DE2925266A1 - Misch- und knetmaschine - Google Patents
Misch- und knetmaschineInfo
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)
Description
Kobe Steel, Ltd., 3-18, 1~Chome, Wakinohama-Cho,
Fukiai-Ku, Kobe, Japan
Misch- und Knetmaschine
Die Erfindimg betrifft eine Misch» und Knetmaschine für
bzw. in einem sogenannten Innenmischerf welche unabhängig
von der Art des zu verarbeitenden Materials dieses intensiv
mischt und knetet.
Der Innenmischer ist ein zum Vermischen von Gummi geeigneter
Chargenkneter und eine der für die Gummiindustrie unerläßlichen
Einrichtungen. Beispielsweise wird er von Reifenhorstellern
zum Mastifizieren bzw» Kneten von Gummif zum
Kneten des / Kolilonstoff-Masterbatch für Gummi oder
zum Kneten eines Vulkanisiermittels benutzt, v,ras allgemein
als Vorkn&ten bezeichnet wird.
Ein bekannter Innenmischer ist in Fig* 1 bis 3 dargestellt t
und enthält in einem Gehäuse 1 zwei parallel zueinander drehbar gelagei-te Rotoren 2 und 3j die In entgegengesetzten
Richtungen gedreht werden und jeweils eine lange Rippe 4 und eine kurze Rippe 5 tragen. Beide Rippen erstrecken
sich wendelförmig um die Längsachse des betreffenden Rotors. Dabei verläuft die lange Rippe in entgegengesetztem Wendelsinn
zu der kurzen Rippe. Durch einen nicht dargestellten Trichter aufgegebene Materialien gelangen aufgrund der
Brechwirkung der Rotoren und unter Einfluß eines auf das
unter im Trichter befindliche Material einwirkenden Gewichtes/Druck
aus einem Einlaß 10 in eine Mischkammer 7. Nachdem die Materialien von den sich drehenden Rotoren erfaßt worden
sind, werden sie beim Passieren eines enges Spaltes 6 zwischen den Kanten der auf den Rotoren angeordneten
Rippen und der Innenwand des Gehäuses zerkleinert bzw. gemahlen und v/andern dabei in axialer Richtung der Rotoren.
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Dies erfolgt im Bereich der langen Rippen und der kurzen
Rippen unabhängig voneinander. Da die Wendelrichtung der langen Rippen von der der kurzen Rippen abweicht, "bewegen
sich die Materialien von den Enden zum Mittelpunkt der Jeweiligen Rotoren. Das gemischte und geknetete Material
wird vom Boden der Mischkammer abgeführt.
Ein anderer bekannter Innenmischer ist in Fig. 4 bis 6 und dargestellt. Jeder der beiden Rotoren 2 und 3 hat jeweils
vier Rippen, nämlich zwei lange Rippen 4 und zwei kurze Rippen 5. Die Konstruktion dieses Innenmischers ist
der des Innenmischers gemäß Fig. 1 bis J5 weitgehend ähnlich*
jedoch hat dieser bekannte Innenmischer eine doppelte Brechwirkung oder Zerklßinerungswirkung verglichen mit
dem oben beschriebenen bekannten Innenmischer, wodurch
die mikroskopische Dispersion von Zuschlagstoffen gefördert und eine sehr günstige Misch» und Knetwirkung sichergestellt
wird. Fig. 10 zeigt die Fließcharafcteristik der Materialien
entlang den Rotoren.
Um ein homogenes Gemisch zu erzeugen, ist eine makroskopische Dispersion bzw. Verteilung auch von großer Bedeutung, wobei
die Materialien gleichförmig vermischt v/erden und durch und
durch gleichmäßig verteilt einen Zuschlagstoff enthalten, so daß das gesamte Gemisch eine gleichförmige Dichte auf v/eist.
Venn beispielsweise bei der Reifenherstellung während des Vorknetens ein Vulkanisiermittel nicht homogen beigemischt
wird, weist das hergestellte Produkt ungleichförmige physikalische Eigenschaften auf, was zu Schwierigkeiten
bei der Herstellung von Qualitätsreifen führt. Während der Anteil von Stahl-Radialreifen mit eingebettetem Stahlcord
an der Gesamtreifenherstellung aus Sicherheitsgründen für Hochgeschwindigkeitsfahren immer mehr zunimmt, besteht der
Trend, für solche Stahl«Radialreifen als Gummi gebrauchte
Materialien zu benutzen, die von sich aus härter sind, so daß es schwieriger ist, ein homogenes Gemisch mit guter
Dispersion der Zuschlagstoffe als bei Verarbeitung von
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üblichem Gummimaterial zu erzielen. Die Misch- und Knetvorrichtung
der bekannten Innenmischer hat keine befriedigende Festigkeit zum Verarbeiten derartiger Materialien
und ist nicht geeignet, eine ausreichend gleichmäßige Verteilung bzw. Dispersion verschiedenster Zuschlagstoffe
zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Misch- und
Knetmaschine zu schaffen, die unabhängig von der Art der zu verarbeitende?! Materialien selbst in makroskopischer
Hinsicht mater Berücksichtigung der Materialbewegungen in einem im Betrieb befindlichen Innenmischer die Materialien
intensiv und gleichmäßig durchmischt.
