СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛАСТОМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD OF PRODUCING AN ELASTOMERIC COMPOSITION

Настоящее изобретение относится к способу получения эластомерной композиции, упрочненной армирующими наполнителями, и к соответствующему способу получения шин для колес транспортных шин.
Производство эластомерных композиций для изготовления шин может включать применение порционного смесительного устройства (или смесителя периодического действия), в котором армирующий наполнитель, как правило, сажа и/или армирующие наполнители на основе кремнезема, диспергируется в эластомерном полимере.
В настоящем описании и в нижеприведенной формуле изобретения термин «смесительное устройство (или смеситель) периодического действия или порционное смесительное устройство (или смеситель)» означает смесительное устройство, выполненное с возможностью периодической подачи в него компонентов эластомерной композиции в заданных количествах и смешивания их в течение заданного времени для получения порции эластомерной композиции. В конце смешивания вся порция полученной эластомерной композиции полностью выгружается из смесительного устройства в виде одного раствора.
Смеситель периодического действия предпочтительно соединен с устройством для перемещения, выгрузки или приемки, выполненным с возможностью приема в большом впускном отверстии всей порции, выгруженной из смесителя периодического действия, и перемещения ее (как правило, посредством одного или более спиральных шнеков, размещенных во внутренней камере) на всей его длине от впускного отверстия к выпускному отверстию, при дополнительном придании удлиненной формы композиции в выпускном отверстии, которая подходит для последующей обработки или хранения лучше, чем объемная форма композиции на выходе из смесителя периодического действия. Например, у впускного отверстия транспортирующего устройства может быть предусмотрена воронка, расположенная ниже выпускного отверстия смесителя периодического действия, при этом такая воронка принимает всю порцию сразу под действием силы тяжести. Из воронки порция затем постепенно втягивается шнеками во внутреннюю камеру (и, следовательно, перемещается к выходу) за сравнительно короткое время.
Смесительное устройство периодического действия отличается от «смесительного устройства непрерывного действия», то есть смесительного устройства, выполненного с возможностью приема базовых ингредиентов (например, полимеров, армирующих наполнителей, пластификаторов, смол и т.д.) эластомерной композиции при их непрерывной подаче, как правило, посредством подающих устройств с регулируемым дозированием, смешивания их для получения эластомерной композиции и выгрузки эластомерной композиции в виде непрерывного потока (за исключением возможных остановов смесительного устройства вследствие технического обслуживания или изменения состава эластомерной композиции) в отличие от периодической загрузки/разгрузки смесительного устройства периодического действия. На профессиональном жаргоне в области смесителей для эластомерных композиций смесительное устройство непрерывного действия иногда называют термином «экструзионный смеситель», который в данном документе рассматривается как эквивалент «смесителя непрерывного действия».
Смеситель непрерывного действия (в частности, его активные элементы, такие как шнеки или сателлиты смесителя) при этом выполнен со смешивающими частями, способными сообщать композиции большое напряжение сдвига, и с чередующимися со смесительными частями, транспортирующими частями, способными сообщать обрабатываемой композиции осевое усилие для подачи ее от одного конца внутренней камеры, определяемого в продольном направлении, к ее другому концу. Он может быть дополнительно предусмотрен с возможными перераспределяющими частями.
Примерами смесительных устройств непрерывного действия являются двухшнековые или многошнековые (например, смесители кольцевого типа), предусмотренные с взаимопроникающими и встречно-вращающимися шнеками или планетарные смесительные устройства непрерывного действия.
Как смесительное устройство периодического действия, так и смесительное устройство непрерывного действия обеспечивают возможность сообщения достаточного количества энергии эластомерной композиции для смешивания и диспергирования армирующего накопителя в эластомерном полимере также в случае подачи ингредиентов в холодном состоянии и «пережевывания» эластомерного материала, в результате чего его температура повышается для придания ему обрабатываемости и пластичности для облегчения включения и/или распределения ингредиентов в полимерной матрице в отличие от других устройств для обработки эластомерной композиции, таких как транспортирующие или разгрузочные устройства, описанные выше.
В US2015031795 описан способ получения за три этапа, в котором используется внутренний смеситель для эластомерной композиции, пригодной в протекторах шин для колес транспортных средств, содержащей эластомерный диен и сажу.
В WO2005/039847А1 описана машина и соответствующий способ смешивания и экструзии пластиков на основе каучука или силикона, при этом машина содержит разгрузочный экструдер с двумя сужающимися коническими шнеками, расположенными в буферной камере, при этом выход разгрузочного экструдера временно перегораживается съемным закрытым фланцем, при этом буферная камера также служит в качестве камеры для приготовления композиции.
Производство некоторых эластомерных композиций включает ряд разных последовательных этапов смешивания, перемежающихся операциями загрузки-разгрузки смесительного устройства периодического действия и какими-либо другими операциями обработки композиции.
Например, при получении эластомерных композиций с высоким процентным содержанием армирующего наполнителя, таких как композиции для протекторов для тяжелых транспортных средств, высокое процентное содержание армирующего наполнителя (например, сажи) приводит к тенденции возникновения высокой вязкости смешиваемого материала. Для снижения вязкости до значений, совместимых с последующими этапами обработки (такими как формование полуфабриката, например, протекторного браслета, предназначенного для включения в невулканизированную шину), обычно используется соответствующее число последовательных этапов смешивания в смесительном устройстве периодического действия, например, до пяти различных этапов смешивания (включая смешивание для включения ингредиентов, способных ускорить сшивание), из которых некоторые представляют собой этапы чистого перемешивания (на профессиональном жаргоне называемого «remill» («повторное перемешивание»)), то есть без добавления ингредиентов в смеситель периодического действия. Заявитель отметил, что такое количество различных этапов требует интенсивного использования смесителя периодического действия как с точки зрения времени использования, так и с точки зрения его износа, а также выполнения всех операций, необходимых для его загрузки и разгрузки между двумя следующими друг за другом этапами смешивания. Все это приводит к увеличению времени получения эластомерной композиции, в частности, времени использования смесителя периодического действия и/или большому расходу потребной энергии и/или большим затратам труда и/или увеличенному износу смесителя периодического действия.
Заявитель также отметил, что при получении последовательности порций эластомерной композиции, когда каждая порция, проходящая через множество этапов смешивания с использованием пары устройств, образованной смесителем периодического действия и разгрузочным устройством, предпочтительно продолжать этапы обработки, а не выполнять обработку отдельных порций, то есть последовательно подвергать все порции в последовательности одному и тому же этапу обработки и после завершения соответствующего этапа обработки для всех порций последовательно подвергать все порции в последовательности следующему этапу обработки.
Заявитель отметил, что в этой ситуации и аналогичным образом в случае получения - последовательно в одной и той же паре устройств - последовательности порций эластомерной композиции, каждая из которых требует одного этапа смешивания, неоднократно возникает простой, при котором разгрузочное устройство остается неподвижным, поскольку, когда оно закончит «выгрузку» порции, оно простаивает до того момента, когда оно получит следующую порцию, обработка которой будет закончена в смесителе периодического действия. Действительно, как правило, процесс в смесителе периодического действия длится в течение более продолжительного интервала времени (например, от приблизительно 3 мин до 5 мин), чем время, необходимое разгрузочному устройству для выгрузки порции (например, приблизительно 2 мин). Следовательно, Заявитель осознал, что пара, состоящая из смесителя периодического действия и разгрузочного устройства, используется неоптимальным образом.
Заявитель в связи с промышленным процессом производства шин поставил перед собой задачу разработки способа производства эластомерной композиции, упрочненной армирующими наполнителями, в частности, с высоким содержанием армирующих наполнителей, который позволяет ограничить число различных этапов смешивания в смесителе периодического действия без значительного увеличения времени смешивания на каждом отдельном этапе и/или который позволяет повысить производительность пары машин, состоящей из смесителя периодического действия и соответствующего разгрузочного устройства, сблокированного с ним, при обеспечении заданных физико-химических свойств полученной эластомерной композиции до и после вулканизации и заданных эксплуатационных характеристик шины, изготовленной при использовании такой композиции, при сохранении ограниченных общих затрат на процесс производства эластомерной композиции, включая затраты на приобретение, техническое обслуживание, текущий ремонт и эксплуатацию используемых машин и производственных помещений.
