DE60225057T2

DE60225057T2 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen herstellung einer elastomeren zusammensetzung

Info

Publication number: DE60225057T2
Application number: DE60225057T
Authority: DE
Inventors: Renato Caretta; Maurizio Galimberti; Cristiano Puppi; Cesare Amurri; Stefano Testi; Francesco Romani
Original assignee: Pirelli SpA; Pirelli Tyre SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA; Pirelli Tyre SpA
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: RU2004121983A; KR100938632B1; BR0207693B1; EP1458536A1; AR038050A1; JP4230914B2; DE60225057D1; JP2005531424A; EP1458536B1; CN100439061C; RU2304511C2; CN1604836A; KR20040068940A; WO2003051596A1; ATE385883T1; AU2002361973A1; BR0207693A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung mit Hilfe wenigstens eines Extruders, wobei die erhaltene elastomere Zusammensetzung hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich, der Verwendung bei der Herstellung von Reifen dienen soll.
Die Herstellung von elastomeren Zusammensetzungen (im Folgenden auch als "Kautschukmischungen" bezeichnet) erfolgt herkömmlicherweise in Chargen mit Hilfe von Innenmischern, gewöhnlich Banbury-Mischern, die zwei gegendrehende Rotoren haben, welche eine intensive Mischwirkung ausüben, um die Kautschukbestandteile zu kneten und um darin die anderen Zusatzstoffe, wie Füllstoffe, Schmierhilfen, Vulkanisiermittel und zusätzliche Substanzen einzubringen und gründlich zu dispergieren.
Der Mischprozess unter Verwendung von Innenmischern hat viele Nachteile, insbesondere eine unzureichende Wärmeabführung und somit eine schlechte Temperatursteuerung, hauptsächlich aufgrund eines ungünstigen Verhältnisses zwischen Materialvolumen und Mischeroberf1äche. Zur Verbesserung der Verteilung in der Kautschukbasis werden die verschiedenen Zusatzstoffe und insbesondere die Füllstoffe in die Kautschukbasis in Chargen eingebracht, die in eine Vielzahl von Mischvorgängen verteilt sind, die durch Kühl- und Lagerschritte getrennt sind. Temperaturempfindliche Zusatzstoffe, wie Vernetzungsmittel und Akzeleratoren, werden nur während des abschließenden Mischschritts nach dem Abkühlen der Kautschukmischung unter eine vorgegebene Temperatur (üblicherweise unter 110°C) zugegeben, um eine Anvulkanisierung zu vermeiden.
Deshalb verbraucht der Mischprozess in Innenmischern, obwohl er der am häufigsten verwendete Mischprozess in der Kautschukindustrie ist, Zeit und Energie und garantiert keine effektive Steuerung bezüglich der Eigenschaften der sich ergebenden elastomeren Mischungen, insbesondere hinsichtlich der Dispersionshomogenität der Füllstoffe in der Kautschukbasis. Änderungen in den zugegebenen Mengen der einzelnen Zusatzstoffe, bei der Zeitsteuerung, bei der Zugabe und Abgabe in bzw. aus den Mischern, bei der Anfangstemperatur der Rohmaterialien sowie bei Schwankungen der Scherkräfte innerhalb des Materials während des Mischen tragen alle zu Änderungen von Charge zu Charge bei.
Um die Beschränkungen der diskontinuierlichen Prozesse zu überwinden, hat die Kautschukindustrie viele Versuche unternommen, kontinuierliche Mischprozesse basierend auf Extrusionstechniken einzurichten, die zu denen analog sind, die üblicherweise bei der Verarbeitung von thermoplastischen polymeren Materialien verwendet werden. Kontinuierliche Mischprozesse, die mit Hilfe eines Extruders ausgeführt werden, sollen die Gleichförmigkeit der Kautschukmischeigenschaften verbessern, eine bessere thermische Behandlung aufgrund eines verbesserten Verhältnisses von Oberfläche zu Masse erreichen und gegebenenfalls hochautomatisierte Arbeitsgänge entwickeln. Einen diesbezüglichen Überblick gibt der Artikel "A tale of continuous development (Eine Geschichte zur kontinuierlichen Entwicklung)" von H. Ellwood, veröffentlicht in European Rubber Journal, März 1987, S. 26 bis 28.
Das US-Patent 4,897,236 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen einer Kautschukmischung, bei welchen die Bestandteile der Mischung in einen Doppelschneckenextruder zugegeben, geknetet und homogenisiert werden. Die erhaltene Mischung wird in einen ersten und einen zweiten Teil aufgeteilt. Der erste Teil wird abgeführt, während der zweite Teil für eine weitere Homogenisierung und zum Mischen mit frischen Chargen der Bestandteile, die in den Extruder eingeführt werden, recyclisiert wird. Der recyclisierte Teil wird zu einer gekühlten Ringkammer außerhalb der Extruderkammer umgewälzt und von da zurückgeführt, wobei die Ringkammer Abstrom- und Zustromkanäle hat, die mit dem Inneren des Extruders in Verbindung stehen. Diese teilweise Recyclisierung der Kautschukmischung soll Schwankungen in der Zumessung der Bestandteile und lokale Inhomogenitäten, die auftreten können, ausgleichen. Darüber hinaus soll das intensive Kühlen des recyclisierten Teils in der Ringkammer eine steigende Verarbeitungstemperatur korrigieren und die Dispergierwirkung, aufgrund erhöhter Scherbeanspruchungen infolge der Temperaturverringerung verbessern.
Das US-Patent 5,302,635 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen einer Kautschukmischung. In einem ersten Schritt wird Rohkautschuk in einen Doppelschneckenextruder kontinuierlich zugeführt, wo nicht reaktive Zusatzstoffe (Öle und Füllstoffe) zugegeben werden, und das erhaltene Gemisch wird von den Extruderschnecken knetbar gemacht und homogenisiert. Während dieses ersten Schritts wird die Mischung auf einer Temperatur von 100°C bis 160°C gehalten. Dann wird in einem zweiten Schritt die erhaltene Mischung auf eine Temperatur von 100°C bis 120°C abgekühlt, und es werden reaktive Zusatzstoffe (insbesondere Schwefel und Vulkanisierbeschleuniger) zugegeben und in die Kautschukmischung eingeschlossen. Die homogenisierte Kautschukmischung verlässt dann den Extruder über die Extruderauslassöffnung.
Das Verfahren kann entsprechend den unterschiedlichen Extruderformen ausgeführt werden. Beispielsweise können die beiden Mischschritte in einem einzigen Doppelschneckenextruder ausgeführt werden, der zwei verschiedene Mischzonen hat, die bei zwei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten. Alternativ kann der erste Schritt in einem ersten Doppelschneckenextruder ausgeführt werden, der bei 100°C bis 160°C arbeitet. Die sich ergebende Grundmischung wird dann direkt einem zweiten Doppelschneckenextruder zugeführt, der bei 100°C bis 120°C arbeitet. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren in einem Einzelextruder ausgeführt werden, der zwei Schneckenpaare hat, die an einander gegenüberliegenden Enden des Extrudergehäuses angetrieben werden und bei verschiedenen Temperaturen arbeiten.
Das US-Patent 5,158,725 offenbart ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von elastomeren Mischungen, bei welchem ein Elastomer in einen Doppelschneckenextruder zugeführt wird, wenigstens ein Füllstoff, Öl und/oder andere Elastomere in den Extruder eingebracht werden, die Bestandteile gemischt werden, um ein homogenes Gemisch herzustellen, das bei 100°C auf einer Mooney-Viskosität ML(1+4) zwischen 20 und 250 während des Mischens gehalten wird, und die erhaltene Mischung aus dem Extruder abgeführt wird. Für die Zumessung der Elastomeren und anderer Bestandteile in den Extruder werden präzise volumetrische oder Gewichtsverlust-Zuführeinrichtungen verwendet. Nach dem Verlassen des Extruders kann der gemischte Kautschuk durch ein Mundstück extrudiert, zu Bahnen, Streifen oder Strängen kalandriert oder pelletisiert werden. Das kontinuierliche Verfahren ist weniger aufwändig als die mehrstufigen Chargenprozesse, die gegenwärtig beim Stand der Technik verwendet werden, und erfordert weniger Arbeitskraft und eine geringere Materialhandhabung. Darüber hinaus ergibt sich eine verbesserte Dispersion und Homogenität der erhaltenen elastomeren Mischungen.
Das US-Patent 5,262,111 offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer Kautschukmischung in einem Doppelschneckenextruder. Der Kautschuk wird in den Extruder zusammen mit einer Verarbeitungshilfe eingebracht und bis zu einer Temperatur von 120°C bis 180°C geknetet. Dann wird ein erster Anteil von Ruß, vorzugsweise 40 bis 80% der Gesamtrußmenge, in das erwärmte Extrudat zugegeben. Anschließend wird dem Extrudat weichmachendes Öl zugesetzt, bevor die zweite restliche Rußmenge zugegeben und in dem Extrudat bei einer Temperatur von 120°C bis 180°C eingeschlossen wird. Die ganze Mischung wird dann auf eine Temperatur von 100°C bis 120°C abgekühlt, ein Vernetzungsmittel zugegeben und die Mischung homogenisiert und extrudiert. Der Prozess soll die Dispersion des Rußes in dem Extrudat verbessern und die spezifischen Energieerfordernisse verringern.