Diese Aufgabe wird mit einer Knot- und Mischmaschine der
im Hauptanspruch gekennzeichneten Art gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildung©?! der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
Die Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert,
und -zwar zeigt '
Fig. 1 eine Draufsicht auf Rotoren eines bekannten Innenmischers,
Fig. 2 Querschnitte nach den Linien H-II und IH-III aus
+ 3 Fig. 1,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine andere Art bekannter Rotoren,
Fig. 5 Querschnitte nach den Linien V-V und VI-VI aus
+ 6 Fig. 4,
Fig. 7a graphische Darstellungen, welche die mit erfindungs- + ' gemäßen Rotoren und mit bekannten Rotoren erreichbaren
Misah-bzw. Dispersionsergebnisse zeigen,
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Fig. 8 eine Draufsicht auf Rotoren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 eine graphische Darstellung, aus der die Abhängigkeit der Mischqualität vom Längenverhältnis der Rotor-Rippen
zu erkennen ist,
Fig. 10 die Fließrichtung des Materials über eine bekannten Rotor der in Fig. 4 dargestellten Art,
Fig.11 eine Draufsicht auf zwei Rotoren nach einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig.12 eine Abwicklung des Rotors gemäß Fig. 11,
Fig.13 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der
Rippenlänge und der erzielbaren Kornverteilung in der Mischung und
Fig.14 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit zwischen
dem Schubverhältnis und der erzielbaren Kornverteilung
in der Mischung.
Rotoren bekannter Mischer haben, wie in Fig. 1 bis 6 ge
wendelförmig verlaufende Rippsn oder Flügel» die dazu bestiia-at
Bind, das zu verarbeitende Material in axialer Richtung" der Rotoren zu bewegen bsv:· zu schieb pn. Die Hatorialbewegungen
im Inneren einer Mischkammer Jcöxmen daher so bö~
trachtot werden, daß sie in einen Materialfluß in axialer
Richtung der Rotoren und in einen Materialfluß zwischen der linken und der rechten Seite der die Rotoren enthaltenden
Mischkammer aufgeteilt sind. Um ein homogenes Gemisch au
erzielen, ist es notwendig, sowohl den Materialfluß entlang der axialen Richtimg als auch den Materialfluß zwischen
beiden Seiten der Mischkammer zu beschleunigen, wobei gleichzeitig verhindert werden muß, daß die Materialien
bzw. Teile derselben in der Mischkammer verbleiben.
Es wurde gefunden, daß beim Vorline ten von hartem Gummimaterial in einem Innemischer mit einem Innenvolumen von
256 Liter, der mit vier Rippen versehene Rotoren enthält,
die Dispersion bzw. Verteilung der Zuschlagstoffe bei einigen Gummiarten deutlich ungleichförmig wurde. Außerdem
wurde gefunden, daß eine Maschine mit vier Rippen aufweisenden Rotoren eine deutlich schlechtere Verteilung der
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ORIGIlvlAL INSPECTED
Zuschlagstoffe als eine Maschine mit zwei Rippen auf"
weisenden Motoren erzielte. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Testmaschine gebaut und das Fließverhalten
der Materialien im Mischer sorgfältig untersucht. Eine Trommel dieser Testmaschine wurde aus Acrylkunstharz
hergestellt und so ausgebildet, daß eine direkte Beobachtung des Fließverhaltens der darin verarbeiteten Materialien
möglich war. Um den Dispersionsgrad quantitativ auswerten zu können, wurde ein vorbestimmter Anteil farbiger Kunststoffkörner
(Polystyrol) zugegeben und nach dem Kneten die Anzahl der Körner in einer bestimmten Probe mehrfach
(η-mal) gemessen und in Form von Streuungen bzw«. Abweichungen
G£n~1) aufgezeichnet. Die Testmaochine wurde mit c&nselbeii
Abmessungen wie ein Innenmischer eines inneren Volumens von 1,7 Liter gebaut» Eine wässrige Lösung mit 30 % CMC
(Carboxymethylcellulose) erwies sich als geeignetes .Material,
um ein ähnliches Fließverhalten wie Hartgummi bzw* Vulkanit
in den meisten erhältlichen Mischern, die bei den vorliegenden Versuchen benutzt wurden, aufsuaeigeiiv
Die Ergebnisse der mit der Testmaschine mit Testmaterialien unter Verwendung von zwei Rippen und vier Rippen aufweisenden
Rotoren durchgeführten Knetversuehe sind in den Figuren 7a und 7b dargestellt. Fig. 7a zeigt die Kornstreuung oder
Kornabweichung bei einer Knetdauer von 40 Sekunden und Fig» 7b die Kornstreuung oder Kornabweichung bei einer
Khetdauer von 60 Sekunden. Verglichen mit der die Ergebnisse
mit vier Rippen aufweisenden Rotoren anzeigenden Kurve zeigt die die Ergebnisse mit zwei Rippen aufweisenden
Rotoren anzeigende Kurve 11 eine bessere Kornvertei'lung über einen weiten Bereich des Füllfaktors (Volumenverhältnis
des Materials zur Mischkammer) von 0,4 bis 1,0, so daß eine homogene Verteilung oder Dispersion in kürzerer
Knetzeit sichergestellt ist. Im Gegensatz hierzu erzielte man mit vier Rippen aufweisenden Rotoren eine ziemlich
schlechte Verteilung oder Dispersion mit zunehmendem Füll-
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faktor} wobei diese Vorrichtung auch nicht in der Lage war,
die Verteilung oder Dispersion durch Verlängerung der Knetdauer zu verbessern. Der Grund für die schlechtere
Wirkungsweise der vier Rippen aufweisenden Rotoren liegt darin, daß zwei lange und zwei kurze Rippen jedes Rotors
derart gewunden verlaufen, daß sie die Materialien zum mittleren Abschnitt der Rotoren drücken.
