Brevet FR3127896A1 — publié le 20230414

L’invention concerne un mélangeur inversé (100) comprenant un mélangeur tandem pour fabriquer un mélange de caoutchouc à partir des matières premières nécessaires à la réalisation du mélange, le mélangeur inversé comprenant : - un mélangeur supérieur (102) de mélangeage comprenant une chambre supérieure (102a) de mélangeage d’un volume de remplissage prédéfini et une paire de rotors (102b) disposés dans la chambre supérieure qui réalisent un processus de mélangeage initial ; - un mélangeur inférieur (104) de mélangeage comprenant une chambre inférieure (104a) de mélangeage d’un volume de remplissage prédéfini inférieur à celui de la chambre supérieure (102a) du mélangeur supérieur (102), et une paire de rotors (104b) disposés dans la chambre inférieure (104a) qui réalisent un processus de mélangeage ultérieur dès le transfert du mélange du mélangeur supérieur ; et - une trémie d’introduction (108) par laquelle les matières premières du mélange sont introduites à la chambre supérieur (102a) du mélangeur supérieur (102). Figure pour l’abrégé : Fig 2 Mélangeur inversé pour fabriquer un mélange de caoutchouc L’invention concerne un outil de mélangeage optimisé et des procédés de mélangeage optimisé réalisés par cet outil. Plus particulièrement, l’invention concerne la maitrise conjointe de la haute et de la basse température pour concevoir un mélangeur inversé qui sert à un outil de mélangeage plus optimisé qu’il ne l’est actuellement. Contexte La fabrication de mélanges caoutchouteux comprend de multiples étapes de mélangeage successives. Un mélange initial de matériaux élastomères avec une charge de noir de carbone et/ou de silice est souvent effectué à l’intérieur d’un mélangeur interne (ou « MI »). Par « mélangeur interne », on entend une machine constituée d’un pilon et de deux demi-cuves (ou « cuves »), chacune contenant un rotor avec une ou plusieurs pales (par exemple, une machine de type Banbury ou Intermix pour polymères). Les propriétés d’un mélange avec une charge (qu’elle soit du noir de carbone ou de la silice) dépendent en grande partie de la taille des objets charges obtenus pendant une opération de mélangeage par fragmentation. Cette capacité de fragmentation est directement liée à la valeur de la contrainte de cisaillement appliqué à cet objet charge. Cette contrainte de cisaillement est, elle, liée au taux de cisaillement auquel est soumis le mélange lors de son passage entre le rotor et la cuve ou entre les rotors, et également à la viscosité intrinsèque du mélange. La viscosité du mélange est dépendante de sa température, donc, plus la température du mélange augmente par auto-échauffement au cours de l’action de mélangeage, plus la viscosité du mélange baisse. La conséquence directe de cette baisse de viscosité est que la contrainte de cisaillement va elle aussi baisser, ce qui va limiter la capacité à fragmenter la charge. C’est cette liaison entre la gomme et la charge qui est responsable d’une grande partie des propriétés du mélange final. Plus la taille des objets charges est faible, plus la surface exposée pour un greffage à l’élastomère est grande. Ainsi, la taille ultime des objets charges dépend en grande partie de la capacité à maitriser l’augmentation de la température du mélange inhérente à l’énergie mécanique qui lui est fournie. L’objectif ultime du mélangeage dispersif (c.-à-d., lié à la fragmentation de la charge) devient de fournir la plus grande énergie mécanique possible au mélange tout en maintenant sa température la plus basse possible. Avec ces constats, des tentatives existent dans l’art antérieur de maitriser la basse température de mélangeage via une isotherme et de la haute température via également une isotherme (THT). Par exemple, les publications japonaises JP2020-100120, JP2020-100784, JP2020-100116 et JP2020-100786 divulguent un procédé permettant de contrôler la température de mélangeage pour gérer la dispersion de la silice et la réaction du silane associée. La publication européenne EP3715379 divulgue un procédé de mélangeage où la température d’un mélange caoutchouteux incorporant le silane est bien contrôlée par rapport au temps de