Ziel, die Entfernung von Produkten in der Gasphase aus der Mischkammer zu ermöglichen, die beim Mischen in der Kammer auftreten können. Dieses Verfahren ermöglicht es, insbesondere für Siliciumdioxid als Verstärkungsmittel enthaltende Kautschukzusammensetzungen, zufriedenstellende Eigenschaften zu erhalten. Die Zone, in man der diesen Gasstrom strömen läßt, die "Strömungszone", ist insbesondere eine Zone, in der der Füllgrad der Bestandteile unter Eins liegt. Vorzugsweise wird dieser Gasstrom im Gegenstrom zur Wanderrichtung der in Mischung befindlichen Bestandteile in Strömung versetzt.
Die Strömung dieses Gases ermöglicht auch eine bessere Beherrschung der Wärmeentwicklung der Kautschukzusammensetzung.
Die Erfindung hat auch einen Durchlaufmischer zur Erzeugung einer Kautschukzusammensetzung zum Gegenstand, der eine längliche Mischkammer besitzt, die aufweist:
- mindestens einen in einem Stator drehenden Rotor;
- ein stromaufwärts liegendes und ein stromabwärts liegendes Ende, zwischen denen das Material progressiv wandert;
- eine oder mehrere Material-Einführöffnungen, durch die hindurch die Mischkammer die Bestandteile der Kautschukzusammensetzung erhält;
- eine Austrittsöffnung am stromabwärts liegenden Ende, durch die die Kautschukzusammensetzung ausgestoßen wird; und
- Mittel, um ein Gas in mindestens einem Teil der Kammer, Strömungszone genannt, strömen zu lassen.
Diese Mischkammer ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stator und/oder der Rotor in der Strömungszone eine Kehle aufweisen.
Da der Stator und/ oder der Rotor in der Strömungszone einen durchlaufenden Gewindegang haben, ist die Kehle vorzugsweise an die Rückseite dieses durchlaufenden Gewindegangs angesetzt. Die Kehle kann die Form eines U oder eines schrägen V haben. Diese Kehle hat den Vorteil, die Strömung des Gases und die Beständigkeit der Wanderleistung des Materials in der Mischkammer zu regulieren.
Vorzugsweise lassen die Mittel, um das Gas in der Strömungszone strömen zu lassen, dieses Gas im Gegenstrom zur Wanderrichtung des Materials in der Mischkammer strömen. Diese Strömung im Gegenstrom erhöht die relative Geschwindigkeit des Gases in bezug auf das Material und begünstigt eine gute Entfernung der Produkte in Gasphase.
Vorteilhafterweise befindet sich die Strömungszone stromabwärts hinter der Öffnung oder den Öffnungen zur Einführung der Bestandteile in die Mischkammer; dies ermöglicht es, das Einmischen dieser Bestandteile in die Elastomermatrix der Zusammensetzung so wenig wie möglich zu stören.
Um die Dichtheit der Strömungszone zu erhalten und eine beständige Gasströmung stromaufwärts vor und stromabwärts hinter dieser Zone zu begünstigen, ist die Form der Oberfläche des Rotors und/oder des Stators derart, daß sich davor und dahinter eine Zone befindet, deren Füllgrad gleich 1 ist.
Dies hat den Vorteil, die Gasströmung strikt auf diese Strömungszone zu begrenzen, ohne Störung der Mischung stromaufwärts.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser verstanden werden anhand der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf die beiliegende Zeichnung bezieht, welche in nicht einschränkend zu verstehender Weise ein Ausführungsbeispiel darstellt, und in der:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Mischers ist, die Durchsichten aufweist;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teils des Rotors in der Strömungszone ist, und
Fig. 3 im teilweisen axialen Schnitt eine Variante eines Rotorteils in der Strömungszone zeigt.
Der in Fig. 1 dargestellte Durchlaufmischer entspricht im wesentlichem demjenigen, der in der Patentanmeldung EP 0 605 781 beschrieben ist.
Dieser Mischer besitzt eine Mischkammer 11, in deren Inneren ein Rotor 2 dreht. Die stromaufwärts liegende Seite der Mischkammer trägt das Bezugszeichen 12, und die stromabwärts liegende Seite das Bezugszeichen 13.