YJie am besten aus PIg0 6 zu erkennen ist, waren die entsprechenden
Kanten der Rippen um 90° gegeneinander phasenversetzt, um die Materialbewegung im mittleren Bereich zu
erleichtern, wo die langen Rippen den kurzen Rippen am nächsten liegen, jedoch konrfen die von einem Ende der Rotorachse zum mittleren. Abschnitt aufgrund der Wirkung der langen
Rippen fließenden Materialien nicht sun anderen Ende des
Rotors weitergefördert werden, nachdem sie die Kanten der langen Rippen verlassen hatten. Das Ergebnis war, daß ein
Teil der Materialien aufgrund der Wirkung der kurzen Rippen, die eine zu den leingen Rippen entgegengesetzte Steigung
aufweisen, zum mittleren Toil dos Rotors umgekehrt wurde und dieses umgekehrt bewegte Material mit dem vorbewegten
Material in Konflikt kam. Es wurde gefunden, daß dieser Konflikt Störungen eines Materialflusses in'axialer Richtung
hervorrief. Im Falle von jeweils zwei Rippen aufweisenden Rotoren, bei denen die Enden der langen und der kurzen
Rippen im mittleren Abschnitt einander teilweise überlappen, wie in Fig. 1 gezeigt, wurde das zum mittleren Abschnitt
der Rotorachse fließende Material von den Endkanten,der
langen Rippen freigegeben, um in einen freien Raum auf der Rückseite der kurzen Rippen zu fließen, von wo es gegen die
langen Rippen gedrückt wurde. Obwohl der Materialfluß selbst identisch wie bei Verwendung von Rotoren mit vier
Rippen war, hatte jeder Rotor nur eine einzige lange Rippe und eine einzige kurze Rippe, so daß ein größerer Raum
für die Bewegung der Materialien vorhanden war, wodurch der axiale Fluß der Materialien beschleunigt und ein homogenes
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Gemisch sichergestellt wurde.
Im Hinblcik auf die mangelhafte Knetwirkung wegen ungenügenden Fließverhaltens der Materialien in Vorrichtungen
mit vier Rippen aufweisenden Rotoren ist in der JA-OS 42-27032 vorgeschlagen worden, den Querschnitt der langen
Rippe und der kurzen Rippe so auszubilden, daß die Erweiterung der Querschnittsfläche des Rotors nahe seiner
Mitte verringert wird, um das Fließverhalten des Materiales für eine: homogene Verteilung oder Dispersion zu verbessern.
Die Erfinder haben ebenfalls versucht, derart ausgebildete Rotoren zum Mischen und Kneten von Hartgiimmi einzusetzen,
jedoch mit unzureichenden Resultaten«; Sie haben außerdem
ausgedehnte Untersuchungen an einer Vielfalt von verschiedenen Rippenformen durchgeführt} um die höchst vir-ksame
Fnetfahigke.it von mit vier Rippen ausgestatteten Rotor«;!
erfolgreich zu nutzen, wobei die oben beschriebene wäßrige CMC-Lösung benutzt wurde, die ein ähnliches Fließverhalton
wie Hartgummi hat, wobei zunächst der Materialfluß in der Testmaschine studiert worden ist und daraus praktische
Schlußfolgerungen für eine günstige Rotorausbildung mittels eines kleinen Mischers mit einem Innenvolumen von 4,3 Liter
und eines in der Praxis verwendeten bzw. großen Mischers mit einen Innenvolumen von 236 Liter gezogen wurden.