mélangeage. La publication japonaise JP2017-128071 divulgue un procédé de contrôle de la température d’un mélange caoutchouteux incorporant le silane et la silice dans une plage de températures prédéterminée fixée à l'avance. En outre, l’art antérieur fait référence aux mélangeurs tandems (ou « tandem mixers » en anglais) qui permettent de différencier les fonctions basses et hautes températures. Dans un mélangeur tandem, les deux tâches principales d’un processus de mélange de caoutchouc sont séparées, à savoir la dispersion et la distribution. La dispersion signifie la décomposition de matériaux solides tels que les charges. La distribution concerne l’homogénéité dans un mélange de caoutchouc avec les différents produits chimiques ajoutés. Le profil de température, qui est essentiel pour induire des réactions chimiques au cours du processus de mélangeage de caoutchouc, peut être mieux contrôlé lorsque ces deux étapes sont séparées. La technologie Tandem permet d'interconnecter deux "mélangeurs" en série : un mélangeur à piston au-dessus d'un mélangeur sans piston. Chaque machine est optimisée pour effectuer une tâche de mélange du caoutchouc. Le mélangeur supérieur du tandem de type piston assure la dispersion tandis que le mélangeur du tandem inférieur sans piston assure la distribution (voir, par exemple, les publications allemandes DE4342115C1 et DE4127211A1). Si on pose l’hypothèse que la maitrise conjointe de la haute et de la basse température génère une augmentation de propriété, il existe encore des opportunités pour concevoir un dispositif de mélangeage plus optimisé qu’il ne l’est actuellement. Ainsi, l’invention divulguée implique l’idée de séparer, mais aussi optimiser, les fonctions basses et hautes températures, ce que ne fait pas le tandem-mixer. En associant ces éléments, un mélange est obtenu en faisant les étapes nécessaires pour obtenir une bonne qualité de mélange à une capacité industrielle. L’invention concerne un mélangeur inversé comprenant un mélangeur tandem pour fabriquer un mélange de caoutchouc à partir des matières premières nécessaires à la réalisation du mélange, le mélangeur inversé comprenant : - un mélangeur supérieur de mélangeage comprenant une chambre supérieure de mélangeage d’un volume de remplissage prédéfini et une paire de rotors disposée dans la chambre supérieure qui réalise un processus de mélangeage initial ; - un mélangeur inférieur de mélangeage comprenant une chambre inférieure de mélangeage d’un volume de remplissage prédéfini inférieur à celui de la chambre supérieure du mélangeur supérieur, et une paire de rotors disposée dans la chambre inférieure qui réalise un processus de mélangeage ultérieur dès le transfert du mélange sortant du mélangeur supérieur; et - une trémie d’introduction par laquelle les matières premières du mélange sont introduites à la chambre supérieur du mélangeur supérieur. Dans certains modes de réalisation, les rotors disposés dans la chambre supérieure du mélangeur supérieur comprennent des rotors engrenants ; et les rotors disposés dans la chambre inférieure du mélangeur inférieur comprennent des rotors tangentiels. Dans certains tels modes de réalisation, les rotors disposés dans la chambre inférieure du mélangeur inférieur comprennent des rotors tangentiels à deux ailes. Dans certains modes de réalisation, le mélangeur inversé de l’invention comprend en outre un pilon disposé à l’intérieur de la trémie d’introduction qui est guidé entre une position élevée, où les rotors engrenants restent accessibles pour introduire les matières premières au mélangeur supérieur, et une position baissée, où le mélange est appuyé par le pilon vers les rotors engrenants disposés dans la chambre supérieure. Dans certains modes de réalisation, le mélangeur inversé de l’invention comprend en outre une porte thermique à l’entrée du mélangeur inférieur. Dans certains modes de réalisation, le ratio volumique entre la chambre supérieure et la chambre inférieure est compris entre 1,70 et 2,2, et préférentiellement égal à 2,0. Dans certains modes de réalisation, le mélangeur inversé de l’invention comprend en outre un élément de dégazage disposé à travers la chambre