Kontinuierliche Aufbereitung von Silica gefüllten Kautschukmischungen in einem Doppelschneckenextruder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Verwendung eines gleichlaufenden Doppelschneckenextruders als alternatives Aufbereitungsaggregat zur Herstellung von Silicamischungen weist gerade im Hinblick auf die Erzielung eines hohen Dispergiergrades und der Entfernung der Kondensationsprodukte aus dem Aufbereitungsprozess große Vorteile gegenüber dem Innenmischer auf. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes wird die kontinuierliche Aufbereitung von Silicamischungen auf gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextrudern untersucht. Für diesen in der Industrie noch nicht eingeführten Prozess sind einige grundlegende Fragen zu klären. Die vorliegende Arbeit beschreibt Ergebnisse von Versuchen auf Maschinen von 25 bzw. 26 mm und von 44 mm Schneckendurchmesser. Für eine vereinfachte Versuchsmischung, die nur Silica aber keinen Ruß als Füllstoff enthält, kann die Frage des vollständigen Ablaufs des Silanisierungsprozesses für die 44 mm-Maschine positiv beantwortet werden. Die hier erreichbaren Verweilzeiten von 3 bis 4 min im Temperaturbereich von 140 bis 160°C sind für eine vollständige Silanisierung knapp ausreichend. Bei den Maschinen mit kleinerem Schneckendurchmesser von 25 mm bzw. 26 mm reicht dagegen die Verweilzeit bei dieser Mischungsrezeptur nicht aus. Die ausreichend schnelle Abführung des bei der Silanisierung entstehenden Ethanols erweist sich bei den verwendeten Compoundierextrudern als problemlos. Insgesamt zeigt sich ein signifikanter Einfluss der Schneckendrehzahl, der Schneckenkonfiguration (und daraus folgend auch der Massetemperatur) auf das Eigenschaftsbild der silicagefüllten Mischungen. Ein Zielkonflikt bei der Prozessoptimierung entsteht dadurch, dass für eine schnelle und vollständige Silanisierung höhere Temperaturen (allerdings nicht höher als 160 °C ) günstig sind, dass aber für eine gute Füllstoffdispersion niedrigere Temperaturen zu bevorzugen wären. Die kontinuierliche Einspeisung des Kautschukpolymers in den Doppelschneckenextruder konnte mit Hilfe eines mit Streifen gefütterten Einschneckenextruders und einer Zahnradpumpe (Seiteneinspeisung mittels Fütterextruder) sicher gelöst werden. Zur materialgerechten Prozessführung wurde eine Optimierung der Schneckenkonfiguration durchgeführt. Dabei ging es darum, die Mischung möglichst lange im optimalen Temperaturbereich zu halten und gleichzeitig im Interesse der Füllstoffdispersion möglichst viel Scherenergie umzusetzen. Zur Kontrolle der Silanisierung wurde der mit dem Rubber Process Analyzer (RPA) gemessene Payne-Effekt herangezogen. Die im Extmder hergestellten Mischungen wurden mit im Laborinnenmischer hergestellten Mischungen verglichen. Die Silicadispersion wurde mit der DIAS-Methode (Dispersion Index Analysis System, DIK Hannover) gemessen. Eine ausreichende Dispersion der Silica konnte bei den hier beschriebenen auschließlich einstufig durchgeführten Mischprozessen noch nicht erreicht werden. Hier muss in zukünftigen Untersuchungen mit mehrstufigen Prozessen eine praktikable Aufbereitungsmethode gefunden werden, die alle Ansprüche an die Mischungsqualität befriedigen kann. Im Interesse der vertieften Analyse des hier praktizierten Kautschuk-Aufbereitungsprozesses wurden neben der Messung wichtiger Prozessparameter an der Anlage auch die Simulationssoftware MOREX eingesetzt. Hierbei wurde deutlich, dass die Kombination von Experimenten an einer Technikumsanlage mit Simulationsrechnungen wesentlich erweiterte Aussagen über den Prozess ermöglicht. Insbesondere können durch die Prozesssimulation auf Basis eines physikalischen Modells detailliertere Informationen über den Verlauf der Massetemperatur entlang der Schnecken, über die Verweilzeiten in den einzelnen Abschnitten der Maschine und über Energiedissipation in den verschiedenen Abschnitten gewonnen werden. Eine Optimierung der Schneckenkonfiguration wird durch die Simulation wesentlich erleichtert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Continuous compounding of silica filled rubber in a twin screw extruder, 11th International Seminar on Elastomers, Veranstalter: Deutsches Institut für Kautschuktechnologie e. V. (DIK), Freiburg, 2007
Köppen, H.; Haberstroh, E.
- Kontinuierliche Aufbereitung - Neue Ansätze zur Compoundierung von Silicamischungen, Fachtagung zur Kautschuk - Verarbeitung, Veranstalter: Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen (IKV), Aachen, 2007
Köppen, H.
- Continuous compounding of silica filled rubber in a twin screw extruder, Kautschuk Gummi Kunststoffe 61 (2008) 1-2, S. 20-25
Köppen, H.; Haberstroh, E.
- Kontinuierliche Aufbereitung von Silicamischungen, 24th Internationales kunststofftechnisches Kolloquium, Veranstalter: Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen (IKV), Aachen, 2008
Köppen, H.
- Compounding of Silica filled Rubber in a twin screw extruder- experiments and prozess simulation, International Rubber Conference, Veranstalter: Deutsche Kautschuk-Gesellschaft e. V. (DKG), Nürnberg, 2009
Hao, D.; Haberstroh, E.