Auf der stromaufwärts liegenden Seite der Mischkammer befinden sich die Elemente 5 zur Einführung der Basiselastomere, die Bestandteil der Kautschukzusammensetzung sind. Die Elastomere werden durch die Rohrleitung 57 in die Mischkammer eingeführt.
Die Durchsicht der Fig. 1 ermöglicht es, das Innere der Mischkammer 11 zu sehen. Diese besteht aus dem verfügbaren Volumen zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 1.
Entlang des Rotors 2 sieht man drei Zonen, deren Wirkung hauptsächlich der Antrieb der Bestandteile der Mischung (Zonen P) ist, zwischen denen man zwei getrennte Zonen sieht, deren Wirkung hauptsächlich das Mischen ist (Zonen M).
Die genaue Form des Rotors und des Stators (Anzahl, Steigung und Winkel der Gewindegänge oder andere Formen) in den verschiedenen Zonen ermöglicht es insbesondere, den Füllgrad in den verschiedenen Zonen der Mischkammer auf 1 oder weniger als 1 einzustellen. Die Optimierung dieser Formen ist ein Erfahrungswert und führt zu vielen Testversuchen. In Fig. 1 sind die Zonen angezeigt, in denen der Füllgrad 1 sein kann (siehe von einem Kreis umgebene 1).
Die Einführung der Basiselastomere erfolgt auf der stromaufwärts liegenden Seite 12 der Mischkammer in der Antriebszone P1.
In dieser Antriebszone P1, stromaufwärts vor der ersten Zone M1, werden auch die pulverförmigen Bestandteile, wie zum Beispiel die Verstärkungsfüllstoffe, Siliciumdioxid und/oder Ruß, durch die Einführöffnung 15 eingeführt.
Die flüssigen Bestandteile, wie zum Beispiel die Ausbreitungsöle und ggf. die Siliciumdioxid/Elastomer-Verbindungsmittel (Silane) werden vorzugsweise am Anfang der ersten Zone M1 durch die Einführöffnung 16 eingeführt.
Die anderen Bestandteile der Kautschukzusammensetzung, wie zum Beispiel die Oxidationsinhibitoren, die Plastikatoren, der Schwefel, die Aktivatoren, werden vorgemischt, zum Beispiel in einem Bottich mit einem Rührwerk, um eine Paste zu erhalten. Die Paste wird in einer zweiten Antriebszone P2, die sich zwischen den beiden Mischzonen M1 und M2 befindet, durch die Öffnung 17 eingeführt.
Wie in der erwähnten Anmeldung beschrieben, werden die verschiedenen Bestandteile vorzugsweise mittels Verdrängungspumpen eingeführt.
Die zweite Mischzone M2 weist eine Zufuhröffnung 70 für Gas und eine Abzugsöffnung 71 für dieses Gas auf, welche die Zone C der Gasströmung definieren. Die Zufuhröffnung befindet sich vorzugsweise auf der stromabwärts liegenden Seite der Zone M2, so daß die Gasströmung im Gegenstrom zur Wanderrichtung des Materials in der Mischkammer 11 erfolgt.
Das verwendete Gas ist normalerweise Luft.
Vorteilhafterweise ist der Füllgrad in der Strömungszone C geringer als 1. Es scheint, daß dies dazu beiträgt, eine beständige, regelmäßige Strömung ohne Luftstöße zu ermöglichen. Dieser Füllgrad geringer als 1 wird wie in der Anmeldung EP 0 605 781-A1 beschrieben durch Testversuche erhalten, indem die Form des Rotors und/oder des Stators in dieser Zone variiert wird, indem das Volumen der Kammer variiert wird, indem die den Wänden des Stators aufgezwungene Temperatur variiert wird, usw. Um eine gute Dichtheit dieser Zone zu erhalten, befindet diese Zone sich außerdem zwischen zwei Antriebszonen P2 und P3, die so sind, daß sie je stromabwärts hinter sich, wie in Fig. 1 gezeigt, zur Bildung von Füllgradzonen gleich 1 führen, die die Zone C umgeben, in der die Luft strömt.