Заявитель обнаружил, что вышеуказанная задача решается посредством способа производства эластомерной композиции согласно настоящему изобретению, в котором за, по меньшей мере, одним этапом смешивания в смесителе периодического действия следует соответствующий этап смешивания, выполняемый в двухшнековом коническом смесителе с закрытым выпускным отверстием.
Согласно его первому аспекту изобретение относится к способу производства эластомерной композиции, содержащей 100 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, по меньшей мере, одного эластомерного полимера  и, по меньшей мере, 10 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, по меньшей мере, одного армирующего наполнителя, при этом способ включает:
- обеспечениеодного или более смесителей периодического действия, при этом каждый смеситель периодического действия содержит смесительную камеру, два ротора, размещенных в смесительной камере, и поршень, расположенный над роторами и выполненный с возможностью перемещения по направлению к двум роторам и от них;
- обеспечение одного или более двухшнековых конических смесителей, при этом каждый двухшнековый конический смеситель имеет смесительную камеру, снабженную впускным отверстием и выпускным отверстием, при этом в смесительной камере размещены два конических шнека, встречно-вращающихся и сужающихся по направлению к выпускному отверстию, при этом каждый двухшнековый конический смеситель снабжен дверцей, выполненной с возможностью обеспечения закрытой конфигурации выпускного отверстия и открытой конфигурации выпускного отверстия;
- по меньшей мере, один этап подачи, по меньшей мере, одной части, по меньшей мере, одного эластомерного полимера и, по меньшей мере, одной части армирующего наполнителя в соответствующий смеситель периодического действия из одного или более смесителей периодического действия;
- количество n этапов смешивания в соответствующем смесителе периодического действия из одного или более смесителей периодического действия и в течение соответствующего первого заданного интервала времени с получением соответствующей порции эластомерной композиции, при этом за каждым этапом смешивания в соответствующем смесителе периодического действия следуют соответствующий этап полной выгрузки соответствующей порции эластомерной композиции из соответствующего смесителя периодического действия и после этого соответствующий этап подачи соответствующей порции выгруженной эластомерной композиции в соответствующий двухшнековый конический смеситель из одного или более двухшнековых конических смесителей, при этом первый этап из количества n этапов смешивания следует немедленно за, по меньшей мере, одним этапом подачи в соответствующий смеситель периодического действия;
- количество m этапов смешивания соответствующей порции эластомерной композиции в соответствующем двухшнековом коническом смесителе из одного или более двухшнековых конических смесителей при дверце в положении, обеспечивающем закрытую конфигурацию выпускного отверстия, в течение соответствующего второго заданного интервала времени, при этом каждый этап смешивания в соответствующем двухшнековом коническом смесителе следует (предпочтительно немедленно) за соответствующим этапом из количества n этапов подачи в соответствующий двухшнековый конический смеситель, и за ним следует соответствующий этап выгрузки соответствующей порции эластомерной композиции из выпускного отверстия соответствующего двухшнекового конического смесителя при дверце, расположенной в открытой конфигурации,
при этом количества n и m представляют собой целые числа, которые больше или равны единице, и при этом n больше или равно m.
Термин «соответствующая порция эластомерной композиции» означает порцию эластомерной композиции в любой момент времени любого из этапов обработки, при этом ее физико-химические свойства могут изменяться между одним этапом и другим и даже в пределах одного и того же этапа.
Термин «первый этап» означает единственный этап, если n равно единице.
Заявитель действительно осознал, что способ, который включает, по меньшей мере, один этап смешивания в смесителе периодического действия, за которым следует соответствующий этап смешивания в двухшнековом коническом смесителе при закрытой дверце, позволяет оптимизировать использование пары устройств, состоящей из смесителя периодического действия и двухшнекового конического смесителя, посредством увеличения их полной производительности по сравнению с обычными способами без ухудшения физико-химических свойств получающейся в результате композиции и без значительного повышения затрат на приобретение, эксплуатацию и техническое обслуживание оборудования.
Действительно, вышеприведенное решение позволяет уменьшить использование смесителя периодического действия, поскольку часть процесса смешивания передается двухшнековому коническому смесителю. Таким образом, по сравнению с традиционным способом можно уменьшить время обработки каждой порции в данной паре устройств, например, существенно уменьшить время смешивания каждой порции в смесителе периодического действия, в результате чего он становится доступным для новой порции композиции, пока двухшнековый конический смеситель выполняет соответствующий ему этап смешивания.
В качестве дополнения или альтернативы по отношению к вышеприведенному решению можно для каждой порции эластомерной композиции даже обеспечить возможность уменьшения числа этапов обработки в данной паре устройств. Например, Заявитель обнаружил, что по сравнению с традиционным способом, который включает целых четыре этапа смешивания в смесителе периодического действия (исключая дополнительный этап смешивания для включения ингредиентов, способных ускорить сшивание, как лучше разъяснено в дальнейшем), за которыми следует соответствующий этап выгрузки и приемки посредством разгрузочного устройства, при использовании настоящего изобретения достаточны только три этапа смешивания в смесителе периодического действия (всегда за исключением смешивания для включения ингредиентов, способных ускорить сшивание), за которыми следует соответствующий этап смешивания в двухшнековом коническом экструдере. С учетом также времени и ресурсов, требующихся для разгрузки-загрузки устройств, и всех операций, как правило, предусмотренных между двумя последовательными этапами (формования листов, охлаждения, складирования и т.д.), очевидна общая экономия затрат.
Кроме того, Заявитель отмечает, что дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что двухшнековый конический смеситель помимо выполнения вышеуказанного этапа смешивания при закрытой дверце также выполняет функцию удаления из смесителя периодического действия порции композиции, выгружаемой из последнего, и придания определенной формы композиции, то есть выполняет функции, которые, как правило, выполняются специально предназначенным разгрузочным устройством.
Примером разгрузочного устройства является так называемый «двухшнековый конический экструдер», имеющий два шнека, сужающихся по направлению к выпускному отверстию, полностью аналогичный вышеуказанному двухшнековому коническому смесителю, но не имеющий закрывающей дверцы. Однако такое устройство (и в равной степени вышеуказанный двухшнековый конический смеситель при открытой дверце) не обеспечивает перемешивания, достаточно интенсивного для получения эффектов от настоящего изобретения.
Заявитель отмечает, что двухшнековый конический смеситель имеет смесительную камеру с «конической» формой, в которой входная часть смесительной камеры, противоположная выпускному отверстию, значительно больше части вблизи выпускного отверстия. Следовательно, впускное отверстие, как правило, горизонтальное и расположенное во входной части и вблизи шнеков, является достаточно большим для обеспечения возможности приема всей порции (как правило, приблизительно 200-400 кг), выгружаемой из смесителя периодического действия за короткое время, и перемещения ее в смесительную камеру при температуре, аналогичной той, с которой она выходит из смесителя периодического действия. Это решает проблему совместимости между выпуском из смесителя периодического действия и впуском в двухшнековый конический смеситель при отсутствии необходимости, например, в разрыве эластомерной композиции для быстрой регулируемой подачи в двухшнековый конический смеситель. Кроме того предотвращается охлаждение композиции до холодного состояния до того, как вся порция будет полностью подана в двухшнековый конический смеситель, которое привело бы к дополнительной работе и/или расходу энергии и/или к затратам времени на восстановление температуры композиции в двухшнековом коническом смесителе.
Кроме того, двухшнековый конический смеситель имеет смесительную камеру, достаточно большую для размещения и обработки всей порции композиции, выходящей из смесителя периодического действия, при типовых размеров последнего в промышленных условиях.
Кроме того, двухшнековый конический смеситель придает удлиненную форму выгружаемой эластомерной композиции (после открытия дверцы), которая пригодна для последующей обработки.
Следовательно, Заявитель знает, что двухшнековый конический смеситель по настоящему изобретению может полностью заменить обычно используемое разгрузочное устройство, выполняя вышефункции перемещения материала из смесителя периодического действия и придания формы, пригодной для последующей обработки и/или хранения.
Другими словами, настоящее изобретение не вызывает увеличения числа устройств, необходимых для производства эластомерной композиции, по сравнению с обычными способами, а также не вызывает существенного увеличения их сложности и/или их габаритных размеров и/или затрат на их приобретение/эксплуатацию/техническое обслуживание при одновременном обеспечении вышеуказанного повышения их общей часовой производительности.
