11

Effetto del Effetto del processo di processo di

mescolazione mescolazione sulla sulla

difettosità difettosità delle mescoledelle mescole

22

Tipi di difettiTipi di difettiI difetti di una mescola in gomma I difetti di una mescola in gomma

possono essere legati alle:possono essere legati alle:

1.1. Dimensioni: Dimensioni: sono specificate solitamente con sono specificate solitamente con intervalli di tolleranza opportuni tenendo conto che la intervalli di tolleranza opportuni tenendo conto che la gomma è un materiale flessibilegomma è un materiale flessibile

2.2. Aspetto: Aspetto: sono i difetti che potrebbero compromettere sono i difetti che potrebbero compromettere la funzione del prodotto o la sua accettazione da parte del la funzione del prodotto o la sua accettazione da parte del cliente. Bisogna definire una procedura di ispezione che cliente. Bisogna definire una procedura di ispezione che identifichi un difetto e determini una serie di azioni basate identifichi un difetto e determini una serie di azioni basate sulla severità del difettosulla severità del difetto

3.3. Funzione: Funzione: i test derivano dalle specifiche delle i test derivano dalle specifiche delle prestazioni del prodotto. Bisogna definire metodi di analisi prestazioni del prodotto. Bisogna definire metodi di analisi ed intervalli di tolleranza legati alle specifiche prestazionali ed intervalli di tolleranza legati alle specifiche prestazionali del prodottodel prodotto

33

Obiettivi della mescolazioneObiettivi della mescolazione

Trasformare la formulazione in un Trasformare la formulazione in un prodottoprodotto::

• I cui componenti siano perfettamente I cui componenti siano perfettamente dispersi nella matrice elastomericadispersi nella matrice elastomerica

• Che sia facilmente trasformabile in Che sia facilmente trasformabile in semilavoratosemilavorato

• Vulcanizzi in modo efficiente ed uniformeVulcanizzi in modo efficiente ed uniforme

• Esplichi le proprietà di progetto sul Esplichi le proprietà di progetto sul prodotto finitoprodotto finito

44

Effetto delle “4M” del mixing sulla qualità Effetto delle “4M” del mixing sulla qualità del prodottodel prodotto

55

Fasi Fasi dell’operazionedell’operazione di mixing di mixing

• Plastificazione o riduzione della viscositàPlastificazione o riduzione della viscosità

• IncorporazioneIncorporazione

• DistribuzioneDistribuzione

• DispersioneDispersione

Tutte queste fasi possono avvenire anche Tutte queste fasi possono avvenire anche contempora-neamente e ciascuna di queste può contempora-neamente e ciascuna di queste può essere la fase che determina la velocità del essere la fase che determina la velocità del processoprocesso

66

RiduzioneRiduzione della viscosità della viscosità

La riduzione della viscosità avviene con La riduzione della viscosità avviene con tre meccanismi interdipendenti:tre meccanismi interdipendenti:

• Aumento della temperatura: Aumento della temperatura: causata dalla causata dalla trasformazione della energia meccanica in energia trasformazione della energia meccanica in energia termicatermica

• Estensione delle catene: Estensione delle catene: liberazione delle liberazione delle catene macromolecolari aggrovigliatecatene macromolecolari aggrovigliate

• Masticazione: Masticazione: scissione delle catene scissione delle catene macromo-lecolari con omogeneizzazione del macromo-lecolari con omogeneizzazione del materiale (gomma naturale) sia per effetto materiale (gomma naturale) sia per effetto meccanico, sia attraverso agenti chimicimeccanico, sia attraverso agenti chimici

77

IncorporazioneIncorporazione• Come la viscosità e la elasticità della gomma si Come la viscosità e la elasticità della gomma si

riducono, la gomma scorre lungo gli additivi, riducono, la gomma scorre lungo gli additivi, incorporandoli ed includendoli nella matrice gommosa.incorporandoli ed includendoli nella matrice gommosa.

