用于混合弹性体材料的设备和方法与流程

1.本发明涉及一种用于混合弹性体材料的机器，该机器具有在环境压力下操作的混合室。


背景技术：

2.在与橡胶和/或塑料基化合物的生产相关的技术领域中已知存在对弹性体材料进行混合的需求，通过所述混合，使用合适的工艺，将多种异质的(例如，橡胶、矿物填料、树脂、各种添加剂)、不同的且彼此分离的原材料(组分)转化为均质产品，即所谓的“化合物”，其包含在工艺开始时引入的所有基础成分，其在混合完成后均质。
3.众所周知，在混合过程期间通常发生的动作可以概括如下：
4.将组分掺入聚合物基质中；
5.分散，即从颗粒的团聚体转变为聚集体；这基本上在于减小引入聚合物基质中的填料(例如炭黑)的尺寸；
6.分布/均质化所有主要材料。
7.还已知所有这些动作都取决于通过混合机器的运动表面(圆柱体、螺杆、转子)的运动而赋予被处理材料的运动范围(速度和压力)。特别是，已知虽然分散取决于运动范围的特性、例如切削力和变形梯度，但聚合物基质中各种组分的分布取决于速度范围的效率，即，使混合物运动而不会使混合物具有存在压力峰值的停滞点或停滞区的可能性。
8.然而，在混合高粘度材料的过程期间要处理的主要问题之一是需要控制混合物的温度，该温度必须保持在一定极限内，以防止引发不希望的降解或预交联反应。
9.在那些涉及在所谓的封闭室中混合的技术中，更明显地出现较高的温度，因为处理是在进而相对较高的压力下进行的。
10.混合期间不希望的温度升高也发生在通过通常称为“倾卸挤出机”类型的机器进行混合期间，即所谓的锥形、互穿、反向旋转的双螺杆挤出机，其中机器的用于排放/输出混合物的排放/输出区必须：
11.——在第一混合步骤期间封闭，以允许组分和正在形成的混合物再循环，所述混合物被使得前进抵靠用于封闭排放开口的封闭门；以及
12.——然后通过所述门沿轴向方向打开，以允许排放混合物。
13.这种机器的示例例如从us 2007/0159916中已知。
14.然而，在封闭室内部，混合导致混合物的温度不受控制和不希望地升高，因而产生上述缺点。
15.从wo2017-093849已知封闭室混合的另一个示例，其描述了用于生产弹性体化合物的方法，包括：
16.——与弹性体聚合物、至少10phr(重量份数)的二氧化硅增强填料和至少一种硅烷偶联剂一起供应到分批混合器中，该分批混合器包括容纳在混合室内部的一对转子和布置在转子上方的活塞；
17.——在分批混合器内部混合弹性体聚合物、二氧化硅增强填料和硅烷偶联剂以获得一批中间混合物；
18.——将该批中间混合物从分批混合器供应到双螺杆锥形混合器，该双螺杆锥形混合器具有设置有输入口部和输出口部的混合室，其中第一室部分靠近输出口部(排放室)并布置在第二室部分的下游，第二室部分设有所述输入口部、两个朝向输出口部会聚的反向旋转的锥形螺杆以及设计成具有用于封闭和打开输出口部的配置的门；
19.——在双螺杆锥形混合器内部混合中间混合物，其中门被封闭，同时控制温度保持在135和145℃之间以获得弹性体化合物(108)；
20.——从打开的输出口部排放弹性体化合物。
21.在根据wo2017-093849的方法中，几乎完全在双螺杆混合器室的靠近封闭的输出口部的部分内部进行混合，其中锥形螺杆以第一旋转方向旋转以推动混合物抵靠封闭输出口部的门。
22.双螺杆锥形混合器内部的压力大于环境压力，因为混合器与分批混合器的输出口密封连接，在分批混合器内部，压力由于活塞的作用较高，输出口部封闭并且温度必须保持很高(135-145℃)，使得至少50％的量的硅烷偶联剂与双螺杆锥形混合器内部的增强填料发生反应。
23.为了改善混合，该文献建议在短时间段内颠倒锥形螺杆的旋转方向，但是混合物不会离开在封闭的输出口部近侧的混合室部分。
24.在wo2017-093849中，为了将温度保持在希望的范围内，在室内部测量温度，并且基于该测量，在混合物朝向输出口部并抵靠其封闭门的向前运动的方向上调整锥形螺杆的旋转速度。


技术实现要素：

25.因此，所提出的技术问题是提供通常称为“倾卸挤出机”类型的混合机器，其能够解决或至少部分克服所述的现有技术的问题，允许弹性体材料的混合而不改变其性质或仅对其有限地改变，并且特别是允许混合物的温度保持受控，防止在混合过程中不希望地增加温度。