Действительно, как указано выше, настоящее изобретение, как правило, предусматривает увеличенное использование двухшнекового конического смесителя по отношению к обычному использованию разгрузочного устройства, в результате чего будет «занято» вышеуказанное время простоя, вызванное неиспользованием разгрузочного устройства (замененного в настоящем изобретении двухшнековым коническим смесителем).
В заключение, пара, образованная смесителем периодического действия и двухшнековым коническим смесителем (который также служит в качестве разгрузочного устройства), используется оптимально при сокращении времени простоя отдельных машин и повышении общей часовой производительности.
Заявитель также установил дополнительное преимущество настоящего изобретения, заключающееся в том, что по сравнению с другими смесителями двухшнековый конический смеситель является простым, экономичным, компактным и имеет незначительное энергопотребление.
Настоящее изобретение может включать один или более из нижеприведенных предпочтительных признаков.
Как правило, обработка композиции в соответствующем смесителе периодического действия, по меньшей мере, во время первого этапа включает один или более из следующих подэтапов.
Во время подачи поршень поднят и роторы вращаются. Впоследствии поршень опускается, и роторы «пережевывают» ингредиенты для ввода наполнителя в эластомер, возможно, с перерывом, за время которого поршень поднимается и снова опускается для очистки любых остатков. Как только ввод будет выполнен, поршень поднимается для возможной подачи оставшейся части наполнителя и/или пластифицирующих масел. Далее следуют несколько циклов обработки материала (как правило, 2 или 3), в которых наполнитель диспергируется (то есть размеры скоплений уменьшаются и обеспечивается их однородность в максимально возможной степени) и распределяется (то есть скопления распределяются в пространстве как можно более равномерно) в эластомере. В конце данного процесса композицию выгружают.
Для отслеживания и контроля процесса смешивания, как известно в данной области техники, через некоторое время измеряют некоторые параметры, как правило, такие как температура композиции, мощность, потребленная электродвигателями роторов, ход поршня, скорость вращения роторов, и их сравнивают, как правило, в реальном времени, с заданными соответствующими графиками для процесса.
Термин ʺмас. ч. на 100 мас. ч. эластомераʺ означает массовые части на сто частей общей массы эластомерного полимера.
Общее содержание эластомерного полимера (100 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера) в эластомерной композиции может быть обеспечено включением различных эластомерных полимеров.
Указанный, по меньшей мере, один эластомерный полимер предпочтительно выбран из: диеновых эластомерных полимеров и моноолефиновых эластомерных полимеров или их смесей.
Эластомерный диен может быть выбран, например, из эластомерных полимеров или сополимеров с ненасыщенной цепью, имеющих температуру перехода в стеклообразное состояние (температуру стеклования) (Tg), как правило, ниже 20°С, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0°С до приблизительно -110°С. Данные полимеры или сополимеры могут быть природными или могут быть получены полимеризацией в растворе, полимеризацией в эмульсии или газофазной полимеризацией одного или более диолефинов с сопряженными двойными связями, при необходимости смешанных с, по меньшей мере, одним сомономером, выбранным из моновиниларенов и/или полярных сомономеров. Получающиеся в результате полимеры или сополимеры предпочтительно содержат указанный, по меньшей мере, один сомономер, выбранный из моновиниларенов и/или сополярных мономеров, в количестве, составляющем не более 60 мас.% Примерами диеновых эластомерных полимеров являются: цис-1,4-полиизопрен (природный или синтетический каучук, предпочтительно природный каучук), 3,4-полиизопрен, поли-1,3-бутадиен (в частности, поли-1,3-бутадиен с высоким содержанием винильных групп, имеющий содержание 1,2-полимеризованных звеньев от приблизительно 15% до приблизительно 85% мас.), полихлоропрен, при необходимости галогенизированные сополимеры изопрена и изобутена, сополимеры 1,3-бутадиена и акрилонитрила, сополимеры 1,3-бутадиена и стирола, сополимеры 1,3-бутадиена и изопрена, сополимеры изопрена и стирола, терполимеры изопрена, 1,3-бутадиена и стирола или их смеси.
Моноолефиновые эластомерные полимеры могут быть выбраны, например, из: сополимеров этилена с, по меньшей мере, одним альфа-олефином, имеющим от 3 до 12 атомов углерода и, возможно, с диеном, имеющим от 4 до 12 атомов углерода, полиизобутена, сополимеров изобутена и, по меньшей мере, одного диена. Нижесоединения являются особенно предпочтительными: сополимеры этилена и пропилена (EPR), терполимеры этилена, пропилена и диена (EPDM), полиизобутен, бутилкаучуки, галобутиловые каучуки или их смеси.
Общее содержание армирующего наполнителя в эластомерной композиции равно или больше 20 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, более предпочтительно равно или больше 30 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, еще более предпочтительно больше или равно 40 мас. ч. на 100 мас. каучука  и/или меньше 120 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, более предпочтительно меньше или равно 100 мас. ч. на 100 мас. каучука.
Указанный, по меньшей мере, один армирующий наполнитель предпочтительно выбран из: сажи, армирующего наполнителя на основе кремнезема, оксида алюминия, карбоната кальция, каолина или их смесей.
Общее содержание сажи в эластомерной композиции предпочтительно равно или больше 20 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, более предпочтительно равно или больше 30 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, еще более предпочтительно больше или равно 40 мас. ч. на 100 мас. каучука  и/или меньше 120 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера, более предпочтительно меньше или равно 100 мас. ч. на 100 мас. каучука.
Таким образом, сопротивление композиции истиранию предпочтительно увеличивается. Однако как разъяснено выше, в этом случае вязкость имеет тенденцию к увеличению.
Эластомерная композиция предпочтительно может включать в себя один или более дополнительных армирующих наполнителей, выбранных, например, из: армирующего наполнителя на основе кремнезема, сажи, оксида алюминия, карбоната кальция, каолина или их смесей.
2
2
Выражение «армирующий наполнитель на основе кремнезема» предназначено для обозначения армирующего наполнителя на основе диоксида кремния (фактически кремнезема), силикатов и их смесей, как правило, имеющих площадь поверхности, измеренную согласно методу Брунауэра, Эммета и Тейлора, составляющую от 80 до 220 м/г, предпочтительно от 160 до 180 м/г.
Композиции, упрочненные наполнителями на основе кремнезема, используются, например, при производстве протекторных браслетов, поскольку данные композиции позволяют уменьшить сопротивление качению шины.
Диоксид кремния образует химическое соединение с полимерной основой в результате реакции со средством, способствующим адгезии с диоксидом кремния, которое, как правило, образовано силановым аппретом, который образует ингредиент эластомерной композиции. Действительно, часть силана вступает в реакцию с гидрофильной поверхностью кремнезема, а другая часть - с гидрофобной полимерной основой.
В этом случае процесс смешивания включает подэтап (по меньшей мере, существенная часть которого может происходить в смесителе периодического действия и/или в двухшнековом коническом смесителе), на котором обеспечивается химическая реакция между наполнителем на основе кремнезема и силановым аппретом.
В качестве силанового аппрета предпочтительно используется бис(3-триэтоксисилил-пропил)тетрасульфид, такой как известен на рынке под обозначением Si 69 и продается компанией Evonik.
Эластомерный полимер и/или армирующий наполнитель в количестве, соответствующем всему их содержанию в эластомерной композиции, предпочтительно подают в соответствующий смеситель периодического действия, более предпочтительно на указанном первом этапе смешивания. Таким образом, можно эффективно диспергировать армирующий наполнитель в полимере.
Указанное количество n предпочтительно больше или равно двум. Более предпочтительно, если также указанное количество m больше или равно двум.
Указанное количество n предпочтительно больше или равно трем.
Таким образом, композиции предпочтительно могут быть получены посредством более сложных производственных процессов, например, для включения ингредиентов на нескольких последовательных этапах и/или для выполнения дополнительных этапов «чистого» смешивания («повторного перемешивания»).
Предпочтительно непосредственно перед одним этапом (предпочтительно двумя) из n этапов смешивания после первого этапа смешивания предусмотрена подача антиоксидантов и/или антиозонантов в соответствующий один из одного или более смесителей периодического действия.
Указанные антиоксиданты и/или антиозонанты предпочтительно могут быть выбраны из фенилендиамина и его производных, дифениламина и его производных, дигидрохинолина и его производных, фенола и его производных, бензимидазола и его производных и гидрохинона и его производных.
Среди производных фенилендиамина особенно предпочтительны N-(1,3-диметилбутил)-N'-фенил-p-фенилендиамин (6PPD) и N,N'-дитолил-p-фенилендиамин (DTPD).
