CN108026288A - 用于生产液相的橡胶混合物的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连续生产经填充的橡胶母料的方法和设备，所述方法包括：在混合区域中将液相的第一流和液相的第二流相接触使得两个流中的一个流入另一个流中，第一流为弹性体乳液，第二流为填料颗粒的水性悬浮体，两个流在接触前以低压供应。

Description

用于生产液相的橡胶混合物的方法和设备

技术领域

本发明涉及制备橡胶配混物的领域，特别地涉及二烯弹性体/填料母料的制备。

背景技术

术语“母料”应理解为意指已经引入了有机或无机填料以及可能的其他添加剂的基于弹性体的复合材料。

再者，母料用于制造增强的二烯橡胶组合物，所述二烯橡胶组合物旨在例如用于制造轮胎或用于轮胎的半成品，这些半成品例如为压制品，诸如用于这些轮胎的胎面或增强帘布层。

为了在橡胶组合物中获得由填料赋予的最佳的增强性质，已知通常适合的是这种填料以尽可能细碎的且尽可能均匀分布的最终形式存在于弹性体基体中。然而，这种情况仅在这种填料具有非常好的如下能力时才能实现：一方面在与弹性体混合的过程中掺入基体中并解附聚的能力，另一方面在此基体中均匀分散的能力。

已知的是，炭黑具有这样的能力，而无机填料通常不具有这样的能力，特别是二氧化硅。这是因为，由于相互亲和性的原因，这些无机填料颗粒具有在弹性体基体中一起成块的令人烦恼的趋势。这些相互作用具有这样的有害结果：将填料的分散性和由此的增强性能限制至显著低于其理论上可能达到的水平，所述理论上可能达到的水平即如果实际获得了在配混操作中能够产生的所有(无机填料/弹性体)键合的水平。此外，这些相互作用趋向于增加橡胶组合物的未固化态的粘度，并因此使其比在炭黑存在时更难以加工。

文献US 6,048,923描述了一种用于连续制备经填充的橡胶母料的方法，其包括在混合区域中使第一液相流和第二液相流相接触，第一流为弹性体乳液，第二流为填料颗粒的水性悬浮体，其中第二流在极高的压力下引入混合区域从而形成具有充足能量的流以进入第一流，并基本上完全凝结具有填料颗粒的弹性体，其中所用填料为炭黑颗粒。

发明内容

申请人已经发现简化的用于获得母料的方法。

根据本发明的一个主题的方法包括，如上述文献中所示，在混合区域中将第一液相流与第二液相流相接触，第一流为弹性体乳液，第二流为填料颗粒的水性悬浮体。此方法的特征在于两个流中的一个流入至另一个流的内部，并且两个流在相接触之前以低压运输。

令人惊奇地是，使两个流中的一个流入到第二个中且以低压运输两个流的事实使其可以在接触区域的下游获得填料颗粒在弹性体乳液中极佳的分散性。

“低压”理解为意指在混合区域的上游区域中用于运输第一流和第二流的压力小于2巴，优选地小于1.5巴。因此在设备内部的压降小于1巴。

这显著地简化了用于运输两个流的设备。

优选地，在混合区域的上游，第一流具有第一流动面积，第二流具有第二流动面积，第二流动面积大于第一流动面积，其比例在5至8之间。

替代地或伴随地，优选地，在混合区域的上游，第一流具有第一流速，第二流具有第二流速，第二流速大于第一流速，其比例在4至15之间。

观察到当流速的比例在所示范围内时，可以在非常宽的范围上通过大于6的系数来改变流速同时保持大于80％的非常高的凝结产量。

类似地，观察到所述方法可以以这样的流速比例应用：所述流速比例关于母料的填料含量(例如从20至120phr(份/100份弹性体，以重量计))而进行很大的变化，同时保持如上所述的非常高的凝结产率。应记住，凝结产率对应于回收的干重与开始时的目标重量的比例并乘以100。