26.与该问题相关，还要求该机器应该具有小尺寸、容易且成本低廉地生产和组装并且还能够容易地安装在任何用户位置。
27.这些结果根据本发明通过根据权利要求1的特征的用于混合基于弹性体的材料的机器获得。
28.该机器包括混合单元和驱动单元，混合单元包括：
29.——混合室，其布置在驱动单元的下游并由后壁朝向上游封闭；
30.——排放室，其布置在混合室的下游，利用混合室其朝向上游连通，并且其设有用于排放混合物的排放开口；
31.——一对互穿且反向旋转的锥形的转子，其分别与驱动单元在上游连接，并且其顶点位于排放室的排放开口处；每个转子包括相对于另一个镜像颠倒的相应的进料螺杆。
32.根据本发明的机器的特征在于，混合室具有朝向外部环境的至少一个开口，该开口适于使混合室与外部保持连接，从而确保混合室内部压力保持在大致大气压值，并且，为
了混合，转子被使得通过驱动单元仅在第一旋转方向上旋转，能够致使混合物被推向混合室的后壁，从而在混合步骤期间仅在混合室内部保持有效混合。为了在随后的排放步骤期间排放混合物，转子可以被使得在与第一方向相反的第二方向上旋转，能够致使混合物被推向室和排放开口。
33.利用这种配置，被混合的组分基本上总是保持在混合室内部，该混合室朝向周围环境打开并因此在大致大气压下，不会致使混合物的压力和/或温度不希望的增加，避免对混合物的损坏影响、例如改变填料的化学物理特性和/或混合物本身的预交联；此外获得最佳的混合程度。利用根据本发明的机器，因此可以以简单的方式获得高质量的混合物。
34.有利地，该机器不需要用于封闭排放口部的门，其可以在混合期间保持打开，从而更容易保持混合室内部的环境压力并导致该机器的结构和配置的简化。
35.优选地，混合室和排放室为截头圆锥形的并轴向连接在一起。
36.该机器优选地包括用于装载待混合的组分的装载开口，该装载开口特别是可以是用于连接到混合室的外部环境的所述至少一个开口之一。
37.根据优选实施例，驱动单元包括至少一个马达和传动装置，所述马达具有用于使两个转子中的一个转子运动的轴，所述传动装置被设计为致使驱动轴的旋转方向反转并连接到两个转子中的另一个转子。
38.该机器可以有利地包括用于控制和致动该机器的运动部件的控制装置，其被设计为执行该机器的自动操作。优选地，所述控制装置被配置为在混合已经完成时特别是在预定义的混合时间之后自动向驱动单元发送用于反转转子的旋转方向的命令。
39.根据一个优选方面，盖可运动到封闭或打开位置，以便在轴向排放混合物期间封闭混合室。
40.本发明还涉及根据权利要求10的特征的混合方法。
41.用于混合弹性体材料的方法包括以下步骤：
42.——将待混合的组分装载到混合室内部；
43.——通过进料螺杆混合组分，其中使转子仅在第一正向方向上旋转并且将混合物推向后壁；
44.——排放混合物，包括使转子的旋转方向反向，所述转子被使得以第二负向旋转方向旋转一时间段，以便致使混合物被推向排放室并通过排放开口排放。
45.优选地，在混合步骤期间，转子在第一旋转方向上的旋转产生：
46.——由后壁引起的反作用，其能够赋予在从上游到下游的轴向方向上的运动分量；
47.——形成运动范围，其被设计为产生混合物的三种不同运动，即圆周运动、主要轴流运动和次要轴流运动。
48.组分的装载优选地从装载开口发生，该装载开口优选地是朝向混合室外部的所述至少一个开口之一。该装载开口可以有利地在排放步骤期间封闭。
49.根据优选实施例，混合步骤包括以下步骤：
50.——以第一正向方向开始旋转转子；
51.——通过进料螺杆接收组分并开始混合，其中将混合物推向上游后壁；
52.——在混合时间内保持第一正向旋转方向，直到混合完成。
53.根据优选实施例，排放步骤包括以下步骤：
54.——手动或通过控制装置施加用于反转两个转子的旋转方向的命令；
55.——反转转子的旋转方向，所述转子被使得以第二负向旋转方向旋转一时间段，以便致使混合物被推向排放室并通过排放开口排放。
附图说明
