Производство резиновых смесей



Andreas Lim per





                Mixing of
                Rubber Compounds











Hanser Publishers, Munich

HANSER
Hanser Publications, Cincinnati

Андреа Лимпер





                Производство резиновых смесей




Перевей с английского языка
под редакцией Смирнова Б. Л.

СЕЕ
LU:;:

ЙДЛИЫ1Д.1

Л: -1;Р lls-lljy

Сан кт- Петер бур г
2013

Р профе:сс1ия

ББК 35.72
УДК 678
Л 58


      А. Лимпер
Л 58 Производство резиновых смесей / Пер. с англ, под ред. Б. Л. Смирнова. — СПб.: ЦОП «Профессия», 20 В. — 264 с, цв. ил.

      ISBN 978-1-56990-458-9 (англ.)
      ISBN 9 78-5-918 84-045-О


   В современном практическом руководстве рассмотрены основные способы производства сырых резиновых смесей, резино смесители различных конструкций, особенности их использования и критерии выбора для решения конкретных производственных задач. Подробно показаны все технологические стадии полного цикла приготовления резиновых смесей. Отдельные разделы раскрывают важные вопросы автоматизации, защиты подшипниковых узлов, систолы охлаждения. Даны рекомендации и сравнительная оценка смесителей, ро торов и вспомогательного оборудования.
   Многочисленные практические примеры, рецептуры смесей, включая особ агности их приготовления и оценки качества смешения, делают матери ал максимально актуальным для специалистов производства PTPI.
   Книга адресована специалистам промышленной пферабо тки резин, разработчикам РТИ, технологам, механикам, специалистам, работающим в области созданияи эксплуатации электротехнического оборудования, а также преподавателям и студентам профильных специальностей.





ББК35.72
УДК 678


All rights reserved. Authorized translation from the original English language edition published by Carl Hanser Verlag, Munich/FRG.

Все права защищены. Никакая ’-асть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством, как надежные. Темне менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и псяноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные
с использованием книги.



ISBN 978-1-56990-458-9 (англ.)
ISBN 9 78-5-918 84-045-0

        © Carl Hanser Verlag, Munich/ERG, 2012
        © ЦОП кПрофессияч 2013
                                       © ЦОП кПрофессияч 2013: перевод, оформление

            Содержание



   Предисловие к русскому изданию.......................................10
   Предисловие..........................................................11
   1. Резиносмесители закрытого типа — конфигурация и конструкции.......12
      1.1. Конструкция..................................................12
          1.1.1 . Технические особенности...............................12
          1.1.2  Смесительная камера....................................13
      1.2  Виды резино смеси тел з акры того тип а......................14
          1.21.  Смесители с тангенциальными роторами...................14
          1.22   Смесители с взаимозацепляющимися ро торами.............16
          1.23.  Сравняйе технических характеристик.....................17
          1.24.  Роторы с зацеплением и изменяющимся зазором (ИС).......18
          1.25.  Двойное (тандемное) смешение...........................19
      1.3. Загрузочный бункер...........................................22
          1.3.1. Конструкция............................................22
          1.3.2  Пневматический питающий (загрузочный) бункер...........23
          1.3.3. Гидравлический загрузочный бункер (питатель)...........24
          1.3.4. Сравнительные характеристики...........................25
      1.4. Электронный контроль положения плунжера......................27
      1.5. Камера смапения..............................................29
          1.5.1. Твердосплавное покрытие................................30
          1.5.2  Пылеулавливание........................................32
          1.5.3. Уплотнители пружинного типа............................33
          1.5.4. Гидравлические уплотнители с хомутом...................34
          1.5.5. Гидравлические уплотни тели с цилиндром (C/J)..........36
          1.5.6. Сравнительные характеристики пружинных и гидравлических уплотнителей.............................................36
      1.6. Датчик температуры...........................................37
      1.7. Под ача (инжекция) пл асти фицирующего масл а................41
      1.8. Роторы.......................................................42
          1.8.1. Монтаж (сборка) и система охлаждения...................42
          1.8.2  Роторные подшипники....................................43
          1.8.3. Р о торы тангщи альных р езин о смесит елей............43
      1.9. Опорная станина резин о смесителя............................55