这种流速的比例还能实现对待生产的母料中弹性体和填料的各自浓度进行初步调节。更精细的调节与所述流中的弹性体和填料的各自的浓度以及两个流的各自流速有关。

根据一个优选的实施方案，第一流流入至第二流的内部。

由于第一流的流动面积远小于第二流的流动面积，所以本实施方案易于进行。

有利地，两个流的混合物暴露至外部空气中。

有利地，根据本发明的一个主题的方法额外地包括以约10s^-1的最小剪切速率搅拌由接触步骤所得的混合物的步骤，从而促使所述混合物的材料凝结并获得经凝结的混合物。

此搅拌步骤可以通过摇床或振动带进行。

其还可以通过旋转搅拌器进行。

有利地，然后将经凝结的混合物倒在传送机上。

优选地，在离开传送机时，经凝聚的混合物通过挤压而排水用以获得经排水的混合物。

此排水通过使用选自如下设备的设备进行：具有排水***的锥形螺杆挤出机、活塞、双螺杆挤出机。

有利地，然后通过使经排水的混合物达到水的蒸发温度以上的温度而使其干燥。

然后获得弹性体和填料颗粒的母料，该母料在特别是充气轮胎或任何其他橡胶物体的制造中在成型和使用前待接收额外的添加剂，所述额外的添加剂例如为交联体系。

根据一个优选的实施方案，第二流的制备包括打碎所述第二流的填料聚集体的步骤。

根据本发明的一个主题的方法，其可以使用选自炭黑、二氧化硅、高岭土、白垩、合成有机填料、天然有机填料及这些填料的混合物的填料。

因此，此方法具有非常广泛的用途。在例如二氧化硅的填料的情况中，所述第一流可以有利地包括在两个流已经相接触后促进凝结的试剂，例如金属盐或在文献FR 2 981076中所述的偶联剂。

本发明的另一主题是用于连续制备经填充的橡胶母料的设备，其包括：进料区域，其具有用于在第一管道中运输弹性体乳液的第一流的装置和用于在第二管道中运输填料颗粒的水性悬浮体的第二流的装置；第一流和第二流的平行流动区域，在所述平行流动区域中具有较小横截面的管道设置在具有较大横截面的内部；以及混合区域，其在平行流动区域的下游，并由在具有较小横截面的管道的端部下游的具有较大横截面的管道的内腔形成。

有利地，具有较大横截面的管道是第二管道。

根据一个有利的实施方案，混合区域的上游的两个管道是共轴的。

非常有利地，两个管道各自具有圆形横截面。

优选地，在平行流动区域中，第一流具有第一流动面积，第二流具有第二流动面积，所述第二流动面积大于所述第一流动面积，其比例在5至8之间。

优选地，D为具有较大直径的管道的内径，L为混合区域的长度，比例L/D是变量，优选地在0.5至3之间。

在0.5以下时，获得的母料的均匀性可能不足，而在3以上时，观察到母粒的凝结在混合区域中变得明显。

非常优选地，H为平行流动区域的长度，D为具有最大直径的管道的直径，比例H/D大于1。这使得在平行流动区域中出现层流。

附图说明

下文将借助所附附图来对本发明的各个目的进行描述，其中：

-图1显示用于制备橡胶母料的设施的整体视图；

-图2显示根据本发明的一个主题的混合设备的经简化的横截面图；

-图3A和图3B显示图2中的设备的两个实施方案的横截面；

-图4显示图2的混合设备的立体图；并且

-图5和图6非常示意性地显示通过流体软件获得的在混合设备中接触的两种材料的流动的类型以及重量分数的变化。

具体实施方式

图1显示用于制备经填充的橡胶母料的设施的实施方案。

该设施包括填充有弹性体乳液的第一罐体14。管道16将罐体14连接至蠕动泵18，蠕动泵18旨在非常精确地计量通过管道20而引入混合器30中的弹性体乳液的体积。

设施1还包括填充有在水中预先分散的填料颗粒的第二罐体2。优选地，填料颗粒的分散性借助于旋转搅拌器3来维持。还可能的是使用超声探针。管道4将填料的水性分散体传输至微射流机6从而打碎在分散体中剩余的填料聚集体。管道12将微射流机6的出口连接至蠕动泵8，蠕动泵18旨在非常精确地测量通过管道10引入混合器30中的填料的水性分散体的体积。

在混合器30的出口处存在传送机，优选地为旨在通过搅拌经填充的橡胶配混物而开始或加速凝结的振动带40。接着，锥形螺杆挤出机50能够进行排水，从而干燥经凝结的混合物。接着，存在双螺杆挤出机60从而延长经凝结的混合物42的干燥并获得母料70，所述母料70能够例如在开炼机(未示出)上接收如交联体系的额外的添加剂。

图2显示根据本发明的一个主题的混合器30的横截面图。

混合器30包括进料区域33、平行流动区域31和混合区域32。

进料区域33包括两个管道20和10以及区域22，两个管道20和10分别运输弹性体乳液的流和填料颗粒的水性悬浮体或填料浆料的流，管道20在区域22穿透进入具有较大直径的管道10。箭头A表示弹性体乳液在管道20中的流动方向，箭头B显示填料浆料在管道10中的流动方向。

平行流动区域31在区域22的下游。两个管道10和20在该区域中共轴，区域31在管道20的端部24处结束。

混合区域32在平行流动区域31的下游。此区域在管道20的端部24处开始并在管道10的端部19处结束。因此，此区域通过在平行流动区域31的上游的具有较大横截面的管道10的内壁形成。混合区域32在19处暴露至外部空气中。

