Hoe een rubberen knedermachine oliën en weekmakers in de compound verwerkt

In de wereld van de polymeerverwerking is het bereiken van een homogene, hoogwaardige rubbercompound zowel een wetenschap als een kunst. Centraal in dit proces staat de strategische integratie van additieven – met name oliën en weekmakers – die de verwerkbaarheid, flexibiliteit, duurzaamheid en kosten van de verbinding dramatisch veranderen. In het hart van deze cruciale mengfase staat vaak een robuuste en gespecialiseerde machine: de rubberen kneder , ook wel interne mixer of Banbury® mixer genoemd.

De belangrijkste componenten begrijpen: oliën en weekmakers

Voordat je je in de machine verdiept, is het essentieel om te begrijpen wat er in zit.

• Procesoliën (op aardoliebasis, plantaardig): Wordt voornamelijk gebruikt om het basispolymeer zachter te maken, de viscositeit te verlagen voor eenvoudiger verwerking, het volume te vergroten (kosten verlagen) en te helpen bij de dispersie van vulstoffen zoals roet of silica.
• Weekmakers (ftalaten, adipaten, enz.): Vergelijkbaar in functie met oliën, maar vaak specifiek gekozen om de flexibiliteit bij lage temperaturen te verbeteren, specifieke elastische eigenschappen te verbeteren of de glasovergangstemperatuur (Tg) te verlagen.

Beide zijn doorgaans vloeistoffen met een lage viscositeit die moeten worden omgezet van een macroscopische, afzonderlijke fase naar een microscopisch gedispergeerd, innig mengsel met vaste rubberpolymeren en poedervormige vulstoffen.

De anatomie van een rubberen kneder

Een rubberen kneder is een gesloten mengkamer met hoge afschuiving. De belangrijkste componenten die relevant zijn voor de opname van vloeistoffen zijn:

1. Mengkamer: Een robuuste, ommantelde behuizing die kan worden verwarmd of gekoeld.
2. Rotorbladen: Twee tegengesteld draaiende, niet-in elkaar grijpende rotoren met complexe vleugelachtige ontwerpen. Deze vormen het hart van de machine en genereren de noodzakelijke schuif- en rekstroming.
3. Ram of drijvend gewicht: Een hydraulisch bediende zuiger die de kamer van bovenaf afsluit en druk (doorgaans 3-7 bar) op de batch uitoefent.
4. Dalingsdeur: Gelegen aan de onderkant van de kamer voor het afvoeren van de gemengde verbinding.

Het stapsgewijze integratieproces

Het verwerken van oliën en weekmakers is geen eenvoudige gietstap; het is een zorgvuldig georkestreerde opeenvolging van mechanische en thermische gebeurtenissen.

Fase 1: Kauwen en polymeerbetrokkenheid

De cyclus begint met de toevoeging van het basisrubber (natuurlijk of synthetisch). De rotoren, die met verschillende snelheden draaien, grijpen, scheuren en vervormen de rubberbalen. Dit kauwen breekt polymeerketens tijdelijk af, vermindert het molecuulgewicht en verhoogt de temperatuur van het rubber door interne wrijving (viskeuze warmteontwikkeling). Deze opwarming is van cruciaal belang, omdat het de viscositeit van het rubber verlaagt, waardoor het ontvankelijker wordt voor het accepteren van additieven.

Fase 2: De strategische toevoeging van vloeistoffen

Timing is alles. Het toevoegen van grote hoeveelheden olie in het begin kan schadelijk zijn. De standaard best practice is:

• Gesplitste toevoeging: Een deel (vaak 1/3 tot 1/2) van de totale vloeistof wordt toegevoegd nadat het rubber is gekauwd, maar vóór de belangrijkste vulstoffen (roet/silica) . Deze “basisolie” maakt het rubber verder zacht, waardoor een kleverige, klevende massa ontstaat die de toekomstige poedervormige vulstoffen efficiënter zal bevochtigen en opnemen.
• Het gevaar van “slip”: Als u te vroeg of te veel olie toevoegt voordat de vulstoffen zijn aangebracht, kan dit ‘slip’ veroorzaken – een toestand waarbij het smerende effect van de olie verhindert dat er voldoende schuifspanning op het rubber wordt overgebracht. Het mengsel glijdt over de rotoren in plaats van te worden afgescheurd, wat leidt tot een slechte dispersie en langere mengtijden.

Fase 3: Incorporatie van vulstoffen en de cruciale rol van afschuiving

De poedervormige vulstoffen zijn nu toegevoegd. Het ontwerp van de rotoren creëert een complex stromingspatroon in de kamer:

• Scherende actie: Het rubbermengsel wordt over de nauwe ruimte tussen de rotortip en de kamerwand geperst, waardoor het aan intense trillingen wordt blootgesteld schuifspanning . Hierdoor wordt de compound laag voor laag uitgesmeerd.
• Vouwen en verdelen (kneden): De rotorvleugels duwen het mengsel ook van het ene uiteinde van de kamer naar het andere en vouwen het voortdurend over zichzelf heen – de letterlijke ‘kneed’-actie.