Das US-Patent 5,626,420 offenbart einen kontinuierlichen Mischprozess und eine Vorrichtung, wobei Basiselastomer(e) und andere Komponenten kontinuierlich dosiert und in eine Mischkammer eingeführt werden, die von einem Stator und einem darin drehenden Rotor, vorzugsweise einem einzelnen Schneckenextruder, gebildet wird. Die eingeführten Komponenten bewegen sich in der Mischkammer längs Vortriebs- und Mischzonen weiter. Zur Verbesserung der Dispersion und Homogenisierung der Kautschukkomponenten ist die Füllrate der Mischkammer in wenigstens bestimmten Mischzonen kleiner als 1. Um die Komponenten, und insbesondere die Kautschukbasis, richtig in die Mischkammer einzuführen, werden Zwangszuführeinrichtungen verwendet, wie volumetrische Pumpen (beispielsweise Zahnradpumpen). Um eine genaue Dosierung der verschiedenen Komponenten zu erhalten, kann es erwünscht sein, die Komponenten in einer Mischzone zuzugeben, wo die Füllrate gleich 1 ist und sich zwischen zwei Mischzonen befindet, die eine Füllrate von weniger als 1 haben.
Das US-Patent 5,374,387 beschreibt ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von elastomeren Mischungen unter Verwendung eines Doppelschneckenextruders, wobei das Verfahren die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte aufweist. In einer ersten Mischzone des Extruders wird ein elastomeres Material zugegeben, scherzerkleinert und auf eine erste Betriebstemperatur (gewöhnlich von 130°C bis 220°C) erhitzt, während die Viskosität verringert wird. Dann wird das elastomere Material in eine zweite Mischzone geführt, in der wenigstens ein erster Teil eines verstärkenden Füllstoffs und ein Verarbeitungshilfsstoff zugegeben werden, während gleichzeitig die Kautschukmischung auf eine zweite Betriebstemperatur (gewöhnlich von 110°C bis 160°C) gekühlt wird. Die erhaltene Mischung wird dann in eine wahlweise dritte Mischzone geführt, in der einen geringen Bestandteil bildende Chemikalien, wie Haftbegünstiger, Ozonbildungshemmer, Farbzusatzstoffe, Brandverzögerer und dergleichen in die Kautschukmischung eingeführt werden. Vorzugsweise wird in dieser dritten Mischzone der zweite Teil des verstärkenden Füllstoffs und des Verarbeitungshilfsstoffs zugegeben, um eine dritte Betriebstemperatur (gewöhnlich von 85°C bis 130°C) zu erreichen. Anschließend wird in einer vierten Mischzone die Kautschukmischung durch ein Vulkanisiermittel bei einer vierten Betriebstemperatur (gewöhnlich von 115°C bis 150°C) ergänzt. Der Mischungsfluss wird dann zu einer Lieferzone (fünfte Zone) geleitet, in der er in der gewünschten Form durch eine bestimmte Art von Schlitz oder dergleichen extrudiert wird. Die verschiedenen Komponenten der Kautschukzusammensetzung werden dem Extruder kontinuierlich und individuell zugemessen, vorzugsweise in Form von teilchenförmigen Materialien und/oder Flüssigkeiten, mit Hilfe von Gewichtsabtragsbeschickern.
Das US-Patent 5,711,904 offenbart ein Verfahren zum kontinuierlichen Mischen von elastomeren Zusammensetzungen, die mit Siliciumdioxid verstärkt werden. Ein Doppelschneckenextruder wird mit elastomerem Material beschickt, dann mit Siliciumdioxid und anderen Mischungsbestandteilen, einschließlich einem Siliciumdioxid-Haftvermittler. Längs des Extruders werden die Temperatur und der Druck gesteuert, damit der Siliciumdioxid-Haftvermittler mit dem Siliciumdioxid und dem elastomeren Material reagieren kann. Dann werden Vulkanisiermittel und Beschleuniger zugegeben, während die Mischung bei 100°C auf einer Mooney-Viskosität ML(1+4) zwischen 20 und 250 gehalten wird. Das Mischen wird über eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, um die Vulkanisiermittel und Beschleuniger innig einzumischen. Die erhaltene elastomere Zusammensetzung wird dann durch ein geeignetes Mundstück gedrückt, das an dem Extruderaustritt angebracht ist. Das gesamte Verfahren kann unter Verwendung eines Einzelextruders oder einer Folge von Extrudern ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Verweilzeit in einem ersten Doppelschneckenextruder erhöht und dann die Zusammensetzung gekühlt, zerkleinert und in einen zweiten Doppelschneckenextruder abgegeben, in welchem die Kautschukmischung mit Vulkanisiermitteln und anderen Zusatzstoffen vervollständigt wird. Die verschiedenen Extruder können getrennte unabhängige Einheiten oder miteinander gekoppelt sein, um einen kontinuierlichen Prozess zu bilden. Die Extruder können nahe beieinander in einer Querkopf-Extruderhalterung gekoppelt oder lose verbunden werden, beispielsweise über Hängebänder oder Förderbänder, die das Material von einer Einheit zur anderen befördern.
Die Anmelderin hat vermerkt, dass bei einem Prozess zur kontinuierlichen Herstellung einer elastomeren Zusammensetzung mit Hilfe wenigstens eines Extruders die erhaltene elastomere Zusammensetzung nicht die Gleichförmigkeit von Eigenschaften hat, wie sie zu erwarten wäre, wenn man die sehr gute Steuerung der Verarbeitungsbedingungen berücksichtigt, die während der Extrusion erreichbar sind.
D. h. mit anderen Worten, dass die Anmelderin gefunden hat, dass die elastomere Zusammensetzung, die aus einem kontinuierlichen Prozess nach dem Stand der Technik erhalten wird, hinsichtlich Konsistenz der physikalisch-chemischen Eigenschaften nicht zufrieden stellend ist, wobei diese Eigenschaften von Probe zu Probe auch in dem gleichen Herstellungsvorgang variieren.
Dieser Aspekt ist besonders kritisch, da die vorstehenden Änderungen der Eigenschaften in dem gleichen Herstellungsvorgang entsprechende Änderungen der Leistung im Endprodukt verursachen.
Die Anmelderin hat erkannt, dass das vorstehende Fehlen einer Konsistenz hauptsächlich Schwankungen als Ursache hat, die während der Zumessung der Vielzahl von Ingredienzien auftreten können, die zur Herstellung der elastomeren Zusammensetzung zugegeben werden.
Insbesondere hat die Anmelderin festgestellt, dass auch kleine Schwankungen der zugegebenen Mengen der Rezeptzusatzstoffe beträchtliche Änderungen in den Eigenschaften der fertigen Kautschukmischung verursachen können.
Die vorstehenden Überlegungen sind von besonderer Relevanz, wenn sie auf die so genannten "untergeordneten Zusatzstoffe" angewendet werden, d. h. auf diejenigen Komponenten, die sich von den Kautschuken, den verstärkenden Füllstoffen und den Weichmachern unterscheiden und die zugegeben werden, um die Eigenschaften der elastomeren Zusammensetzungen zu modifizieren und/oder zu verbessern. Einige Beispiele für solche untergeordnete Zusatzstoffe sind Vulkanisiermittel, Vulkanisierbeschleuniger und -verzögerer, Schutzmittel, Aushärtungsharze.
Die Zugabe der untergeordneten Zusatzstoffe, deren Arten und Mengen entsprechend der herzustellenden elastomeren Zusammensetzung variieren, zu der Kautschukbasis ist besonders kritisch, da die untergeordneten Zusatzstoffe sehr zahlreich sind (gewöhnlich wenigstens 5 bis 15 in einer einzigen Kautschukmischung) und in kleinen Mengen eingesetzt werden (im Allgemeinen nicht mehr als 5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Kautschukmischung). Deshalb ist eine sehr genaue Zumessung der untergeordneten Zusatzstoffe ziemlich schwierig zu erreichen.
Die Anmelderin hat außerdem gefunden, dass alle Schwankungen, die in den Mischungsprozess durch das Zumesssystem eingebracht werden, während des Extrusionsschritts nicht wirksam korrigiert werden können, da die Verteilungsbreite der Verweilzeiten für jeden elementaren Teil der elastomeren Zusammensetzung nicht ausreicht, verschiedene elementare Teile zu homogenisieren, die zu unterschiedlichen Zeiten des Herstellungsprozesses erhalten werden.
Ausgehend von der vorstehenden Erkenntnis hat die Anmelderin gefunden, dass es möglich ist, die Zuführratenfehler auszugleichen, die durch das Zumesssystem eingeführt werden (d. h. für jeden Rezeptzusatzstoff die Streuung des gemessenen Mengenstromwerts bezogen auf den eingestellten zu kompensieren), indem der Herstellungsprozess stromab von der Extrusionsphase mit einem Rührschritt versehen wird.
Insbesondere hat die Anmelderin gefunden, dass die vorstehende Stabilität der physikalischchemischen Eigenschaften der erhaltenen elastomeren Zusammensetzung dadurch erreicht werden kann, das das elastomere Extrudat in ein zerteiltes Produkt umgewandelt wird, das eine Menge des zerteilten Produkts angesammelt und über eine ausreichende Zeit gerührt wird, um alle möglichen Schwankungen in dem Zumessschritt auszugleichen sowie alle örtlichen Inhomogenitäten auszugleichen, die während des Herstellungsprozesses auftreten können.
Die Anmelderin hat gefunden, dass der Sammel- und Rührschritt es ermöglichen, die zer- bzw. unterteilten Produkte mechanisch zu homogenisieren, die zu unterschiedlichen Zeiten des Herstellungsprozesses erhalten werden, so dass alle möglichen Schwankungen, die während des Zumessschritts auftreten, in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden können.
Deshalb bezieht sich in einem ersten Aspekt die vorliegende Erfindung, wie im Anspruch 1 definiert, auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung, welches die Schritte aufweist:

– Abmessen wenigstens eines Elastomers, wenigstens eines Füllstoffs und wenigstens eines untergeordneten Zusatzstoffs,
– Zuführen des wenigstens einen Elastomers, des wenigstens einen Füllstoffs und des wenigstens einen untergeordneten Zusatzstoffs in wenigstens einen Extruder,
– Einmischen und Dispergieren des wenigstens einen Füllstoffs und des wenigstens einen untergeordneten Zusatzstoffs in das wenigstens eine Elastomer mit Hilfe des wenigstens einen Extruders,
– Erhalten eines unterteilten Produkts aus der sich ergebenden elastomeren Zusammensetzung, die aus dem wenigsten einen Extruder abgegeben wird,
– Ansammeln einer Menge des unterteilten Produkts,
– Rühren der angesammelten Menge des unterteilten Produkts in wenigstens einer Rühreinrichtung und
– Abgeben des gerührten unterteilten Produkts aus der wenigstens einen Rühreinrichtung.

Nach der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Ausdruck "unterteiltes Produkt" auf ein Produkt in diskreten Teilchen. Vorzugsweise haben diese Teilchen mittlere Abmessungen von 0,5 mm bis 15 mm, vorzugsweise von 1 mm bis 10 mm, und besonders bevorzugt von 3 mm bis 7 mm. Die Teilchen haben vorzugsweise die Form von Granulat, Pellets, Kugeln oder Perlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Verfahren der vorliegenden Erfindung zwei Misch- und Dispergierschritte, so dass eine Zwischenkautschukmischung frei von temperaturempfindlichen untergeordneten Zusatzstoffen aus einem ersten Misch- und Dispergierschritt erzeugt wird (ausgeführt in einem ersten Extruder) und anschließend zusammen mit den temperaturempfindlichen ungeordneten Zusatzstoffen einem zweiten Misch- und Dispergierschritt unterworfen wird (ausgeführt in einem zweiten Extruder), um die fertige Kautschukmischung zu erzeugen (d. h. die vervollständigte elastomere Zusammensetzung).
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Schritte des Ansammelns und Rührens stromab von dem ersten Misch- und Dispergierschritt an der Zwischenkautschukmischung in der unterteilten Form ausgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Schritte des Ansammelns und Rührens stromab von dem zweiten Misch- und Dispergierschritt an der vervollständigten elastomeren Zusammensetzung in der unterteilten Form ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren der vorliegenden Erfindung zwei Misch- und Dispergierschritte sowie zwei Ansammel- und Rührschritte auf, so dass auf jeden Misch- und Dispergierschritt ein entsprechender Ansammel- und Rührschritt folgt.
Bei einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung

– mit wenigstens einem Extruder, der ein Gehäuse und wenigstens eine in dem Gehäuse drehbar angeordnete Schnecke aufweist, wobei das Gehäuse wenigstens eine Zuführöffnung und eine Abführöffnung aufweist,
– mit wenigstens einer ersten Abmesseinrichtung zum Abmessen und Zuführen wenigstens eines Elastomers und wenigstens eines Füllstoffs durch die wenigstens eine Zuführöffnung in den wenigstens einen Extruder,
– mit wenigstens einer zweiten Abmesseinrichtung zum Abmessen und Zuführen wenigstens eines untergeordneten Zusatzstoffs in den wenigstens einen Extruder,
– mit wenigstens einer Einrichtung zum Erhalten eines unterteilten Produkts aus der sich ergebenden elastomeren Zusammensetzung, die aus der Abgabeöffnung abgegeben wird, und
– mit wenigstens einer Ansammel- und Rühreinrichtung zum Mischen des angesammelten unterteilten Produkts in der unterteilten Form.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich die Einrichtung zum Erhalten eines unterteilten Produkts an der Abgabeöffnung des wenigstens einen Extruders, so dass das Extrudat direkt in der zerteilten Form erhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erfolgt das Abführen des gerührten unterteilten Produkts kontinuierlich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird das Abführen des gerührten unterteilten Produkts chargenweise am Ende des Rührschritts mit Hilfe wenigstens zweier Rühreinrichtungen ausgeführt, die hintereinander so angeordnet sind, dass, während die erste rührt, die zweite mit dem zerteilten Produkt beladen oder das zerteilte Produkt daraus entladen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wenigstens zwei Extruder: einen ersten zum Mischen und Dispergieren einer Zwischenkautschukmischung frei von temperaturempfindlichen, untergeordneten Zusatzstoffen sowie eine zweite zum Mischen und Dispergieren der Kautschukzwischenmischung zusammen mit den temperaturempfindlichen, untergeordneten Zusatzstoffen, um die abschließende elastomere Zusammensetzung zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Rühreinrichtung der vorliegenden Erfindung stromab von dem ersten Extruder.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform befindet sich die Rühreinrichtung der vorliegenden Erfindung stromab von dem zweiten Extruder.
Bei einer weiteren Ausgestaltung hat die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zwei Rühreinrichtungen, eine erste, die stromab von dem ersten Extruder angeordnet ist, und eine zweite, die stromab von dem zweiten Extruder angeordnet ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die wenigstens eine erste und zweite Abmesseinrichtung der Vorrichtung Gewichtsmessbeschicker.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die wenigstens eine Einrichtung zum Erhalten eines unterteilten Produkts ein Granulator oder eine Walzenmühle.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die wenigstens eine Rühreinrichtung eine drehende Trommel.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert, in denen
1 eine schematische Darstellung einer kontinuierlichen Herstellungsanlage für eine elastomere Zusammensetzung nach der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der kontinuierlichen Herstellungsanlage von 1 ist und
3 bis 5 schematische Ansichten von weiteren Ausführungsformen der kontinuierlichen Herstellungsanlage der vorliegenden Erfindung sind, wobei eine elastomere Zwischenzusammensetzung erzeugt wird.
Zur Vereinfachung der Beschreibung entsprechen in den beiliegenden Zeichnungen den gleichen Bezugszeichen die gleichen oder identischen Komponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer kontinuierlichen Fertigungsanlage 100 für eine elastomere Zusammensetzung nach der vorliegenden Erfindung.
Nach dieser ersten Ausführungsform hat die Fertigungsanlage 100 einen Extruder 110, der zur Herstellung eines fortlaufenden Bandes E aus der gewünschten elastomeren Zusammensetzung geeignet ist, eine Zerkleinerungsvorrichtung 120, die in der Lage ist, das fortlaufen den Band E in ein unter- bzw. zerteiltes Produkt F umzuformen, und eine Rühreinrichtung 130, die auf die elastomere Zusammensetzung in der unterteilten Form F einwirkt.
Wie schematisch in 1 gezeigt ist, wird der Extruder 110 mit Hilfe von Beschickungsrichtern 111 mit den Zusatzstoffen nach dem Rezept beschickt, die erforderlich sind, um die gewünschte elastomere Zusammensetzung zu erzeugen, wobei die Zusatzstoffe gewöhnlich Kautschukbasismaterialien, verstärkende Füllstoffe und untergeordnete Zusatzstoffe aufweisen, wie sie nachstehend in der vorliegenden Beschreibung definiert werden.
Insgesamt werden die Zusatzstoffe der Rezeptur verschiedenen Zonen des Extruders zugeführt. Beispielsweise zeigt 1 drei Hauptströme A, B, C in Übereinstimmung mit drei unterschiedlichen Zonen des Extruders 110, wobei die Anzahl der Ströme von der herzustellenden elastomeren Zusammensetzung abhängt.
Außerdem werden gewöhnlich einige Zusatzstoffe der Rezeptur dem Extruder mehr als einmal zugeführt, beispielsweise kann der gleiche Rezepturbestandteil zwei verschiedenen Zonen des Extruders zugeführt werden, was wieder von der herzustellenden elastomeren Zusammensetzung abhängt. Deshalb kann jeder der Ströme A, B, C von 1 mehr als einen Rezepturzusatzstoff aufweisen. Dies ist beispielsweise der Fall für verstärkende Füllstoffe (beispielsweise Ruß, Siliciumdioxid), die vorzugsweise an verschiedenen Zonen des Extruders eingeführt werden, um ihre Dispersion in der Kautschukbasis zu verbessern.
Zur Vereinfachung zeigt 1 nur eine Zumesseinrichtung 112 für jeden Strom A, B, C. In diesem Fall weist jedoch jeder Strom mehr als einen Rezepturzusatzstoff auf, wobei vorzugsweise für jeden Rezepturzusatzstoff eine spezielle Zumesseinrichtung vorgesehen ist. Auf diese Weise können Dosierfehler, die infolge der Zumessung der Rezepturzusatzstoffe unterschiedlicher Dichten auftreten können, in vorteilhafter Weise reduziert werden.
Alternativ kann eine Vielzahl von verschiedenen Rezepturzusatzstoffen mit Hilfe der gleichen Zumesseinrichtung dosiert werden.
Vorzugsweise ist die Zumesseinrichtung 112 eine auf Gewichtsabnahme basierende Beschickungseinrichtung.
Gewöhnlich werden die Kautschukbasismaterialien, die üblicherweise von den Herstellern in Ballen bereitgestellt werden, in unregelmäßige Teilchen (Krümel) geringer Größe (etwa 3 bis 50 mm mittlerer Abmessung), beispielsweise mit Hilfe von Messern, zerkleinert und dann mit einem Haftverhinderungsmittel (beispielsweise Kalk, Siliciumdioxid oder anderen Pulvern) ergänzt, um eine Reagglomeration zu vermeiden.
1 zeigt auch einen Strom D, der aus dem Extruder 110 austritt und insgesamt mit einer Entgasungseinheit versehen ist, die schematisch durch das Bezugszeichen 114 dargestellt ist.
Vorzugsweise ist der Extruder 110 ein Doppelschneckenextruder mit Gegenrotation.
Vor dem Verlassen des Extruders 110 wird die elastomere Zusammensetzung vorzugsweise gefiltert, um irgendein mögliches Aggregat, Metallteilchen oder andere Verunreinigungen zu beseitigen. Für diesen Zweck wird ein Filterkörper 115 (beispielsweise ein Siebfilter) stromab von der Extruderschnecke (nicht gezeigt) angeordnet.
Um dem extrudierten Material einen Druck zu geben, der ausreicht, um durch den Filtrierkörper 115 hindurchzugehen, wird der Extruder 110 vorzugsweise mit einer Zahnradpumpe 116 versehen. Die Zahnradpumpe 116 wird vorzugsweise stromauf von dem Filtrierkörper 111 angeordnet.
Gemäß 1 wird die elastomere Zusammensetzung aus dem Extruder 110 abgeführt, indem sie durch ein Extrudermundstück 117 so geführt wird, dass die elastomere Zusammensetzung in Form eines fortlaufenden elastomeren Bandes E erhalten wird.
Nach der Ausführung der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt ist, wird das elastomere Band E mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung (beispielsweise eines Förderbandes) zu einer Zerkleinerungseinrichtung 120 befördert, die das elastomere Band E in ein elastomeres zer- bzw. unterteiltes Produkt F umformt.
Die Zerkleinerungsvorrichtung 120 ist vorzugsweise ein Mahlwerk oder ein Granulator.
Vorzugsweise wird das unterteilte Produkt F einem Kühlschritt unterworfen. Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung hat die Anlage 100 zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung nach der vorliegenden Erfindung weiterhin eine Rühreinrichtung 130, der das unterteilte Produkt F zugeführt wird.
Vorzugsweise ist die Rühreinrichtung 130 eine drehende Trommel.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Menge des unterteilten Produkts F, das aus der Mahleinrichtung 120 austritt, gesammelt und in der Rühreinrichtung 130 gerührt.
Vorzugsweise wird der Rührschritt dadurch ausgeführt, dass die gesammelte Menge (beispielsweise durch Drehen der Trommel) kontinuierlich gedreht wird, so dass die unterteilten Produkte, die aus der Mahleinrichtung 120 zu unterschiedlichen Zeiten austreten, miteinander gemischt werden.
Die Verweilzeit eines Elementarteils des unterteilten Produkts (beispielsweise eines Granulats) in der Rühreinrichtung 130 hängt von einer Vielzahl von Parametern ab, wie

a) dem Volumen der Rühreinrichtung,
b) dem Durchsatz an unterteiltem Produkt F,
c) der Drehzahl der Trommel, wenn die Rühreinrichtung eine drehende Trommel ist, und
d) dem Füllgrad der Rühreinrichtung.