Die mit vier Rippen aufweisenden Rotoren erzielte ungenügende Verteilung oder Dispersion war auf ungenügende Bewegung der
Materialien in axialer Richtung der Rotoren zurückzuführen. Um den axialen Fluß zu beschleunigen, wurde das Längenverhältnis
der kurzen Rippen zu den langen Rippen verändert, um Änderungen der Verteileffekte oder Dispersioneffekte
auf Kunststoffkörner in der CMC-Lösung zu untersuchen. Dabei wurde mit der Testmaschine gearbeitet und der Neigungswinkel
und der Querschnitt der Rippen wie bei bekannten
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ORIGINAL INSPECTED
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Rotoren gewählt. Es wurde gefunden, daß die Ungleichförmigkeit
der Verteilung oder Dispersion der Kunststoffkörner in der CMC-Lösung auf ein Minimum herabgesetzt werden konnte
und eine bessere Homogenität gewährleistet wurde, wenn das Längenverhältnis (Ls-Ll) der kurzen Rippen zu den langen
Rippen (gemäß Fig. 8) unter einem festen Wert liegend gewählt wurde. Mit anderen Worten wurde die Homogenität
eines Gemisches dadurch verbessert, daß man das Längenverhältnis der kurzen und langen Rippen - in axialer Richtung
des Rotors gesehen ~ änderte, so daß man vier Rippen aufweisende Rotoren bauen kann, die ausgezeichnete Mischwirkungen
haben, welche bei bekannten Misch- und Knetmaschinen dieser Art nicht zu erwarten und zu erzielen sind, welche ein
Längenverhältnis von 0,49 aufweisen. Fig« 9 zeigt die
Abhängigkeit bzw. Relation zwischen der Abweichung in der
Kornverteilung und dem Längeriverhältnis, wobei die Kurve· i4
die Verhältnisse bei einer Knetdauer von 40 Sekunden und die Kurve 15 die Verhältnisse bei einer Knstdauer von 60 Sekunden
anzeigt. Aus dieser Zeichnung ergibt sich, daß die Abweichung stark ansteigt, wenn das Längenverhältnis 0,4
übersteigt. Die Dispersion oder Verteilung wird um so besser, je kleiner das Längenverhältnis der Rippen ist.
Um eine homogene Verteilung oder Dispersion zu erreichen, ist es im Prinzip wünschenswert, die Länge der kurzen Rippen
zu verringern und die Rotoren nur mit durchgehenden langen Rippen zu versehen. Rotoren mit nur langen Rippen haben
jedoch den Nachteil, daß die auf sie einwirkende Schubbelastunge3&eim
Mischen und Kneten von Materialien zu stark sind und daß die auf die Materialien in Richtung gegen die
Seitenwände des Mischers ausgeübten Druckkräfte zu örtlichen Überhitzungen führen.
Aus diesen Gründen wird das Längenverhältnis der Rippen unter 0,48 liegend gewählt und vorzugsweise in einem Bereich
von 0,3 bis 0,15. Knetexperimente mit Probenmaterialien
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zeigten, daß Rotoren mit einem Rippen-Längenverhältnis von 0,4 befriedigende Ergebnisse gegenüber bekannten
Rotoren mit zwei Rippen erbrachten.
Die Mastifikation bzw. das Knetfähig^-machen von natürlichem
Gummi und das Vorkneten eines Vulkanisiermittels wurde mit einem Innenmischer mit einem inneren Volumen von
236 Liter mit bekannten Rotoren, deren Rippen-Längenverhältnis 0,49 betrug, und mit erfindungsgemäßen Rotoren,
deren Rippen-Längenverhältnis 0,23 betrug, untersucht. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt
und zeigen, daß erfindungsgemäße Rotoren zu einer noch besseren Verteilung oder Dispersion von Zuschlagstoffen
führen, und zwar verglichen mit bekannten Rotoren mit zwei Rippen, die bereits eine hervorragende Verteilung oder
Dispersion beim Vorkneten erbringen.
(DispersionsfäJaigkeit von Rotoren beim Vorkneten)
Rotor
Anzahl von Rippen
Längenerhältnis
Prüf- bekannter bekannter Rotor Rotor Rotor
Gummimaterial
0,23
0.49
Weichgummi
0.75
10.4
1.0
mittelweiches Gummi
0.5
3.1
1.0
Hartgummi
0.3
1.0
- 11 -
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Wie bereits oben gesagt, gewährleistet die erste dargestellte
Ausführungsform der Erfindung eine gute Verteilung oder Dispersion sowohl in makroskopischer als auch in
mikroskopischer Hinsicht wegen der neuen und Verbesserten Ausbildung des Rotors.Die Erfindung ist ausgezeichnet zum
Kneten von Gummi wie sum Vorkneten, Mastifizieren, Einkneten
von Kohlenstoff-Masterbatch und dergleichen geeignet,
Obwohl das vorstehend beschriebene spezielle Ausführungs«
boispiel nur ein Beispiel für einen Rotor mit vier Rippen bildet, ist einzusehen s daß die Erfindung auch auf Rotoren
mit einer viel größeren oder auch einez* kleineren Anzahl von Rippen wie beispielsweise zwei Rippen anwendbar ist.
Durch die Erfindung entfällt die Notwendigkeit, den mittleren Bereich des Rotors dünner auszubilden, wie in
der JA-OS 42-27032 vorgeschlagen, so daß die Festigkeit
und Haltbarkeit des Rotors verbessert ist.