Из производных дифениламина могут быть выбраны, например, октилированный дифениламин (ODPA) и/или стиролсодержащий дифениламин (SDPA).
Среди производных дигидрохинона особенно предпочтителен полимеризованный 2,2,4-триметил-1,2-дигидрохинон (TMQ).
Среди производных фенола особенно предпочтителен 2,6-ди-трет-бутил-гидрокситолуол (ВНТ)
Среди производных бензимидазола особенно предпочтительны 2-меркаптобензимидазол (MBI), цинковая соль 2- меркаптобензимидазола (ZMBI), метил-2-меркаптобензимидазол (МMBI) и цинковая соль 2-метилмеркаптобензимидазола (ZМMBI).
Из производных гидрохинона могут быть выбраны, например, 2,5-ди-трет-бутилгидрохинон (TBHQ), 2,5-ди(трет-амил)гидрохинон (TAHQ), гидрохинон (HQ) и толугидрохинон (THQ).
Таким образом, любые ингредиенты, имеющие низкую температуру размягчения (такие как перечисленные выше), предпочтительно вводятся на этапе, следующем за первым этапом, на котором выполняется диспергирование армирующего наполнителя в полимерной матрице. Если бы такие ингредиенты уже были введены на первом этапе, они бы уменьшили сдвигающую силу, действующую на композицию, и, следовательно, диспергирование наполнителя в полимере.
Предпочтительно, по меньшей мере, один из n этапов смешивания после первого этапа смешивания, более предпочтительно третий этап из n этапов после второго этапа из n этапов, в свою очередь, после первого этапа смешивания представляет собой по существу этап повторного смешивания.
Под этапом смешивания понимается этап, на котором никакой ингредиент эластомерной композиции не вводят в соответствующий смеситель периодического действия. Таким образом, композиция предпочтительно подвергается этапу обработки, на профессиональном жаргоне называемому «remill» («повторное перемешивание»), который обеспечивает оптимальные характеристики диспергирования и распределения ингредиентов в полимерной основе и заданные физико-химические свойства получающейся в результате, эластомерной композиции как до, так и после вулканизации.
Предпочтительно на, по меньшей мере, одном из n этапов смешивания, следующих за указанным первым этапом смешивания, более предпочтительно на последнем этапе из n этапов смешивания предусмотрена подача ингредиентов, способных ускорить сшивание, в соответствующий смеситель периодического действия. Таким образом предпочтительно получают эластомерную композицию, поддающуюся вулканизации.
Общее содержание ингредиентов, способных содействовать сшиванию, предпочтительно больше 1 мас. ч. на 100 мас. каучука, более предпочтительно больше 2 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера  и/или меньше или равно 10 мас. ч. на 100 мас. каучука, более предпочтительно меньше или равно приблизительно 7 мас. ч. на 100 мас. каучука.
Указанные ингредиенты, способные содействовать сшиванию, предпочтительно содержат вулканизирующие средства, выбранные, например, из серы или серосодержащих молекул (доноров серы), или их смесей.
Указанные ингредиенты, способные содействовать сшиванию, предпочтительно содержат ускорители, выбранные, например, из группы: дитиокарбаматов, гуанидина, тиомочевины, тиазолов, сульфенамидов, тиурамов, аминов, ксантатов или их смесей.
Указанные ингредиенты, способные содействовать сшиванию, в количестве, соответствующем их общему содержанию, предпочтительно подают на указанном последнем этапе. Таким образом, предотвращаются явления подвулканизации.
Указанное количество m предпочтительно также больше или равно трем. То есть, способ включает три отдельных этапа смешивания в смесителе периодического действия, за каждым из которых следует соответствующий этап смешивания в двухшнековом коническом смесителе. Таким образом, Заявитель заметил, что, например, для композиций с высоким содержанием армирующих наполнителей, то есть бóльшим или равным 40 мас. ч. на 100 мас. каучука, можно обеспечить диспергирование ингредиентов и заданные физико-химические свойства всего при трех этапах в смесителе периодического действия в отличие от обычно используемых четырех этапов.
Количество n предпочтительно больше или равно четырем, более предпочтительно равно четырем. Таким образом, включены как вышеуказанные три этапа в смесителе периодического действия, за которыми следуют три соответствующих этапа в двухшнековом коническом смесителе и последний этап смешивания для включения ингредиентов, способных ускорить сшивание.
Количество m предпочтительно равно трем. Заявитель действительно установил эмпирически, что последний этап смешивания для включения ингредиентов, способных ускорить сшивание, не требует соответствующего этапа смешивания в двухшнековом коническом смесителе при закрытой дверце, в результате чего упрощается процесс получения композиции, поддающейся вулканизации.
Предпочтительно за указанным последним этапом из указанных n этапов смешивания (предпочтительно немедленно) следует соответствующий этап выгрузки указанной соответствующей порции эластомерной композиции из указанного выпускного отверстия соответствующего двухшнекового конического смесителя при указанной дверце, расположенной в указанной открытой конфигурации. Таким образом, одно и то же устройство, то есть двухшнековый конический смеситель, предпочтительно используется также для удаления эластомерной композиции и придания ей формы, как разъяснено выше.
Помимо, по меньшей мере, одного эластомерного полимера, армирующего наполнителя и указанных ингредиентов, способных содействовать сшиванию, по меньшей мере, один из нижеуказанных ингредиентов предпочтительно может присутствовать в эластомерной композиции:
3
3
4
2
- активаторы, такие как соединения цинка и, в частности, ZnO, ZnCO, цинковые соли насыщенных или ненасыщенных жирных кислот, содержащих от 8 до 18 атомов углерода, например, такие как стеарат цинка, которые предпочтительно образуются на месте в эластомерной композиции из ZnO и жирной кислоты, а также BiO, PbO, PbO, PbO или их смеси;
- добавки, выбранные на основе конкретного применения, для которого предназначена композиция, например, такие как антиоксиданты, противостарители, пластификаторы (такие как пластифицирующие масла), средства, придающие липкость, антиозонаторы, смоляные усиливающие наполнители или их смеси.
В одном варианте осуществления в соответствующий двухшнековый конический смеситель не подают никакого ингредиента эластомерной композиции за исключением соответствующей порции эластомерной композиции, выгружаемой из соответствующего смесителя периодического действия. Таким образом, выдача и подача ингредиентов предпочтительно упрощаются, при этом Заявитель установил в результате наблюдений, что двухшнековый конический смеситель предпочтительно может функционировать в качестве смесителя для повторного перемешивания, обеспечивая придание заданных физико-химических свойств получающейся в результате, эластомерной композиции.
Предпочтительно предусмотрено обеспечение только одного смесителя периодического действия для всех n этапов смешивания и/или только одного двухшнекового конического смесителя для всех m этапов смешивания. Таким образом, предпочтительно обеспечивается возможность получения порции эластомерной композиции или более предпочтительно последовательности порций композиции, как описано выше, посредством множества последовательных этапов в одной и той же паре устройств. Однако настоящее изобретение также предусматривает случай, в котором различные этапы смешивания выполняют в физически разных смесителях периодического действия и/или двухшнековых конических смесителях.
Каждый или один двухшнековый конический смеситель может иметь один или более из следующих предпочтительных признаков.
Указанные шнеки двухшнекового конического смесителя предпочтительно представляют собой спиральные шнеки с переменным шагом, как правило, с шагом, который монотонно уменьшается по направлению к выпускному отверстию.
Указанные шнеки предпочтительно являются взаимопроникающими.
Указанные шнеки двухшнекового конического смесителя предпочтительно вращаются с одинаковой скоростью.
Указанный соответствующий второй заданный интервал времени смешивания в указанном двухшнековом коническом смесителе при закрытой дверце предпочтительно больше или равен 60 сек, более предпочтительно больше или равен 90 секундам и/или меньше или равен 250 с, более предпочтительно меньше или равен 180 с. Таким образом, обеспечивается достаточная обработка композиции, а также время обработки в двухшнековом коническом смесителе остается сопоставимым с типовым временем обработки в смесителе периодического действия для максимизации часовой производительности данной пары машин.
