Brevet FR2020801A1 — publié le 19700717

La présente invention concerne des appareils de malaxage d'élastomères tels que des caoutchoucs, des matières plastiques et autres avec incorporation d'ingrédients ae mixionnage dans ces élastomères, ainsi qu'un dispositif indicateur et régulateur de la viscosité de l'élastomère On a constaté, pendant les opérations de malaxage et de plastification de composés de caoutchoucs ou de matériaux analogues. qu1il.est souhaitable de modifier la vitesse du mélangeur pendant le cycle de malaxage. Par exemple, un fonctionnement du mélangeur d une vitesse relativement élevée au début du cycle de malaxage a pour effet d'établir très rapidement la chaleur nécessaire ce qui contribue à plastifier la masse en cours de malaxage. Grâce à cet expédient, on peut ajouter certains additifs tels que des huiles, des substances solides, des émollients, etc, à la masse plastifiée afin de former le composé désiré.De même un abaissement de la vitesse du mélangeur à un moment choisi et d'une valeur prédéterminée permet d'égaliser la chaleur produite par l'action de malaxage avec la chaleur extraite par l'eau de refroidissement qui circule dans la chemise du mélangeur et dans les rotors, de sorte que la température de la charge demeure constante ou peut-gtre sur ceptible de réglage. Quand on plastifie un élastomère et qu'on incorpore par malaxage divers ingrédients dans celui-ci, il est généralement nécessaire de connaître la plasticité de la charge en cours de traitement. De ce fait, on enlève fréquemment la charge élastomère du malaxeur et on l'emmagasine sous forme d'une plaque pendant qu'on bd détermine la plasticité ou qu'on effectue d'autres essais pour vérifier si les propriétés physiques de la charge sont bien celle qu'on désire. On sait que la viscosité d'un élastomère est équl- valente ou proportionnelle à sa plasticité et la présente invention tire parti de ce facteur. On a également découvert que, pendant la plastification de la charge par l'opération de malaxage, certains changements interviennent dans le couple du moteur du mélangeur et dans la température de la charge. Selon l'invention. on utilise les changements de viscosité pour déterminer l'instant précis auquel on doit incorporer certains additifs dans le mélange en vue d'aboutir à des résultats aussi avantageux que possible et permette2 ainsi le traitement de la matière dans des conditions baboutissant à la vis cosité désirée et/ou contrôler les condition de t-ae Quand on traite des élastomères ou des produits équivalents, par exemple des fluides non-newtoniens, on a déterminé que la viscosité de la matière traitée est également fonction de la température. En général, lorsqu'on incorpore divers additifs dani les élastomères ou dans les substances équivalentes, il existe des moments prédéterminés au cours du cycle de malaxage (ces mo- ments étant normalement déterminés par la température du mélange ou par la viscosité ou la plasticité de ce méUng) auxquels les divers ingrédients doivent entre introduits. Par un mesure au couple du moteur par rapport à la température de la charge et par rapport au temps ou à la durée du cycle de malaxage, on peut é- tablir par voie proportionnelle, en partant du couple exigé pour pour le traitement d'une charge donnée d une vitesse prédéterminée, la valeur de la plasticité ou de la viscosité de la charge L chaque instant donné du cycle de malaxage. On mesure normalement la viscosité de la charge traités pour indiquer les changements éventuels de la structure du polymère en cours de traitement. Ainsi. dans le cas d'un changement de la structure du polymère il se produit naturellement une variation du poids moléculaire de la matière-traitée, de sorte qu' on dispose d'indications qui permettent le réglage du cycle de malaxage ou l'établissement d'une normalisation pour un tel cycle dans des conditions qui aboutissent à une viscosité uniforme de l'élastome're traité. En conséquence, les principaux buts de l'invention sont - de mesurer la viscosité d'une. matière en cours de traitement au sein meme de. l'appareil dans lequel cette matière est traitée, et non par par prélèvement d'un échantillon du mé- lange en vue d'un essai indépendant, comme sela se pratique, par exemple, avec le plastomètre Mooney ;; - de