Wenn beispielsweise die Rühreinrichtung eine drehende Trommel ist, reicht ein Durchsatz des unterteilten Produkts von etwa 50 kg/h bis etwa 5000 kg/h, wobei der Füllgrad etwa 0,5 beträgt, das Trommelvolumen zwischen 1 m³ und etwa 5 m³ liegt, die Drehzahl zwischen etwa 5 UpM bis etwa 15 UpM (beispielsweise 6 UpM) beträgt und die Verweilzeit des unterteilten Produkts in der drehenden Trommel vorzugsweise im Bereich von 5 min bis 15 min liegt.
Wie in 1 gezeigt ist, wird am Ende des Rührschritts das gerührte unterteilte Produkt G aus der Rühreinrichtung 130 abgeführt.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer kontinuierlichen Herstellungsanlage 200 nach der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Schritt der Herstellung einer elastomeren Zusammensetzung in der unterteilten Form direkt an der Abgabeöffnung des Extruders 110 ausgeführt wird, so dass die Zerkleinerungseinrichtung 120 von 1 vermieden werden kann.
Beispielsweise kann nach dieser Ausführungsform die elastomere Zusammensetzung am Ende des Extrusionsschritts dadurch granuliert werden, dass der Extruderkopf mit einer perforierten Mundstücksplatte 210 versehen wird, durch welche die elastomere Zusammensetzung hindurchgedrückt wird.
Die Mundstücksplatte 210 ist insgesamt mit Schneideinrichtungen (in 2 nicht gezeigt) ausgerüstet, so dass die elastomere Zusammensetzung in Granulatform erhalten werden kann.
Um dem extrudierten Material einen Druck aufzugeben, der ausreicht, um durch die Mundstücksplatte 210 hindurchzugehen, ist der Extruder 110 mit einer Zahnradpumpe 116 versehen, die stromab von der Extruderschnecke angeordnet ist.
Vor dem Durchgang durch die Mundstücksplatte 210 wird vorzugsweise die elastomere Zusammensetzung mit Hilfe eines Filterkörpers 115 (beispielsweise ein Siebfilter) gefiltert, das stromab von der Zahnradpumpe 116 angeordnet ist.
Analog zu der in 1 gezeigten Herstellungsanlage 100 wird die elastomere Zusammensetzung in der unterteilten Form F einer Rühreinrichtung 130 zugeführt, so dass man ein gerührtes unterteiltes Produkt G erhält.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die schematisch in 3 gezeigt ist, hat eine Anlage 300 zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung einen ersten Extruder 110 zur Erzeugung einer elastomeren Zwischenzusammensetzung und einen zweiten Extruder 320 zur Herstellung der vulkanisierbaren elastomeren Endzusammensetzung aus der elastomeren Zwischenzusammensetzung.
Nach dieser weiteren Ausgestaltung erhält man eine elastomere Zwischenzusammensetzung durch Beschicken des ersten Extruders 110 mit Kautschukbasismaterialien, Verstärkungsfüllstoffen und untergeordneten Zusatzstoffen, die nicht temperaturempfindlich sind und sich deshalb nicht zersetzen und/oder ein Anvulkanisieren bei den Arbeitsbedingungen veranlassen und/oder den Compoundier-Prozess nicht stören.
Insgesamt sind die nicht temperaturempfindlichen, untergeordneten Zusatzstoffe alle untergeordneten Zusatzstoffe mit Ausnahme von Vernetzungsmitteln, Vernetzungsbeschleunigern, Vernetzungsverzögerern und Vernetzungsaktivatoren.
Beispielsweise soll vermieden werden, den ersten Extruder 110 mit diesen untergeordneten Zusatzstoffen zu beschicken, die die Reaktionen stören könnten, die während des ersten Misch- und Dispergierschritts eintreten können, der in dem ersten Extruder 110 vor sich geht. Beispielsweise sollen im Falle von mit Siliciumdioxid gefüllten Kautschukmischungen Zinkderivate (beispielsweise ZnO) und Aminverbindungen während des ersten Schritts nicht hinzugefügt werden, da sie die Silanisierungsreaktion zwischen dem Haftvermittler und dem Siliciumdioxid beeinträchtigen können.
Wie bereits unter Bezug auf 2 beschrieben wurde, wird die elastomere Zwischenzusammensetzung vor dem Verlassen des ersten Extruders 110 mit Hilfe eines Filterkörpers 115 (beispielsweise ein Siebfilter) gefiltert, der stromab von der Extruderschnecke (nicht gezeigt) angeordnet ist.
Um dem extrudierten Material einen Druck zu geben, der ausreicht, dass es durch den Filterkörper 115 hindurchgeht, ist der erste Extruder 110 mit einer Zahnradpumpe 116 versehen, die stromauf von dem Filterkörper 115 angeordnet ist.
Die aus dem ersten Extruder 110 austretende elastomere Zwischenzusammensetzung wird in ein unterteiltes Produkt H dadurch umgeformt, dass der Extruderkopf mit einer perforierten Mundstücksplatte 210 versehen wird, wie dies bereits anhand der Ausführungsform von 2 beschrieben ist.
Nach dieser weiteren in 3 gezeigten Ausführungsform hat die Produktionsanlage 300 weiterhin eine Rühreinrichtung 130, die mit der elastomeren Zwischenzusammensetzung in der unterteilten Form H beschickt wird.
Dabei wird die Abgabe I, die aus der Rühreinrichtung 130 abgeführt wird, d. h. die gerührte elastomere Zwischenzusammensetzung, einem zweiten Extruder 320 zugeführt, der auch mit temperaturempfindlichen untergeordneten Zusatzstoffen beschickt wird.
Der Übergang der elastomeren Zwischenzusammensetzung von dem ersten zum zweiten Extruder kann in irgendeiner bekannten Weise ausgeführt werden.
Vorzugsweise wird während des Übergangs die elastomere Zwischenzusammensetzung heruntergekühlt, um ein Anvulkanisieren des Kautschuks während des zweiten Misch- und Dispergierschritts in dem zweiten Extruder 320 zu vermeiden.
Die gerührte, granulierte, elastomere Zwischenzusammensetzung I wird beispielsweise mit Hilfe eines Förderbands einer auf Gewichtsverlust basierenden gravimetrischen Zuführeinrichtung 212 zugeführt, die sie abmisst und den zweiten Extruder 320 über einen Beschickungstrichter 211 zuführt.
Untergeordnete Zusatzstoffe, die erforderlich sind, um die elastomere Zusammensetzung zu vervollständigen, beispielsweise temperaturempfindliche untergeordnete Zusatzstoffe, wie Vernetzungsmittel, Vernetzungsbeschleuniger und -verzögerer, und Aktivierungsmittel werden mit Hilfe von gravimetrischen Beschickungseinrichtungen 212 abgemessen und dem Extruder 320 über einen oder mehrere Zuführtrichter 211 zugeführt.
Vorzugsweise wird jeder untergeordnete Zusatzstoff einzeln mit Hilfe einer zugeordneten gravimetrischen Beschickungseinrichtung zugemessen.
Wie unter Bezug auf den ersten Extruder 110 beschrieben wurde, kann auch der zweite Extruder 320 mit gravimetrisch gesteuerten Beschickungspumpen 113 versehen sein, um zusätzliche weichmachende Öle oder andere flüssige Zusatzstoffe, wie flüssige Harze (bei spielsweise Phenolharze) und Antireversionsmittel (beispielsweise Silane), in den Extruder 320 einzuführen.
Analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann die vollständige elastomere Zusammensetzung wahlweise gefiltert werden, um mögliche Aggregate, Metallteilchen oder andere Verunreinigungen mit Hilfe eines Filterkörpers 115 zu beseitigen.
Vorzugsweise ist stromauf von der Filtereinheit 115 eine Zahnradpumpe 116 vorgesehen. Während dieser optionalen Filterphase der fertigen elastomeren Zusammensetzung sollte besondere Sorgfalt dahingehend getroffen werden, dass ein Temperaturanstieg vermieden wird, der ein Anvulkanisieren der elastomeren Zusammensetzung verursachen könnte.
Gemäß einer weiteren, in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Kopf des zweiten Extruders 320 mit einer perforierten Mundstücksplatte 210 so versehen, dass die fertige elastomere Zusammensetzung L in der unterteilten Form erhalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung (nicht gezeigt), die analog zu der schematischen in 1 gezeigten Herstellungsanlage ist, wird die fertige elastomere Zusammensetzung aus dem zweiten Extruder 320 dadurch abgeführt, dass sie durch ein Extrudermundstück so geführt wird, dass die elastomere Zusammensetzung in der Form eines fortlaufenden elastomeren Bandes erhalten werden kann.
Gemäß einer weiteren in 4 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage 400 wird die fertige elastomere Zusammensetzung L, die entsprechend der schematischen Darstellung von 3 in Granulatform erhalten wird, einer Rühreinrichtung 130 zugeführt, um die fertige elastomeren Zusammensetzung in der unterteilten Form M zu erhalten.
Gemäß einer weiteren in 5 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage 500 wird die elastomere Zwischenzusammensetzung in der unterteilten Form H, die aus dem ersten Extruder 110 austritt, direkt dem zweiten Extruder 320 zugeführt, so dass keine Rühreinrichtung 130 zwischen den beiden Extrudern 110, 320 vorgesehen wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere Zusatzstoffe der Rezeptur den jeweiligen Zumesseinrichtungen in der unterteilten Form zugeführt.
Vorzugsweise werden die untergeordneten Zusatzstoffe in der unterteilten Foren zugeführt.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere Zusatzstoffe der Rezeptur zu den jeweiligen Zumesseinrichtungen mit Hilfe einer pneumatischen Förderleitung gefördert.
Bei Verwendung einer pneumatischen Förderleitung wird wenigstens ein untergeordneter Zusatzstoff für die Produktionsanlage in einer unterteilten frei fließenden Form vorgesehen, der für seine pneumatische Förderung besonders geeignet ist.
Vorzugsweise erhält man die Eigenschaften des freien Fließens sowie eine hohe abmessungsmäßige Gleichförmigkeit und Stabilität durch Dispergieren des wenigstens einen untergeordneten Zusatzstoffs in ein thermoplastisches Bindemittel.
Darüber hinaus schmilzt das thermoplastische Bindemittel leicht, wenn es in den Extruder eingeführt wird, so dass es als Verarbeitungshilfe wirkt und die Dispersion des wenigstens einen untergeordneten Zusatzstoffs in der Kautschukbasis beträchtlich verbessert, ohne dass irgendwelche signifikanten Änderungen in den Eigenschaften der fertigen elastomeren Zusammensetzung verursacht werden.
Untergeordnete Zusatzstoffe, die dosiert und dem Extruder in der unterteilten Form zugeführt werden können, können beispielsweise ausgewählt werden aus

