LIUC Anno Accademico 2012-2013 Applicazioni industriali Gomme Sintesi del corso Applicazioni Industriali (Parte gomme) Proni

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

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

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)

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

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

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

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

1.4La silice Metodi di produzione Filtrazione essiccamento, macinazione, granulazione Handling Caratteristiche fisiche e proprietà del compound

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

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:

1.5 I Polibutadieni: i diversi tipi producibili: anionici e Ziegler-Natta e le micro e macrostrutture ottenibili nei due casi le 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

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

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

2.1 Relazione fra viscosità, gradiente di scorrimento, modulo dinamico(effetto Payne) e temperatura Misure di processabilità: trafila Garvey sistemi di simulazione (Polyflow)

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.)

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

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

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)

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

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

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)

5.2Meccanismo nel processo di confezione mescole Riduzione di viscosità Incorporazione (laminazione o spezzetta- mento) Dispersione (rottura agglomerati e meccanismo a cipolla ) Distribuzione

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)

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

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

5.6Equipaggiamenti ausiliari della sala mescole Serie di mescolatori aperti Pelletizer Estrusore e roller die Estrusore e T.S.E. (twin screw extruder)

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

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

5.9 Controllo on line ed in process control Rheomill Relma RPA on line In process control

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

5.11Schema di impianto per la produzione di mescole Area stoccaggio Area dosatura Area mescolazione Area finitura e raccolta

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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