permettre un traitement continu des matières en passant par les stades de malaxage et d'homogénéisation et de rendre ainsi possible le transfert directet immédiat desdites matières aux stades de production au lieu d'obliger les opéra -teurs à emmagasiner la matière et à la soumettre à divers essais - de réaliser un dispositif qui détecte automatiquement la viscosité dans l'appareil mélangeur et qui utilise automatiquement les changements ainsi détectés pour effectuer l'introduction de di- vers additifs dans le mélange et/ou changer automatiquement la vitesse des moyens d'entraînement ; et/ou pour prolonger la durée de traitement de la charge jusqu'à l'établissement d'un niveau prédéterminé de viscosité et/ou pour maintenir un-e température constante dans la charge soumise au traitement pendant une durée suffisante jusqu'au moment où le couple du moteur d'entraînement atteint une valeur désirée, ce qui indique que la viscosité de la charge est. à une valeur correcte. ; et - de régler la viscosité de la. matière en cours de malaxage et de permettre des lectures de viscosité de nature à indiquer les propriétés qualitatives de la charge en cours de trai tement, sans avoir à prélever d'échantillons dans les matières en cours de traitement. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. en se référant au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et dens lequel - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un appareil malaxeur classique utilisé pour l'invention et - la Fig. 2 est une vue schématique des circuits de commande utilisés dans l'appareil de la Fig. I. Au cours des opérations de malaxage selon l'invention > les fonctions de malaxage et de réglage peuvent être exécutées sur une base de contrôle du temps ou de la température. mais principalement, on procède au malaxage suivant des normes de mesures de la viscosité de sorte que des ingrédients peuvent être introduits dans la matière en cours de traitement en fonction de la viscosité de la charge à ce moment précis. On peut également faire en sorte que le temps devienne fonction de-la température et pour cela, on manient la température du produit traité à une valeur uniforme pendant mulon exécute les autres actions et jus qu'2 1'établissement des conditions désirées de viscosité réglée. Si l'on choisit une température maximum le temps devient indépen dart de cette température et la décharge peut être réglée uniquement par la viscosité de la charte traitée. Le nouveau dispositif d'indication et de réglage de la viscosité d'un-élastomère en cours de malaxage, dans un mélangeur rotatif fonctionnant dansbne enceinte qui définit une chambre de mélange. comprend en général un moyen de refroidissement à débit variable -d'alimentation de.l'enceinte et/ou du rotor en liaison de fonctionnement avec cette enceinté. un mécanisme d'entraîne- ment du mélangeur.rotatif. - ' moyens ex laques pour détecter un changement de la viscosité de l'élastomère, des moyens électriques pour détecter la température de l'élastomère dans la chambre de mélange et des moyens électriques de commande répondant aux deux moyens électriques précités en vue de régler la viscosité de la matière en cours de traitement. Dans le mode de réalisation représenté sur la Fig. 1, la référence 10 désigne un mélangeur interne classique à action intense pour malaxer des élastomères tels qu'un caoutchouc naturel ou synthétique une matière plastique ou un produit analogue. Fondamentalement, le mélangeur 10 comprend une enceinte 12 définissant une chambre de mélange 14 qui reçoit la charge à malaxer. Deux rotors coopérants 16 et 18 sont disposés en vue d'un mouvement rotatif dans la chambre de mélange 14 et un moteur ou autre mécanisme d'entrainement convenable 20 agissant par l'entremise roiiP de / approprié 22 et d'arbres d'entrainement 24 et 26, fait tourner les rotors 16 et 18 dans la chambre de mélange. Pour malaxer et homogénéiser les composés introduits dans la chambre de mélange 14, on pétrit la charge entre les rotors 16 et 18 et contre les parois de la chambre. Habituellement, le moteur 20 est à vitesse variable.Des chambres de refroidissement ou de chauf eage 28 sont installées dans l'enceinte 12 et aussi, très fréquemment. dans les rotors 16 et 18, l'eau ou la vapeur de réglage de