In deze omgeving met hoge afschuiving fungeert de eerder toegevoegde olie, nu opgewarmd door de verbinding, als een transportmiddel . Het helpt het rubber individuele vulstofagglomeraten in te kapselen. De schuifkrachten breken deze agglomeraten vervolgens af, verdelen de vulstofdeeltjes en bekleden ze met een dunne laag olie-rubbermatrix.

Fase 4: Laatste olietoevoeging en -dispersie

Vaak wordt de resterende olie of weekmaker toegevoegd nadat de vulstoffen grotendeels zijn verwerkt . In dit stadium is de temperatuur van de verbinding hoog (vaak 120-160°C) en is het mengsel een samenhangende massa. Het toevoegen van vloeistof gaat nu gecontroleerder.

• De ramdruk zorgt ervoor dat de vloeistof in de batch wordt geperst en niet eenvoudigweg op de kamerwanden wordt gespoten.
• De voortdurende kneedactie mechanisch pompen de vloeistof in de microscopische poriën en gaten in de verbinding. De vloeistoffen migreren naar de compound via twee primaire mechanismen:
  1. Capillaire actie: Getrokken in kleine ruimtes tussen polymeerketens en vulstofclusters.
  2. Door schuifkracht geïnduceerde diffusie: Macroscopisch mengen door de rotoren creëert steeds nieuwe oppervlakken, waardoor de droge verbinding aan de vloeistof wordt blootgesteld, waardoor vermenging op microscopisch niveau wordt gedwongen.

Fase 5: Laatste homogenisatie en temperatuurcontrole

De laatste minuten van de mengcyclus zijn voor homogenisatie. De ramdruk zorgt voor volledige betrokkenheid van de kamer, terwijl het constante vouwen en afschuiven eventuele lokale concentratiegradiënten van olie elimineert. Gedurende het gehele proces heeft de beklede kamer circuleert koelvloeistof om de exotherme mengwarmte te beheersen. Nauwkeurige temperatuurregeling is van cruciaal belang; te heet en het rubber kan verschroeien (voortijdige vulkanisatie); te koud en de noodzakelijke viscositeitsverlaging voor een goede dispersie zal niet worden bereikt.

Waarom een kneder uitblinkt in deze taak

Het ontwerp van de interne mixer is bij uitstek geschikt voor deze uitdagende klus:

• Hoge intensiteit: Het levert in korte tijd enorme schuif- en vervormingsenergie, waardoor agglomeraten efficiënt worden afgebroken.
• Ingesloten omgeving: De afgesloten kamer onder ramdruk voorkomt verlies van vluchtige componenten, controleert verontreiniging en maakt veilig mengen bij verhoogde temperaturen mogelijk.
• Efficiëntie: Het kan grote batches (van liters tot honderden kilogrammen) verwerken met veel minder energie en tijd dan open molens voor een gelijkwaardige kwaliteit.

Praktische overwegingen voor optimale integratie

Operators en compounders moeten verschillende factoren tegen elkaar afwegen:

• Toevoegingsvolgorde: Zoals uiteengezet is een gesplitste toevoeging standaard voor een optimaal evenwicht tussen dispersiekwaliteit en mengtijd.
• Rotorsnelheid en ramdruk: Hogere snelheden verhogen de afschuiving en temperatuur sneller. Optimale druk zorgt voor goed contact zonder de motor te overbelasten.
• Olieviscositeit en chemie: Lichtere oliën worden sneller opgenomen, maar kunnen vluchtiger zijn. De compatibiliteit (oplosbaarheidsparameter) van de weekmaker met het basispolymeer is van fundamenteel belang.
• Batchgrootte (vulfactor): De kamer moet correct worden geladen (meestal 65-75% vol). Te weinig vulling resulteert in onvoldoende afschuiving; te veel vullen verhindert een goede vouwing en resulteert in een ongelijkmatige menging.

Conclusie

De opname van oliën en weekmakers door a rubberen kneder machine is een dynamisch, thermomechanisch proces dat veel verder gaat dan eenvoudig roeren. Het is een nauwkeurig ontworpen reeks van kauwen, timed addition, shear-driven dispersion, and thermal management. De krachtige rotoren en de afgedichte kamer van de machine werken samen om de enorme uitdaging van het mengen van vloeistoffen met een lage viscositeit in een hoogviskeuze, niet-Newtoniaanse rubbermatrix te overwinnen. Door de fysica van afschuiving, het belang van de toevoegingsvolgorde en de cruciale rol van temperatuur te begrijpen, kunnen compounders de mogelijkheden van de kneder benutten om consistente, hoogwaardige rubbercompounds te produceren waarbij elke druppel olie en weekmaker effectief en uniform wordt benut om aan de veeleisende eisen van het eindproduct te voldoen. Dit diepgaande inzicht zorgt voor efficiëntie, kwaliteit en innovatie in de enorme wereld van de rubberproductie.