Указанное смешивание в указанном двухшнековом коническом смесителе предпочтительно происходит посредством чередования, по меньшей мере, одного подэтапа (более предпочтительно, по меньшей мере, двух подэтапов) смешивания при нормальном вращении шнеков и, по меньшей мере, одного подэтапа (более предпочтительно двух подэтапов) смешивания при обратном вращении шнеков. Под нормальным вращением понимается вращение, при котором шнеки продвигают материал к выпускному отверстию. Под обратным вращением понимается вращение в направлении, противоположном направлению нормального вращения.
Указанный подэтап (или каждый из указанных подэтапов) смешивания при нормальном вращении предпочтительно длится в течение интервала времени, большего или равного 20 с и/или меньшего или равного 60 с.
Указанный подэтап (или каждый из указанных подэтапов) смешивания при обратном вращении предпочтительно длится в течение интервала времени, большего или равного 5 с и/или меньшего или равного 30 с.
Заявитель осознал, что чередование смешивания при нормальном и обратном вращении предпочтительно улучшает смешивание и однородность материала.
Указанные шнеки предпочтительно вращаются со скоростью, которая меньше или равна 130 об/мин (оборотов в минуту), более предпочтительно меньше или равна 100 об/мин и/или больше или равна 20 об/мин.
Во время смешивания в указанном двухшнековом коническом смесителе температура во внутренней смесительной камере предпочтительно поддерживается большей или равной 120°С и/или меньшей или равной 150°С, более предпочтительно меньшей или равной 140°С. Таким образом, предпочтительно предотвращается явление подвулканизации композиции, то есть нежелательного сшивания эластомера.
Во время смешивания в указанном двухшнековом коническом смесителе температуру во внутренней смесительной камере предпочтительно регулируют, изменяя скорость вращения шнеков.
Указанные шнеки предпочтительно имеют максимальный диаметр (во входной части), который меньше или равен 1000 мм, более предпочтительно меньше или равен 900 мм и/или больше или равен 500 мм, более предпочтительно больше или равен 600 мм.
Указанные шнеки предпочтительно имеют минимальный диаметр (у выпускного отверстия), который меньше или равен 500 мм, более предпочтительно меньше или равен 400 мм и/или больше или равен 100 мм, более предпочтительно больше или равен 200 мм.
Указанные шнеки предпочтительно имеют длину, которая меньше или равна 2000 мм, более предпочтительно меньше или равна 1500 мм и/или больше или равна 500 мм, более предпочтительно больше или равна 700 мм.
Указанные шнеки вместе предпочтительно образуют (вблизи выпускного отверстия) острый угол (по отношению к осям вращения шнеков), который меньше или равен 30°, более предпочтительно меньше или равен 20° и/или больше или равен 10°, более предпочтительно больше или равен 12°.
Каждый из шнеков предпочтительно приводится в движение электродвигателем, имеющим мощность, которая меньше или равна 300 кВт, более предпочтительно меньше или равна 200 кВт и/или больше или равна 80 кВт, более предпочтительно больше или равна 100 кВт. Таким образом, смешивание является одновременно эффективным и требующим низкого расхода энергии.
Указанный двухшнековый конический смеситель предпочтительно содержит загрузочную воронку, имеющую нижний конец у впускного отверстия и верхний конец у разгрузочного отверстия соответствующего смесителя периодического действия.
Указанная загрузочная воронка предпочтительно выполнена с возможностью непрерывающегося соединения смесительной камеры соответствующего смесителя периодического действия со смесительной камерой двухшнекового конического смесителя. Таким образом, композиция предпочтительно не находится в контакте с внешней средой.
Двухшнековый конический смеситель предпочтительно содержит всасывающий насос, соединенный по текучей среде с внутренней камерой двухшнекового конического смесителя, более предпочтительно имеющий всасывающее отверстие у загрузочной воронки. Таким образом, предпочтительно могут быть отсосаны побочные продукты смешивания, как правило, в виде пара, например, воды и/или, возможно, этанола.
Указанное впускное отверстие предпочтительно имеет сечение, которое проходит вблизи шнеков, более предпочтительно параллельно шнекам.
2
2
Указанное впускное отверстие двухшнекового конического смесителя предпочтительно имеет сечение, имеющее площадь, которая больше или равна 2000 см, более предпочтительно больше или равна 3000 см. Таким образом, предпочтительно обеспечивается возможность загрузки всей порции композиции во внутреннюю камеру двухшнекового смесителя за короткое время.
Указанная внутренняя камера двухшнекового конического смесителя предпочтительно имеет полезный объем для смешивания композиции (то есть свободный объем, доступный для обработки композиции), который больше или равен 100 литрам, более предпочтительно больше или равен 150 литрам. Таким образом, двухшнековый конический смеситель предпочтительно может обрабатывать одновременно всю порцию композиции.
Указанная порция композиции предпочтительно имеет общую массу, которая больше или равна 100 кг и/или меньше или равна 500 кг.
Смешивание в указанном соответствующем смесителе периодического действия предпочтительно выполняют при скорости роторов, как правило, непостоянной, большей или равной 10 оборотам в минуту и/или меньшей или равной 80 оборотам в минуту, более предпочтительно составляющей от 20 до 60 оборотов в минуту.
Указанный соответствующий первый интервал времени смешивания в указанном соответствующем смесителе периодического действия предпочтительно больше или равен 100 с, более предпочтительно больше или равен 150 с и/или меньше или равен 500с, более предпочтительно меньше или равен 400 с.
Указанные роторы предпочтительно являются встречно-вращающимися.
Указанные роторы могут представлять собой роторы тангенциального или взаимопроникающего типа.
Конкретными примерами смесителей периодического действия, которые могут быть предпочтительно использованы согласно настоящему изобретению, являются смесители, известные под товарным знаком Banbury или Intermix, в зависимости от того, работают ли роторы соответственно тангенциально по отношению друг к другу или являются взаимопроникающими.
Подача соответствующей порции эластомерной композиции в соответствующий двухшнековый конический смеситель предпочтительно происходит немедленно после выгрузки соответствующей порции эластомерной композиции из соответствующего смесителя периодического действия. Температура эластомерной композиции, подаваемой в соответствующий двухшнековый конический смеситель, предпочтительно по существу равна температуре эластомерной композиции, выгружаемой из смесителя периодического действия, более предпочтительно больше или равна 60°С, еще более предпочтительно больше или равна 80°С. Таким образом, экономится энергия, необходимая для доведения композиции до температуры для обработки в двухшнековом коническом смесителе.
Предпочтительно дополнительно предусмотрено придание соответствующей эластомерной композиции, выгружаемой из соответствующего двухшнекового конического смесителя, формы листа посредством использования листовального устройства, расположенного по ходу за соответствующим двухшнековым коническим смесителем. Указанное листовальное устройство может представлять собой, например, каландр или смеситель открытого типа с встречно-вращающимися вальцами. Таким образом, композиция предпочтительно приобретает пригодную форму для последующего манипулирования/обработки и/или хранения.
Предпочтительно предусмотрено охлаждение листообразной эластомерной композиции в системе фестонного типа, расположенной по ходу за указанным листовальным устройством. Система фестонного типа предпочтительно обеспечивает удаление композиции из двухшнекового конического смесителя.
Указанную охлажденную эластомерную композицию предпочтительно размещают с определенным шагом на поддоне и складируют.
Согласно его дополнительному аспекту настоящее изобретение относится к способу изготовления шин, предпочтительно для тяжелых транспортных средств, включающему:
- сборку невулканизированной шины;
- подвергание невулканизированной шины формованию в пресс-форме и вулканизации для получения готовой шины,
при этом, по меньшей мере, один компонент невулканизированной шины содержит эластомерную композицию.
Указанный компонент может представлять собой один из различных конструктивных элементов шины, например, таких как протекторный браслет, подслой, слой каркаса, слой брекера, боковина, упрочненный элемент, слой, препятствующий истиранию. Указанный компонент предпочтительно представляет собой протекторный браслет.
Согласно типовому способу конструктивные элементы могут быть собраны впоследствии при использовании соответствующего сборочного устройства для получения готовой шины.
С другой стороны, в данной области техники известны альтернативные способы сборки шины без использования полуфабрикатов.