la température circulant dans ces chambres en vue d'éviter le roussissement de la charge, mais surtout pour régler la température de cette dernière pendant qu'elle est malaxée, mastiquée ou fluxée. On a déJà dit qu'à des moments prédéterminés du cycle de malaxage. on doit introduire certains additifs dans le mélange. tels qu'une huile, une matière solide. un émollient, etc. Pour accomplir cette opération un poussoir 30 et un cylindre d'injection de liquide 32 sont en liaison de fonctionnement avec la chambre de mélange 14. Le poussoir 30 est équipé d'un piston hydraulique ou pneumatique 34 qui quand il-est actionné, pousse les additifs solides dans la chambre de mélange. Le cylindre d'fflnJection 32 comprend également un piston 36 chargé d'injecter des additifs liquides tels que des huiles, dans la chambre de mélange. L'invention met en oeuvre un dispositif par lequel le poussoir 30 et le cylindre d'inJection de liquide 32 sont actionnés de façon commandée en vue d'injecter les additifs dans la chambre de mélange aux moments voulus pendant le cycle de malaxage et/ou lors de l'établissement de conditions opératoires correates. par exemple de la viscosité désirée dans la charge. Comme il est fréquemment souhaitable de maintenir la température de la charge à une valeur constante afin d'assurer le malaxage le plus efficace, l'invention prévoit également un appareil de changement automatique ou de maintien de la vitesse du mécanisme d'entrat- nement ou moteur 20 à un moment déterminé automatiquement, par exemple au moment où, simultanément, des additifs sont injectés dans la chambre de mélange 14 par le poussoir 30 et par le cylindre d'injection 32. La Fig. 2 représente les circuits de commande permettant le fonctionnement automatique du mélangeur. Plus précisément, le moteur 20 du mélangeur est alimenté par une entrée de courant continu 37 ou par un accouplement à glissement à travers des conducteurs 38 et 40 à partir d'un programmeur 42. Le circuit de champ séparé du moteur à courant continu n'est pas représenté. En meme temps, le courant est envoyé à travers des conducteurs d'entrée 44 et 46 à un circuit en pont de Wheatstone 48. Un rh- ostat 50 à commande manuelle est installé sur le conducteur 44 de manière à assurer qu'un courant d'entrée relativement faible mais réglable soit envoyé dans le circuit en pont de Wheatstone 48. Au début du cycle de malaxage, alors que lténergie est appliquée dans le programmeur 42 et dans le moteur 20 du malaxeur, on règle à la main un rhéostat d'équilibrage à zéro 52 de manière à équilibrer le circuit en pont de Wheatstone 48. L'opérateur, en manipulant le rhéostat 52 jusqu'au moment où un ampèreitre 54 d'équilibre à zéro, installé à la sortie du pont, indique la valeur zéro, est ainsi assuré que le pont 48 est en équilibre. La sortie du pont 48 arrive dans un amplificateur 80. Des interrupteurs 56. 58 et 60 installés dans le circuit de sortie de passe I ampliricateur, sont ouverts a ce stase car un colorant razzie dans l'amplificateur 80 et vers le circuit d'actionnement du mélangeur jusqu'au moment où on aura réglé le rhéostat d'équilibre à zéro à une position dans laquelle le pont 48 est en équilibre. Aussitôt que l'opérateur aura équilibré le pont 48 (en manipulant le rhéostat 52), les interrupteurs 56. 58 et 60 sont fermés. On a déjà dit que le couple de sortie du moteur 20 va- rie sur un mode prédéterminé au cours d'un cycle normalisé de ma laxage. En conséquence, les circuits qui sont représentés sur la Fig. 2 ont pour but d'actionner automatiquement le poussoir 3t le cylindre dtinSection 32 d'huile et aussi de changer automatique ment la vitesse du moteur 20 selon les indications de viscosité qui ont dtd mesurées en utilisant les changements de la températE- re de la charge ou les changements du couple de sortie du moteur 20, ces deux valeurs étant basées sur la viscosité de la charge à ce moment précis.Pour aboutir au résultat recherChé, un rhéos- tat 62 de réglage de vitesse, fixé à un électro-atnnt64 tendu par un ressort, sert à modifier la vitesse du moteur 20 du mélan geur, Un ampèremtre à point de contact 66 sert à indiquer l'intensité du courant alimentant le moteur 20 du mélangeur. cet ampèremEtre 66 reste ouvert aussi longtemps qu'une quantité pri- déterminé de