Wie eine Gummiknetermaschine Öle und Weichmacher in die Mischung einarbeitet

In der Welt der Polymerverarbeitung ist die Herstellung einer homogenen, hochwertigen Gummimischung sowohl eine Wissenschaft als auch eine Kunst. Im Mittelpunkt dieses Prozesses steht der strategische Einbau von Additiven – vor allem Ölen und Weichmachern –, die die Verarbeitbarkeit, Flexibilität, Haltbarkeit und Kosten der Verbindung dramatisch verändern. Das Herzstück dieser entscheidenden Mischphase ist oft eine robuste und spezialisierte Maschine: die Gummikneter , auch bekannt als Innenmischer oder Banbury®-Mischer.

Die Schlüsselkomponenten verstehen: Öle und Weichmacher

Bevor man sich mit der Maschine beschäftigt, ist es wichtig zu verstehen, was eingebaut wird.

• Prozessöle (auf Erdölbasis, pflanzlich): Wird hauptsächlich verwendet, um das Basispolymer zu erweichen, die Viskosität für eine einfachere Verarbeitung zu verringern, das Volumen zu vergrößern (Kosten zu senken) und die Dispersion von Füllstoffen wie Ruß oder Kieselsäure zu unterstützen.
• Weichmacher (Phthalate, Adipate usw.): Ähnliche Funktion wie Öle, aber oft speziell ausgewählt, um die Flexibilität bei niedrigen Temperaturen zu verbessern, spezifische elastische Eigenschaften zu verbessern oder die Glasübergangstemperatur (Tg) zu senken.

Bei beiden handelt es sich typischerweise um Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität, die von einer makroskopischen, separaten Phase in eine mikroskopisch dispergierte, innige Mischung mit festen Gummipolymeren und pulverförmigen Füllstoffen umgewandelt werden müssen.

Die Anatomie eines Gummikneters

Ein Gummikneter ist eine geschlossene Mischkammer mit hoher Scherung. Seine für die Flüssigkeitseinarbeitung relevanten Schlüsselkomponenten sind:

1. Mischkammer: Ein robustes, ummanteltes Gehäuse, das beheizt oder gekühlt werden kann.
2. Rotorblätter: Zwei gegenläufig rotierende, nicht ineinandergreifende Rotoren mit komplexen flügelähnlichen Designs. Sie sind das Herzstück der Maschine und erzeugen die notwendige Scher- und Dehnströmung.
3. Ramm- oder Schwimmgewicht: Ein hydraulisch betätigter Kolben, der die Kammer von oben abdichtet und Druck (normalerweise 3–7 bar) auf die Charge ausübt.
4. Falltür: Befindet sich am Boden der Kammer zum Auslassen der gemischten Masse.

Der schrittweise Gründungsprozess

Das Einarbeiten von Ölen und Weichmachern ist kein einfacher Gießschritt; Es handelt sich um eine sorgfältig orchestrierte Abfolge mechanischer und thermischer Ereignisse.

Phase 1: Kauen und Polymereingriff

Der Zyklus beginnt mit der Zugabe des Grundkautschuks (natürlich oder synthetisch). Die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotierenden Rotoren greifen, zerreißen und verformen die Gummiballen. Dies Kauen bricht Polymerketten vorübergehend auf, verringert das Molekulargewicht und erhöht die Temperatur des Gummis durch innere Reibung (viskose Wärmeerzeugung). Diese Erwärmung ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Viskosität des Gummis senkt und ihn dadurch empfänglicher für die Aufnahme von Zusatzstoffen macht.

Phase 2: Die strategische Zugabe von Flüssigkeiten

Timing ist alles. Das Hinzufügen großer Mengen Öl gleich zu Beginn kann schädlich sein. Die standardmäßige Best Practice ist:

• Split-Addition: Ein Teil (oft 1/3 bis 1/2) der gesamten Flüssigkeit wird hinzugefügt nachdem der Gummi gekaut wurde, aber vor den Hauptfüllstoffen (Ruß/Silica) . Dieses „Grundöl“ macht den Gummi noch weicher und erzeugt eine klebrige, klebende Masse, die die künftigen pulverförmigen Füllstoffe effizienter benetzt und einbindet.
• Die Gefahr des „Ausrutschens“: Eine zu frühe oder übermäßige Zugabe von Öl vor den Füllstoffen kann zu „Rutschen“ führen – einem Zustand, bei dem die Schmierwirkung des Öls die Übertragung ausreichender Scherspannung auf den Gummi verhindert. Die Masse gleitet auf den Rotoren, anstatt geschert zu werden, was zu einer schlechten Dispersion und längeren Mischzeiten führt.

Phase 3: Füllstoffeinbau und die entscheidende Rolle der Scherung

Nun werden die pulverförmigen Füllstoffe hinzugefügt. Das Design der Rotoren erzeugt ein komplexes Strömungsmuster innerhalb der Kammer:

• Scherwirkung: Die Gummimischung wird über den schmalen Spalt zwischen der Rotorspitze und der Kammerwand gedrückt und dort starken Belastungen ausgesetzt Scherbeanspruchung . Dadurch wird die Masse Schicht für Schicht verschmiert.
• Falten und Teilen (Kneten): Die Rotorflügel schieben die Masse auch von einem Ende der Kammer zum anderen und falten sie ständig über sich selbst – der buchstäbliche „Knetvorgang“.

