Effetto del
processo di
mescolazione
sulla difettosità
delle mescole
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Tipi di difetti
I difetti di una mescola in gomma possono
essere legati alle:
1. Dimensioni: sono specificate solitamente con intervalli di
tolleranza opportuni tenendo conto che la gomma è un materiale
flessibile
2. Aspetto: sono i difetti che potrebbero
compromettere la
funzione del prodotto o la sua accettazione da parte del cliente.
Bisogna definire una procedura di ispezione che identifichi un
difetto e determini una serie di azioni basate sulla severità del
difetto
3. Funzione: i test derivano dalle specifiche delle prestazioni
del prodotto. Bisogna definire metodi di analisi ed intervalli di
tolleranza legati alle specifiche prestazionali del prodotto
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Obiettivi della mescolazione
Trasformare la formulazione in un prodotto:
• I cui componenti siano perfettamente dispersi
nella matrice elastomerica
• Che sia facilmente trasformabile in
semilavorato
• Vulcanizzi in modo efficiente ed uniforme
• Esplichi le proprietà di progetto sul prodotto
finito
3
Effetto delle “4M” del mixing sulla qualità del
prodotto
4
Fasi dell’operazione di mixing
•
•
•
•
Plastificazione o riduzione della viscosità
Incorporazione
Distribuzione
Dispersione
Tutte queste fasi possono avvenire anche contemporaneamente e ciascuna di queste può essere la fase che
determina la velocità del processo
5
Riduzione della viscosità
La riduzione della viscosità avviene con
tre meccanismi interdipendenti:
• Aumento della temperatura: causata dalla
trasformazione della energia meccanica in energia
termica
• Estensione delle catene: liberazione delle
catene macromolecolari aggrovigliate
• Masticazione: scissione delle catene macromolecolari con omogeneizzazione del materiale
(gomma naturale) sia per effetto meccanico, sia
attraverso agenti chimici
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Incorporazione
• Come la viscosità e la elasticità della gomma si
riducono, la gomma scorre lungo gli additivi,
incorporandoli ed includendoli nella matrice
gommosa.
• Va detto che la carica si presenta in pellets per
problemi di trasporto ed ambientali e questi
pellets vengono rotti facilmente in agglomerati
sempre più piccoli
• La efficienza dell’incorporazione dipende dai flussi
di gomma di ricircolo indotti nella gomma dal
mixer, che si sovrappongono ed includono i
volumi di additivi
• Due sono i meccanismi proposti:
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Meccanismi per
l’incorporazione
a)laminazione b)spezzettamento
8
Confronto dell’efficienza del mixing
esponenziale e laminare
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Mixing dispersivo
• La gomma si immobilizza negli interstizi delle
cariche e fa aumentare la viscosità della miscela
• Sforzi elevati si applicano agli agglomerati di
particelle incomprimibili causandone la rottura
• Questo processo si chiama mixing dispersivo e
porta le particelle da agglomerati relativamente
larghi (10-100micron) ad aggregati fino a meno
di 1 micron
• Queste forze si riducono progressivamente per il
rilascio della gomma occlusa dovuta alla frattura
degli agglomerati ed alla riduzione della
dimensione di essi
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Mixing distributivo
• Parallelamente si ha una riduzione di viscosità della
miscela per effetto dell’aumento della temperatura
con rapida diminuzione dell’efficienza del mixing
dispersivo
• Il mixing distributivo avviene parallelamente al
mixing dispersivo ed è la fase in cui i frammenti di
agglomerato vengono separati ed uniformemente
distribuiti una volta che sono stati fratturati
• Il grado finale della distribuzione del nero
dipendono dal tipo di nero, dalle condizioni di
mescolazione e dal tipo di gomma.
• I cambiamenti in consumo di potenza della varie
fasi sono indicativi delle fasi di processo in cui ci si
trova e danno indicazioni sulle caratteristiche del
prodotto finito
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Curva di potenza con il tempo
nella mescolazione
12
Tests per la qualità e l’uniformità delle mescole
•
•
Ci sono dei test che ci danno informazioni sulla
qualità ed altri sulla consistenza del processo di
mixing
Per ciò che riguarda il primo aspetto ricordo ad es.:
1)La misura del grado di dispersione dei
filler: per la dispersione si guarda quante particelle
di agglomerato sono rimaste attraverso il SEM
Per il secondo ad es.:
2) La consistenza del network del filler si
esamina con l’andamento del modulo in shear in
funzione dell’ampiezza della deformazione (effetto
Payne)
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• Tuttavia entrambi i tests richiedono tempi lunghi per la
esecuzione e non sono generalmente fattibili nelle aree di
produzione
• Test più semplici come una una ispezione visiva della
sporcabilità o della lucentezza della superficie della
mescola tal quale e della mescola trazionata sono più
adatti a tale scopo
• Oppure ci possono essere misure di moduli a due punti
vale a dire di modulo in funzione dell’ampiezza di deformazione a 0,1 e 0,5 che danno informazioni precise sia
sulla dispersione che sul network della carica (vedi slide
successiva riportata a due punti) od infine esami ottici
della mescola e della dispersione della carica rispetto ad
una scala di confronto (Dispergrader).