Die Luftströmung in der Strömungszone C kann entweder durch Ansaugen der Gesamtheit der in der Mischkammer enthaltenen Gase durch die Abzugsöffnung 71, oder indem die Druckluft durch die Zufuhröffnung 70 eingeblasen wird, erhalten werden, indem diese Zufuhröffnung über ein Druckminderventil mit einer Druckluftquelle in Verbindung gesetzt wird. Diese letztere Lösung ist anwendungsfreundlicher und daher vorzuziehen.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mischers, der einen Rotorabschnitt 2 aufweist, dessen Oberfläche eine Kehle 21 besitzt, die es ermöglicht, einen inneren Kanal zu bilden, durch den der Gasstrom strömen kann. In Fig. 2 sieht man einen durchlaufenden Gewindegang 20, der auf seiner Rückseite 22 in bezug auf die in Fig. 2 angezeigte Drehrichtung des Rotors 2 eine solche Kehle 21 aufweist. Die Kehle 21 ist U-förmig. Der Schenkel des U, der dem Gewindegang 20 am nächsten liegt, verlängert die Rückseite 22 des Gewindegangs 20 radial nach innen. Der andere Schenkel des U ist geringfügig divergierend. Die Oberfläche des Querschnitts der Kehle 21 ist von der gleichen Größenordnung wie die Querschnittsfläche des Vorsprungs aufgrund des Gewindegangs 20.
Um eine gute Beständigkeit des Luftstroms zu erhalten, ist es vorzuziehen, daß diese Kehle 21 sich praktisch über die Gesamtheit der Strömungszone erstreckt. Eine solche Kehle hat den Vorteil, die Beständigkeit der Wanderung der Kautschukzusammensetzung in der Mischkammer zu verbessern.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsvariante einer Kehle 33. Der Rotorabschnitt 3 weist einen Gewindegang 30 mit einer Vorderseite 31 und einer Rückseite 32 auf. Die Kehle 33 ist an die Rückseite 32 des Gewindegangs 30 angesetzt. Diese Kehle 33 hat die Form eines schrägen V. Sie weist eine die Rückseite 32 des Gewindegangs 30 radial nach innen verlängernde erste Wand 34 und eine zweite Wand 35 auf, die den Boden 36 des V mit der Oberfläche 37 des Rotors 3 verbindet. Der Winkel zwischen den beiden Wänden des V liegt zwischen 50 und 80 Grad. Der Boden 36 des V hat einen kleinen Krümmungsradius. Die starke Divergenz der beiden Wände des V erleichtert den Abzug jedes Teilchens der Kautschukzusammensetzung, das ggf. in die Kehle 33 eindringt. Andererseits erschwert der geringe Krümmungsradius des Bodens 36 des V ein Verstopfen der Kehle 33.
Beim Start des Mischers kann man kann man, um die Luftströmung in der Zone C in Betrieb zu setzen, abwarten, daß die Mischkammer mit Material gefüllt ist, und daß das Extrudieren der Kautschukzusammensetzung durch die Öffnung 16 begonnen hat. Dadurch ist die Strömungszone in der Mischkammer relativ dicht.
Der Durchsatz und der Einlaßdruck der Luft werden durch Versuche eingestellt, um einen guten Abzug der Produkte in Gasphase zu erhalten, die mit den Bestandteilen der Kautschukzusammensetzung und/oder ihrer Mischung verbunden sind.
Es wurden mit einer der mit I in der Tabelle 1 der Patentanmeldung EP 0 501 227-A1 bezeichneten Formel entsprechenden Siliciumdoxid-verstärkten Kautschukzusammensetzung Versuche durchgeführt.
Die Zubereitung einer solchen Mischung im Durchlaufmischer ohne Luftströmung führt insbesondere zu einer Erhöhung der Shore-A-Härte um fünf Punkte und zu einer Verringerung der Anvulkanisationszeit um mehr als 50% im Verhältnis zum klassischen Batch-Verfahren. Dagegen stellt man mit einer Luftströmung fest, daß man Eigenschaften der Mischungen vorfindet, die denjenigen entsprechen, welche mit einem klassischen Batch-Verfahren erhalten werden. Man stellt auch eine Verbesserung der Regelmäßigkeit des Materialdurchsatzes sowie der Eigenschaften der Kautschukzusammensetzungen fest.
Diese Ergebnisse zeigen, daß gemäß dem durch die Erfindung vorgeschlagenen Verfahren die Tatsache, daß eine Luftströmung in der Mischkammer eingesetzt wird, es ermöglichen muß, flüchtige Bestandteile, und insbesondere Wasser, zu entfernen, die im Siliciumdioxid vorhanden sind oder durch die Reaktionen freigesetzt werden, die zum Ziel haben, während des Mischvorgangs das Siliciumdioxid mit den Elastomeren zu verbinden.
Die Anmelderin hat auch festgestellt, daß dieses Verfahren ebenso wirksam ist, um flüchtige Bestandteile (Wasser), die in anderen Bestandteilen der Kautschukzusammensetzungen vorhanden sind, z. B. den Elastomeren oder den Rußen, ganz oder teilweise zu entfernen.