В этой связи в случае конструктивных элементов шин, которые по существу состоят из эластомерной композиции, например, таких как протекторный браслет, непрерывный удлиненный лентообразный элемент накладывают на опору, несущую шину, подлежащую сборке, при этом непрерывный удлиненный лентообразный элемент размещают так, чтобы сформировать множество следующих друг за другом витков, расположенных рядом друг с другом и/или с наложением друг на друга, для получения шины в ее конечной конфигурации. В альтернативном варианте в случае конструктивных элементов шины, которые по существу состоят из эластомерной композиции и, по меньшей мере, одного из армирующих кордов, например, таких как слой каркаса, слой брекера, непрерывный удлиненный лентообразный элемент соединяют с, по меньшей мере, одним армирующим кордом для изготовления полуфабрикатов в виде обрезиненного корда или полосообразного элемента, содержащего, по меньшей мере, один армирующий корд, которые далее накладывают на опору, несущую шину, подлежащую сборке, в виде витков, расположенных рядом друг с другом и/или с наложением друг на друга, для получения шины в ее конечной конфигурации.
Настоящее изобретение будет проиллюстрировано с дополнительными подробностями подробно посредством иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:
- фиг.1 показывает иллюстративную установку для производства эластомерной композиции согласно настоящему изобретению;
- фиг.2 показывает схематическое и частичное сечение двухшнекового конического смесителя, используемого в настоящем изобретении.
Ссылочная позиция 1 обозначает пример промышленной установки, адаптированной для выполнения способа производства эластомерной композиции с армирующим наполнителем согласно настоящему изобретению.
Установка содержит (по меньшей мере) один смеситель 101 периодического действия, содержащий смесительную камеру, два встречно-вращающихся ротора, размещенных в смесительной камере, и поршень (непоказанный), расположенный над роторами и выполненный с возможностью перемещения по направлению к двум роторам и от них. Смесительное устройство периодического действия обычно предусмотрено с пневматическим или гидравлическим цилиндром, расположенным в верхней части смесительной камеры и предназначенным для обеспечения перемещения поршня вверх, чтобы сделать смесительную камеру доступной, в результате чего обеспечивается возможность ввода ингредиентов через специальные загрузочные воронки (непоказанные), и вниз для приложения давления к материалу, обрабатываемому роторами и размещенному над ними. Гидравлическая система, размещенная в нижней части смесительной камеры, обеспечивает перемещение дверцы, которая открывает соответствующее разгрузочное отверстие 110 для обеспечения возможности выгрузки эластомерной композиции в конце цикла смешивания.
Фиг.1 схематически показывает смеситель периодического действия с тангенциальными роторами.
Как правило, в промышленности внутренний объем смесительной камеры обеспечивает возможность получения порций композиции, каждая из которых весит несколько сотен килограммов (200-400 кг).
Установка 1 дополнительно содержит (по меньшей мере) один двухшнековый конический смеситель 201, расположенный под смесителем периодического действия.
Двухшнековый конический смеситель имеет смесительную камеру 202, выполненную с впускным отверстием 203 и выпускным отверстием 204.
2
Впускное отверстие 203 предпочтительно имеет сечение, которое проходит вблизи шнеков и имеет площадь, которая больше или равна 2000 см.
Как правило, смесительная камера 202 состоит из первой части 202а, проксимальной по отношению к выпускному отверстию 204 и закрытой с ее боковой стороны, и второй части 202b, которая больше первой части, расположена напротив нее и расположена у впускного отверстия 203 (и, следовательно, вторая часть открыта с боковой стороны у впускного отверстия).
В смесительной камере размещены два конических встречно-вращающихся шнека 205, сужающихся по направлению к выпускному отверстию. Острый угол 210, образованный двумя осями вращения шнеков, в качестве примера равен 16°.
Двухшнековый конический смеситель дополнительно снабжен дверцей 206, выполненной с возможностью полного открытия и закрытия выпускного отверстия 204. На фиг.2 дверца схематически показана при закрытой конфигурации выпускного отверстия, в то время как на фиг.1 она показана при открытой конфигурации выпускного отверстия 204.
Шнеки двухшнекового конического смесителя предпочтительно представляют собой взаимопроникающие спиральные шнеки с шагом, который уменьшается строго монотонно по направлению к выпускному отверстию 204. Как правило, шнеки не имеют смешивающих частей, то есть выполненных с возможностью придания напряжений сдвига обрабатываемому материалу.
Каждый из шнеков предпочтительно приводится во вращение специально предназначенным электродвигателем (непоказанным), и смеситель может содержать синхронизирующее устройство (непоказанное) между двумя шнеками, которое обеспечивает их синхронное и встречное вращение.
Двухшнековый конический смеситель предпочтительно содержит загрузочную воронку 207 с нижним концом у впускного отверстия 203 и верхним концом у разгрузочного отверстия 110 смесителя 101 периодического действия.
Верхний конец загрузочной воронки предпочтительно окружает разгрузочное отверстие 110 при плотном контакте со смесителем периодического действия для создания непрерывности между смесителем периодического действия и двухшнековым коническим смесителем.
Двухшнековый конический смеситель предпочтительно включает в себя всасывающий насос 208, имеющий всасывающее отверстие 209 у боковых стенок загрузочной воронки.
Установка 1 предпочтительно содержит листовальное устройство 301 (в качестве примера каландр, как показано на фиг.1, или смеситель открытого типа с встречно-вращающимися вальцами или вальцами открытого типа, непоказанный), расположенное по ходу за двухшнековым коническим смесителем.
Установка 1 предпочтительно содержит систему 401 фестонного типа, расположенную по ходу за листовальным устройством и выполненную с возможностью перемещения композиции от смесителя и охлаждения ее (например, посредством струй воздуха). Как правило, система фестонного типа содержит резервуар 402 для смачивания эластомерной композиции жидкостью, препятствующей прилипанию.
Соответствующие ленточные конвейеры 302, как правило, расположены между двухшнековым коническим смесителем и листовальным устройством и/или между последним и системой фестонного типа.
Установка 1 предпочтительно содержит станцию 501 загрузки, на которой охлажденную эластомерную композицию размещают с определенным шагом на поддоне 502 для временного хранения при ожидании подвергания композиции последующим циклам обработки.
При использовании установка 1 адаптирована для выполнения способа производства эластомерной композиции 108 с армирующим наполнителем согласно настоящему изобретению.
Указанная эластомерная композиция 108 может представлять собой маточную смесь, то есть эластомерную композицию, которая имеет эластомерную основу и армирующий наполнитель, уже включенный в нее, но в которую еще не были включены, по меньшей мере, средства, которые ускоряют вулканизацию, для получения конечной эластомерной композиции, поддающейся вулканизации и адаптированной для включения в невулканизированную шину (например, в виде компонента шины, как правило, такого как протекторный браслет). Вулканизирующие средства, как правило, вводят на дополнительном отдельном этапе смешивания, как лучше разъяснено в дальнейшем, для получения конечной композиции.
Для производства эластомерной композиции 108 согласно настоящему изобретению предусмотрена подача эластомерного полимера 102 (с общим содержанием, равным по определению 100 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера) и, по меньшей мере, 10 мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера армирующего наполнителя 103  в смеситель 101 периодического действия.
Затем следует первый этап обработки ингредиентов, введенных в смеситель периодического действия, который включает несколько подэтапов, включающих ввод армирующего наполнителя в эластомерный полимер, диспергирование и распределение армирующего наполнителя в полимерной основе, ввод дополнительных ингредиентов, таких как пластифицирующие масла, и т.д.
Как правило, во время этого процесса поршень выполняет несколько циклов хода вверх и вниз, как известно в промышленности.
В конце вышеуказанной обработки порцию эластомерной композиции 108, полученной таким образом, в которой армирующий наполнитель по существу равномерно диспергирован и распределен в эластомерном полимере, полностью выгружают из разгрузочного отверстия 110 смесителя 101 периодического действия.
Значительная часть смешивания предпочтительно происходит в двухшнековом коническом смесителе 201.
Для этого всю порцию композиции 108, выгруженную из смесителя периодического действия, подают всю сразу в двухшнековый конический смеситель. Например, дверца, которая закрывает снизу смесительную камеру смесителя 101 периодического действия, открывается, так что вся порция опускается под действием силы тяжести в воронку 207, чтобы она дошла до впускного отверстия 203 двухшнекового конического смесителя.
В нем композиция 108 сталкивается со шнеками 205, которые ранее были приведены во вращение. Комбинация большой площади сечения впускного отверстия 203, большой второй части 202b смесительной камеры 202 и большого шага спирали и глубины рабочего канала шнеков 205 у впускного отверстия 203 обеспечивает возможность быстрого ввода всей порции композиции 108 в смесительную камеру 202.