• Va detto che la carica si presenta in pellets per Va detto che la carica si presenta in pellets per problemi di trasporto ed ambientali e questi pellets problemi di trasporto ed ambientali e questi pellets vengono rotti facilmente in agglomerati sempre più vengono rotti facilmente in agglomerati sempre più piccolipiccoli

• La efficienza dell’incorporazione dipende dai flussi di La efficienza dell’incorporazione dipende dai flussi di gomma di ricircolo indotti nella gomma dal mixer, che gomma di ricircolo indotti nella gomma dal mixer, che si sovrappongono ed includono i volumi di additivisi sovrappongono ed includono i volumi di additivi

• Due sono i meccanismi proposti:Due sono i meccanismi proposti:

88

Meccanismi per Meccanismi per l’incorporazionel’incorporazionea)laminazione b)spezzettamentoa)laminazione b)spezzettamento

99

Confronto dell’efficienza del Confronto dell’efficienza del mixing esponenziale e laminaremixing esponenziale e laminare

1010

Mixing dispersivoMixing dispersivo• La gomma si immobilizza negli interstizi delle La gomma si immobilizza negli interstizi delle

cariche e fa aumentare la viscosità della miscelacariche e fa aumentare la viscosità della miscela• Sforzi elevati si applicano agli agglomerati di Sforzi elevati si applicano agli agglomerati di

particelle incomprimibili causandone la rotturaparticelle incomprimibili causandone la rottura• Questo processo si chiama mixing dispersivo e Questo processo si chiama mixing dispersivo e

porta le particelle da agglomerati relativamente porta le particelle da agglomerati relativamente larghi (10-100micron) ad aggregati fino a meno larghi (10-100micron) ad aggregati fino a meno di 1 microndi 1 micron

• Queste forze si riducono progressivamente per il Queste forze si riducono progressivamente per il rilascio della gomma occlusa dovuta alla frattura rilascio della gomma occlusa dovuta alla frattura degli agglomerati ed alla riduzione della degli agglomerati ed alla riduzione della dimensione di essidimensione di essi

1111

Mixing distributivoMixing distributivo• Parallelamente si ha una riduzione di viscosità della Parallelamente si ha una riduzione di viscosità della

miscela per effetto dell’aumento della temperatura miscela per effetto dell’aumento della temperatura con rapida diminuzione dell’efficienza del mixing con rapida diminuzione dell’efficienza del mixing dispersivodispersivo

• Il mixing distributivo avviene parallelamente al Il mixing distributivo avviene parallelamente al mixing dispersivo ed è la fase in cui i frammenti di mixing dispersivo ed è la fase in cui i frammenti di agglomerato vengono separati ed uniformemente agglomerato vengono separati ed uniformemente distribuiti una volta che sono stati fratturatidistribuiti una volta che sono stati fratturati

• Il grado finale della distribuzione del nero dipendono Il grado finale della distribuzione del nero dipendono dal tipo di nero, dalle condizioni di mescolazione e dal dal tipo di nero, dalle condizioni di mescolazione e dal tipo di gomma.tipo di gomma.

• I cambiamenti in consumo di potenza della varie fasi I cambiamenti in consumo di potenza della varie fasi sono indicativi delle fasi di processo in cui ci si trova e sono indicativi delle fasi di processo in cui ci si trova e danno indicazioni sulle caratteristiche del prodotto danno indicazioni sulle caratteristiche del prodotto finitofinito

1212

Curva di potenza con il tempo Curva di potenza con il tempo nella mescolazione nella mescolazione

1313

Tests perTests per la qualità e l’uniformità delle la qualità e l’uniformità delle

mescolemescole

• Ci sono dei test che ci danno informazioni sulla Ci sono dei test che ci danno informazioni sulla qualità ed altri sulla consistenza del processo di qualità ed altri sulla consistenza del processo di mixingmixing

• Per ciò che riguarda il primo aspetto ricordo ad Per ciò che riguarda il primo aspetto ricordo ad es.: es.:

1)1)La misura del grado di dispersione dei La misura del grado di dispersione dei fillerfiller: per la dispersione si guarda quante : per la dispersione si guarda quante particelle di agglomerato sono rimaste particelle di agglomerato sono rimaste attraverso il SEM attraverso il SEM Per il secondo ad es.:Per il secondo ad es.:

2)2) La consistenza del network del filler La consistenza del network del filler si si esamina con l’andamento del modulo in shear in esamina con l’andamento del modulo in shear in funzione dell’ampiezza della deformazione funzione dell’ampiezza della deformazione (effetto Payne)(effetto Payne)

1414

• Tuttavia entrambi i tests richiedono tempi lunghi Tuttavia entrambi i tests richiedono tempi lunghi per la esecuzione e non sono generalmente fattibili per la esecuzione e non sono generalmente fattibili nelle aree di produzionenelle aree di produzione

• Test più semplici come una una ispezione visiva Test più semplici come una una ispezione visiva della sporcabilità o della lucentezza della superficie della sporcabilità o della lucentezza della superficie della mescola tal quale e della mescola trazionata della mescola tal quale e della mescola trazionata sono più adatti a tale scoposono più adatti a tale scopo

• Oppure ci possono essere misure di moduli a due Oppure ci possono essere misure di moduli a due punti vale a dire di modulo in funzione punti vale a dire di modulo in funzione dell’ampiezza di defor-mazione a 0,1 e 0,5 che dell’ampiezza di defor-mazione a 0,1 e 0,5 che danno informazioni precise sia sulla dispersione che danno informazioni precise sia sulla dispersione che sul network della carica (vedi slide successiva sul network della carica (vedi slide successiva riportata a due punti) od infine esami ottici della riportata a due punti) od infine esami ottici della mescola e della dispersione della carica rispetto ad mescola e della dispersione della carica rispetto ad una scala di confronto (Dispergrader).una scala di confronto (Dispergrader).

