Effetto del processo di mescolazione sulla difettosità delle mescole

Tipi di difetti I difetti di una mescola in gomma possono essere legati alle: Dimensioni: sono specificate solitamente con intervalli di tolleranza opportuni tenendo conto che la gomma è un materiale flessibile Aspetto: sono i difetti che potrebbero compromettere la funzione del prodotto o la sua accettazione da parte del cliente. Bisogna definire una procedura di ispezione che identifichi un difetto e determini una serie di azioni basate sulla severità del difetto Funzione: i test derivano dalle specifiche delle prestazioni del prodotto. Bisogna definire metodi di analisi ed intervalli di tolleranza legati alle specifiche prestazionali del prodotto

Obiettivi della mescolazione Trasformare la formulazione in un prodotto: I cui componenti siano perfettamente dispersi nella matrice elastomerica Che sia facilmente trasformabile in semilavorato Vulcanizzi in modo efficiente ed uniforme Esplichi le proprietà di progetto sul prodotto finito

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

Fasi dell’operazione di mixing Plastificazione o riduzione della viscosità Incorporazione Distribuzione Dispersione Tutte queste fasi possono avvenire anche contempora-neamente e ciascuna di queste può essere la fase che determina la velocità del processo

Riduzione della viscosità La riduzione della viscosità avviene con tre meccanismi interdipendenti: Aumento della temperatura: causata dalla trasformazione della energia meccanica in energia termica Estensione delle catene: liberazione delle catene macromolecolari aggrovigliate Masticazione: scissione delle catene macromo-lecolari con omogeneizzazione del materiale (gomma naturale) sia per effetto meccanico, sia attraverso agenti chimici

Incorporazione Come la viscosità e la elasticità della gomma si riducono, la gomma scorre lungo gli additivi, incorporandoli ed includendoli nella matrice gommosa. Va detto che la carica si presenta in pellets per problemi di trasporto ed ambientali e questi pellets vengono rotti facilmente in agglomerati sempre più piccoli La efficienza dell’incorporazione dipende dai flussi di gomma di ricircolo indotti nella gomma dal mixer, che si sovrappongono ed includono i volumi di additivi Due sono i meccanismi proposti:

Meccanismi per l’incorporazione a)laminazione b)spezzettamento

Confronto dell’efficienza del mixing esponenziale e laminare

Mixing dispersivo La gomma si immobilizza negli interstizi delle cariche e fa aumentare la viscosità della miscela Sforzi elevati si applicano agli agglomerati di particelle incomprimibili causandone la rottura Questo processo si chiama mixing dispersivo e porta le particelle da agglomerati relativamente larghi (10-100micron) ad aggregati fino a meno di 1 micron Queste forze si riducono progressivamente per il rilascio della gomma occlusa dovuta alla frattura degli agglomerati ed alla riduzione della dimensione di essi

Mixing distributivo Parallelamente si ha una riduzione di viscosità della miscela per effetto dell’aumento della temperatura con rapida diminuzione dell’efficienza del mixing dispersivo Il mixing distributivo avviene parallelamente al mixing dispersivo ed è la fase in cui i frammenti di agglomerato vengono separati ed uniformemente distribuiti una volta che sono stati fratturati Il grado finale della distribuzione del nero dipendono dal tipo di nero, dalle condizioni di mescolazione e dal tipo di gomma. I cambiamenti in consumo di potenza della varie fasi sono indicativi delle fasi di processo in cui ci si trova e danno indicazioni sulle caratteristiche del prodotto finito

Curva di potenza con il tempo nella mescolazione

Tests per la qualità e l’uniformità delle mescole Ci sono dei test che ci danno informazioni sulla qualità ed altri sulla consistenza del processo di mixing Per ciò che riguarda il primo aspetto ricordo ad es.: 1)La misura del grado di dispersione dei filler: per la dispersione si guarda quante particelle di agglomerato sono rimaste attraverso il SEM Per il secondo ad es.: 2) La consistenza del network del filler si esamina con l’andamento del modulo in shear in funzione dell’ampiezza della deformazione (effetto Payne)

