Analyse der Fließwege im Kautschukinnenmischer in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bevor ein Elastomerprodukt hergestellt werden kann, werden die Kautschuke mit Füllstoffen, Additiven und Vernetzungschemikalien diskontinuierlich im Innenmischer vermischt. Folglich beeinflusst der Mischprozess, neben den eingesetzten Rohstoffen, maßgeblich die Qualität des Elastomerproduktes. Die Optimierung der Mischprozesse ist für alle kautschukverarbeitenden Unternehmen von großer Bedeutung, da nur wirtschaftliche Mischprozesse (kurze Mischdauer, hohe Energieeffizienz) sich eignen, um sich im weltweiten Wettbewerb behaupten zu können. Aktuell werden Mischprozesse meist empirisch von Fachkräften entwickelt. Um eine systematische und bedienerunabhängige Auslegung von Mischprozessen zu realisieren, ist es notwendig grundlegendes Verständnis über die Vorgänge in der Mischkammer zu generieren. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde daher eine Methodik zur Analyse der Fließprozesse im Innenmischer entwickelt, sodass die Fließvorgänge zwischen den Rotoren eines tangierenden Innenmischers prozessnah visualisiert und analysiert werden können. Durch die Verwendung von unterschiedlich farbigen, industrienahen Compounds war die Visualisierung der Fließvorgänge ohne verfahrenstechnische Vereinfachungen möglich. Zur Beschreibung der Fließvorgänge zwischen den Rotoren konnten Methoden der digitalen Bildverarbeitung genutzt werden. Der Farbanteil lässt eine Schlussfolgerung über den Mischfortschritt der Mischungsbestandteile in der Mischkammer zu. Die wesentlichen Erkenntnisse der durchgeführten Untersuchungen sind nachfolgend zusammengefasst: Es existieren unterschiedliche Fließvorgänge und Mischwirkungen entlang der Rotorachse. - In den Randbereichen der Mischkammer weichen die Fließvorgänge entlang der Rotoren im Vergleich zum mittleren Bereich der Mischkammer ab. - Die Teilvolumenströme, die entlang der Rotorflügel längs der Rotorachsen fließen, ändern an der Stirnfläche die Fließrichtung. Zur Visualisierung der Fließvorgänge im Innenmischer wurden gelbe und blaue Compounds eingesetzt. Anhand der resultierenden Gelb-, Blau- und Grünanteile können Erkenntnisse über die Vermischungsqualität gewonnen werden. Zusätzlich zu der Analyse der Grünanteile erfolgte eine Betrachtung der Fließlinien, da unabhängig von den Prozessparametern wiederkehrende Fließmuster identifiziert werden konnten. Zu erkennen war, dass der Bereich zwischen den Rotoren dem Materialaustausch zwischen den Mischkammerhälften dient, wenn ein Rotorflügel in den Bereich zwischen den Rotoren eingreift. In Folge des Aufeinandertreffens des passiven Bereichs (hinter dem Rotorflügel) des einen Rotors auf den aktiven Bereich (in Drehrichtung des Rotorflügels) des jeweils anderen kommt es zu einer Übergabe des Compounds von einer in die andere Mischkammerhälfte. Im Einlaufbereich sind Schubvolumenströme, Seitenvolumenströme und Spaltvolumenströme durch unterschiedliche Fließvorgänge zu erkennen. Zusätzlich existieren Ausgleichströmungen zwischen den Mischkammerhälften. Ein Rückschluss von den Fließvorgängen auf die Mischwirkung ist jedoch nur eingeschränkt möglich. Die dispersive Mischwirkung wurde bei der Vermischung der farbigen Compounds nicht sichtbar. Zur weiterführenden Untersuchung, wurden daher rußgefüllte Mischungen eingesetzt. Die Prozessparameter (Drehzahl, Rotor- und Mischkammertemperatur, Füllgrad) waren konstant, einzig der Phasenwinkel, die Stellung der Rotoren zueinander, wurde variiert. Untersucht wurden die Phasenwinkel von 0°/0° bis 0°/180° in Schritten von jeweils 15°. Zur Auswertung wurde die Leistungsaufnahme während der Mischungsherstellung aufgezeichnet und ausgewertet. Des Weiteren konnte die Rußagglomeratanzahl in Abhängigkeit der Agglomeratgröße (0,1 µm-1,9 µm) bestimmt werden, indem die fertigen Compounds im Anschluss extrudiert und mit einem Kamerasystem, welches Agglomeratgröße und -anzahl detektierte, analysiert wurden. Zu erkennen ist, dass die Agglomeratanzahl, unabhängig vom eingestellten Phasenwinkel, mit steigender Agglomeratgröße sinkt. Hieraus folgt, dass der Phasenwinkel die distributive Mischwirkung nicht beeinflusst. Einzig fällt auf, dass die Agglomeratanzahl ab einer Agglomeratgröße von 1,7 µm leicht ansteigt. Die durchgeführten Arbeiten entsprechen dem begutachteten und bewilligten Antrag.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ermittlung der Fließbedingungen im tangierenden Innenmischer zur Optimierung von Mischprozessen. IKV-Fachtagung Rubber meets Science. Aachen, 2017
Hopmann, Ch.; Lipski, A.
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Analysis of melt flow in tangential internal mixers. IKV-Fachtagung Science meets Tires. Aachen, 2018
Hopmann, Ch.; Lipski, A.
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Flow paths in a tangential internal mixer - Visualization and analysis for an optimized mixing. 13. Kautschuk Herbst Kolloquium. Hannover, 2018
Hopmann, Ch.; Lipski, A.
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Integrative Anlagen- und Prozesstechnik in der Kautschukverarbeitung. 29. Internationales Kunststofftechnischen Kolloquium. Aachen, 2018, ISBN 978-3-8440-5609-9
Hopmann, Ch.; Limper, A.; Lipski, A.; Lemke, F.; Möckel, J.
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Visualization of the flow paths in a tangential internal mixer to optimize the mixing behavior. Proceedings of the 77th Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers. Orlando, USA, 2018
Hopmann, Ch.; Lipski, A.
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Fließvorgänge zwischen den Rotoren von tangierenden Kautschukinnenmischern. RWTH Aachen, Dissertation, 2019 – ISBN: 978-3-95886-294-4
Lipski, A.
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Flow paths in a tangential internal mixer show optimisation possibilities for mixing of rubber compounds. Kautschuk Gummi Kunststoffe 73 (2020) 3, S. 55-59
Hopmann, Ch.; Lipski, A.; Kostka, M; Facklam, M.
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Untersuchung des Phasenwinkeleinflusses im tangierenden Innenmischer auf die Fließwege und die Stromaufnahme. Gummi Fasern Kunststoffe 73 (2020) 1-2, S. 34-39
Hopmann, Ch.; Kostka, M.; Lipski, A.; Limper, A.; Facklam, M.