Производство рези но вых смесей

          1.9.1. Общий вид..............................................55
          1.9.2, Разгрузочный люк и затворное устройств о...............56
          1.9.3. Разгрузочный люк и нажимная плита......................56
      Литература........................................................57
   2. Особенности процесса региносмешения...............................58
      2.1. Осн овны е принципы смеш ения................................58
      2.2  Описание процесса............................................61
      2.3. Влияние свойств наполнителей на технологический процесс......67
      2.4. Влияние параметров процесса..................................70
      2.5. Основные положения, учитываемые в дальнейших исследованиях процесса смешения.................................................79
      Литература........................................................81
   3. Влияние свойств полимеров на процесс смешения в региносмесителе гакрытого типа.......................................................83
      3.1. Натуральный каучук (НК)......................................83
      3.2  Э тил ен -пр опил еновый ди еновый к аучук (С КЗ ПТ).........87
      3.3. Хлоропреновые каучуки........................................91
      3.4. Бу тади аг-стирольный каучук (БОК)...........................93
      3.5. Бу тади аг овый каучук.......................................96
      3.6. (Акрил) Бутадиаг-нитрильный каучук (БНК).....................97
      3.7. Бутиловый каучук (БК)........................................98
      3.8. Фторкаучук...................................................99
      3.9. Смолы...................................................... 100
      3.10. Основные положения........................................ 101
      Литература...................................................... 106
   4. Региносмеситель — химический реактор.............................107
      4.1. Кремниевая решетка......................................... 109
      4.2  Влияние вралени смеш ения и температуры на гидро фо би зацию. 110
      4.3. Химизм реакции взаимодействия белой сажи и силана.......... 112
      4.4. Температурные ограничения.................................. 114
      4.5. Обобщения и выводы......................................... 116
      Дополнагие от научного редактора................................ 117
      Литература...................................................... 119
   5. Влияние параметров процесса смешения на свойства игделий.........120
      5.1. Введение................................................... 120
          5.1.2 Параметры качества исходных материалов................ 121
               5.1.21. Качеств енны е параметры этил ен -пр опил еновых полимеров............................................... 121
               5.1.22. Качественные параметры технического углерода..... 122
      5.2  Изменение свойств сырых матери ал ов в процессе переработки.. 130
          5.21 . Увеличение содержания мелкодисперен ого технического углфода в процессе транспортировки.......................... 130
          5.22  Процесс спекания частиц технического углерод а на поверхности подающего трубопровода................................ 132
      5.3. Влияние р азличных п араметров к ачеств а и сходных матери ал ов на процесс смешения................................................ 134
          5.3.1. Молекула СКЭПТ и ее боковые ответвления.............. 135
          5.3.2  Мелкодиспфсная фракция технического углерода......... 138
          5.3.3. Твердость гранул технического углерода............... 139