Nunmehr wird das in Fig« 11 gezeigte zweite Ausführungs«
beispiel der Erfindung besprochen. Wie sich aus den
Figuren 1 bic· 6 und 10 ergibt, hat jeder Rotor, bekannter
Innenmischer wendelförmig verlaufende Rippen, um die zu verarbeitenden Materialien in axialer Richtung der
Rotoren zu verschieben. Das Verhalten der Materialien im Inneren der Mischkammer kann in einen Materialfluß
in axialer Richtung der Rotoren und einen Materialfluß zwischen der linken und der rechten Mischkammer, welche
die entsprechenden Rotoren aufnimmt, unterteilt werden. Um ein homogenes Gemisch zu erzeugen, ist es notwendig,
den axialen Fluß und den Austausch bzw. Fluß zwischen den beiden Teilkammern zu beschleunigen und einen Stillstand
des Materials in den Mischkammern zu verhindern. Zu diesem Zweck verlaufen die langen und die kurzen Rippen der
Rotoren wendelförmig in entgegengesetzten Richtungen zueinander und haben ein Längenverhältnis von etwa 0,48 bis
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292526g
-Vfc
0,1, so daß das Material von den Enden der Rotoren zu
deren Mitte zurückgeschoben oder zurückgedrückt wird, wodurch man verhindert, daß das Material in den Stirnbereichen
der Rotoren verbleibt. Vielmehr wird es zwischen den langen und kurzen Rippen in axialer Richtung
der Rotoren immer wieder zurückgeschoben, um das zu mischende Material wirksam zu verteilen«, Der Steigungswinkel
der wendelförmig verlaufenden langen und kurzen Rippen ist im wesentlichen gleich, um keine Schub« oder
Druckbelastung auf die Rotoren auszuüben, selbst wenn das verarbeitete Material Druck auf die langen und kurzen
Rippen ausübt.
Nachfolgend wird die Relation zwischen dem Windungsausmafi
der Rippen und der Druck- bzw« Schubbelastung beschrieben» Das zu mischende Material wird Kräften ausgesetzt s welche
senkrecht zur Arbeitsfläche dor langen oder der kurzen Rippen wirken, und wird von einer axialen Komponente
der Kraft beim Drehen der Rotoren in axialer Richtimg bewegt. Dieser Druck oder Schub in axialer Richtung
wird vom Neigungswinkel oder Schraubwinkel und der Längo der langen oder der kurzen Rippen bestimmt. Die Schubkraft
kann wie folgt definiert werden, wobei P1 für die langen
und P0 für die kurzen Rippen gilt:
P1 .- f x L1 x tan Q1
« f X &1
%-■ PB'e'f x Ls x tan Qs
= f χ as
= f χ as
Dabei bedeutet Θχ (0S) der Steigungswinkel, L1(L3) die
Rippenlänge, &·χ (as) das Ausmaß der Windung und f (constant)
die axiale Druck- oder Schubbelastung pro Breiteneinheit in Fig. 12.
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292526g
Aus den oben genannten Formeln ergibt sich, daß das Druckuder
Schubverhältnis der langen Rippen zu dem der kurzen Rippen vom Windungswinkel oder Neigungswinkel der Rippen
abhängt. Experimente der Erfinder beim Vorkneten von hartem Gummi mittels eines Innenmischers (Rauminhalt
236 Liter) mit vier Rippen aufweisenden Rotoren zeigten, daß die Verteilung eines Zuschlagmittels bei einigen
Gummimaterialien sehr ungleichmäßig ist und daß eine Maschine mit vier Rippen aufweisenden Rotoren eine sehr
viel schlechtere Verteilung des Zuschlagstoffes bewirkt wie eine Maschine mit zwei Rippen auf v/eisenden Rotoren«
Es wurde die oben gebschriebene Testmaschine gebaut, um das Fließverhalten des Materials im Mischer zu beobachten,
ua die Gründe für die ungliochförmige Verteilung
zu finden« Diese Testmaschine hatte wiederum eine Trommel
aus Acryl-Kunstharzs um das darin fließende Material direkt
beobachten zu können«. Um durch quantitative Analyse
die erzielte Verteilung auswerten zu können, wurde außerdem eine bestimmte Menge farbiger Kunststoffkörner (Polyester)
zugegeben und die Anzahl der in mehreren Proben enthaltenen
Körner mehrfach (η-mal) nach dem Kneten gemessen, voraus die Abweichung (%i~1) der Kornnummer berechnet wurde. Die
Testmaschine hatte dieselbe Größe wie ein Innenmischer mit einem Rauminhalt von 1,7 Liter. Eine wäßrige Lösung
mit 30% CMC (Carboxymethylcellulose) wurde als geeignetes
Material gefunden, das in in der Praxis verwendeten Mischern ein ähnliches Fließverhalton wie Hartgummi hat,
so daß dieses Material für die obigen Experimente benutzt wurde.
Allgemein gesprochen gilt, daß die Verteilungseigenschaften bedeutend verschlechtert werden, wenn der Füllfaktor oder
Füllgrad einer Maschine mit vier Rippen aufweisenden Rotoren erhöht wird, und zwar selbst bei Verlängerung der
Misch- und Knetzeit. Die Gründe für die schlechtere Verteilfähigkeit einer Maschine mit vier Ripjen aufweisenden
Rotoren sind folgende. Da die langen und die kurzen ..
