1

LIUCAnno Accademico 2012-2013

Applicazioni industriali Gomme

Sintesi del corso Applicazioni Industriali (Parte gomme)

A. Proni

2

1Le materie prime e le mescole

• Che cosa è una mescola

• Quali sono gli ingredienti principali (5) di una mescola

• Quale è il ruolo dei singoli ingredienti principali

• Quali sono le caratteristiche principali di una mescola industriale

3

1.1

• Che cosa sono i peptizzanti e i rigenerati

• Qualche ricetta tipica per le varie applicazioni

• Come si presenta una ricetta e significato di p.h.r.

• I costi della formulazione e del processo

4

1.1

• I vari tipi di gomme sintetiche (IP, BR, IIR, SBR, CR,) ed il confronto delle proprietà di Gomma Naturale (NR) e Gomma Sintetica

• Le cariche rinforzanti ( nero di carbonio e cariche chiare) e la loro caratterizzazione

• L’influenza delle cariche sul crudo e sul vulcanizzato

• Gli ingredienti della vulcanizzazione (vulcanizzanti, acceleranti, attivanti, ritardanti)

5

1.2 La gomma naturale (vedi film)

• La produzione,la raccolta, la produttività

• La struttura e la composizione

• I tipi ottenibili (RSS, cup lump)

• Differenze fra le caratteristiche della gomma SMR, SIR,STR (malesiana, indonesiana, tailandese)

• La non gomma e la sua influenza sulle caratteristiche della mescola finale

6

1.2

• Le caratteristiche principali:

P0 e PRI,

la variazione delle caratteristiche nel tras-porto della gomma naturale,

la distribuzione dei pesi molecolari,

il breakdown index,

il comportamento alla vulcanizzazione

7

1.3 Il nero di carbonio

• I metodi di produzione

• Il principale processo usato:Furnace ed

una sua sommaria descrizione

• Lefasi a valle del processo di combustione

• Le proprietà del nero:

• La struttura atomica ed il confronto con la grafite, la formazione della particella, gli aggregati e gli agglomerati

8

1.3

• La determinazione della dimensione e della struttura (frattali)

• I neri hard e soft ed i loro effetto sulle caratteristiche della mescola

• Handling e trasporto

9

1.4La silice

• Metodi di produzione

• Filtrazione essiccamento, macinazione, granulazione

• Handling

• Caratteristiche fisiche e proprietà del compound

10

1.4.1

• Reazione fra silice e silano e gomma

• Le interazioni carica-carica e carica polimero nel caso della silice e del nero

• Confronto fra i meccanismi di rinforzo di silice e nero ed effetto sulle caratteristiche del manufatto (R.R, wet grip)

• Le proprietà rinforzanti nei due casi

11

1.5Le gomme sintetiche

• Le gomme in emulsione ESBR: Generalità sul processo di produzione I tipi prodotti La microstruttura Il peso molecolare e la distribuzione• Le gomme in soluzione SSBR: Generalità sul processo di produzione I tipi prodotti La microstruttura Il peso molecolare e la distribuzione

12

1.5

• I Polibutadieni:

i diversi tipi producibili: anionici e Ziegler-Natta e le micro e macrostrutture ottenibili nei due casile caratteristiche delle mescole ottenibili

l’effetto sulla processabilità delle mescole• Che cosa è la polimerizzazione stereospecifica• Le gomme butiliche ed alobutiliche: catalizzatori cationici e struttura dei prodotti ottenuti

13

1.6 Gomme naturali e sintetiche

• Sintesi delle differenze di comportamento delle varie gomme in mescola

• % uso della gomma naturale (35-40%) e sintetica (60-65%) nei vari Paesi del mondo

14

2.Mescole crude e vulcanizzate

• Mescole crude: viscosità, plasticità e loro definizione

• Mescole vulcanizzate: elasticità e sua definizione

• Materiali newtoniani e pseudoplastici:le gomme e la relazione sforzo/ gradiente di scorrimento e viscosità/gradiente di scorrimento

• I gradienti di scorrimento e la lavorazione

15

2.1

• Relazione fra viscosità, gradiente di scorrimento, modulo dinamico(effetto Payne) e temperatura

• Misure di processabilità:

trafila Garvey

sistemi di simulazione (Polyflow)

16

2.1

• Il passaggio da mescole crude a mescole vulcanizzate:

a)sistemi di vulcanizzazione

b)la valutazione e la misura del processo attraverso la modifica di alcune caratteri- stiche (termoplasticità, viscosità rigidità ecc.)