courant est consommée par le moteur 20. Cependant, lorsque les exigences en courant du moteur 20 tombent au-dessous d'un niveau prédéterminé de mesure, l'aiguille 68 de l'ampèren- tre 66 vient en contact avec un point de contact réglable 70 de sorte qu'un courant électrique excite un électro-aimant 72 tendu par un ressort.L'excitation de l'électro-aimant 72 déplace un rhéostat 74 d'équilibrage du pont qui est connecté à l'électro- aimant 72. Le mouvement du rhéostat 74 modifie la résistance sur l'une des branches du pont de Wheastone 48 de sorte que ce pont est désiquilibré. Au moment de ce désiquilibrage du pont, le courant est dirigé par des conducteurs 76-et 78, vers l'amplificateur 80. A cet instant, 1'ampremètre 54 d'équilibrage à zéro affiche de nouveau le passage d'un courant. Etant donné que le commutateur 56 est maintenant rer- mé, l'amplificateur 80 fait passer le courant vers l'électro- aimant 64 et l'excitation de ce dernier provoque un changement de position du rhéostat 62 de réglage de vitesse pour effectuer un changement de vitesse du moteur 20 du mélangeur. La réduction de la résistance du rhéostat 62 augmente la tension du moteur et, de façon proportionnelle, la vitesse de ce moteur. En même temps, si l'interrupteur 58 a été délibérément fermé, le courant est envoyé vers une électro-vanne 82 qui actionne le piston 36 dans le cylindre d?insection de liquide 92 si bien que les additifs liquides sont injectés dans la chambre de mélange 14. Si l'on ferme déli- bérément l'interrupteur 60 également, le courant électrique arrive dans une électro-vanne 84 qui actionne le poussoir 30 de sorte 4 le piston 34 pousse les additifs pulvérisés ou solides dans l'intérieur de la chambre de mélange. On remarquera que l'un quelconque des interrupteurs ou tous les interrupteurs 56, 58 et 60 peuvent rester ouverts, de manière que le changement du couple du moteur du mélangeur, indiquant la viscosité de la charge. puisse effectuer l'une quelconque des trois fonctions suivantes, ou bien deux de ces fonctions ou encore toutes les trois : changement de la vitesse du moteur, détermination du moment d'introduction des poudres et/ou des li guides au mélange , ou bien modification du réglage du débit d'eau de la température ou de la pression sur les cylindres 30 et 32. Ainsi cinq facteurs peuvent régler ou varier les conditions opératoires de l'appareil, on peut utiliser un ou plusieurs de ces facteurs pour changer ou contrôler les conditions opératoires et, par voie de conséquence, la viscosité de la charge. Si une introduction d'additifs provoque un accroissement de la viscosité de la charge la quantité de courant devra normalement être plus élevée et, habituellement, cette augmentation du courant sera exécutée automatiquement par le moteur 20 de sorte que l'aiguille 68 de l'ampèremètre 66 pourra, une fois de plus, indiquer une valeur au-dessus du niveau pré-établi du rhéostat 74 d'équilibrage du pont et l'ouverture du circuit de l'ampèremètre 66 rétablira alors l'équilibre du pont 48. Au lieu de prévoir un contact réglable 70 dans l'ampèremètre 66 on peut installer plusieurs contacts de résistances 70 Rnal On peut également régler l'actionnement du poussoir 30 et du cylindre d'injection 32 ainsi que la vitesse du moteur 20 en fonction des changements des températures de la charge, en remplacement ou en plus des changements des exigences en couple du moteur 20. On aboutit à ce résultat à l'aide d'un thermocouple 86 qui indique la température de la charge et qu'on installe en position convenable au contact de la charge afin que les indications de I Fempérature soient tn -ises sou ,rl:le a ut courant traverse un rhéostat 90 de réglage de température pour arriver électrique à l'amplificateur 88.La sortie de ltamplificateur/sur l'électro-aimant 64 après que la température de la charge dans la chambre de mélange aura dépassé une valeur prédéterminée. Pour cela, il suffit de manipuler à la main le rhéostat 90 de réglage de température pour l'amener à un point choisi de sorte qu'aucun courant d'excitation n'est envoyé dans l'électro-aimant 64 Jusqu'au moment où la température de la charge se sera rapprochée d'une valeur donnée, Quand il en est ainsi, l'électro-aimant 64 est excité pour Modifier la position du rhéostat 62 de réglage de