56.进一步的细节可以从参考附图提供的对本发明主题的实施例的非限制性示例的以下描述中获得，在附图中：
57.图1示出根据本发明的机器的侧视图；
58.图2示出根据图1的机器的从上方观看的视图；
59.图3示出根据图1的机器在材料朝向后部轴向运动的混合期间从上方观看的局部剖视图；
60.图4示出根据图3的机器在材料朝向前部推动和轴向运动的排放期间从上方观看的局部剖视图；并且
61.图5是说明根据本发明的机器的各个操作步骤的图表。
具体实施方式
62.如图1所示并且仅为了便于描述而非限制性地假设其纵向方向x-x对应于机器的长度延伸方向的参考轴以及对应于混合物离开的部分的前部a或下游部分和与该前部相对置的后部p或上游部分，根据本发明的机器的示例，该机器在其一般配置中属于“倾卸挤出机”的一般类别并且主要包括：
63.——用于功能单元的支撑底座10；
64.——混合单元100；
65.——驱动单元20，其包括至少一个马达21，其中该马达的轴21a连接到传动装置22，该传动装置被设计为反转驱动轴21a的旋转方向，如下面将更清楚地呈现。
66.混合单元100包括：
67.——混合室110，其优选是截头圆锥形的，布置在驱动单元20的下游；该混合室包括上游壁125，该上游壁朝向后部p轴向地封闭室；
68.——用于排放混合物的排放室120，其进而优选是截头圆锥形的，布置在混合室110的下游并且设有用于沿轴向方向排放混合物的开口121和上游部分，所述开口布置在机器的前部“a”中，所述上游部分机械连接到混合室，利用所述混合室，其通过相应的开口122在轴向方向上连通。
69.优选地，混合室110具有用于装载待混合的原材料(组分)的开口123；
70.——一对互穿的锥形转子131、132，其分别在上游连接到驱动单元20并且其顶点处于排放室120的口部121处；每个转子包括相应的进料螺杆131a、132a，该进料螺杆相对于另一个镜像颠倒(具有相反的绕组方向)。
71.两个转子131、132反向旋转；在所描述的示例中，两个转子131、132中的一个转子132保持马达20的旋转方向，而另一个转子131接收来自传动装置22的运动，因此总是沿与第一转子相反的方向旋转。
72.还可以设想，两个转子可以各自由相关联的马达操作，独立于另一个马达，但通过同步装置连接，该同步装置设计为确保正确旋转并防止进料螺杆碰撞。
73.有利地，混合室110具有至少一个沿径向方向的开口110a，其形成在其侧表面的向上指向的部分中并且被设计成保持混合室连接到外部并且因此将其内部的压力保持在大致大气压值。
74.可行的是，开口110a可以与用于装载原材料的开口123重合。
75.相反，排放室具有径向封闭的表面和用于沿轴向方向排放所获得的混合物的仅一个前开口121。有利地，前排放开口121可以总是朝向外部或下游装置打开，用于封闭排放室120的门不是必需的，也不是有用的，因为混合总是且仅在大气压力下在上游混合室110内部发生。
76.因此，与已知机器相比获得了进一步的简化和改进，因为没有用于封闭排放开口的装置有助于在混合室内部保持在大气压下的混合，提高所获得的混合物的质量，并消除对复杂的用于打开和封闭排放室的自动系统的需求。
77.如图所示(图3、4)，转子131、132具有进料螺杆131a、132a，其分别延伸以致使混合物以相应的第一旋转方向(图3)从下游运动到上游和致使混合物以相应的反向旋转方向(图4)沿下游方向朝向排放开口121运动。
78.还可以提供用于控制和致动机器的运动部件的控制装置500，所述装置被设计成确保机器的自动操作。
79.参考所示机器的实施例，可以如下控制其操作：
80.——转子131、132配置有进料螺杆131a、132a，使得当它们以如图3所示的方向(通常以正向方向rpm+)旋转时，它们能够致使混合物沿轴向方向从下游“a”运动到上游“p”；
81.——通过进料口部123装载组分；
82.——转子以第一正向方向rpm+开始旋转，保持时间段t1(图5)；
83.——供应的组分被转子的进料螺杆131a、132a接收，并且由于其旋转，开始混合，将混合物推向上游壁125；