Tuttavia entrambi i tests richiedono tempi lunghi per la esecuzione e non sono generalmente fattibili nelle aree di produzione Test più semplici come una una ispezione visiva della sporcabilità o della lucentezza della superficie della mescola tal quale e della mescola trazionata sono più adatti a tale scopo Oppure ci possono essere misure di moduli a due punti vale a dire di modulo in funzione dell’ampiezza di defor-mazione a 0,1 e 0,5 che danno informazioni precise sia sulla dispersione che sul network della carica (vedi slide successiva riportata a due punti) od infine esami ottici della mescola e della dispersione della carica rispetto ad una scala di confronto (Dispergrader). Nella pratica industriale però per controllare le mescole si usano i controlli rapidi ed alcuni controlli statistici

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

I controlli rapidi Tutti i batch vengono controllati dati i rischi con-nessi nel processo a valle se si utilizza anche un solo batch di irregolare Generalmente lo strumento usato per il controllo è il reometro MDR che fornisce, attraverso la curva reometrica, informazioni correlate con al-cune proprietà tecnologiche della mescola e con la processabilità all’impiego (ad es. MH ed E’) Altri controlli(Viscosità, densità ad es.) possono essere fatti in funzione del tipo di mescola I limiti vengono definiti durante la industrializ-zazione delle singole mescole secondo regole definite legate a metodologie di controllo statistico del processo

Curva reometrica e parametri dinamici nel controllo rapido

Problemi del controllo rapido 1.Correlazione tra i limiti dei controlli rapidi e specifiche tecniche delle mescole Il problema diventa determinare la correlazione quantitativa fra questi parametri (ad es. E’, MH) considerando anche il fatto che alcune caratteristiche delle mescole (ad es.proprietà tensili) sono poco correlate alla curva reometrica 2.Limiti di controllo e specifiche tecniche I limiti di controllo sono legati alla capacità qualitativa del processo utilizzato Esiste il problema della possibile incoerenza fra la capacità qualitativa del processo rispetto delle specifiche tecniche (cp< 1,33) 3.Standardizzazione dei limiti di controllo Ripetibilità e riproducibilità del test reometrico Limiti di controllo differenti per diversi laboratori

Trend chart, control and warning limits

Il controllo del prodotto attraverso i parametri di processo Per controllare il prodotto attraverso i parametri di processo si usano vari parametri quali Tempo, Temperatura, Energia Il Tempo di mixing totale da solo non è un buon criterio per la sua scarsa riproducibilità La curva Tempo Temperatura è importante per prevenire la vulcanizzazione prematura nel banbury. Comunque una sola termocop-pia può essere insufficiente per avere la situazione della distribuzione delle tempera-ture all’interno del by; nella mescola la distribuzione delle temperature è all’incirca ± 13,5°C L’Energia può essere considerata il miglior parametro da usare per avere costanza qualitativa e la mescola è scaricata ad una prescritta energia totale

Altri importanti parametri sono la curva tempo- torque ed il movimento del ram Vanno comunque tenuti presenti altri fattori che possono cambiare l’effetto sulla mescola dei parametri di processo come le modalità di alimentazione del materiale, la stagnazione ecc. E’ utile vedere a priori con misure di dispersione se è più conveniente usare come criterio di scarico la energia da sola od insieme ad altri parametri di processo Un sistema di controllo complessivo sulla mescola usando i parametri di processo è la Process Point Analysis che permette di controllare il prodotto durante la fase di mescolazione utilizzando in ogni istante i parametri di processo

Process point analysis of mixing

Indice di processabilità Un modo analogo di controllare il prodotto durante la mescolazione e di mettere a punto un ciclo ottimale di mescolazione in laboratorio è il metodo dell’indice di processabilità Il massimo del secondo picco di torque chiamato anche BIT è un punto in cui la incorporazione del nero è finita; successivamente si arriva al t’ oltre il quale il lavoro va a rompere le catene polimeriche A ciò corrisponde il massimo di die swell ed un aumento della densità od anche della resistività in alcuni casi (vedi seguito)

Correlazione fra indice di processabilità (t’)e controllo di processo

Conclusioni La mescolazione può essere causa di difetti del manufatto Analisi fisiche semplici permettono l’individua-zione di possibili difetti e di rapide correzioni L’analisi dei parametri di processo, l’individua-zione di intervalli di tolleranza e la loro correzio-ne in tempo reale rappresentano un tool impor-tante per minimizzare gli scarti