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Rippen eines einzigen Rotors so gewunden sind, daß sie das Material zur Mitte des Rotors drücken, liegen die
Kanten oder Enden der langen Rippen um 180° phasenversetzt gegenüber den Kanten oder Enden der kurzen Rippen, um
den Materialfluß im mittleren Bereich des Rotors zu erleichtern, wo beide Rippen dicht aneinander liegen. Das
aufgrund der Wirkung der langen Rippen von einem Ende des Rotors zu seiner Mitte fließende Material wird von den
entgegengesetzt gewundenen kurzen Rippen in Richtung auf die langen Rippen zurückgedrückt, kurz nachdem es
sich von den langen Rippen bzw. deren inneren Enden gelöst hat$ ohne langsam das andere Ende des Rotors
zu erreichen. Das führt zu einem Konflikt im Materialfluß
im mittleren Bereich des Rotors und einer Verschlechterung
des Materialflusses in axialer Richtung, der für die Erzeugung eines homogenen Gemisches notwendig ist. Ia
Gegensatz hierzu wird bei Verwendung eines Rotors mit zwei Rippen j wobei das inner© Ende der langen Rippe
teilweise die kurze Rippe im mittleren Bereich des Rotors überlappt, wie in Fig. 1 gezeigt t das aufgrund der Einwirkung
der langen Rippe zur Mitte des Rotors fließende Material von dem inneren Ende oder der inneren Kante
der langen Rippe freigegeben und fließt in einen Raum hinter der Rückseite der kurzen Rippe und von dort wieder
zur langen Rippe. Obwohl die Materialbewegung ähnlich wie bei einem Rotor mit vier Rippen ist, ist der zur Verfügung
stehende Raum, da Jeweils nur eine lange und eine kurze Rippe vorhanden ist, genügend groß, um einen
ausreichenden Materialfluß in axialer Richtung zuzulassen, so daß ein homogenes Gemisch erzielt wird.
Wie bereits oben erwähnt, ist ein Versuch, ein ungleich förmiges Mischen und Kneten wegen ungenügendem Material
fluß in einer Maschine mit vier Rippen aufweisenden
zu verwenden.
Rotoren/in der JA-OS 42-27032 offenbart. Dabei ist der Querschnitt der langen und der kurzen Rippen so gewählt;,
Rotoren/in der JA-OS 42-27032 offenbart. Dabei ist der Querschnitt der langen und der kurzen Rippen so gewählt;,
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daß die Weite des mittleren Abschnittes der Rotoren und damit deren Querschnittsfläche verringert ist, um somit
das Fließverhalten der Materialien zum Erzielen einer gleichförmigen Verteilung zu verbessern. Die Erfinder
haben versucht, diesen Vorschlag beim Mischen und Kneten von Gummimaterialien anzuwenden, stellten Jedoch fest,
daß er in der Praxis des Mischens von Hartgummi unwirksam und ungenügend ist.
Die Erfinder haben daher zusätzliche Untersuchungen anhand einer Vielzahl verschiedener Rippenformen durchgeführtj
um die hohe Mischwirksamkeit von vier Rippen aufweinenden Rotoren ausnuteen zu könnent wobei eine CMC enthaltende
wäßrige Lösung benutzt \drö5. deren Fließverhalten ähnlich
Hartgummi ist. Ea vrorde- festgestellt, daß auch die in
Fig. 11 erkennbaren Rippenformen svrockraäßig und wünschenswert
sind. Wie bei beksSiiVvöi'i Verachtungen weist ^eder
von zwei parallel angeordneten Rotoren 2 und 3 eino lange
Rippe 4 und eine kurze Rippe 5 auf, die in entgegengesetzten Richtungen wendelförmig verlaufen, um Material
zur Mitte des Rotors zu fördern. Gemäß einem der wichtigen Merkmale der Erfindung ist das Ausmaß der Y/indung bzw.
die Steigung so gewählt, daß der von der kurzen Rippe auf das Material ausgeübte axiale Schub oder Druck zu
dem von der langen Rippe ausgeübten axialen Schub oder Druck in einem Verhältnis steht, das in einem Bereich von
0,7 bis etwa 0 liegt. Bei einer derartigen Anordnung
unterscheidet sich das Fließverhalten des Materials in axialer Richtung zwischen den beiden Rotoren und ist
beschleunigt, um die Homogenität des erzielten Gemisches zu verbessern.
Fig. 12 zeigt eine Abwicklung eines Rotors gemäß Fig. 11, wobei das Verhältnis (Ps/Pl) des von der kurzen Rippe
ausgeübten Druckes Ps zu dem von der langen Rippe 4 ausgeübten Druck Pl durch richtige Wahl der Neigung oder
- 16 909881/0832
292526a
Steigung der Rippen auf einen Bereich zwischen 0,7 "bis
etwa 0 eingestellt ist. In diesem Fall wird das Material von der langen und der kurzen Rippe abwechselnd zurückgeschoben
und der axiale Materialfluß durch Rückschalten der axialen Richtung gegenüber dem Material beschleunigt.