supérieure. L’invention concerne aussi un procédé de production d'un mélange de caoutchouc réalisé par le mélangeur inversé divulgué, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape d’introduction des matières premières à la chambre supérieure du mélangeur supérieur ; - une étape de réalisation du processus de mélangeage initial réalisé par les rotors disposés dans la chambre supérieure pour produire un mélange de base ; - une étape de transfert du mélange sortant du mélangeur supérieur vers la chambre inférieure du mélangeur inférieur ; et - une étape de réalisation du processus de mélangeage ultérieur réalisé par les rotors disposés dans la chambre inférieure pour produire le mélange de base de façon finale à une température appropriée pour la production de mélanges de caoutchouc dans le mélangeur inférieur. Dans certains modes de réalisation, le procédé de l’invention comprend en outre une étape d’ajout d’eau dans la chambre supérieure du mélangeur inversé qui est réalisée sensiblement en même temps que le processus de mélangeage initial réalisé par les rotors. Dans certains modes de réalisation, le taux d’eau du mélange atteint pendant l’étape d’ajout d’eau est situé entre 1% et 10% inclusif de la masse du mélange, et, préférentiellement, entre 3% et 7% inclusif de la masse du mélange. Dans certains modes de réalisation, les matières premières du mélange sont introduites au mélangeur supérieur en une quantité correspondant à un coefficient de remplissage compris entre 40% et 60%, et préférentiellement de 50%. Les matières premières introduites au mélangeur supérieur comprennent un ou des matériaux élastomères et d’au moins une matière première choisie parmi un ou plusieurs agents de mise en œuvre, un ou plusieurs agents de protection et des charges de renforcement, le noir de carbone, la silice et les huiles. L’invention concerne en outre une ligne de production de produits caoutchouteux qui réalise le procédé divulgué. D’autres aspects de l’invention vont devenir évidents grâce à la description détaillée suivante. La nature et les divers avantages de l’invention vont devenir plus évidents à la lecture de la description détaillée qui suit, conjointement avec les dessins annexés, sur lesquels les mêmes numéros de référence désignent partout des parties identiques, et dans lesquels : La représente une vue schématique des flux énergétiques d’un mélangeur interne pendant un cycle de mélangeage. La représente une vue schématique d’un mélangeur inversé de l’invention. La représente une vue schématique d’un mode de réalisation d’une ligne de production de produits caoutchouteux incorporant le mélangeur inversé de la . La représente une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’une ligne de production de produits caoutchouteux incorporant le mélangeur inversé de la . La représente une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’une ligne de production de produits caoutchouteux incorporant le mélangeur inversé de la . La représente le gain théorique en énergie spécifique réalisé en ajoutant de l’eau pendant un cycle de mélangeage réalisé par le mélangeur inversé de la . La représente le profil de la température du mélange en fonction du temps pour l'opération de mélangeage. La représente une vue schématique d’une zone d’entrefer du mélangeur inversé de la où le mélange de caoutchouc est aspiré. Les figures 9 et 10 représentent des niveaux d’énergie spécifique apporté au matériau traité dans le mélangeur inversé de la . La représente un décalage sur la représentation conventionnelle de l’hystérèse par rapport à la rigidité réalisé par le mélangeur inversé de la . Un mélangeur inversé (100) comprenant un mélangeur tandem pour fabriquer un mélange de caoutchouc à partir des matières premières nécessaires à la réalisation du mélange, le mélangeur inversé (100) comprenant : - un mélangeur supérieur (102) de mélangeage comprenant une chambre supérieure (102a) de mélangeage d’un volume de remplissage prédéfini et une paire de rotors (102b) disposée dans la chambre supérieure (102a) qui réalise un processus de mélangeage initial ; - un mélangeur inférieur (104) de mélangeage comprenant une chambre inférieure (104a) de mélangeage d’un volume de remplissage prédéfini inférieur à celui de la chambre supérieure (102a) du mélangeur supérieur (102), et une paire de rotors (104b) disposée dans la chambre inférieure (104a) qui réalise un processus de mélangeage ultérieur dès le transfert du mélange sortant du mélangeur supérieur (102); et - une trémie d’introduction (108) par laquelle les matières premières du mélange sont introduites à la chambre supérieur (102a) du mélangeur supérieur (102). Le mélangeur inversé (100) de la revendication 1, dans lequel : - les rotors (102b) disposés dans la chambre supérieure (102a) du mélangeur supérieur (102) comprennent des rotors engrenants ; et - les rotors (104b) disposés dans la chambre inférieure (104a) du mélangeur inférieur (104a) comprennent des rotors tangentiels. Le mélangeur inversé (100) de la revendication 2, dans lequel les rotors (104b) disposés dans la chambre inférieure (104a) du mélangeur inférieur (104a) comprennent des rotors tangentiels à deux ailes. Le mélangeur inversé (100) de la revendication 2 ou de la revendication 3, comprenant en outre un pilon (106) disposé à l’intérieur de la trémie d’introduction (108) qui est guidé entre une position élevée, où les rotors engrenants (102b) restent accessibles pour introduire les matières premières au mélangeur supérieur (102), et une position baissée, où le mélange est appuyé par le pilon vers les rotors engrenants (102b) disposés dans la chambre supérieure (102a). Le mélangeur inversé (100) de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une porte thermique (110) à l’entrée du mélangeur inférieur (110). Le mélangeur inversé (100) de l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ratio volumique entre la chambre supérieure (102a) et la chambre inférieure (104a) est compris entre 1,70 et 2,2, et préférentiellement égal à 2,0. Le mélangeur inversé (100) de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un élément de dégazage disposé à travers la chambre supérieure (102a). Un procédé de production d'un mélange de caoutchouc réalisé par le mélangeur inversé (100) de l’une quelconque des revendications 1 à 7, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape d’introduction des matières premières à la chambre supérieure (102a) du mélangeur supérieur (102) ; - une étape de réalisation du processus de mélangeage initial réalisé par les rotors (102b) disposés dans la chambre supérieure (102a) pour produire un mélange de base ; - une étape de transfert du mélange sortant du mélangeur supérieur (102) vers la chambre inférieure (104a) du mélangeur inférieur (104) ; et - une étape de réalisation du processus de mélangeage ultérieur réalisé par les rotors (104b) disposés dans la chambre inférieure (104a) pour produire le mélange de base de façon finale à une température appropriée pour la production de mélanges de caoutchouc dans le mélangeur inférieur (104). Le procédé de la revendication 8, comprenant en outre une étape d’ajout d’eau dans la chambre supérieure (102a) du mélangeur inversé (100) qui est réalisée sensiblement en même temps que le processus de mélangeage initial réalisé par les rotors (102b). Le procédé de la revendication 9, le taux d’eau du mélange atteint pendant l’étape d’ajout d’eau est situé entre 1% et 10% inclusif de la masse du mélange, et, préférentiellement, entre 3% et 7% inclusif de la masse du mélange. Le procédé de l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel les matières premières du mélange sont introduites au mélangeur supérieur (102) en une quantité correspondant à un coefficient de remplissage compris entre 40% et 60%, et préférentiellement de 50%. Le procédé de l’une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel les matières premières introduites au mélangeur supérieur (102) comprennent un ou des matériaux élastomères et d’au moins une matière première choisie parmi un ou plusieurs agents de mise en œuvre, un ou plusieurs agents de protection et des charges de renforcement, le noir de carbone, la silice et les huiles. Une ligne de production de produits caoutchouteux (200, 300, 400) comprenant le mélangeur inversé (100) de l’une quelconque des revendications 1 à 7.