Содержание

7

      5.4. Сера.................................................................. 141
      5.5. Точность навески ингредиентов......................................... 143
      5.6. Прогнозирование качества изделия...................................... 146
      5.7. Конц ащия гар ан тии к ачеств а « П одго товительный ц ех будущ а,о ». 150
      Литература к разделам 5.1-5.7.............................................. 155
      5.8. Процесс получения резиновых смесей и его влияние на свойства резинотехнических изделий....................................... 157
      5.9. Методы исследования резиновых смесей.................................. 160
          5.9.1. Вискозиметр Муни................................................ 161
          5.9.2, Вулканометр..................................................... 162
          5.9.3. Анализатор пферабо тки каучука.................................. 163
          5.9.4. Определение степени ди спер аг ости техничеас ого углерода. 164
      5.10. Факторы, оказывающие влияние на свойства резинотехнических изделий......................................................... 165
      5.11. Процесс смешения..................................................... 167
           5.11.1. Процесс смешения и его задачи................................. 167
           5.11.2. Последующие стадии переработки................................ 169
      5.12. Технологические факторы, влияющие на процесс смешения................ 170
           5.12.1. Влияни е пл асти фикато рана проц есс смет ения и свойства смеси............................................ 172
           5.12.2. Влияние параметров процесса смешения на процесс литья под давлением............................................... 173
           5.12.3. Влияние параметров процесса смешения на процесс экструзии................................................... 176
           5.12.4. Влияние процесса перераб о тки смеси на вальцах на св ой ств а сырой смеси и вулк ани з ов энных и зделий....... 178
      5.13. Выводы............................................................... 185
      Литературах разделам 5.8-5.13.............................................. 186
   6. Дисперсия и распределение наполнителей......................................188
      6.1 . Дисперсия и распределение в процессе смешения........................ 190
          6.1.1. Ди спфсионн о е смешение........................................ 190
          6.1.2  Дистрибутивное (распределительное) смешение..................... 193
          6.1.3. Качество или «доброкачествагность» смесей....................... 194
      6.2  Механизм процесса дисперсии наполнителя............................... 195
          6.21. Теория........................................................... 196
          6.22  Фазы процесса смешения........................................... 197
          6.23. Взаимодействияполимер-наполнительи наполнитель-наполнитель ................................................. 199
      6.3. Определение стагени дисперсии..........................................206
          6.3.1 . Макродисперсность...............................................207
               6.3.1.1. Оптический (светопропускающий) микроскоп................. 207
               6.3.1.2. Измерение величины оптической шероховатости.........208
               6.3.1.3. Механический сканирующий микроскоп....................... 209
               6.3.1.4. Рефлектометрия........................................... 210
          6.3.2  Микродисперсия...................................................210
               6.3.21.  Измерение электропроводности............................. 210
               6.3.22.  Атомн о - силов ая микро а< опия......................... 212
      6.4. Контроль качества дисперсии с помощью параметров процесса смешения.........................................................213
          6.4.1. Типы процессов смешагия..........................................213

Производство рези но вых смесей

          6.4.2  Температура, крутящий моменты потребляемая мощность....214
          6.4.3. Время смапения и скорость вращения ротора..............216
          6.4.4. Охлаждение.............................................217
          6.4.5. Альтернативные способы дисперсии.......................218
      6.5. Влияние свойств материалов на дисперсию наполнителя......... 219
          6.5.1. Влияние свойств полимера...............................219
               6.5.1.1. Ад сорбция из раствора и расплава...............220
               6.5.1.2. Влияние свойств полимера на процесс дисперсии наполнителя..............................................222
          6.5.2  Влияние морфологии наполнителя и его поверхностных свойств.. 224
               6.5.21.  Удельная поверхность........................... 224
               6.5.22.  Влияние структуры.............................. 225
               6.5.23.  Влияние поверхностной активности наполнителя.... 227
               6.5.24.  Кинетика дисперсионного процесса................230
               6.5.25.  Вторичная агломеризация........................ 232
          6.5.3. Влияние масла на дисперсию наполнителя.................233
      6.6. Влияние дисперсии наполнителя на свойства смеси............. 234
          6.6.1. Влияние на реологические свойства..................... 234
          6.6.2  Влияние на мех аник о-динамические свойства............237
               6.6.21.  Влияние массовой доли наполнителя...............238
               6.6.22.  Влияние деформации..............................239
               6.6.23.  Влияние модифицировали ой поверхности наполнителя .. 240
          6.6.3. О б еспечагие свойств конечного изделия............... 241
      6.7. Распределение налолнителя в смесях полимеров.................245
          6.7.1. Совместимость каучуков.................................245
          6.7.2  Распределение налолнителя............................. 247
          6.7.3. Оценка качеств а распределения нал олни теля...........247
          6.7.4. Распределение нал олни теля в смесях разнополярных каучуков ... 250
         6.7.5. Распределение наполнителя в смесях каучуков с одинаковой полярностью....................................................251
          6.7.6. Массоперенос наполнителя.............................. 252
         6.7.7. Другие параметры, оказывающие влияние на растр ед ел аги е наполнителя....................................................253
      Литература....................................................... 254
Предметный указатель.................................................260