Es ist außerdem notwendig, daß das Längenverhältnis (Ls/Ll) der kurzen zur langen Rippe im Bereich von 0,48 bis
0,1 liegt, um zu verhindern, daß das Material an den Rotorenden zum Stillstand kommt.
Um die gute Knetwirksainkeit von vier Rippen aufweisenden
Rotoren auszunutzen, sind intensive Untersuchungen bezüglich der Rippenforni durchgeführt worden, wobei eine
wäßrige CMC-Lösung als Material benutzt wurde. Zuerst wurdendie Dynamik odor der Materialfluß mit einer Modell-Testmaschine
studiert/und die Rotorformen, Vielehe befriedi»
gende Ergebnisse lieferten, zuerst in einem kleinen Innenmischer mit einer Volumenkapazität von 4,3 Liter
ausprobiert f woraufhin eine Bestätigung der praktischen
Brauchbarkeit anhand eines üblichen Mischers normaler Größe mit einer Volumenkapazität von 236 Liter vorgenommen
wurde.
Da die schlechte Dispersionswirkung der vier Rippen aufweisenden Rotoren auf den Materialfuß in axialer Richtung
zurückzuführen ist, wurde erst versucht, den axialen Fluß zu verbessern. Dabei wurde·eine Testmaschine mit
Rotoren verwendet, bei denen die Steigungswinkel und die Querschniidbsformen der Rippen denen bekannter Rotoren entsprach,
wobei das Längenverhältnis zwischen den langen und kurzen Rippen verändert wurde und der sich daraus
ergebende Einfluß auf die Gleichförmigkeit der Dispersion
wurde, von Kunststoffkörnern in CMC-Lösung untersucht/. Dabei
wurde gefunden, daß,wenn das Längenverhältnis der langen
Rippe zur kurzen Rippe (Ls/Ll) und das Schubkraftverhältnis unter bestimmten Werten gehalten wird, die Änderungen
der Verteilung (Abweichung) von Kunststoffkörnern im
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gekneteten Geraisch verringert und eine bedeutend verbesserte
Homogenität erzielt wurde. Durch Ändern des Längenverhältnisses der kurzen und langen Rippen wurde
die Homogenität des Gemisches dementsprechend bedeutend verbessert, so daß man in der Lage ist, vier Rippen
aufweisende Rotoren mit befriedigender Dispersioncharakteristik zu bauen, die bei den bekannten Rotoren mit einem
festen Längenverhältnis von 0,49 nicht erzielt werden kann. Fig. 13 zeigt die Abhängigkeit des Rippen- Längenverhältnisses
von der sich ändernden Kornverteilung, wobei die Kurve 11 die Verhältnisse nach einer Knetzeit von
40 Sekunden und die Kurve 12 die Verhältnisse nach einer Knetzeit von 60 Sekunden zeigt. Aus Fig. 13 geht hervor,
daß die Abweichungen stark ansteigen, wann das Rippen-Längenverhältnis
den Viert 0,4 übersteigt-und daß die Dispersion
verbessert wird, wenn das Längenverhältnis unter diesem Wert liegt.
Um eine homogene Dispersion zu erzielen,, ist es am günstig-'
sten, den Rotor mit ununterbrochenen langen Rippen zu versehen, d*h. die Länge der kurzen Rippen praktisch gleich Null
zu wählen. Bei einem derartigen Rotor, der nur lange Rippen hat, wird die Schubbelastung auf den Rotor beim Kneten
jedoch zu groß und das Material zu fest gegen die Seitenwand des Mischers gepreßt, so daß örtliche Überhitzungen entstehen
können. Daher wird das Längenverhältnis der Rippen in einem Bereich von 0,48 bis 0,1 gewählt und vorzugsweise
in einem Bereich von 0,3 bis 0,15. Das Ergebnis eines
Knettestes mit einem Rippen-Längenverhältnis von 0,4 war dem Ergebnis vergleichbar, das mit einem bekannten Rotor,
der zwei Rippen aufweist, erzielt wurde.
Fig. 14 zeigt die Abhängigkeit zwischen dem Schub- oder Druckverhältnis und den Schwankungen der Kornverteilung
im Gemisch. Bie Kurven 13, 14, 15 und 16 zeigen die Verhältnisse bei Ls/Ll = 0.48, Ls/Il = 0.37, Ls/EL = 0.25
und Ls/Il = 0.12. Es ist erkennbar, daß in allen vier
- 18 -
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ff
Fällen die Abweichungen stark anzusteigen beginnen, wenn das Schubverhältnis (Ps/Pl) 0.7 übersteigt, hingegen sinken,
wenn sich dieses Schubverhältnis dem Wert Null nähert. In diesem Falle ist die Abweichung bei allen Längenverhältnissen
noch zufriedenstellend, wenn das Schuhverhältnis den Wert von 0,45 nicht übersteigt. Das Schubverhältnis
wird daher im Bereich zwischen 0,7 und 0 und vorzugsweise im Bereich zwischen 0,45 und nahezu 0 gewählt.