Предпочтительно никакой другой ингредиент эластомерной композиции 108 помимо композиции 108 не вводится в двухшнековый конический смеситель.
При подаче композиции 108 в двухшнековый конический смеситель дверца, как правило, уже находится в положении, соответствующем закрытой конфигурации выпускного отверстия 204 (фиг.2)), и, как было упомянуто, шнеки 205 уже вращаются.
При дверце в данной конфигурации композицию обрабатывают в смесительной камере 202 двухшнекового конического смесителя. Когда пройдет соответствующий интервал времени, дверцу 206 переводят в положение, соответствующее открытой конфигурации выпускного отверстия (фиг.1), и эластомерную композицию 108 выгружают из выпускного отверстия 204 двухшнекового конического смесителя, который остается свободным.
Во время обработки в двухшнековом коническом смесителе, как правило, первая часть 202а смесительной камеры полностью заполнена композицией, в то время как вторая часть 202b только частично заполнена композицией.
Вследствие функции транспортирования, выполняемой шнеками 205 при вращении в нормальном направлении, и при блокирующем воздействии, оказываемом дверцей 206, композиция подвергается рециркуляции материала в продольном направлении, что способствует смешиванию материала, и при этом материал не подвергается напряжениям сдвига, что, как правило, происходит в смесителях, таких как вышесмесители периодического действия или смесители непрерывного действия.
Смешивание в двухшнековом коническом смесителе предпочтительно происходит посредством чередования, по меньшей мере, одного этапа смешивания при нормальном вращении шнеков и, по меньшей мере, одного этапа смешивания при обратном вращении шнеков
Во время обратного вращения шнеков обрабатываемый материал перемещается от дверцы 206, чтобы затем он был снова прижат к дверце 206 во время нормального вращения шнеков. Это увеличивает степень перемешивания материала.
Во время смешивания в двухшнековом коническом смесителе температура обрабатываемого материала предпочтительно поддерживается в регулируемом диапазоне значений (например, 130°-140°С). Для этого двухшнековый конический смеситель снабжен системой терморегулирования (как правило, жидкостной) (например, в виде совокупности каналов для жидкости, образованных в корпусе смесителя), не показанной на фигурах, которая воздействует на смесительную камеру. Кроме того, скорость вращения шнеков можно изменять соответствующим образом в зависимости от измеренной температуры посредством цикла обратной связи для регулирования температуры материала.
В качестве примера, эластомерной композиции 108, выгружаемой в виде непрерывного потока из двухшнекового конического смесителя, придают форму листа посредством каландра 301, и далее ее перемещают к системе 401 фестонного типа для смачивания жидкостью, препятствующей прилипанию, и охлаждения.
Как правило, охлажденную эластомерную композицию 108 размещают с определенным шагом на поддоне 502 и складируют для ожидания последующих этапов обработки.
Эластомерную композицию 108, полученную таким образом, предпочтительно подвергают, по меньшей мере, одному дополнительному этапу, предпочтительно, по меньшей мере, двум дополнительным этапам в паре устройств, состоящей из смесителя 101 периодического действия и двухшнекового конического смесителя 201, при этом каждый дополнительный этап происходит по существу так, как описано выше, с той разницей, что вводимые ингредиенты различаются. Например, на втором этапе антиоксиданты и/или антиозонанты могут быть введены в смеситель периодического действия, в то время как на третьем этапе не вводят никакого дополнительного ингредиента. Предпочтительно никакого ингредиента не подают в двухшнековый конический смеситель.
Для получения эластомерной композиции, поддающейся вулканизации и адаптированной для включения в невулканизированную шину, дополнительный последний этап смешивания, как правило, выполняют в смесителе 101 периодического действия.
В этом случае в смеситель периодического действия подают (охлажденную) эластомерную композицию 108 и, по меньшей мере, ингредиенты, способные ускорить сшивание. Затем ингредиенты, способные содействовать сшиванию, смешивают в смесителе периодического действия с эластомерной композицией 108 (как правило, при контроле того, чтобы температура не повышалась до значений, которые могли бы инициировать по меньшей мере частичную вулканизацию или подвулканизацию) для получения соответствующей порции эластомерной композиции, поддающейся вулканизации, которая в конце полностью выгружается из последнего/концевого смесителя.
После стадии смешивания соответствующую порцию конечной полученной эластомерной композиции полностью выгружают из смесителя 101 периодического действия и затем подают в двухшнековый конический смеситель, который обеспечивает выгрузку (по существу без какого-либо дополнительного смешивания) соответствующей порции эластомерной композиции из выпускного отверстия 204 при дверце 206, расположенной в открытой конфигурации. Следовательно, в данном случае двухшнековый конический смеситель 201 может быть использован в качестве разгрузочного устройства, сблокированного со смесителем 101 периодического действия, когда дверца 206 удерживается открытой.
Далее следуют дополнительные этапы обработки и/или придания формы соответствующей полученной эластомерной композиции, такие как пропускание через листовальное устройство 301, последующее охлаждение в виде фестонов, экструзия для получения полуфабриката и т.д.
В одном варианте осуществления смеситель периодического действия, используемый для некоторых или всех соответствующих этапов смешивания, физически представляет собой один и тот же смеситель и/или двухшнековый конический смеситель, используемый для некоторых или всех соответствующих этапов смешивания, физически представляет собой один и тот же смеситель. Другими словами, эластомерную композицию 108 неоднократно возвращают в один и тот же смеситель 101 периодического действия для ее подвергания вышеуказанным n этапам смешивания и вышеуказанным m этапам смешивания.
В альтернативном варианте осуществления смеситель периодического действия может представлять собой другой смеситель для каждого или некоторых из n этапов смешивания, и это аналогично имеет место для двухшнекового конического смесителя.
Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже посредством двух тестовых примеров, а именно сравнительного примера 1 и примера 2 согласно настоящему изобретению, которые приведены только в качестве примера и без какого-либо ограничения настоящего изобретения.
В Таблицах 1, 2 и 3 показан состав ингредиентов композиции для протектора шины, как правило, используемых в примерах 1-2 (количества приведены в массовых частях на 100 частей эластомерного полимера).
ТАБЛИЦА 1
ИНГРЕДИЕНТ
мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера
природный каучук, STR 20 - Thaiteck Rubber
60
1,4-полибутадиен с высоким содержанием цис-звеньев, BR40 Europrene Neocis - Polimeri Europa
40
Сажа: (N234 Cabot)
50
Оксид цинка (зеленый герметик) (Zincol Ossidi)
4
Стеариновая кислота - STEARIN N (SOGIS)
2
микрокристаллическая восковая композиция (Antilux 654 - Lanxess)
1
CTP: циклогексилтиофталимид (Vulkalent G - Bayer)
0,1
ТАБЛИЦА 2
ИНГРЕДИЕНТ
мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера
6PPD (2,2,4-триметил-1,2-дигидрохинолин - Vulcanox 4020 - Bayer)
2
Антиоксидант, пара-фенилендиамин (Santoflex 13 - Monsanto)
2
ТАБЛИЦА 3
ИНГРЕДИЕНТ
мас. ч. на 100 мас. ч. эластомера
Ускоритель CBS N-циклогексил-2-бензотиазилсульфенамид (Vulkacit CZ - Bayer)
1,5
Растворимая сера: (Eastman)
1
Пример 1 (Сравнительный)
Первый этап
Все компоненты, перечисленные в Таблице 1, были смешаны вместе в смесителе Banbury (модель F270), работающем при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 270 секунд;
- коэффициент заполнения: 75%;
- скорость роторов: переменная от 25 до 40 об/мин;
- температура при выгрузке: 135°С.
Первый этап выгрузки
Эластомерная композиция, полученная на первом этапе, была немедленно выгружена в виде одного раствора из Banbury в двухшнековый конический смеситель Colmec СТМ315 со следующими характеристиками:
- Максимальный диаметр шнеков 800 мм
- Минимальный диаметр шнеков 300 мм
- Длина шнеков 1000 мм
- Угол между шнеками 16°
- Мощность каждого электродвигателя 160 кВт
2
- площадь сечения впускного отверстия приблизительно 5000 см
Общее время разгрузки смесителя Banbury равно 30 секундам.
Посредством вышеуказанного конического смесителя материал был немедленно удален при работе при следующих рабочих условиях:
- дверца в открытой конфигурации
- скорость вращения шнеков: 80 об/мин
- нормальное вращение (n)
- общее время опорожнения двухшнекового конического смесителя: 90 сек.