чага я??? ела'


        От имени компании Ошуаярад приветствовать читателей этой книги и специалистов резиновой промышленности, работающих в разных ее отраслях.
        Первые резиновые смеси были созданы еще в XIX веке, но, несмотря на это, актуальность их сохраняется и по сей день. Трудно представить современный мир без резины, ведь нас окружают десятки тысяч изделий из нее.
        Эта книга познакомит вас с последними тенденциями в области резиновых смесей и безусловно будет полезна в вашей повседневной работе.
        Наша компания — ведущий мировой производитель и поставщик минеральных наполнителей и промышленной химии — уделяет особое внимание инновациям, в том числе в резиновой промышленности. Мы постоянно стремимся опережать ваши будущие ожидания.
        Искренне надеюсь, что эта книга поможет вам в вашей практической деятельности.



                                                     Директор по продажам ООО «ОМИА УРАЛ» С. Е. Мамбиси

            Предисловие к русскому изданию


  Изготовление резиновых смесей в резиносмесителях — сложный механо-химический процесс, в котором механические процессы диспергирования и гомогенизации проходят совместно с тепловыми и химическими процессами. При смешении каждый из компонентов смеси влияет на другие компоненты, на поведение смеси в процессе смешения, а также на качественные показатели смеси и готовых изделий.
  В книге рассмотрены конструкции резиносмесителей, собранных на основе модулей, позволяющих комплектовать их для получения агрегата необходимой конфигурации в соответствии с конкретными условиями производства, расположения технологической линии, питающей системы, а также условий выгрузки готовых смесей. При необходимости в любое время могут быть изменены конфигурация и расположение рези но смесителя, а также и организация работы всего цеха смешения в целом.
  Представлен принцип двойного смешения, при котором маточная смесь и конечный продукт последовательно производятся в одном и том же смесителе, тогда как ранее для этих целей использовались последовательно два одностадийных смесителя. Подробно описаны конструкции роторов, смесительные камеры и работа плунжера. По конструкции смесители можно подразделить на резино смесители с овальными тангенциальными роторами «Бенбери», и взаимозацепляющимися (взаимопроникающими) роторами «Интермикс». В резиносмесителях с тангенциальными роторами сдвиг материала осуществляется на участке между ротором и корпусом, по тангенциальному принципу, при этом частоты вращения роторов могут быть различными. А в резиносмесителях с взаимозацепляющимися роторами сдвиг материала осуществляется между роторами, вращающимися с одинаковой частотой. Резино смесители оборудованы множеством датчиков, что дает возможность проследить влияние на процесс получения качественной смеси как элементов конструкции смесителя (роторов, плунжера) так и технологических параметров. Приведено большое количество диаграмм работы резиносмесителя, и разобраны различные варианты заполнения и дозировки камеры смешения. Подробно разобраны диаграммы процесса получения резиновых смесей на примере наиболее распространенных типов каучуков.
  По каз ана ра бота р ез ино смес ителя в пр оцесс е при готовя ения св етлых рез иновых смесей на основе кремнекислотных наполнителей в сочетании с бифункциональными силанами, в которых основная реакция — это химический процесс взаимодействия силана с силанольными группами белой сажи, в ходе которого происходит образование химической связи на поверхности наполнителя. Применение кремнекислотных наполнителей позволяет выпускать светлые резиновые смеси для РТИ, а также значительно повысить эксплуатационные характеристики легковых шин, при сохранении уровня износостойкости.
  Большое внимание уделено качеству получаемых смесей. Рассмотрены все этапы технологического процесса приготовления резиновой смеси, на которых могут

