Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Methodik für das Design einer phasenoptimierten Mischungsherstellung im ineinandergreifenden Kautschukinnenmischer

Eine hochwertige Qualität der im Innenmischer hergestellten Mischungen ist elementar zur Herstellung von hochwertigen Elastomerprodukten. Dabei werden die Mischungsbestandteile wie Kautschuk, Füllstoffe, Weichmacher und Chemikalien zu einem Compound verarbeitet. Der Mischprozess unterteilt sich in unterschiedliche Phasen mit unterschiedlichen Mischaufgaben. Die Auslegung von Mischprozessen erfolgt empirisch basierend auf Erfahrungswissen. Eine gezielte Anpassung der Prozessparameter an die einzelnen Mischphasen findet nicht statt, wodurch die Mischungsherstellung derzeit unnötig zeitaufwendig und kostenintensiv ist. Aufgrund fehlender Optimierung der Prozessparameter resultieren schwankende, nicht optimierte Compoundqualitäten. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung einer Methodik zur systematischen Auslegung und Optimierung von Mischprozessen in Abhängigkeit der verschiedenen Mischphasen. Um dies zu erreichen, müssen die zu untersuchenden Mischphasen und die Zielgrößen für die jeweiligen Mischphasen aus bestehenden Mischprozessen definiert werden. Mögliche Mischphasen sind z. B. die Zugabe der Bestandteile, Füllstoffinkorporation oder -dispersion. Als Zielgröße der einzelnen Mischphasen werden die mechanischen Eigenschaften der vulkanisierten Proben bestimmt. Es werden optimale Prozessparameter jeder Mischphase zu einem Gesamtprozess kombiniert und Anpassungen der Prozessparameter durch die Wechselwirkungen der Mischphasen vorgenommen. Der Gesamtprozess wird ebenfalls phasenspezifisch für unterschiedliche Rezepturen und Mischergrößen optimiert. Letztlich werden aus den Forschungsergebnissen allgemeingültige Regularien zur phasenoptimierten Mischungsherstellung abgeleitet. Diese Regularien lassen sich direkt für KMU nutzen, ohne dass Investitionen in neue Anlagentechniken erforderlich sind. Dadurch ist es KMU möglich, die Mischprozesse energie- und zeiteffizienter zu gestalten, während die Produktqualität gleichbleibend hoch ist.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens „phasenoptimiertes Mischen“ war es, eine Methodik zum Design optimaler Kautschukmischprozesse hinsichtlich Mischzeit und -qualität im Innenmischer zu entwickeln. Untersucht wurde der Mischprozess am Beispiel einer Naturkautschukmischung, einer Ethylen-Propylen-Dien-Mischung sowie einer Acryl-Nitril-Butadienmischung. Alle Rezepturen wurden konventionell verarbeitet. Als besonders bedeutend stellte sich die Mischphase „Füllstoffinkorporation“ heraus. Dies beeinflusste maßgeblich die Gesamtmischdauer. Weiterhin beeinflussten die Füllstoffinkorporation und -dispersion die Qualität der Endprodukte. Weiter zeigte auch die vorgeschaltete Mastikation einen entscheidenden Einfluss auf die Mischdauer. Wurde die Mastikationsdauer bei einer Mischkammer- und Rotortemperatur von 30 s auf 90 s angehoben, sank die Rußinkorporationsdauer auf 54 s. Es wurde zudem festgestellt, dass sowohl die Anlagentemperierung als auch die Rotordrehzahl und Mastikationsdauer einen Einfluss auf die Rußdispersion hatten. Wurde die Rotordrehzahl bei einer Anlagentemperierung 70 °C von 40 1/min auf 80 1/min erhöht, konnte eine höhere Anzahl an Fehlstellen (undispergierte Mischungsbestandteile) detektiert werden. Während der Mischungsherstellung kann eine kritische Schubspannung nicht überschritten werden. Das Scale-Up der experimentellen Analysen von einem Laborinnenmischer mit einem Mischkammervolumen von 1,5 l auf einen Innenmischer mit einem Mischkammervolumen von 5 l zeigte, dass eine Übertragung der phasenoptimierten Mischweise möglich war. Basierend auf den Analyseergebnissen wurden lineare Regressionen durchgeführt, um Optimierungsmöglichkeiten bzw. Energieeinsparpotenzial für den Mischprozess zu identifizieren. Eines der Ergebnisse ist beispielsweise, dass bei einer Mischungsherstellung bei niedrigen Anlagentemperaturen und hohen Rotordrehzahlen (80 1/min) die Mastikationsdauer möglichst kurz gewählt werden sollte, um die Gesamtmischdauer zu reduzieren.