Материал, выходящий из двухшнекового конического смесителя, затем формовали в виде листов, охлаждали до температуры внутри помещения (23°) и складировали.
Второй этап
Эластомерная композиция, полученная описанным выше образом, а также все ингредиенты из Таблицы 2 были смешаны вместе в смесителе Banbury (модель F270), работающем при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 180 секунд;
- коэффициент заполнения: 70%;
- скорость роторов: переменная от 30 до 40 об/мин;
- температура при выгрузке: 130°С.
Второй этап выгрузки
Аналогичен первому этапу выгрузки.
Третий этап (первый этап повторного смешивания)
Эластомерная композиция, полученная таким образом, была подана без добавления дополнительных ингредиентов в смеситель Banbury (модель F270), работающий при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 180 секунд;
- коэффициент заполнения: 70%;
- скорость роторов: переменная от 30 до 40 об/мин;
- температура при выгрузке: 130°С.
Третий этап выгрузки
Аналогичен первому этапу выгрузки.
Четвертый этап (второй этап повторного смешивания)
Эластомерная композиция, полученная таким образом, была подана без добавления дополнительных ингредиентов в смеситель Banbury (модель F270), работающий при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 180 секунд;
- коэффициент заполнения: 70%;
- скорость роторов: переменная от 30 до 40 об/мин;
- температура при выгрузке: 130°С.
Четвертый этап выгрузки
Аналогичен первому этапу выгрузки.
Последний этап
Эластомерная композиция, полученная таким образом, а также все ингредиенты из Таблицы 3 были поданы в смеситель Banbury (модель F270), и последний этап смешивания выполняли при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 150 секунд;
- коэффициент заполнения: 75%;
- скорость роторов: 30 оборотов в минуту;
- температура при выгрузке: 100°С.
Последний этап выгрузки
Аналогичен первому этапу выгрузки.
Пример 2 (изобретение)
Первый этап
Все компоненты, перечисленные в Таблице 1, были смешаны вместе в смесителе Banbury (модель F270), работающем при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 270 секунд;
- коэффициент заполнения: 75%;
- скорость роторов: переменная от 25 до 40 об/мин;
- температура при выгрузке: 135°С.
Первый промежуточный этап
Порцию эластомерной композиции, полученную на вышеуказанном первом этапе, немедленно выгружали из смесителя Banbury в виде одного раствора в воронку двухшнекового конического смесителя Colmec СТМ315.
Как и в вышеуказанном случае, общее время разгрузки смесителя Banbury равно 30 секундам.
Затем дополнительное смешивание немедленно выполняли в двухшнековом коническом смесителе без добавления какого-либо дополнительного ингредиента при работе при следующих рабочих условиях:
- дверца в закрытой конфигурации
- скорость вращения шнеков от 40 до 80 об/мин
- профиль нормального (n) -обратного (i) вращения: n-i-n-i-n
- соответствующее время смешивания: 45-15-45-15-30 секунд
- общее время смешивания в коническом смесителе: 150 секунд
- общее время опорожнения конического смесителя: 60 секунд
- температура композиции, измеренная при выгрузке: 130°С.
Материал, выходящий из двухшнекового конического смесителя, затем формовали в виде листов, охлаждали до температуры внутри помещения (23°) и складировали для последующих этапов обработки следующим образом.
Второй этап
Эластомерная композиция, полученная описанным выше образом, а также все ингредиенты из Таблицы 2 были смешаны вместе в смесителе Banbury (модель F270), работающем при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 210 секунд;
- коэффициент заполнения: 70%;
- скорость роторов: переменная от 30 до 40 об/мин;
- температура при выгрузке: 130°С.
Второй промежуточный этап
Аналогичен первому промежуточному этапу.
Третий этап
Эластомерная композиция, полученная таким образом, была подана без добавления дополнительных ингредиентов в смеситель Banbury (модель F270), работающий при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 180 секунд;
- коэффициент заполнения: 70%;
- скорость роторов: переменная от 30 до 40 об/мин;
- температура при выгрузке: 130°С.
Третий промежуточный этап
Аналогичен первому промежуточному этапу.
Последний этап
Эластомерная композиция, полученная таким образом, а также все ингредиенты из Таблицы 3 были поданы в смеситель Banbury (модель F270), и последний этап смешивания выполняли при следующих рабочих условиях:
- время смешивания: 150 секунд;
- коэффициент заполнения: 75%;
- скорость роторов: 30 оборотов в минуту;
- температура при выгрузке: 100°С.
Последний этап выгрузки
Эластомерную композицию, полученную на последнем этапе, немедленно выгружали в виде одного раствора из смесителя Banbury в воронку вышеуказанного двухшнекового конического смесителя Colmec СТМ315.
Общее время разгрузки смесителя Banbury равно 30 секундам.
Посредством вышеуказанного конического смесителя материал был немедленно удален при работе при следующих рабочих условиях:
- дверца в открытой конфигурации
- скорость вращения шнеков: 80 об/мин
- нормальное вращение (n)
- общее время опорожнения двухшнекового конического смесителя: 90 секунд.
Материал, выходящий из двухшнекового конического смесителя, затем формовали в виде листов, охлаждали до температуры внутри помещения (23°) и складировали.
Эластомерные композиции, полученные в Примерах 1 и 2, были подвергнуты испытаниям для оценки следующих характеристик: процентного содержания недиспергированного наполнителя, вязкости по Муни (ML 1+4), нагрузок Са1, Са3, СR при удлинении: полученные результаты показаны в Таблице 4.
Процентное содержание недиспергированного наполнителя определяли следующим образом на несшитых образцах, извлеченных из композиции после последнего этапа выгрузки.
Для каждой композиции квадратные образцы были получены из композиции, подвергнутой вулканизации в течение 10 минут при 170°С, при этом сторона квадрата составляла 2,5 мм и толщина образца находилась в диапазоне от 0,5 до 6 мм. Микротом Leiсa LN 20 с криогенными элементами был использован для подготовки образцов.
Впоследствии изображения поверхности образцов были получены посредством микроскопа Leica DM 4000 с аналоговой камерой.
2
3
Для этих образцов, каждый из которых имел общую площадь 6,25 мм, была применен метод AIA (автоматического анализа изображений) с использованием программного обеспечения для анализа изображений Image-Pro™ от компании Media Cybernetics, Inc. На практике данный метод анализа позволяет вычислить процентное содержание по объему скоплений армирующего наполнителя, имеющих объем свыше 7 мм, относительно общего объема армирующего наполнителя.
2
Значения, показанные в таблице, получены из расчета для десяти изображений при общей площади 62,5 мм.
Следует отметить, что Заявитель эмпирически удостоверился в том, что значения для недиспергированных наполнителей, составляющие менее 1%, считаются приемлемыми для изготовления шин.
Вязкость по Муни ML (1+4) при 100°С определяли согласно стандарту ISO 289-1:2005 на несшитых образцах, извлеченных из композиции после последнего этапа.
Нагрузки Са1, Са3, СR при удлинении (измеренные соответственно при относительном удлинении 100%, 300% и при разрыве) были измерены согласно стандарту ISO 37 для образцов, извлеченных из композиции после последнего этапа и после сшивания.
Данные, показанные в таблице 4, за исключением процентного содержания недиспергированного наполнителя выражены для Примера 2 в виде процента от соответствующих величин, полученных для Примера 1 (произвольно заданных как 100).
Таблица 4
ПРИМЕР
Вязкость по Муни(ML 1+4)(%)
Процентное содержание недиспергированного наполнителя (%)
Са1(%)
Са3(%)
CR(%)
Пример 3(сравнительный)
100
0,5
100
100
100
Пример 4(изобретение)
98,7
0,6
100,3
101,1
99,8
Данные, приведенные в таблице 4, показывают, что эластомерные композиции, полученные согласно настоящему изобретению (Пример 2), при сокращении всего этапа повторного перемешивания композиции в смесителе периодического действия, что, помимо остального, предусматривает сокращение времени занятости смесителя периодического действия приблизительно на 18% (на 3 минуты меньше при общей продолжительности 16,5 мин), имеют дисперсию наполнителя и вязкость, по существу равные соответствующим характеристикам композиции, полностью обработанной в смесителях периодического действия. Кроме того, также нагрузки при различных степенях относительного удлинения после вулканизации также являются по существу сопоставимыми.