• Nella pratica industriale però per controllare le Nella pratica industriale però per controllare le mescole si usano i controlli rapidi ed alcuni controlli mescole si usano i controlli rapidi ed alcuni controlli statisticistatistici

1515

Andamento del modulo G’ in funzione Andamento del modulo G’ in funzione dell’ampiezza di deformazione per dell’ampiezza di deformazione per diverse mescolediverse mescole

1616

I controlli rapidiI controlli rapidi

• Tutti i batch vengono controllati dati i rischi Tutti i batch vengono controllati dati i rischi con-nessi nel processo a valle se si utilizza con-nessi nel processo a valle se si utilizza anche un solo batch di irregolareanche un solo batch di irregolare

• Generalmente lo strumento usato per il Generalmente lo strumento usato per il controllo è il controllo è il reometro MDR reometro MDR che fornisce, che fornisce, attraverso la curva reometrica, informazioni attraverso la curva reometrica, informazioni correlate con al-cune proprietà tecnologiche correlate con al-cune proprietà tecnologiche della mescola e con la processabilità della mescola e con la processabilità all’impiego (ad es. MH ed E’)all’impiego (ad es. MH ed E’)

• Altri controlli(Viscosità, densità ad es.) Altri controlli(Viscosità, densità ad es.) possono essere fatti in funzione del tipo di possono essere fatti in funzione del tipo di mescolamescola

• I limiti vengono definiti durante la I limiti vengono definiti durante la industrializ-zazione delle singole mescole industrializ-zazione delle singole mescole secondo regole definite legate a metodologie secondo regole definite legate a metodologie di controllo statistico del processo di controllo statistico del processo

1717

Curva reometrica e parametri Curva reometrica e parametri dinamici nel controllo rapidodinamici nel controllo rapido

Time

To

rqu

e Tan

Tan

TC90

TC50

TS2ML

MH

S"

S'

1818

Problemi del controllo rapidoProblemi del controllo rapido

1.Correlazione tra i limiti dei controlli rapidi 1.Correlazione tra i limiti dei controlli rapidi e specifiche tecniche delle mescolee specifiche tecniche delle mescole

Il problema diventa determinare la correlazione quantitativa fra questi Il problema diventa determinare la correlazione quantitativa fra questi parametri (ad es. E’, MH) considerando anche il fatto che alcune parametri (ad es. E’, MH) considerando anche il fatto che alcune caratteristiche delle mescole (ad es.proprietà tensili) sono poco correlate alla caratteristiche delle mescole (ad es.proprietà tensili) sono poco correlate alla curva reometricacurva reometrica

2.Limiti di controllo e specifiche tecniche2.Limiti di controllo e specifiche tecniche– I limiti di controllo sono legati alla capacità qualitativa del processo I limiti di controllo sono legati alla capacità qualitativa del processo

utilizzatoutilizzato– Esiste il problema della possibile incoerenza fra la capacità qualitativa Esiste il problema della possibile incoerenza fra la capacità qualitativa

del processo rispetto delle specifiche tecniche (cpdel processo rispetto delle specifiche tecniche (cp< 1,33)< 1,33)

3.Standardizzazione dei limiti di controllo3.Standardizzazione dei limiti di controllo– Ripetibilità e riproducibilità del test reometricoRipetibilità e riproducibilità del test reometrico– Limiti di controllo differenti per diversi laboratoriLimiti di controllo differenti per diversi laboratori

1919

Trend chart, control and warning limitsTrend chart, control and warning limits

2020

Il controllo del prodotto attraverso Il controllo del prodotto attraverso i i parametri di processoparametri di processo• Per controllare il prodotto attraverso i Per controllare il prodotto attraverso i

parametri di processo si usano vari parametri di processo si usano vari parametri quali Tempo, Temperatura, parametri quali Tempo, Temperatura, EnergiaEnergia

• Il Tempo di mixing totale da solo non è un Il Tempo di mixing totale da solo non è un buon criterio per la sua scarsa buon criterio per la sua scarsa riproducibilitàriproducibilità