(a1) Vernetzungsmitteln, wie Schwefel (gewöhnlich in lösbarer kristalliner Form oder in unlösbarer polymerer Form, wahlweise in eine ölige Phase dispergiert), Schwefeldonatoren (beispielsweise Alkylthiuramdisulfide), organischen Peroxiden,
(a2) Vernetzungsbeschleunigern, wie Thiazolen, Sulfenamiden, Guanidinen, Thiuramen, Dithiocarbamaten, Aminen, Xanthogenaten,
(a3) synthetischen Harzen, wie Alpha-Methylstyrolharzen, Cumaronharzen,
(a4) Vernetzungsaktivatoren, wie Zinkverbindungen (beispielsweise ZnO, ZnCO₃, Fettsäurezinksalze),
(a5) Vernetzungsverzögerern, wie Carboxylsäuren, Phthalimidderivaten, Diphenylaminderivaten,
(a6) Haftbegünstigern, wie Hexamethylentetramin (HMT), Resorcinol,
(a7) Schutzmitteln, wie aromatischen Diaminen (beispielsweise N-(1,3-Dimethylbutyl)-N'-p-phenylendiamin (6PPD)), Dihydrochinolinderivaten, Imidazolderivaten,
(a8) Haftvermittlern, wie Haftvermittlern für Siliciumdioxid, insbesondere Schwefel enthaltenden hydrolysierbaren Silanen (beispielsweise 3,3'-Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid (TESPT)), und
(a9) Kondensationskatalysatoren, wie Metallcarboxylaten (beispielsweise Dibutylzinndilaurat (DBTL)).

Die vorstehende Liste dient nur zur Veranschaulichung einiger Beispiele der üblichsten untergeordneten Zusatzstoffe, die in Kautschukmischungen verwendet werden, insbesondere in Kautschukmischungen für Reifen, und soll hinsichtlich des Umfangs der vorliegenden Erfindung nicht beschränkend sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu verwendet werden, eine Kautschukmischung irgendeiner Art von Elastomeren herzustellen, insbesondere von Elastomeren, die in der Reifenindustrie Verwendung finden. Insgesamt kann die elastomere Basis aus elastomeren Dienpolymeren und elastomeren Monoolefinpolymeren oder Mischungen davon ausgewählt werden.
Die elastischen Dienpolymere haben gewöhnlich einen natürlichen Ursprung oder können durch Polymerisation, in Lösung oder in Emulsion, von wenigstens einem konjugierten Diolefin erhalten werden, optional mit wenigstens einem Monovinylaren in einer Menge, die 50 Gew.-% nicht überschreitet. Beispiele für elastomere Dienpolymere sind Cis-1,4-polyisopren (entweder natürlich oder synthetisch, vorzugsweise Naturkautschuk); 3,4-Polyisopren; Poly-1,3-butadien (insbesondere Hochvinyl-poly-1,3-butadien mit einem Gehalt von 1,2-polymerisierten Einheiten von 15 Gew.-% bis 85 Gew.-%); Polychloropren; optional halogenierte Isopren-/Isobuten-Copolymere; 1,3-Butadien-/Acrylnitri1-Copolymere; 1,3-Buta dien-/Styrol-Copolymere; 1,3-Butadien-/Isopren-Copolymere; Isopren-/Styrol-Copolymere, Isopren-/1,3-Butadien-/Styrolterpolymere oder Mischungen davon.
Elastomere Monoolefinpolymere können ausgewählt werden aus Copolymeren von Ethylen mit wenigstens einem Alpha-Olefin, das 3 bis 12 Kohlenstoffatome hat, und optional mit einem Dien, das 4 bis 12 Kohlenstoffatome hat; Polyisobuten; Copolymere von Isobuten mit wenigstens einem Dien. Besonders bevorzugt werden Ethylen/Propylen-Copolymere (EPR); Ethylen/Propylen/Dien-Terpolymere (EPDM); Polyisobuten; Butylkautschuke; Halobutylkautschuke oder Mischungen davon.
Die Kautschukmischung hat weiterhin wenigstens einen verstärkenden Füllstoff, wie Ruß, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminosilicate, Calciumcarbonat, Kaolin, Titandioxid oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt sind Ruß und Siliciumdioxid oder Mischungen davon. Die Menge des verstärkenden Füllstoffs kann im Allgemeinen 0,1 bis 120 phr, vorzugsweise 20 bis 90 phr betragen (phr = Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile der gesamten elastomeren Basis).
Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit wird den Kautschukmischungen wenigstens vorzugsweise ein weichmachendes Mittel zugesetzt. Es wird im Allgemeinen aus Mineralölen, Pflanzenölen, synthetischen Ölen und dergleichen oder Mischungen davon ausgewählt, beispielsweise aromatischem Öl, Naphthenöl, Phthalaten, Sojabohnenöl oder Mischungen davon. Die Menge des weichmachenden Mittels kann im Allgemeinen in einem Bereich von 2 bis 100 phr, vorzugsweise von 5 bis 50 phr liegen.
Die vorliegende Erfindung wird nun durch die nachstehenden Arbeitsbeispiele erläutert.
Beispiel 1 (Erfindung)
Nach dem schematischen Herstellungsprozess von 1 wurde eine elastomere Zusammensetzung hergestellt.
Bei der Herstellung der elastomeren Zusammensetzung wurden Naturkautschuk (NR) und Butadienkautschuk (BR) als elastomere Basis sowie Ruß als verstärkender Füllstoff verwendet.

Die Rezeptur der elastomeren Zusammensetzung ist nachstehend in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

Bestandteile		phr
NR (STR 20)		50
BR (Polybutadien Buna^® Cis-132 – Bayer)		50
Ruß N660		50
Untergeordnete Zusatzstoffe	Zinkoxid	3
	Wachs	2
	Stearinsäure	2
	N-tert.-Butyl-mercaptobenzothiazylsulphenamid (TBBS)	0,8
	Unlöslicher Schwefel (S_n)	1,8
	N-Cyclohexylthiophthalimid (PVI)	0,3
	Antioxidans (6PPD)	2,5
Insgesamt		162,4

