Martin Bogun

Untersuchungen zur kontinuierlichen Herstellung von Kautschukmischungen basierend auf Rubber/Filler-Composites am Doppelschneckenextruder

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 29.09.2005

Abstract
Im Verlauf des Herstellungsprozesses eines Elastomerbauteils stellt die Mischungsherstellung den ersten und wichtigsten Schritt dar. Die Mischungsherstellung erfolgt traditionell in großvolumigen Innenmischern. Ein Nachteil der Herstellung von Kautschukmischungen im Innenmischer ist, dass dieser Prozess zu einer Streuung der Mischungsqualität von einem Batch zum anderen führen kann. Mit Hilfe eines kontinuierlichen Mischverfahrens können Qualitätsstreuungen verhindert werden.
Die vorliegende Arbeit ist vor allem ein Beitrag zur Aufklärung der Vorgänge bei der kontinuierlichen Herstellung von füllstoffhaltigen Kautschukmischungen inklusive der Vernetzungschemikalien im Doppelschneckenextruder, und der Zusammenhänge zwischen Verfahrensparametern, wie z. B. Schneckendrehzahl, und Mischungs- und Vulkanisateigenschaften, wie z. B. Füllstoffdispersion und Zugfestigkeit. Kennzeichnend ist hierbei die Nutzung rieselfähiger Rubber/Filler-Composites (RFC) basierend auf NR/Ruß, E-SBR/Ruß und E-SBR/Kieselsäure/Silan.
Anhand der Versuchsergebnisse kann festgestellt werden, dass sich unter Nutzung von Rubber/Filler-Composites (RFC) vulkanisierbare Kautschukmischungen in einem kontinuierlichen Verfahren im Doppelschneckenextruder herstellen lassen.
Die beispielhaft für die Kautschukmischung basierend auf NR/Ruß-RFC durchgeführten Untersuchungen zur Übertragbarkeit der im Labormaßstab entwickelten Ansätze auf einen Produktionsextruder zeigen, dass die Mischungseigenschaften nahezu unabhängig von den untersuchten Baugrößen sind. Kautschukmischungen basierend auf NR/Ruß-RFC sind somit im industriellen Maßstab herstellbar.

The production of compounds represents the first and most important step in the production process of an elastomer component. Compounds are traditionally produced in high-volume internal mixers. A disadvantage of the production of rubber compounds in internal mixers is that this process can lead to differences in compound quality from one batch to another. Quality differences can be prevented with the aid of a continuous mixing procedure.
The work described in this paper contributes above all to clarifying the principles for the continuous production of rubber compounds containing fillers, including cross-linking chemicals in the twin screw extruder, as well as the correlations between processing parameters, e.g. screw revolutions, and compound and vulcanizate properties, such as filler dispersion and tensile strength. It is typical to use pourable Rubber/Filler-Composites (RFC's) based on NR/carbon black, E-SBR/carbon black and E-SBR/silica/silane.
Based on the test results, it can be established that vulcanizable rubber compounds can be produced in a continuous procedure on the twin screw extruder by using RubberFiller-Composites (RFC's).
Studies performed by way of example on rubber compounds based on an NR/carbon black RFC investigating to what extent approaches developed in the laboratory can be applied to extruders in a manufacturing environment show that the compoundís properties are virtually independent of the size involved. Rubber compounds based on an NR/carbon black RFC can thus be produced on an industrial scale.

Keywords:
Kautschukmischungen, Herstellung, kontinuierliches Mischen, Doppelschneckenextruder, Rubber/Filler-Composites, Eigenschaften, Füllstoffdispersion, Schneckenkonfiguration, Knetblock, Scale up

rubber compounds, production, continuous mixing, twin screw extruder, Rubber/Filler-Composites, properties, filler dispersion, screw configuration, kneading block, scale up

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Vorwort, Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Zielsetzung (2-6)
2. Herstellung von Kautschukmischungen (7-32)
3. Rubber/Filler-Composites (33-35)
4. Doppelschneckenextruder (35-42)
5. Experimentelles (43-50)
6. Ergebnisse und Diskussion (51-101)
7. Scale Up (101-105)
8. Strategien zur Verfahrensoptimierung (106-108)
9. Zusammenfassung (108-111)
10. Summary (112-115)
11. Anhang (116-117)
12. Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen (118-120)
13. Literaturverzeichnis (121-135)