In dieser Umgebung mit hoher Scherung wirkt das zuvor hinzugefügte Öl, das nun durch die Verbindung erwärmt wird, als Transportmedium . Es hilft dem Gummi, einzelne Füllstoffagglomerate einzukapseln. Die Scherkräfte brechen diese Agglomerate dann auf, verteilen die Füllstoffpartikel und überziehen sie mit einer dünnen Schicht Öl-Kautschuk-Matrix.

Phase 4: Endgültige Ölzugabe und -dispersion

Oftmals wird das restliche Öl oder der Weichmacher zugegeben nachdem die Füllstoffe größtenteils eingearbeitet sind . Zu diesem Zeitpunkt ist die Temperatur der Mischung hoch (oft 120–160 °C) und die Mischung ist eine zusammenhängende Masse. Das Hinzufügen von Flüssigkeit ist jetzt kontrollierter.

• Der Staudruck stellt sicher, dass die Flüssigkeit in die Charge gedrückt und nicht einfach auf die Kammerwände gesprüht wird.
• Der fortlaufende Knetvorgang mechanisch pumpt die Flüssigkeit in die mikroskopisch kleinen Poren und Lücken innerhalb der Verbindung. Die Flüssigkeiten wandern über zwei Hauptmechanismen in die Verbindung:
  1. Kapillarwirkung: Wird in winzige Zwischenräume zwischen Polymerketten und Füllstoffclustern hineingezogen.
  2. Scherinduzierte Diffusion: Durch das makroskopische Mischen durch die Rotoren entstehen immer neue Oberflächen, wodurch die trockene Verbindung der Flüssigkeit ausgesetzt wird und eine Vermischung auf mikroskopischer Ebene erzwungen wird.

Phase 5: Endgültige Homogenisierung und Temperaturkontrolle

Die letzten Minuten des Mischzyklus dienen der Homogenisierung. Der Staudruck gewährleistet den vollständigen Eingriff der Kammer, während die ständige Faltung und Scherung jegliche lokalen Konzentrationsgradienten des Öls eliminiert. Während des gesamten Prozesses ist die ummantelte Kammer zirkuliert Kühlmittel, um die exotherme Wärme des Mischens zu bewältigen. Eine präzise Temperaturkontrolle ist von entscheidender Bedeutung. zu heiß, und der Gummi kann verbrennen (vorzeitige Vulkanisation); zu kalt, und die für eine gute Dispergierung erforderliche Viskositätsreduzierung wird nicht erreicht.

Warum ein Kneter diese Aufgabe hervorragend meistert

Das Design des Innenmischers ist für diese anspruchsvolle Aufgabe einzigartig geeignet:

• Hohe Intensität: Es liefert in kurzer Zeit enorme Scher- und Verformungsenergie und löst so Agglomerate effizient auf.
• Eingeschlossene Umgebung: Die versiegelte Kammer unter Staudruck verhindert den Verlust flüchtiger Komponenten, kontrolliert die Kontamination und ermöglicht ein sicheres Mischen bei erhöhten Temperaturen.
• Effizienz: Es kann große Chargen (von Litern bis hin zu Hunderten von Kilogramm) mit weitaus weniger Energie und Zeit verarbeiten als offene Mühlen bei gleicher Qualität.

Praktische Überlegungen zur optimalen Eingliederung

Betreiber und Compoundierer müssen mehrere Faktoren ausbalancieren:

• Ergänzungsauftrag: Wie bereits erwähnt, ist eine geteilte Zugabe Standard für ein optimales Gleichgewicht zwischen Dispersionsqualität und Mischzeit.
• Rotorgeschwindigkeit und Staudruck: Höhere Geschwindigkeiten erhöhen Scherung und Temperatur schneller. Optimaler Druck sorgt für guten Kontakt, ohne den Motor zu überlasten.
• Ölviskosität und Chemie: Leichtere Öle lassen sich schneller einarbeiten, sind aber möglicherweise flüchtiger. Entscheidend ist die Verträglichkeit (Löslichkeitsparameter) des Weichmachers mit dem Basispolymer.
• Chargengröße (Füllfaktor): Die Kammer muss korrekt beladen sein (typischerweise 65–75 % gefüllt). Eine Unterfüllung führt zu einer unzureichenden Scherung; Eine Überfüllung verhindert ein ordnungsgemäßes Falten und führt zu einer ungleichmäßigen Mischung.

Fazit

Die Einarbeitung von Ölen und Weichmachern durch a Gummikneter machine ist ein dynamischer, thermomechanischer Prozess, der weit über einfaches Rühren hinausgeht. Es ist eine präzise geplante Abfolge von Kauen, timed addition, shear-driven dispersion, and thermal management. Die leistungsstarken Rotoren und die abgedichtete Kammer der Maschine arbeiten zusammen, um die immense Herausforderung zu meistern, niedrigviskose Flüssigkeiten in eine hochviskose, nicht-Newtonsche Gummimatrix zu mischen. Durch das Verständnis der Scherphysik, der Bedeutung der Zugabereihenfolge und der entscheidenden Rolle der Temperatur können Compoundierer die Fähigkeiten des Kneters nutzen, um konsistente, leistungsstarke Gummimischungen herzustellen, bei denen jeder Tropfen Öl und Weichmacher effektiv und gleichmäßig genutzt wird, um die hohen Anforderungen des Endprodukts zu erfüllen. Dieses tiefe Verständnis gewährleistet Effizienz, Qualität und Innovation in der riesigen Welt der Gummiherstellung.