Предисловие

11

возникнуть отклонения, влияющие на снижение качества. Показана необходимость эффективной работы приборной базы, вискозиметров и вулканометров для поддержания качества получаемых резин. Приведены примеры влияния качества приготовления смесей на процесс шприцевания. Книга содержит большой практический материал и будет полезна студентам и преподавателям. Благодаря скрупулезному изучению всех факторов, влияющих на процесс приготовления резиновой смеси врезиносмесителях с различными роторами, книга представляет очень большой интерес для читательской аудитории и будет полезна как специалистам, работающим с такими смесителями, так и предприятиям, которые только хотят приобрести данное оборудование.
                                                        Отпарное Б. Л., кахд. техх. хаук


            Предисловие


   Получение сырых резиновых смесей — сложная многопрофильная задача. В основу данной книги положен теоретический и практический курс смешения высокомолекулярных соединений (эластомеров) с различными ингредиентами. Описаны аспекты, связанные с технологическими особенностями процесса производства смесей, характерные особенности при работе смесителей периодического действия, требования к полимерным материалам, а также возможность использования закрытой камеры смешения в качестве реактора органического синтеза. Большое внимание уделено качеству резиновой смеси, поскольку процесс смешения непосредственно оказывает влияние на свойства конечного материала. Подробно описаны как научно-теоретические наработки по вопросам распределения наполнителей в полимерной основе, так и влияние условий смешения на физические и химические свойства готового продукта — резиновой смеси. Авторы книги предлагают для начинающих специалистов всесторонне обобщенную информацию в области смешения. Опытные технологи с помощью данной книги смогут расширить свои теоретические знания. Поскольку составов полимерных смесей бесчисленное множество, авторы сконцентрировали свое внимание на основных процессах. Они разъясняют определенные механизмы процесса смешения и приводят конкретные примеры и результаты.
   От имени редакции я благодарю всех авторов за их вклад в данную научную работу. Особо должен отметить Монику Стьюит(М?я&й Sfweve), др. Кристину Стр ой -манд (Dr. СЙгг'зйяе Strohmand), др. Хэролда Сэмбла (Dr. Harald Satnbale), за их терпение, так как издание настоящего труда заняло намного больше времени, чем мы рассчитывали первоначально. И, наконец, что не менее важно, я благодарю мою семью, в особенности — мою жену, по святившую значительное время офисной работе вместо домашнего досуга.

                                                   Андрей Лимпер Фройдехберг, Гермахая
Декабрь, 2011

            1. Резиносмесители закрытого типа — конфигурация и конструкции


     Д. Беркмейер (В. Berkemeier)



        1*1* Конструкция

    1*1*1* Технические особенности


   Независимо оттого, как спроектирован цех смешения резиновых смесей, основным оборудованием в нем является резиносмеситель закрытого типа. Эффективность линии смешения и, в определенной степени, качество полученных смесей, определяются размерами смесительной камеры и ее производительностью. Смесительный агрегат имеет несколько частей и состоит из трех основных конструкционных узлов (модулей) (рис. 1.1). Верхняя часть резиносмесителя — это питающий бункер, через который загружаются ингредиенты резиновых смесей. Внутри бункера


Рис. 1.1. Модульная конструкция резиносмесителя закрытого типа

1.1. Конструкция

13

расположена плунжерная плита (крышка), которая уплотняет сырье прессованием и направляет его в смесительную камеру, расположенную под бункером. Сам процесс смешения происходит в этом среднем модуле. Далее располагается опорная станина с нижним затвором и разгрузочным люком, который нужен для освобождения смесителя от готовой продукции и завершения технологического процесса.
   Итак, имеются три основных сбор очных модуля (узла): загрузочный бункер, смесительная камера и опорная станина, которые можно раздельно разворачивать на 180 °C и вновь комплектовать для получения агрегата необходимой конфигурации в соответствии с конкретными условиями производства (расположением технологической линии и питающей системы, а также условиями выгрузки готовых смесей). При необходимости, конфигурация и расположение резино смесителя могут быть изменены в любое время, каки организация работы всего цеха смешения в целом.