vitesse en vue de modifier la vitesse du moteur 20.En même temps, un signal est envoyé à l'électro-aimant 64, un signal peut etre envoyez par les interrupteurs A fermetures sélectives 56, 58 et/ou 60 et un interrupteur 91 à partir de l'aiplificateur 88 aux électro-vannes 82 et 84 pour raire fonctionner le poussoir 30 et le cylindre d'injection de liquide 32.. On remarquera que l'appareil mélangeur selon. l'inven- tion peut Entre entièrement contrôlé par le programmeur 42. Par exemple, le conducteur 92 allant du programmeur vira l.e poussoir 30 et le conducteur 94 allant du programmeur au cylindre d'injec- tion de liquide 32 permettent au programmeur de commander l'action- indépendamment nement des organes 30 et 32* et, également le moteur 20/de si- gnaux quelconques provenant du thermocouple 86 de contre de température ou de 1 'ampèremètre 66. Le programmeur, qui est d'un modèle connu. utilise habituellement une carte ou une bande pour contrôler tout le cycle de malaxage. Le présent appareil peut également fonctionner sans programmeur mais normalement, cette possibilité est utilisée en plus du programmeur pour des introduc- tions d'additifs par une manipulation qui prédomine l'action du programmeur. L'un des avantagea découlant du contrôle de la vitesse du moteur 20 à partir de la température de la charge, de la façon qui vient d'être décrite, est que la vitesse du moteur augmente ou diminue par paliers de manière à maintenir la charge à une température constante lors d'une diminution ou d'une augmentation, respectivement de cette température, de manière à obtenir ou à maintenir la viscosité voulue.En d'autres termes, la chaleur engendrée pendant le malaxage est fonction de la vitesse du moteur et si l'on change par conséquent la vitesse du moteur, on peut maintenir cette chaleur engendrée à une valeur égale à la chaleur dissipée par radiation et par transmission vers le fluide d'échange de chaleur qui circule dans le mélangeurs Comme on l'a déJà dit, on peut établir une température prédéterminée basse ou réglée en modifiant les conditions opéra toi- res de manière que, par exemple, seules les matières solides soient introduites dans la matière traitée lorsque la température de la charge est à une valeur tellement faible prédéterminée qu' une telle addition provoque une augmentation immddiate et d'un degré acceptable de la température de l'élastomère en cours de traitement. Une autre caractéristique de l'invention est que 1 on peut faciliter le réglage de la température en modifiant le débit du fluide de transmission de chaleur dans les chambres 28 qui sont ménagées dans l'enceinte de l'appareil 10 et aussi du fluide qui circule dans les arbres des rotors de l'appareil. Ainsi des réglages appropriés peuvent être incorporés dans le dispositif de température pour mofifier le débit d'eau ou d'un autre fluide et obtenir ainsi un réglage de la température (et par conséquent un réglage indirect de la viscosité) de la matière traitée par une modification du débit et non pas seulement par les variations de la vitesse du moteur. D'autre part. avec un tel mode de réglage, on peut maintenir la température de la charge à une valeur constante sensiblement égale à la valeur pré-établie. Par exemple, une fonction ou signal de commande peut être fourni par le programmeur à une électro-vanne 100 réglable montée dans un conduit 101 de réglage de température, desservant l'enceinte 12 trou les rotors 16 et 18 et relié à une source convenable d'un liquide de réglage de température, pour augmenter ou diminuer le débit du fluide en fonction des conditions opératoires qui existent dans le mélangeur à ce moment particulier et aussi en fonction de la viscosité indiquée de la charge, selon que cette viscosité doigt être diminuée ou augmentée par une diminution ou une augmentation, respectivement. de la température. Une partie seulement du circuit d'écoulement du liquide est représentée et encore de façon purement schématique. Une minuterie (non représentée) est incorporée dans le programmeur pour effectuer des introductions d'ingrédients aux intervalles appropriés. Ainsi, le programmeur 42 est relié à des inducteurs qui s'étendent à partir des interrupteurs 58 et 60 afin de ne fermer les circuits que lorsque les conditions opéra 4 93 de la