Claims

1. Durchlaufmischer zur Erzeugung einer Kautschukzusammensetzung, der eine längliche Mischkammer (11) besitzt, die aufweist:

- mindestens einen in einem Stator (1) drehenden Rotor (2);

- ein stromaufwärts liegendes (12) und ein stromabwärts liegendes Ende (13), zwischen denen das Material progressiv wandert;

- eine oder mehrere Material-Einführöffnungen (15, 16, 17, 57), durch die hindurch die Mischkammer (11) die Bestandteile der Kautschukzusammensetzung erhält;

- eine Austrittsöffnung (16) am stromabwärts liegenden Ende (13), durch die die Kautschukzusammensetzung ausgestoßen wird; und

- Mittel (70, 71, 21, 33), um ein Gas in mindestens einem Teil der Kammer, Strömungszone genannt, strömen zu lassen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Stator und/oder der Rotor in der Strömungszone eine Kehle (21) aufweisen.

2. Mischer nach Anspruch 1, bei dem, da der Stator und/oder der Rotor in der Strömungszone mindestens einen durchlaufenden Gewindegang (20) haben, die Kehle (21, 33) an die Rückseite (22) dieses Gewindegangs (20) angesetzt ist.

3. Mischer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Kehle (21) U-förmig ist.

4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Kehle (33) die Form eines schrägen V hat.

5. Mischer nach Anspruch 4, bei dem die beiden Schenkel des V zwischen sich einen Winkel bilden, der zwischen 50 und 80 Grad liegt.

6. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Mittel (70, 71, 21, 33), um ein Gas strömen zu lassen, dieses Gas im Gegenstrom zur Wanderrichtung des Materials in der Mischkammer strömen lassen.

7. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Strömungszone sich stromabwärts hinter der Öffnung oder den Öffnungen zur Einführung von Material (15, 16, 17, 57) befindet.

8. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem stromaufwärts vor und stromabwärts hinter der Strömungszone die Form der Oberfläche des Rotors und/oder des Stators derart ist, daß man vor und hinter der Strömungszone eine Zone findet, deren Füllgrad gleich 1 ist.

9. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Mittel (70, 71, 21, 33), um das Gas strömen zu lassen, mindestens eine Zufuhröffnung (70), die sich an einem Ende der Strömungszone befindet, und mindestens eine Abzugsöffnung (71) aufweisen, die sich am anderen Ende der Strömungszone befindet.

10. Mischer nach Anspruch 9, bei dem die Mittel (70, 71, 21, 33), um das Gas strömen zu lassen, Mittel aufweisen, um das Druckgas durch mindestens die Zufuhröffnung (70) in die Kammer einzublasen.

11. Mischer nach Anspruch 10, bei dem die Mittel (70, 71, 21, 33), um das Gas strömen zu lassen, Mittel aufweisen, um das Gas durch mindestens die Abzugsöffnung (71) aus der Kammer abzusaugen.

12. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Mischkammer nur einen Rotor (2) aufweist.

13. Durchlaufmischverfahren zur Erzeugung einer Kautschukzusammensetzung in einer länglichen Mischkammer (11), die von dem Volumen zwischen der radial inneren Fläche eines Stators (1) und der radial äußeren Fläche mindestens eines im Stator (1) drehenden Rotors (2) definiert wird, das darin besteht:

- in die Mischkammer (11), und an einem oder mehreren Einführpunkten (15, 16, 17, 57), verschiedene Bestandteile durchlaufend einzuführen, unter ihnen mindestens ein Basiselastomer und mindestens ein Verstärkungsfüllstoff, wobei die Bestandteile so sind, daß ihre Mischung innerhalb der Mischkammer (11) das Auftreten mindestens eines Produkts in Gasphase bewirken kann,

- die verschiedenen Bestandteile von ihrem Einführungspunkt (15, 16, 17, 57) zu einer Austrittsöffnung (16) der Mischkammer (11) wandern zu lassen, und

- in mindestens einem Teil der Mischkammer (11) einen Gasstrom strömen zu lassen, der die Gasphase aus der Mischkammer hinaus mitreißen soll.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem man den Gasstrom im Gegenstrom zur Wanderrichtung der Materialien in der Mischkammer (11) strömen läßt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem man den Gasstrom in einer Zone (C) der Mischkammer (11) strömen läßt, in der der Füllgrad der Mischkammer durch die Bestandteile unter Eins liegt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das Gas Luft ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem mindestens ein Teil des Verstärkungsmittels Siliciumdioxid ist.