Der Ausdruck "phr" bezeichnet die Teile pro Gewicht pro 100 Gewichtsteile des gesamten Kautschuks.
Der Naturkautschuk und der Butadienkautschuk wurden in Form von Körnern mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 1 cm mit Hilfe von zwei Zerkleinerungseinrichtungen erhalten, die mit drehenden Messern versehen waren.
Zur Vermeidung einer Reagglomeration wurden die aus den beiden Kautschuken erhaltenen Körner mit Siliciumdioxid bestäubt.
Danach erfolgte ein mechanisches Mischen der Körner der beiden Kautschuke, und die gemischten Körner der beiden verschiedenen Kautschuke wurden einem ersten Beschickungstrichter eines Extruders mit korrodierender, kämmender Doppelschnecke, einem Zylinderdurchmesser von 58 mm und einem Verhältnis L/D von 48 zugeführt.
Die Beschickung des Doppelschneckenextruders mit den gemischten Körnern wurde mit Hilfe einer gravimetrischen Zuführeinrichtung ausgeführt.
Die untergeordneten Zusatzstoffe in Form von Pulvern wurden an verschiedenen Zonen des Doppelschneckenextruders eingeführt.
Etwa 50 Gew.-% des verstärkenden Füllstoffs, d. h. des Rußes, wurden zusammen mit den granulierten Kautschuken dem ersten Zuführtrichter des Doppelschneckenextruders mit Hilfe einer speziellen gravimetrischen Zuführeinrichtung zugeführt.
Der restliche Teil des Rußes sowie Zinkoxid, Wachs und Stearinsäure wurden einem zweiten Zuführtrichter des Doppelschneckenextruders mit Hilfe einer anderen speziellen gravimetrischen Zuführeinrichtung zugeführt, beispielsweise einer gravimetrischen Zuführeinrichtung für jeden Zusatzstoff.
Der unlösliche Schwefel, das N-Cyclohexylthiophtalimid (PVI) und das N-tert.-Butylmercaptobenzothiazylsulphenamid (TBBS), d. h. die Vulkanisiermittel, wurden einem weiteren Zuführtrichter des Doppelschneckenextruders mit Hilfe von speziellen gravimetnschen Zuführeinrichtungen zugeführt.
Das Antioxidans 6PPD wurden in den Schmelzzustand mit Hilfe einer gravimetrisch gesteuerten Zuführpumpe eingespritzt.
Zur Bestimmung von Gewichtsfehlern, die durch das gravimetrische Beschickungssystem in den Herstellungsprozess eingebracht werden, war jede gravimetrische Zuführeinrichtung mit einer elektronischen Online-Steuereinrichtung versehen, die den Momentandurchsatz des Zusatzstoffs der Rezeptur gemessen und angezeigt hat. Erforderlichenfalls war die Steuerung in der Lage, den Momentandurchsatz durch Einwirken auf den Zuführmechanismus der gravimetrischen Zuführeinrichtungen zu korrigieren.
Aus den von der Steuereinrichtung für jeden Zusatzstoff der Rezeptur gemessenen Werten berechnete die Anmelderin die Streuung der Durchsatzwerte gegenüber den vorgegebenen.

Die Ergebnisse der Berechnungen sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Bestandteil	Beschickungsdurchsatz (kg/h)	Streukoeffizient V (%)
Gemischte NR- und BR-Körner	93,74	0,85
Erster Teil des Füllstoffes	32,77	1,05
Zusatzstoffe (Zinkoxid, Wachs, Stearinsäure)	9,31	8,21
Zweiter Teil der Füllstoffe	14,01	2,45
Vulkanisiermittel	6,95	6,85
Gesamt	157

wobei der Streukoeffizient V wie folgt berechnet wird:

oder

wobei

– x das arithmetische Mittel der gemessenen Werte der Eigenschaft x für alle Proben, d. h.
– N die Gesamtzahl der Proben, die in Betracht gezogen wurden, und
– σ die mittlere quadratische Abweichung ist, die wie folgt berechnet wird:

Da der Streukoeffizient V direkt proportional zu der mittleren quadratischen Abweichung σ ist, ist der Wert von σ, d. h. die Amplitude der Gaußschen Kurve zentriert entsprechend dem Mittelwert x, um so größer, je größer der Wert von V ist. Natürlich ist der Wert von V umso größer, je größer die Gewichtsverluste sind, die in den Herstellungsprozess durch das Beschickungssystem eingeführt werden.
Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, liegen die größten Werte des Sreukoeffizienten V bei den untergeordneten Bestandteilen (Zusatzstoffe + Vulkanisiermittel) vor, was das gravimetrische Beschickungssystem für diese Bestandteile besonders kritisch macht. Die extrudierte elastomere Zusammensetzung hatte die Form eines fortlaufenden Bandes mit einer Breite von etwa 10 cm und einer Dicke von etwa 2 cm.
Dieses Band wurde einer Zerkleinerungseinrichtung zugeführt, die mit rotierenden Messern versehen war, wodurch das Band pelletisiert wurde, um elastomere Körner mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 1 cm zu erhalten.
Es wurden 100 kg der elastomeren Zusammensetzung in Granulatform erzeugt und mit Siliciumdioxid bestäubt, um eine Reagglomeration zu verhindern.
Danach wurde die Körnermenge einer drehenden Trommel mit einer Kapazität von 1500 l zugeführt und 10 Minuten bei einer Drehzahl von etwa 25 UpM gerührt, um das pettetisierte Extrudat zu homogenisieren.
Am Ende des Rührschritts wurde die Trommelrotation unterbrochen und die Trommel entleert. Während des Entleerungsschritts wurden sieben Proben der Körner (jede Probe betrug etwa 500 g Gewicht) gesammelt und in einen Walzenmischer eingebracht, um eine elastomere Zusammensetzung in Form eines Bandes zu erhalten.
Aus dem Band wurden einige Proben erhalten und einem Vulkanisierschritt von 10 Minuten bei 170°C unterworfen. Danach wurden die Proben geprüft, um die folgenden Eigenschaften zu ermitteln:

– Mooney-Viskosität ML(1+4) bei 100°C nach der Norm ISO 289/1,
– mechanische Eigenschaften (100%-Modul, 300%-Modul, Bruchspannung, Bruchdehnung) nach der Norm ISO 37,
– dynamische elastische Eigenschaften und
– Härte in IRHD-Graden bei 23°C und 10°C nach der ISO-Norm 48.

In Tabelle 3 sind die arithmetischen Mittelwerte für jede Eigenschaft der geprüften Proben angegeben.
Die dynamischen elastischen Eigenschaften wurden mit einer dynamischen Instron-Einrichtung im Kompressionsmodus nach dem folgenden Verfahren gemessen. Ein Probestück des vorstehenden vernetzten Materials wurde in zylindrischer Form (Länge = 25 mm, Durchmesser = 14 mm), bei einer Kompressionsvorbelastung von einer Längsverformung bezüglich der Ausgangslänge von bis zu 10% und gehalten auf der vorgegebenen Temperatur (70°C oder 23°C) während der ganzen Versuchsdauer, einer dynamischen sinusförmigen Beanspruchung mit einer Amplitude von ±3,33% bezogen auf die Länge unter Vorlast bei einer Frequenz von 100 Hz unterworfen. Die dynamischen elastischen Eigenschaften wurden in Ausdrücken des dynamischen elastischen Moduls (E') und der Tangens-delta-Werte (Verlustfaktor) ausgedrückt. Der Tangens-delta-Wert wurde als Verhältnis zwischen dem viskosen Modul (E'') und dem elastischen Modul (E') berechnet, die beide mit den vorstehenden dynamischen Messungen bestimmt wurden.

Für die vorstehend erwähnten Proben hat die Anmelderin für jede der geprüften Eigenschaften die mittlere quadratische Abweichung σ und den Streukoeffizienten V berechnet, um die Streuung der gemessenen Werte gegenüber dem Mittelwert zu quantifizieren. Tabelle 3

Test	Mittelwert	Mittlere quadratische Abweichung σ	Streukoeffizient V (%)
Viskosität (ML 1+4 bei 100°C)	45,20	0,705	1,56
100% Modul in MPa	1,50	0,017	1,13
300% Modul in MPa	7,04	0,031	0,44
Bruchspannung in MPa	14,65	0,363	2,48
Bruchdehnung in %	548,90	11,582	2,11
E' in MPa bei 23°C	4,83	0,666	1,37
E' in MPA bei 70°C	3,89	0,04	1,03
Tan delta bei 23°C	0,154	0,001	0,65
Tan delta bei 70°C	1,117	0,009	0,85
IRHD-Härte bei 23°C	55,00	0,209	0,38
IRHD-Härte bei 100°C	55,60	0,245	0,44

Beispiel 2 (Vergleich)
Die elastomere Zusammensetzung von Beispiel 1 wurde abgemessen und einem Extruder mit ko-rotierender kämmender Doppelschnecke zugeführt, wobei der gleiche Herstellungsvorgang und die gleichen Betriebsbedingungen wie in Beispiel 1 verwendet wurden.
Analog zu Beispiel 1 wurde die elastomere Zusammensetzung in Form eines fortlaufenden Bandes extrudiert, aus welchem sieben Proben erhalten wurden, die einem Vulkanisieren und Prüfen unterworfen wurden, um die vorstehend erwähnten Eigenschaften zu ermitteln.
Das Vorgehen bei Beispiel 2 war somit vom Vorgehen bei Beispiel 1 dahingehend verschieden, dass das aus dem Extruder austretende Band nicht in eine zerteilte Form reduziert und nicht in eine Rührvorrichtung eingeführt wurde.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4

