100 domande sulle Gomme

LIUC
Anno Accademico 2012-2013
Applicazioni industriali
Gomme
Sintesi del corso Applicazioni
Industriali (Parte gomme)
A. Proni
1
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
2
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
3
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)
4
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
5
1.2
• Le caratteristiche principali:
P0 e PRI,
la variazione delle caratteristiche nel trasporto della gomma naturale,
la distribuzione dei pesi molecolari,
il breakdown index,
il comportamento alla vulcanizzazione
6
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
7
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
8
1.4La silice
• Metodi di produzione
• Filtrazione essiccamento, macinazione,
granulazione
• Handling
• Caratteristiche fisiche e proprietà del
compound
9
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
10
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
11
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
12
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
13
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
14
2.1
• Relazione fra viscosità, gradiente di
scorrimento, modulo dinamico(effetto
Payne) e temperatura
• Misure di processabilità:
trafila Garvey
sistemi di simulazione (Polyflow)
15
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 caratteristiche (termoplasticità, viscosità rigidità
ecc.)
16
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
17
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
18
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)
19
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
20
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
21
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,aspirazione)
metodi (definizione del ciclo,parametri
critici del processo, acquisizioni dei dati ed
analisi)
manodopera (affidabile ed addestrata)
22
5.2Meccanismo nel processo di
confezione mescole
• Riduzione di viscosità
• Incorporazione (laminazione o spezzettamento)
• Dispersione (rottura agglomerati e
meccanismo a cipolla )
• Distribuzione
23
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 (temperatura,nip o traferro, velocità relativa dei
cilindri, rapporto di frizione)
24
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
25
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
26
5.6Equipaggiamenti ausiliari della
sala mescole
•
•
•
•
Serie di mescolatori aperti
Pelletizer
Estrusore e roller die
Estrusore e T.S.E. (twin screw extruder)
27
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
28
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
29
5.9 Controllo on line ed in process
control
•
•
•
•
Rheomill
Relma
RPA on line
In process control
30
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
31
5.11Schema di impianto per la
produzione di mescole
•
•
•
•
Area stoccaggio
Area dosatura
Area mescolazione
Area finitura e raccolta
32
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
33
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
34
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
35
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
36
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
37
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
38
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
39
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
40
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
41
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
42
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 meno sofisticati: organolettici, Dispergrader
• Controlli rapidi e statistici e scopi relativi
43
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
44
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
45
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)
46
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
47
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
48