DE2925266A1

DE2925266A1 - Misch- und knetmaschine

Info

Publication number: DE2925266A1
Application number: DE19792925266
Authority: DE
Inventors: Tsugushi Fukui; Kimi Inoue; Akimasa Kuriyama; Tatuo Masaki; Minoru Miyaoka; Kazuhiko Nakagawa; Norimoto Sato
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1978-06-23
Filing date: 1979-06-22
Publication date: 1980-01-03
Also published as: AU4834679A; GB2024635B; US4284358A; FR2429087A1; IT7923824A0; AU528418B2; DE2925266C2; GB2024635A; IT1191304B; FR2429087B1

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 Innenmischer_f 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 Gummi_f 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 Schubbelastung^e3&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.

Beispiel

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.

Tabelle

(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

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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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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

%-■ P_B'^e'f ^x L_s x tan Q_s
= f χ a_s

Dabei bedeutet Θχ (0_S) der Steigungswinkel, L₁(L₃) die Rippenlänge, &·χ (a_s) das Ausmaß der Windung und f (constant) die axiale Druck- oder Schubbelastung pro Breiteneinheit in Fig. 12.

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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-Kunstharz_s 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;,

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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 können_t 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

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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

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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- - 19 -

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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

G 51 875

Kobe Steel, Ltd., 3-18, 1-Chome, Wakinohama-Cho, Fukiai~Ku, Kobe, Japan

Misch- und Knetmaschine

Patentansprüche 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 0_r48 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 -

909381/0832

292526g
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*