在此示例性实施方案中，具有较大横截面的管道是运输填料颗粒的水性悬浮体的管道10，两个管道均具有圆形横截面。

图4显示混合器30的立体图，所述混合器30具有进料区域33(其包括有管道10和20)、平行流动区域31和具有端部19的混合区域32。该图显示如下内容：可以通过使管道20从通过由虚线显示的第一位置开始更多或更少地滑入到管道10的开口中，从而容易地调节混合区域的长度。

如图2，两个箭头A和B表示两个流的方向。

两个流通过蠕动型泵进行传送。这些泵可以以较高的精度控制其各自的流速，并具有防止流受到任何污染的优点。

图2和图4显示管道20引入管道10中，也就是说，20的弹性体乳液引入到10的填料浆料中。这是优选的实施方案。

图3A是在图2中所示的设备30的平行流动区域31沿C-C的横截面。管道10是具有较大直径的管道，并传送填料浆料流。管道20是具有较小直径的管道，并传送弹性体乳液流。流动面积为S2的管道20设置在管道10的中心。填料浆料的流具有流动面积S2。在所示的示例中，管道10的直径是10mm，而管道20的直径是4mm。此处比例S2/S1等于5.2。

还可以在将平行流动区域31中的流动面积所需的比例满足为5至8的同时使两个管道对调。在图3B中显示一个示例。在此情况中，管道10穿透进入管道20中从而形成平行流动区域和混合区域。在所示的示例中，管道20的直径为10mm，管道10的直径为9.2mm，流动面积的比例等于5.5，这与图3A中的比例相似。可以看出两个管道的直径非常相似，这可不容易以刚硬的方式生产，特别是当流动面积的比例增加时。

在区域22中将管道20引入管道10中使得两个管道共轴，这可以获得两个流平行的区域。在与管道20的引入相关的扰动区域之后，两个流优选为层流。

在管道20的端部24处，两个流相接触并开始混合。

表1显示根据本发明的一个主题的母料的示例性实施方案的操作条件。

表1

填料浆料管道具有10mm的内径，胶乳乳液管道具有5mm的内径。因此比例S2/S1为3。

填料浆料流由4％重量的炭黑和96％重量的水组成。

胶乳乳液流由60％重量的胶乳和40％重量的水组成。

用于运输两个流的压力在紧靠混合区域的平行流动区域中测量。这两个压力为1巴。这些运输压力是相对于大气压力的相对压力。因此，它们具有2巴的绝对值。

观察到两个流的粘度具有明显的差别，流速的比例为6.6。

应注意与混合相关的温度升高因其不具有高能量的特性而非常有限：流的温度为30摄氏度。

图4非常示意性地显示在平行流动区域31的端部处和在混合区域32中的两个流的流动模式。

区分为四个主要区域：

-在平行流动区域31中两个弹性体乳液和填料浆料流的层流区域I；

-与平行流动区域31相邻的混合区域32的第一部分的中心部分中的高度湍流区域II；

-混合区域32的第一部分的侧部中的湍流区域III；以及

-混合区域32靠近管道10的端部19的部分中的层流区域IV。

调节混合区域的长度使得在管道10的端部19处两个流的混合物不会凝结而仍为液体。

图6显示通过与图5相同的流体软件获得的两个流的重量分数的变化。

区分为三个主要区域：

-区域1：在接触区域之前，两个流“纯净”且均质；

-区域2：两个流的重量分数非常快速变化的区域，可观察到该区域2相对有限；

-区域3：重量分数实质上在此第三区域上各处均质，填料颗粒在胶乳基体中的分散性优良。

应注意，所得混合物的凝结在混合区域中没有开始或没有实质开始，而仅在接收混合物的振动传送机40中开始。观察到此液体一经沉积在此振动传送机40上，立即出现大量凝结。

为了显示混合器30的操作，通过将流动面积的比例从4改变为12.3，同时将两个流之间的流速的比例维持在6.9，以获得从两种类型的炭黑(N134和CRX 1346)得到的具有45phr填料含量的母料来进行测试，浆料的填料含量为4％，天然橡胶胶乳乳液具有60％的固体含量。

所得结果显示出大于80％的高值的凝结产量的稳定性。

用二氧化硅160MP作为填料进行相似的测试，两个流之间的流速的比例为4.1，从而获得具有50phr的填料含量的所得的母料，浆料的填料含量为7.4％，天然橡胶胶乳乳液具有60％的固体含量；还通过为6的系数而改变总流速。