• La curva Tempo Temperatura è importante La curva Tempo Temperatura è importante per prevenire la vulcanizzazione prematura per prevenire la vulcanizzazione prematura nel banbury. Comunque una sola nel banbury. Comunque una sola termocop-pia può essere insufficiente per termocop-pia può essere insufficiente per avere la situazione della distribuzione delle avere la situazione della distribuzione delle tempera-ture all’interno del by; nella tempera-ture all’interno del by; nella mescola la distribuzione delle temperature mescola la distribuzione delle temperature è all’incirca è all’incirca ± 13,5°C± 13,5°C

• L’Energia può essere considerata il miglior L’Energia può essere considerata il miglior parametro da usare per avere costanza parametro da usare per avere costanza qualitativa e la mescola è scaricata ad una qualitativa e la mescola è scaricata ad una prescritta energia totaleprescritta energia totale

2121

• Altri importanti parametri sono la curva tempo- Altri importanti parametri sono la curva tempo- torque ed il movimento del ramtorque ed il movimento del ram

• Vanno comunque tenuti presenti altri fattori che Vanno comunque tenuti presenti altri fattori che possono cambiare l’effetto sulla mescola dei possono cambiare l’effetto sulla mescola dei parametri di processo come le modalità di parametri di processo come le modalità di alimentazione del materiale, la stagnazione ecc.alimentazione del materiale, la stagnazione ecc.

• E’ utile vedere a priori con misure di dispersione E’ utile vedere a priori con misure di dispersione se è più conveniente usare come criterio di se è più conveniente usare come criterio di scarico la energia da sola od insieme ad altri scarico la energia da sola od insieme ad altri parametri di processoparametri di processo

• Un sistema di controllo complessivo sulla mescola Un sistema di controllo complessivo sulla mescola usando i parametri di processo è la Process Point usando i parametri di processo è la Process Point Analysis che permette di controllare il prodotto Analysis che permette di controllare il prodotto durante la fase di mescolazione utilizzando in ogni durante la fase di mescolazione utilizzando in ogni istante i parametri di processoistante i parametri di processo

2222

Process point analysis of mixingProcess point analysis of mixing

melting of chemicals

Tem

peratu

re [

°C

]

Form change

(1)

(2)

IncorporationDistribution

Silica Network phase formation

Dispersionstarting

(3)

C.P1

incorporation finished

C.P2

M.P.

Oil and ingredients introduction

Incorporation, dispersion and distribution phase Silanization phase

Time [min]

f=(t,T)f=(P,T)

C.P3 C.P4

0 5 10

50

150

Po

wer [K

w]

Silanization Reaction Rate

K

T [°C]

160°

140°

120°

300

600

0(GK8 Process group)

2323

Indice di processabilitàIndice di processabilità

• Un modo analogo di controllare il prodotto Un modo analogo di controllare il prodotto durante la mescolazione e di mettere a punto durante la mescolazione e di mettere a punto un ciclo ottimale di mescolazione in laboratorio un ciclo ottimale di mescolazione in laboratorio è il metodo dell’indice di processabilitàè il metodo dell’indice di processabilità

• Il massimo del secondo picco di torque Il massimo del secondo picco di torque chiamato anche BIT è un punto in cui la chiamato anche BIT è un punto in cui la incorporazione del nero è finita; incorporazione del nero è finita; successivamente si arriva al t’ oltre il quale il successivamente si arriva al t’ oltre il quale il lavoro va a rompere le catene polimerichelavoro va a rompere le catene polimeriche

• A ciò corrisponde il massimo di die swell ed un A ciò corrisponde il massimo di die swell ed un aumento della densità od anche della aumento della densità od anche della resistività in alcuni casi (vedi seguito)resistività in alcuni casi (vedi seguito)

2424

CorrelazioneCorrelazione fra indice di processabilità fra indice di processabilità (t’)e (t’)e controllo di processocontrollo di processo

2525

ConclusioniConclusioni

• La mescolazione può essere causa di difetti La mescolazione può essere causa di difetti del manufattodel manufatto

• Analisi fisiche semplici permettono l’individua-Analisi fisiche semplici permettono l’individua-zione di possibili difetti e di rapide correzionizione di possibili difetti e di rapide correzioni

• L’analisi dei parametri di processo, l’individua-L’analisi dei parametri di processo, l’individua-zione di intervalli di tolleranza e la loro zione di intervalli di tolleranza e la loro correzio-ne in tempo reale rappresentano un correzio-ne in tempo reale rappresentano un tool impor-tante per minimizzare gli scartitool impor-tante per minimizzare gli scarti