17

2.1

• Metodi di misura delle mescole crude:

viscosità(Mooney), adesività, curva di vulcanizzazione, scottatura

• e delle mescole vulcanizzate:

trazioni dinamometriche, resa elastica, abrasione, lacerazione,invecchiamento durezza

18

3.Le caratteristiche viscoelastiche di una gomma

• Differenza fra moduli a trazione e moduli dinamici

• Metodi di misura delle proprietà dinamiche

• Relazione fra parte reale del modulo di Young e componente elastica e componente dissipativa

• Relazione fra modulo di rilassamento e temperatura in un polimero amorfo

19

4.Il comportamento della carica in un sistema binario (SBR,NR)

• Parametri che influenzano:

a)affinità chimica (nero,SBR)

b)peso molecolare (NR meglio di SBR) e sua distribuzione (Li meglio di Nd)

c)tipo di carica (nero o silice)

d)tipo di mescolatore chiuso (By e Intermix)

20

4.1Effetto delle caratteristiche micro e macrostrutturali sull’incorporazione della carica nel mescolatore aperto e chiuso

• Nel mescolatore aperto va meglio un alto peso molecolare, alto MWD ed alto cis(ad esempio polibutadiene al Nd, Co, Ni)

• Nel mescolatore chiuso va meglio un basso cis, stretto MWD e basso peso molecolare ( ad esempio polibutadiene al Li)

• Nel primo caso prevale il meccanismo dell’allungamento, nel secondo caso dello spezzettamento

21

5.Il processo di mescolazione

• La mescolazione nell’industria del pneumatico

• Obiettivi del processo di mixing: trasformare materiali differenti come consistenza e quantità per produrre un materiale che risponda alle specifiche, possa essere processato nelle macchine a valle, al costo più basso possibile e con il minor numero di scarti

22

5.1Aspetti critici del processo di mixing

• Il diagramma a spina di pesce delle 4M: materiali (qualità, identificazione, quantità

e condizioni) macchine (tipo, strumenti, usura,aspira-

zione)metodi (definizione del ciclo,parametri critici del processo, acquisizioni dei dati ed analisi)

manodopera (affidabile ed addestrata)

23

5.2Meccanismo nel processo di confezione mescole

• Riduzione di viscosità

• Incorporazione (laminazione o spezzetta- mento)

• Dispersione (rottura agglomerati e meccanismo a cipolla )

• Distribuzione

24

5.3La processabilità al mescolatore aperto

• Aspetti costruttivi (cilindro lento e veloce, motore, uniformizzatore)

• Le 4 regioni di Tokita-White

• La regione ottimale ed i sistemi per passare da una regione all’altra (tempera-tura,nip o traferro, velocità relativa dei cilindri, rapporto di frizione)

25

5.4La processabilità al banbury

• Aspetti costruttivi (corpo, rotori,tramoggia, peso pressatore,drop door)

• Rotori a due e quattro ali

• Raffreddamento del sistema

• Meccanismo di mescolazione: fra camera e rotore, taglio, sovrapposizione laterale, taglio laterale

26

5.5La processabilità all’Intermix

• Differenze con banbury: forma dei rotori e raffreddamento

• Lavorazione fra i rotori• Alta viscosità ed alto shear• Basso fill factor• Più veloce incorporazione dell’olio• Maggior controllo della temperatura• Macchina di mescolazione e reattore chimico

27

5.6Equipaggiamenti ausiliari della sala mescole

• Serie di mescolatori aperti

• Pelletizer

• Estrusore e roller die

• Estrusore e T.S.E. (twin screw extruder)

28

5.7 Tecniche di mixing

• Mescolazione ad un solo stadio

• Mescolazione a due o più tempi

• Mescolazione convenzionale

• Mescolazione upside down

• Uso del up and down del pistone e della velocità variabile per controllo migliore della temperatura

29

5.8 Controllo del ciclo con i parametri di processo

• I parametri più importanti: energia, tempo temperatura,potenza

• Uso della velocità variabile e della pressione del pistone anche in feedback

• Uso dei sistemi di temperizzazione

30

5.9 Controllo on line ed in process control

• Rheomill

• Relma

• RPA on line

• In process control

31

5.10 La mescolazione in continuo

• Gli aspetti positivi e negativi rispetto alla mescolazione a batch

• Positivi: consumo di energia costante, minor impiego mano d’opera, migliore uniformità, ridotti costi installazione

• Negativi:Impossibilità di usare materiali non free flowing,sofisticati strumenti di dosatura, non ecomicità per brevi campagne, numero limitato di variabili di processo)

• TUTTAVIA NELL’INDUSTRIA DELLA GOMMA LA MESCOLAZIONE IN CONTINUO E’ UTILIZZATA POCHISSIMO

32

5.11Schema di impianto per la produzione di mescole

• Area stoccaggio

• Area dosatura

• Area mescolazione

• Area finitura e raccolta

33

5.12 Usura del macchinario

• Durata della camera di mescolazione in caso di mescole con nero e con silice

• Inconvenienti nel caso di usura del rotore e della cassa

• Rimedi e metodi di riporto della lega

• Caratteristiche delle leghe e scala di durezza

34

6. I processi di trafilatura e profilatura

• L’obiettivo: trasformare la mescola da fogliato a sagomato mediante la plastificazione della mescola

• Le macchine usate: trafile e profile

• Trafile cold feed ed hot feed per gomma sintetica e gomma naturale

35

6.1 Le caratteristiche principali delle trafile

• Trafile cold feed: lunghezza e suddivisione in zone.