所得结果还显示出在使用二氧化硅作为填料的情况中接近90％的高值的凝结产量的稳定性。

在保持同一比例的流动面积以及相同的填料浆料和天然橡胶胶乳组成的同时，改变流速的比例用以限定可以生产的母料的最大和最小填料含量。

在炭黑N134的情况中，在20至120phr之间的母料获得大于80％的凝结产量的极佳的值。

在炭黑CRX 1346的情况中，所得母料的填料含量的范围在25至120phr之间。

最后，在二氧化硅MP 160的情况中，观察到范围为10至100phr。

还观察到在流动面积的比例超过8时，这些范围的高值非常显著地下降。

因此混合器30具有多个非常重要的优点，由于流以小于2巴甚至接近于大气压的非常低的压力流动而形成较低的能量需求，并且在两个流相遇的区域中非常有效的微湍流。

所述混合器还具有能够生产具有非常不同性质的填料的混合物的优点，填料如：炭黑、二氧化硅、高岭土、合成有机填料、以及诸如木纤维、纤维素的天然有机填料。

取决于填料的类型，填料浆料的浓度可以达到20％重量。

弹性体乳液还可以为不同浓度(例如30％重量或60％重量)的天然橡胶胶乳，SBR、BR、ERA类型的乳液也可以达到30％重量或60％重量的浓度。

所得填料含量可以非常大。可以生产具有含量为15至120phr的炭黑和10至100phr二氧化硅含量的母料。

此混合设备的另一优点是通过改变内部管道在另一管道中的穿透深度而具有较大的调节容易度，改变混合区域的长度使其可以根据待生产的母料而精细地调节。

Claims (25)

1.一种用于连续制备经填充的橡胶母料的方法，所述方法包括如下步骤：在混合区域中将第一液相流和第二液相流相接触，第一流为弹性体乳液，第二流为填料颗粒的水性悬浮体，其特征在于，两个流中的一个流入另一个流的内部，并且两个流在相接触前以低压运输。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在混合区域的上游，所述第一流具有第一流动面积，所述第二流具有第二流动面积，第二流动面积大于第一流动面积，其比例在5至8之间。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，在混合区域的上游，所述第一流具有第一流速，所述第二流具有第二流速，第二流速大于第一流速，其比例在4至15之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第一流流入所述第二流的内部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在混合区域的上游，所述第一流和所述第二流以小于2巴，优选地小于1.5巴的压力运输。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，两个流的混合物暴露至外部空气中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其额外地包括如下步骤：以约10s^-1的最小剪切速率搅拌由接触步骤所得的混合物从而促使所述混合物的材料凝结并获得经凝结的混合物。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过摇床进行搅拌。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，通过旋转搅拌器进行搅拌。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，经凝结的混合物倾到在传送机上。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，搅拌步骤通过振动带进行。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其额外地包括如下的后续步骤：其包括通过挤压将经凝结的混合物排水从而获得经排水的混合物。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，排水通过使用选自如下设备的设备进行：具有排水***的锥形螺杆挤出机、活塞、双螺杆挤出机。

14.根据权利要求12和13中任一项所述的方法，其额外地包括如下的后续步骤，其包括通过使经排水的混合物达到水的蒸发温度以上的温度而使其干燥。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二流的制备包括打碎所述第二流的填料聚集体的步骤。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，填料选自炭黑、二氧化硅、高岭土、白垩、合成有机填料、天然有机填料及这些填料的混合物。

17.用于连续制备经填充的橡胶配混物母料的设备，其包括：

-进料区域，其具有用于在第一管道中运输弹性体乳液的第一流的装置和用于在在第二管道中运输填料颗粒的水性悬浮体的第二流的装置；

-所述第一流与所述第二流的平行流动区域，其中具有较小横截面的管道设置在具有较大横截面的管道的内部；以及

-所述平行流动区域下游的混合区域，其通过在具有较小横截面的管道的端部的下游的具有较大横截面的管道内腔形成。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述混合区域暴露至外部空气中。

19.根据权利要求17和18中任一项所述的设备，其中，具有较大横截面的管道是第二管道。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的设备，其中，运输装置包括蠕动泵。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的设备，其中，两个管道在所述混合区域的上游共轴。

22.根据权利要求17至21中任一项所述的设备，其中，在混合区域的上游，在平行流动区域中，所述第一流具有第一流动面积，所述第二流具有第二流动面积，第二流动面积大于第一流动面积，其比例在5至8之间。

23.根据权利要求17至22中任一项所述的设备，其中，两个管道各自具有圆形横截面。

24.根据权利要求23所述的设备，其中，D为具有较大直径的管道的内径，L为混合区域的长度，比例L/D是变量，优选地在0.5至3之间。

25.根据权利要求23和24中任一项所述的设备，其中，H为平行流动区域的长度，D为具有较大直径的管道的内径，比例H/D大于1。