Variabili pratiche nel processo di
mescolazione
1 Profili di energia e di temperatura
Criteri che pilotano l’evoluzione delle fasi
della mescolazione:
• Tempo di mixing
• Temperatura del batch
• Energia di mescolazione
• Tempo di mixing:variabile aperta usata in genere per
determinare i tempi di caricamento dei vari materiali
• Temperatura: può essere misurata nelle spalle o nella
cuspide ed è correlata sia alla energia fornita nella
mescolazione, sia alla velocità con cui essa è estratta.
Fornisce una buona indicazione sullo stato della
mescolazione ed è usata generalmente come criterio di
scarico della mescola.
• Energia di mescolazione:è la differenza fra l’energia data
al motore, meno quella necessaria per far girare la macchina a vuoto. Dà utili indicazioni delle performances del
mixing anche se non tiene conto della velocità con cui
l’energia è fornita. La velocità è proporzionale al torque
del rotore ed è perciò direttamente correlata alle forze
applicate agli agglomerati di particelle durante il mixing
dispersivo
• Il tempo di mixing e l’energia sono spesso usati
per determinare quando i materiali dovrebbero
essere caricati nel mixer durante l’addizione
sequenziale, mentre la temperatura è usata spesso
come criterio di scarico.
• La potenza del motore del mixer è spesso usata
come criterio per l’addizione del materiale (olio in
particolare) dopo che il picco di potenza per il
mixing dispersivo è stato raggiunto
• Tutti i criteri di mescolazione indicati sono indicatori indiretti dello stato di mescolazione e quindi
devono essere correlati con le caratteristiche dei
materiali in mescolazione sia per i processi a valle
sia per le caratteristiche del prodotto
• Le caratteristiche del prodotto sono abbastanza ben
evidenziate dall’energia di mixing
• Strumenti sono a disposizione in commercio per
generare segnali di controllo del mixing una volta
raggiunti livelli di energia predefiniti
• Quando si usano i criteri di mescolazione con il
parametro Energia anche l’effetto primi batch è
ridotto
2 Velocità dei rotori
• Il mixing distributivo è influenzato positivamente
dall’aumento della velocità dei rotori, mentre il
mixing dispersivo viene influenzato negativamente perché aumenta la temperatura che
diminuisce la viscosità
• Restrizioni di temperatura e quindi di velocità
sono indispensabili quando si mescolano sostanze
sensibili alla temperatura come i vulcanizzanti
• Proprietà come l’isteresi e la resistenza a fatica
sono migliorate se si usa una bassa velocità dei
rotori
• Il controllo della velocità dei rotori permette in
taluni casi di effettuare la mescola in un solo
passaggio
3 Fill factor
• Il fill factor definisce la proporzione del volume di
camera di mescolazione occupata dalla mescola
• I fill factors che si usano vanno da 0,65 a 0,85.
Quando i fill factor sono molto alti c’è una
transizione dal mixing esponenziale a quello
laminare con ridotta efficienza di mixing
• I flussi di ricircolo (free folding) forniscono un
modo eccellente di trasferire materiale alle
superfici fredde dei rotori o della camera per lo
scambio termico secondo la convezione forzata
• Se il fill factor aumenta, la mescola tende a fluire in
flussi chiusi e lo scambio termico di tipo conduttivo
diventa predominante e quindi il raffreddamento
diventa assai inefficiente per lo scarso potere di
raffreddamento della mescola
• La conseguenza pratica dell’influenza del fill factor
sullo scambio di calore è che la temperatura del batch,
misurata o a tempo di mixing o ad energia costanti
aumenta sostanzialmente quando il fill factor aumenta
• Quando il fill factor è troppo basso o troppo alto anche
il peso pressatore ha un’azione poco efficace.Un modo
pratico di valutare il fill factor ottimale è quello di
osservare che il peso pressatore raggiunga la fine corsa
appena prima che la curva di potenza arrivi al picco
massimo
4 Pressione del pistone
• La funzione del pistone è quella di far sì che la forza
applicata ad esso assicuri che il materiale caricato nel
mixer interagisca rapidamente con i rotori e prevenga il
sollevamento dello stesso ed il formarsi di regioni
stagnanti all’interno del mixer
• Durante le varie fasi di mescolazione il movimento del
pistone è ciclico e dà luogo a movimenti che favoriscono le normali fasi di mescolazione
• Se la pressione è troppo bassa il materiale non
raggiunge un elevato grado di compattezza e l’azione
del dispersive mixing non è efficiente; se la pressione è
troppo alta si possono avere livelli di compattezza
troppo alti che fanno sì che la mescola non si muova
adeguatamente fra le due semicamere (tunnelling)
5 Temperatura del batch
• Ha una forte influenza sulle caratteristiche fisico-meccaniche della mescola come dimostra l’effetto primo batch
• Un controllo accurato dello scambio termico nella
camera, nei rotori e nella drop door mediante sistemi di
temperizzazione migliora l’uniformità
• Quando si mescola ad Energia costante aumentando la
temperatura si abbassa il tempo di mixing a detrimento
delle proprietà del materiale; se si mescola con scarico a
Temperatura questi effetti aumentano
• I migliori risultati si ottengono con la temperatura di
regolazione a 30°C anche se per diminuire l’effetto primi
batch la temperatura andrebbe aumentata
• La velocità variabile ed il tipo di rotori giocano un ruolo
importante nella regolazione della temperatura (differenza By ed Intermix)
Correlazione shear stress shear rate per la
gomma naturale in funzione della pressione
• Tali correlazioni permettono di valutare lo
sforzo in funzione della velocità di deformazione a diverse pressioni e permettono
da acquisire utili informazioni per lo studio
del ciclo di mescolazione
• Lo sforzo infatti è direttamente correlato
all’efficienza della mescolazione e dipende
dal prodotto della viscosità del materiale
(che è funzione della temperatura) e dalla
velocità di deformazione
6 Simulazioni in laboratorio di una
mescolazione industriale
• Servono per studiare in pratica passaggi di scala da un
mescolatore di laboratorio ad un mescolatore
industriale dato che è impossibile somministrare la
stessa energia specifica alla stessa temperatura date le
diverse dimensioni delle macchine.
• Si usa come parametro l’unità di lavoro definita come
energia di mixing per unità di volume di materiale
• L’obiettivo è quello di ottenere le proprietà dei batch
prodotti con le stesse caratteristiche di quelli industriali
• Nel grafico seguente è riportata la viscosità Mooney in
funzione dell’unità di lavoro:
Viscosità Mooney in funzione dell’unità di
lavoro con diversi macchinari
(Brabender, BRBanbury, IA Banbury, 11Banbury, 27Banbury)
• Il primo stadio della simulazione di una mescolazione
industriale deve essere l’uso di un valore di unità di
lavoro simile a quella che sarebbe usata nella
macchina di fabbrica
• L’energia di mixing per la macchina di laboratorio si
ottiene dalla relazione El=Vl/Vf x Ef dove Vl e Vf
sono i volumi del batch del mixer di laboratorio e di
quello di fabbrica solitamente espressa in m³ ed Ef è
l’energia di mixing usata per il mescolatore industriale
espressa in joule. I valori dell’unità di lavoro sono
normalmente nel range 400-1200MJ/ m³ dipendentemente dal tipo di mescola