• Nella pratica industriale però per controllare le mescole si
usano i controlli rapidi ed alcuni controlli statistici
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Andamento del modulo G’ in funzione
dell’ampiezza di deformazione per diverse
mescole
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I controlli rapidi
• Tutti i batch vengono controllati dati i rischi con-
nessi nel processo a valle se si utilizza anche un
solo batch di irregolare
• Generalmente lo strumento usato per il controllo
è il reometro MDR che fornisce, attraverso la
curva reometrica, informazioni correlate con alcune proprietà tecnologiche della mescola e con
la processabilità all’impiego (ad es. MH ed E’)
• Altri controlli(Viscosità, densità ad es.) possono
essere fatti in funzione del tipo di mescola
• I limiti vengono definiti durante la industrializzazione delle singole mescole secondo regole
definite legate a metodologie di controllo
statistico del processo
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Curva reometrica e parametri
dinamici nel controllo rapido
TC90
S'
MH
Torque
Tan 
TC50
S"
Tan 
TS2
ML
Time
17
Problemi del controllo rapido
1.Correlazione tra i limiti dei controlli rapidi e
specifiche tecniche delle mescole
Il problema diventa determinare la correlazione quantitativa fra questi parametri (ad
es. E’, MH) considerando anche il fatto che alcune caratteristiche delle mescole (ad
es.proprietà tensili) sono poco correlate alla curva reometrica
2.Limiti di controllo e specifiche tecniche
–
–
I limiti di controllo sono legati alla capacità qualitativa del processo utilizzato
Esiste il problema della possibile incoerenza fra la capacità qualitativa del
processo rispetto delle specifiche tecniche (cp< 1,33)
3.Standardizzazione dei limiti di controllo
–
–
Ripetibilità e riproducibilità del test reometrico
Limiti di controllo differenti per diversi laboratori
18
Trend chart, control and warning limits
19
Il controllo del prodotto attraverso i
parametri di processo
• Per controllare il prodotto attraverso i
parametri di processo si usano vari parametri
quali Tempo, Temperatura, Energia
• Il Tempo di mixing totale da solo non è un
buon criterio per la sua scarsa riproducibilità
• La curva Tempo Temperatura è importante
per prevenire la vulcanizzazione prematura nel
banbury. Comunque una sola termocop-pia
può essere insufficiente per avere la
situazione della distribuzione delle temperature all’interno del by; nella mescola la
distribuzione delle temperature è all’incirca ±
13,5°C
• L’Energia può essere considerata il miglior
parametro da usare per avere costanza
qualitativa e la mescola è scaricata ad una
prescritta energia totale
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• Altri importanti parametri sono la curva tempo- torque ed
il movimento del ram
• Vanno comunque tenuti presenti altri fattori che possono
cambiare l’effetto sulla mescola dei parametri di processo
come le modalità di alimentazione del materiale, la
stagnazione ecc.
• E’ utile vedere a priori con misure di dispersione se è più
conveniente usare come criterio di scarico la energia da
sola od insieme ad altri parametri di processo
• Un sistema di controllo complessivo sulla mescola usando
i parametri di processo è la Process Point Analysis che
permette di controllare il prodotto durante la fase di
mescolazione utilizzando in ogni istante i parametri di
processo
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Process point analysis of mixing
Form change
Distribution
150
600
Incorporation
(3)
(2)
(1)
Silica Network phase formation
Silanization Reaction Rate
Temperature [°C]
Dispersion
starting
160°
melting of
chemicals
K
140°
120°
300
T [°C]
Power [Kw]
Oil and
ingredients
introduction
50
incorporation
finished
M.P.
C.P1
C.P3
C.P2
Incorporation, dispersion and distribution phase
Silanization phase
f=(P,T)
0
C.P4
f=(t,T)
Time [min]
5
(GK8 Process group)
10
0
22
Indice di processabilità
• Un modo analogo di controllare il prodotto durante la
•
•
mescolazione e di mettere a punto un ciclo ottimale
di mescolazione in laboratorio è il metodo dell’indice
di processabilità
Il massimo del secondo picco di torque chiamato
anche BIT è un punto in cui la incorporazione del
nero è finita; successivamente si arriva al t’ oltre il
quale il lavoro va a rompere le catene polimeriche
A ciò corrisponde il massimo di die swell ed un
aumento della densità od anche della resistività in
alcuni casi (vedi seguito)
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Correlazione fra indice di processabilità (t’)e
controllo di processo
24
Conclusioni
• La mescolazione può essere causa di difetti del
•
•
manufatto
Analisi fisiche semplici permettono l’individuazione di possibili difetti e di rapide correzioni
L’analisi dei parametri di processo, l’individuazione di intervalli di tolleranza e la loro correzione in tempo reale rappresentano un tool importante per minimizzare gli scarti
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