84.——推动抵靠壁125致使反作用、即所谓的回流，其趋向于在从上游到下游的轴向方向上、即在与从下游到上游的优选方向相反的方向上施加运动分量。
85.所获得的运动范围优选由三种运动组成，即：
86.第一运动：圆周运动，其由转子的旋转产生；
87.第二运动：主要轴流，其由进料螺杆的形式产生；
88.第三运动：二次轴流或回流，其由壁125的阻力产生，其与主要轴流相反趋向于致使正在形成的混合物沿下游方向回流。
89.该运动范围是为了获得混合而优选的；
90.——一旦获得满意的混合程度：
91.——通过控制单元500手动或自动反转两个转子131、132的旋转方向；
92.——在时间段t3-t2(图5)内使转子的旋转方向反转；
93.——反向旋转方向，通常为负向方向rpm-，致使混合物被推向排放室120，从该排放室通过排放开口121离开；
94.——一旦排放室120被清空，控制单元发出一个新的信号，用于反转转子的旋转方
向，使得机器设置为供应一批新的组分并开始新的混合循环。
95.利用此操作循环，各组分在混合室110内部始终保持在混合状态，所述混合室向外部打开并且因此处于大致大气压，不会引起不希望的温度升高，避免对混合物造成损坏影响，例如改变填料的化学物理特性和/或所述混合物的预交联。
96.将混合物沿上游方向和朝向后壁推动会产生重要的技术效果：供应到混合室后部的任何混合材料(橡胶或附加组分，特别是颗粒形式)都会与混合物接触并因此掺入其中，因此导致混合物中的组分完全掺入并使机器保持清洁。
97.尽管未示出，但还可以设想，能够为机器提供可运动的盖以打开/封闭混合室110，从而在混合期间保持开口打开以保持低压力和低温度，而在排放步骤期间封闭以增加混合物与临时混合室之间的接触面积并因此产生从上游到下游的轴向推力，以有利于排放动作的执行。
98.实验测试
99.以下实验测试是在根据本发明的机器中进行的，该机器具有如上参照图1至4所述的结构和配置。
100.带有正号的速度“v+”的旋转表示进料螺杆的正向旋转方向，对应于混合物从下游到上游的前进方向，而负向速度“v
‑”
表示进料螺杆的相反的旋转方向和混合物从上游到下游的前进运动方向。
101.测试1
102.将10000克硅橡胶和120克过氧化物(呈颗粒形式的交联剂)供应到混合室以将其混合。
103.在装载之前测量进入混合室的橡胶温度(temp-rubber in)，得到约25℃的温度。
104.表1显示在该过程期间机器在不同时刻执行的不同操作步骤。
105.表1
[0106][0107][0108]
结果
[0109]
使用热探针在不同点测量从排放室提取的混合物的温度(temp-mixture out)。
[0110]
温度(temp-mixture out)总是低于35℃，这是为通过测试而建立的极限。
[0111]
对提取的混合物的10个样品测量流变特性。10个样本的变异系数(标准变异/平均
值)小于3％。
[0112]
目视检查混合室，并且注意到混合室内部没有残留过氧化物颗粒，混合室后部干净且没有颗粒。
[0113]
测试2——用颜料对硅橡胶着色
[0114]
将50000克硅橡胶与500克呈粉末形式的蓝色颜料混合。
[0115]
在25℃测量橡胶的温度，即temp-rubber。
[0116]
表2显示该过程期间由机器在不同时刻执行的不同操作步骤。
[0117]
表2
[0118][0119]
结果
[0120]
使用热探针在不同点测量从放电室提取的混合物的温度(temp-mixture out)。
[0121]
温度(temp-mixture out)总是低于35℃，这是为通过测试而建立的极限。
[0122]
目测评估混合物颜色的均匀性。颜色均匀分布，没有着色区。
[0123]
因此，很清楚可以如何利用根据本发明的机器在低压力、大致环境压力且温度升高可忽略不计的情况下对混合物进行处理，同时提高所获得的混合物的质量；此外，控制和确定材料流动方向的可能性能够确保适合于获得令人满意的混合的运动范围，特别是所有供应到室的材料。
[0124]
尽管结合实施本发明的多个实施例和多个优选示例进行了描述，但是可以理解，本专利的保护范围仅由以下权利要求确定。