Test	Mittelwert	Mittlere quadratische Abweichung σ	Streukoeffizient V (%)
Viskosität (ML 1+4 bei 100°C)	40,932	1,533	3,75
100% Modul in MPa	1,529	0,149	9,74
300% Modul in MPa	7,113	0,652	9,17
Bruchspannung in MPa	14,772	0,661	4,47
Bruchdehnung in %	546,190	36,070	6,60
E' in MPa bei 23°C	4,99	0,123	2,46
E' in MPA bei 70°C	3,96	0,128	3,23
Tan delta bei 23°C	0,161	0,004	2,48
Tan delta bei 70°C	1,130	0,009	6,92
IRHD-Härte bei 23°C	56,070	1,818	3,24
IRHD-Härte bei 100°C	52,260	1,891	3,62

Durch Vergleichen der in Tabelle 3 und 4 angegebenen Werte sieht man, dass die Streukoeffizienten V bezüglich der gemessenen physikalisch-chemischen Eigenschaften der elastomeren Proben, die mit dem Herstellungsprozess der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, beträchtlich niedriger als die entsprechenden Streukoeffizienten V der elastomeren Proben sind, die mit dem herkömmlichen Herstellungsprozess erhalten wurden, d. h. mit einem Herstellungsprozess ohne die erfindungsgemäße Sammel- und Rühreinrichtung.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Tatsache einer beträchtlichen Reduzierung der Streukoeffizienten V besonders vorteilhaft, da sehr geringe Streukoeffizienten bedeuten, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften der aus dem Herstellungsprozess nach der vorliegenden Erfindung erhaltenen elastomeren Zusammensetzung während der ganzen Dauer des Fertigungsvorgangs im Wesentlichen konsistent sind.
Dies bedeutet, dass mit der gleichen Rezeptur zu verschiedenen Zeiten des Produktionsprozesses erhaltene elastomere Fertigprodukte erwarten lassen, dass sie gleichförmige Eigenschaften sowie eine hochqualitative Konsistenz zeigen, so dass im Wesentlichen das gleiche Verhalten von Produkt zu Produkt gewährleistet werden kann, das zu dem gleichen Herstellungsvorgang gehört.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Vorhandensein von wenigstens einer Rühreinrichtung in dem Fertigungsprozess einer elastomeren Zusammensetzung die Herstellung von Ausschuss auch während einer Rezepturänderung meidet, da der Ausschuss in vorteilhafter Weise recyclisiert werden kann.

Claims

Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung, welches die Schritte aufweist: – Abmessen wenigstens eines Elastomers, wenigstens eines Füllstoffs und wenigstens eines untergeordneten Zusatzstoffs, – Zuführen des wenigstens einen Elastomers, des wenigstens einen Füllstoffs und des wenigstens einen untergeordneten Zusatzstoffs in wenigstens einen Extruder (110; 320), – Einmischen und Dispergieren des wenigstens einen Füllstoffs und des wenigstens einen untergeordneten Zusatzstoffs in das wenigstens eine Elastomer mit Hilfe des wenigstens einen Extruders (110; 320), – Erhalten eines unterteilten Produkts aus der sich ergebenden elastomeren Zusammensetzung, die aus dem wenigstens einen Extruder (110; 320) abgegeben wird, – Ansammeln einer Menge des unterteilten Produkts, – Rühren der angesammelten Menge des unterteilten Produkts in wenigstens einer Rühreinrichtung (130) und – Abgeben des gerührten unterteilten Produkts aus der wenigstens einen Rühreinrichtung (130).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem erste Einmisch- und Dispergierschritte sowie zweite Einmisch- und Dispergierschritte mit Hilfe eines ersten Extruders (110) bzw. eines zweiten Extruders (320) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Schritte des Ansammelns einer Menge des unterteilten Produkts und des Rührens der angesammelten Menge des unterteilten Produkts stromab von den ersten Einmisch- und Dispergierschritten ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Schritte des Ansammelns einer Menge des unterteilten Produkts und des Rührens der angesammelten Menge des unterteilten Produkts stromab von den zweiten Einmisch- und Dispergierschritten ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem erste und zweite Schritte des Ansammelns einer Menge des unterteilten Produkts und des Rührens der angesammelten Menge des unterteilten Produkts ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die ersten Schritte des Ansammelns einer Menge des unterteilten Produkts und des Rührens der angesammelten Menge des unterteilten Produkts stromab von den ersten Einmisch- und Dispergierschritten ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die zweiten Schritte des Ansammelns einer Menge des unterteilten Produkts und des Rührens der angesammelten Menge des unterteilten Produkts stromab von den zweiten Einmisch- und Dispergierschritten ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Ansammlungsschritt des unterteilten Produkts in der wenigstens einen Rühreinrichtung (130) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Abgabeschritt kontinuierlich ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Abgabeschritt chargenweise ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der wenigstens eine untergeordnete Zusatzstoff ausgewählt wird aus Vernetzungsmitteln, Vernetzungsbeschleunigern, synthetischen Harzen, vernetzenden Aktivierungsmitteln, vernetzenden Verzögerungsmitteln, Haftverstärkern, Schutzmitteln, Haftmitteln, Kondensationskatalysatoren.
Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen einer elastomeren Zusammensetzung – mit wenigstens einem Extruder (110, 320), der ein Gehäuse und wenigstens eine in dem Gehäuse drehbar angeordnete Schnecke aufweist, wobei das Gehäuse wenigstens eine Zuführöffnung (111) und eine Abgabeöffnung aufweist, – mit wenigstens einer ersten Abmesseinrichtung (112) zum Abmessen und Zuführen wenigstens eines Elastomers und wenigstens eines Füllstoffs durch die wenigstens eine Zuführöffnung (111) in den wenigstens einen Extruder (110, 320), – mit wenigstens einer zweiten Abmesseinrichtung (112) zum Abmessen und Zuführen wenigstens eines untergeordneten Zusatzstoffs in den wenigstens einen Extruder (110, 320), – mit wenigstens einer Einrichtung (120, 210) zum Erhalten eines unterteilten Produkts (F) aus der sich ergebenden elastomeren Zusammensetzung, die aus der Abgabeöffnung abgegeben wird, und – mit wenigstens einer Ansammel- und Rühreinrichtung (130) zum Mischen des angesammelten unterteilten Produkts (F) in der unterteilten Form.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die wenigstens eine Einrichtung (120, 210) zum Erhalten eines unterteilten Produkts an der Abgabeöffnung des wenigstens einen Extruders (110, 320) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die wenigstens eine Einrichtung (120, 210) zum Erhalten eines unterteilten Produkts eine perforierte Mundstückplatte (117) ist, die mit Schneideinrichtungen versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die wenigstens eine Einrichtung (120, 210) zum Erhalten eines unterteilten Produkts ein Granulator oder eine Walzenmühle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 mit einem ersten Extruder (110) und einem zweiten Extruder (320), wobei der erste Extruder (110) eine Kautschukzwischenmischung erzeugt, die frei von temperaturempfindlichen untergeordneten Zusatzstoffen ist, und der zweite Extruder (320) eine fertige Kautschukmischung mit den temperaturempfindlichen untergeordneten Zusatzstoffen erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher die wenigstens eine Ansammel- und Rühreinrichtung (130) zum Mischen des angesammelten unterteilten Produkts stromab von dem ersten Extruder (110) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher die wenigstens eine Ansammel- und Rühreinrichtung (130) zum Mischen des angesammelten unterteilten Produkts stromab von dem zweiten Extruder (320) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, welche erste Ansammel- und Rühreinrichtungen (130) und zweite Ansammel- und Rühreinrichtungen (130) zum Mischen des angesammelten unterteilten Produkts aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei welcher die erste Ansammel- und Rühreinrichtung (130) zum Mischen des angesammelten unterteilten Produkts stromab von dem ersten Extruder (110) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei welcher die zweite Ansammel- und Rühreinrichtung (130) zum Mischen des angesammelten unterteilten Produkts stromab von dem zweiten Extruder (320) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die wenigstens eine erste Abmesseinrichtung (112) und die wenigstens eine zweite Abmesseinrichtung (112) gravimetrische Beschickungseinrichtungen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die wenigstens eine Ansammel- und Rühreinrichtung (130) eine drehende Trommel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, welche weiterhin wenigstens einen Filterkörper (115) zum Filtern der elastomeren Zusammensetzung aufweist, die von dem wenigstens einen Extruder (110, 320) abgegeben wird.