Damit das unter Einfluß der langen Rippe zur kurzen Rippe fließende Material von der kurzen Rippe auf die Rückseite
der langen Rippe zurückgeschoben wird, sollte eine genügend große Durchlaßöffnimg zwischen den Enden der langen
tind der kurzen Rippe vorhanden sein* Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann diese Durchlaßöffnung durch Verringern des Steigimgswinkels der kurzen Rippe gegenüber bekannton Ausführungen erzielt werden«, Dies führt zu einer- Verringerung
des auf das Material in der Mischkammer ausgeübton Druckes, einer schnellen Schubwirkung auf das Material und einem
geringem axialen Druck auf die Rotoren.
Befriedigende Ergebnisse wurden bei Anwendung der Erfindung auf handelsübliche oder in der Praxis verwendete Mischer
zum Vorkneten von Hartgummi mit einem Vulkanisiermittel erzielt. Für das sogenannte Vorkneten oder Einknoten eines
Vulkanisiermittels sollte die Temperatur des Gummis unter einem vorbestimmten Wert von beispielsweise 380 K gehalten
werden, um eine Vulkanisation der Zuschlagstoffe beim Misch- und Knetvorgang zu verhindern. Das Mischen und Kneten
mit guter Verteilung wird ohne Temperaturanstieg durchgeführ Obwohl eine Rippenausbildung aus einer Reihe langer und
einer Reihe kurzer Rippen, die in der aus der JA-GMS 49-43330 bekannten Weise angeodnet sind, zum Zwecke der
Verbesserung der Drehbewegung des Materials» m der Mischkammer sehr geeignet ist, kann ρ·£'*ε derartige Rippenausbildung
für das Vorknete« vx>n Gummimaterialien mit
Vulkanisiermitt'---* nicht benutzt werden, da sich plötz-
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909881/0832
ZO
liehe Temperaturerhöhungen des Gummimaterials einstellen.
Durch Unterteilen der Rippen in lange und in kurze Rippen, die beide in entgegengesetzten Richtungen verlaufen,
kann gemäß der vorliegenden Erfindung die im Betrieb auf die Rotoren ausgeübte Schub- oder Druckkraft gegenüber
bekannten Rippenausbildungen verringert werden. Durch die Erfindung ist ein ausgezeichnetes makroskopisches und
mikroskopisches Mischen und Kneten möglich, und man erhält zufreidenstellende Ergebnisse beim Vorkneten, primären
Kneten, Elnkneten von Kohlenstoff-Masterbatch oder bei
anderen Knetvorgängen an Gummimaterialien, und zwar
wegen der Verbesserungen der Rotorrippen. Die Abmessungen des Rotors brauchen im mittleren Bereich desselben nicht
verringert zu werden, wie beispielsweise in der JA-OS
42-27032 offenbart, so daß die Rotoren der vorliegenden Erfindung eine bessere Festigkeit und Lebensdauer haben.
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Claims (5)
- G 51 875Kobe Steel, Ltd., 3-18, 1-Chome, Wakinohama-Cho, Fukiai~Ku, Kobe, JapanMisch- und KnetmaschinePatentansprüche j/\J Misch- und Knetmaschine, mit einer von einem Genauso begrenzten Mischkammer, in der parallel zueinander zwei Rotoren in entgegengesetzten Richtungen drehbar gelagert sind, von denen jeder wenigstens eine lange Rippe und wenigstens eine kurze Rippe aufweist, die wendelförmig zur Mittellinie des Rotors verlaufen, so daß zu mischendes Material von den Enden der Rotoren zu deren mittleren Bereich fließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhältnis wenigstens einer der kursen Rippen (5) zu wenigstens einer der langen Rippen (4) - in Achsrichtung des Rotors (2, 3) gesehen - in einem Bereich von 0r48 bis 0,1 liegt.
- 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhältnis wenigstens einer der kursen Rippen (5) zu wenigstens einer der langen Rippen (4) in einem Bereich von 0,4 bis 0,1 liegt.
- 3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhältnis wenigstens einer der kurzen Rippen (5) zu. wenigstens einer der langen Rippen (4) in einem Bereich von 0,3 bis 0,15 liegt.
- 4. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (2, 3) eine Mehrzahl von langen Rippen (4) und eine Mehrzahl von kurzen Rippen (5) aufweist, - 2 -909381/0832292526g
- 5. Misch- und Knetmaschine in einem Mischer, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Mischkammer (7) zwei in entgegengesetzten Richtungen drehbar gelagerte parallele Rotoren (2, 3) aufweist, jeder Rotor (2, 3) eine lange Rippe (4) sowie eine kurze Rippe (5) aufweist, die wendelförmig zur Mittellinie der Rotoren verlaufen, so daß das zu mischende Material von den Enden der Rotoren in deren mittleren Bereich fließt, und daß ein in Achsrichtung der Rotoren gesehenes Längenverhältnis zwischen den kurzen Rippen (5) und den langen Rippen (4) im Bereich von 0,48 bis 0,1/%owxe der von den kurzen Rippen auf das Material ausgeübte axiale Schub zu dem von den langen Rixopen (4) ausgeübten axialen Schub in einem Verhältnis von 0,7 bis etwa 0 steht*
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