    1-1-2. Смесительная камера

  В случае с цельно собираемым смесителем, модульные резиносмесители имеют смесительную камеру (рис. 1.2). Камера состоит из двух ограничительных станин, двух смесительных полу камер и комплекта из двух роторов. Станины и роторные опоры образуют боковые стенки камеры и в то же время формируют кожух для роторных подшипников. Благодаря тому, что камера собирается (проектируется) из отдельных деталей или частей, облегчаются демонтаж и разборка оборудования, — например, при замене ротора. Смесительные полу камеры расположены между двумя ограничительными станинами. Такая конструкция определяет осевые границы камеры и состоит из двух полу цилиндрических обечаек (корпусов, кожухов), которые имеют дополнительное усиление в виде приваренных к их внешней поверхности р е бер жестко сти.


Рис. 12. Модульная конструкция смесительной камеры

1. Резиносмесители закрытого типа — конфигурация и конструкции

  Два ротора располагаются внутри смесительной камеры Как правило, ротор имеет форму цилиндра с несколькими гребнями или несколько выступающих ребер, расположенных под некоторым углом относительно тела ротора.
  Роторы пер смещают резиновую смесь в объеме камеры смешения. Роторы вращаются в противоположных направлениях, за счет чего осуществляются захват резиновой смеси из объемов, расположенных под загрузочным затвором или над разгрузочным люком, и возврат ее в зону смешения. Таким образом, внутри камеры смесь перемещается в осевом и радиальном направлениях.
  В своей верхней части смесительная камера ограничивается плунжерной крышкой, расположенной в питающем бункере и являющейся основанием верхнего затвора, а в нижней части — разгрузочным люком, расположенным в станине основания. Разгрузочный люк (откидная крышка) надежно блокируется в течение всего цикла смешения. Плунжерная крышка, независимо от наличия пневматического или гидравлического привода, не имеет за пор а и постоянно находится в опущенном состоянии, оказывая стабильное давление.
  Таким образом, плунжер служит еще и для предотвращения возникновения пиковых нагрузок
  Современные разработки позволяют осуществлять контроль положения плунжера в каждой фазе смешения, — при этом давление плунжера может варьироваться, в зависимости от производственных условий. Однако, такую возможность имеют только гидравлические плунжеры, ее осуществление требует значительного практического опыта (подробнее см. гл. 2).
  Все узлы и детали, контактирующие с резиновой смесью, а именно — плунжер, смесительная камера, роторы, роторные станины, откидная крышка — контролируются на температуру и охлаждение. Для этих целей в них просверлены отверстия, или имеются литники и каналы Охлаждение необходимо для эффективного отвода тепла, которое интенсивно выделяется в ходе процесса перемешивания, и для того, чтобы исключить появления локальных зон перегрева, так как перегрев может привести к залипанию резиновой смеси или даже к ее под вулканизации.


        1.2. Виды резиносмесителей закрытого типа

  Существует два основных типа резиносмесителей, различающихся расположением роторных систем:
  1. смесители с тангенциальными роторами («Бенбери»);
  2. смесители с взаимозацепляющимися роторами («Интермикс»).


    1-2-1. Смесители с тангенциальными роторами

  Отличительной особенностью данного типа машин является то, что внешние контуры вращающихся лопастей не соприкасаются друг с другом. То есть роторы вращаются, а между вершинами лопастей существует свободная зона — зазор.