• Esempi di trafile cold feed multiple• Esempio linea di trafilatura cold feed

completa• Trafila hot feed: assetto e lunghezza della

vite• Influenza del processo sulle caratteristiche

del trafilato e fattori di successo

36

6.2 Le caratteristiche principali delle trafile cold feed

• La zona di alimentazione, il corpo, le zone di controllo della temperatura,teoria della vite e portata, gli effetti della temperatura della vite e del barrel

• La terminologia, la portata, l’efficienza, i profili di viti

37

7. La vulcanizzazione

• Descrizione del cambio della struttura molecolare prima e dopo vulcanizazione

• Densità e tipo di reticolo e origine della formazione

• Come si modificano le proprietà della mescola (viscosità,modulo,allungamento, durezza,termoplasticità,rigonfiamento)

• Significato e misura della scottabilità

38

7.1 Metodi di determinazione dello stato di vulcanizzazione

• Fisici, chimici ed in continuo• Vulcanografi, ODR,MDR e loro breve

descrizione• Curva di vulcanizzazione e significato di

ML,MH,ts(2),tv(50),tv(90)• Significato di marching modulus e

reversione• RPA 2000 e possibilità di misure

viscoelastiche su crudo e vulcanizzato

39

7.2 Sistemi di vulcanizzazione

• Vulcanizzazione a zolfo (cristallino ed amorfo)e meccanismo di sintesi

• Acceleranti e le varie famiglie

• Attivanti e ritardanti

• Vulcanizzazione a perossidi

• Stabilità dei legami

40

7.3 Aspetti teorici della vulcanizzazione

• Struttura e proprietà dei reticoli in funzione delle condizioni di vulcanizzazione

• Proprietà dei vulcanizzati in funzione della densità di reticolazione

• Dipendenza della vulcanizzazione dal tempo e dalla temperatura: trattamenti isotermi e non isotermi

• Equazione di Arrhenius e gli equivalenti di vulcanizzazione

41

7.4 Aspetti pratici della vulcanizzazione

• La vulcanizzazione di uno pneumatico e tipologia delle presse

• Il limite di spugnosità

• Tecniche di vulcanizzazione industriale: Stampaggio a compressione e ad iniezione

• La vulcanizzazione in continuo: tunnel e cintura di acciaio

42

8Qualità delle mescole

• Strategia del controllo : effetto delle materie prime, del processo e di adeguatezza dei test in funzione degli obiettivi

• Materie prime: Manuale assicurazione qualità fornitore

• Processo: focus su macchine, condizioni operative procedure, ambiente output (4M)

• Adeguateza dei test in funzione dei costi benefici

43

8.1Tests per la qualità ed uniformità

• Misura del grado di dispersione del filler e della consistenza del network

• Tests: sofisticati: SEM,analisi del G’ o me-no sofisticati: organolettici, Dispergrader

• Controlli rapidi e statistici e scopi relativi

44

8.2 Controlli rapidi

• Controllo di tutti i batches

• Uso del reometro MDR anche in continuo

• Altri controlli possibili (viscosità, densità)

• Definizione dei limiti durante la fase di industrializzazione

• Esempio di carte di controllo: andamento, centratura e limiti di tolleranza e di avviso

45

8.3 Problemi del controllo rapido

• Correlazione tra i limiti dei controlli rapidi e specifiche tecniche delle mescole

• Limiti di controllo e specifiche tecniche (cp minore di 1,33)

• Standardizzazione dei limiti di controllo

46

8.4 I controlli statistici

• Definizione della frequenza di controllo

• Definizione delle modalità operative vincolanti (numerosità e preparazione dei provini, strumentazione, metodi)

• Gestione dei dati raccolti ( istogrammi)

47

8.5 Output dei controlli statistici

• Valutazione degli andamenti qualitativi delle singole fabbriche

• Elaborazione dei livelli qualitativi al fine di:

riallineare i risultati delle singole unità

indicazione della best practice

interventi verso le unità operative scadenti• Elaborazione indicatori di qualità: in particolare

indice di centratura ed indice di uniformità

48

8.6Il controllo di qualità attraverso i parametri dii processo

• Scelta dei parametri:Tempo, Temperatura, Energia , Potenza

• Scelta del parametro migliore: Energia• In pratica lo scarico è effettuato ad energia

totale in combinazione con il tempo e con il controllo del parametro temperatura

• Altri parametri utilizzabili: curva tempo/torque e movimento ram

• Altri metodi: Process point analysis ed Indice di processabilità