charge sont théoriquement coreee, L'amplificateur 88 du détecteur de température est également relié au programmeur 42 par un conducteur 188 afin de lui envoyer un signal. Le programmeur 42 intègre les entrées des conducteurs 38, 40 (couple du moteur;; et du conducteur 188 Des dispositifs classiques de retard peuvent être connes tes aux electro-vannes 82 et 84 pour les conserver dans des posi- de temps tions opératoires pendant les intervalles necessaires pour assumer une introduction correcte des ingrédiants de mixtionnage dans 1 chambre 14. On remarquera qu'un instrument approprié d'enregistre ment et/ou d'indication visuelle, actionné par le passage du cou- ranz, peut être mont sur le conducteur 38. En d'autres termes, en échantillonant la charge à intervalles réguliers, à mesure que se poursuit le malaxage, et en déterminant la viscosité de tels d'échantillons, on peut établir des normes pour lire la viscosité d'un tel melange. Si l'on traite donc d'autres charges du même melange. on peut déterminer la viscosité de la charge par comparaison avec les viscosités précédemment indiquées. 1 - Dispositif indicateur et régulateur de la vlscos4- té d'une matière élastomère en cours de traitement, comprenant une enceinte qui définit une chambre de mélange, des organes rotatifs de malaxage dans la chambre et des moyens de refroidissements de & enceinte en liaison de fonctionnement avec cette derniè re caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à vitesse variable entraînant les organes rotatifs de malaxage, des moyens électriques pour détecter un changement de la viscosité de l'é- lastomère, des moyens électriques pour détecter la température de l'élastomère dans la chambre de mélange et des-moyens électrique de commande, qui répondent aux deux moyens électriques précités, en vue de changer la vitesse du dispositif d'entrainement et ré kler ainsi la viscosité de la matière en cours de traitement. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qua le débit de la matière dans les moyens de refroidissement est variable et en ce que les moyens électriques de commande mentionnés en dernier lieu sont connectés aux moyens de refroidissement pour modifier le débit dru fluide de refroidissement dans ces moyens de refroidissement en vue d'un contrôle de la visco- sité de la matière en cours de traitement. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électriques de commande comprenant un moyen pour choisir la viscosité å laquelle la charge est maintenue. a - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électriques de commande comprennent des moyens pour choisir la température et la viscosité auxquelles la charge est maintenue. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électriques de commande comprennent un lectro- aimant recevant un signal des moyens électriques mentionnés en premier lieu, ledit dispositif d'entrafnement est un moteur élec- trique, et un rhéostat de réglage de la vitesse du moteur est connecté à l'électro-aimant pour permettre de modifier la vitesse du moteur lors de l'actionnement de l'électro-aimant. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un poussoir pour injecter un additif dans la chambre de mélange, lesdits moyens électriques de commande servant à actionner ce poussoir dans des conditions prédéterminées de viscosité, afin que ledit additif soit inJecté dans la chambre. 7 - Dispositif ind4ateur et 8 te: a la visco- site' d'une matière élastomère en cours de traitement, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte définissant une chambre de mélange, des organes rotatifs de malaxage dans la chambre, un dis positif à vitesse variable d'entraînement des organes rotatifs de malaxage, des moyens électriques pour détecter un changement de le viscosité de l'élastomère par un changement de la tempdrature de l'élastomère dans la chambre de mélange, des moyens élec- triques de commande qui répondent aux moyens électriques précités et que sont connectés à ces derniers. et des dispositif d'injec-- tion commandés électriquement pour faire pénétrer une matière dans l'enceinte, lesdits moyens électrique de commande servant à actionner les dispositifs d'injection lorsqu'une viscosité prd- drainée est établie dans l'élastomère après un temps prédé- terminé de malaxage