Aspectos de procesamiento de la mezcla de caucho

Capítulo 2

Aspectos de procesamiento de la mezcla de caucho

El mezclado de compuestos de caucho es una tarea sofisticada. Muchos componentes son difíciles de dosificar y los materiales se envían al mezclador en todas las formas imaginables, como balas de caucho, aceites, polvos, resinas duras y gránulos. Como la conversión de estas materias primas en una forma de flujo libre es bastante cara, el mezclado discontinuo mediante un mercador interno (o mezcladora discontinua) sigue siendo la solución más versátil y económica.

Para preparar un lote perfecto, se aplican diferentes tipos de mezclados:

• Distributivo
• Dispersivo
• Laminar

2.1 Principios de mezclado

El mezclado distributivo se muestra en la Fig. 2.1. Aquí, las partículas al comienzo del proceso de mezclado no se distribuyen en la sección transversal. El mezclado distributivo es aquel en el cual las posiciones de las partículas se cambian para alcanzar una distribución uniforme en el lote, por lo cual el tamaño de las partículas no se modifica durante este procedimiento de mezclado.

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Fig. 2.1 Mezcla distributiva

• Sin cambio de tamaño de partícula
• Cambio de posición

Las fuerzas impulsoras para los cambios de posición son, en consecuencia, las rotaciones del material dentro de la cámara de mezclado, la intensidad de los fenómenos de transporte de material en el mezclador y el número total de rotaciones aplicadas al lote. También está claro que todas las partes de los ingredientes dosificados deben formar parte del proceso de mezclado para que no se produzcan puntos muertos en el mezclador.

Mezclado dispersivo se muestra en la Fig. 2.2. Aparte del mezclado distributivo, aquí se produce un cambio del tamaño de partícula. La reducción de tamaño se logra normalmente mediante la aplicación de fuerzas de corte o deformación. Los estudios prácticos muestran que para lograr la reducción del tamaño de las partículas, el esfuerzo es mucho más efectivo que el cizallamiento. Como en un mezclador por lotes normal, se producen muchos efectos de tensión (por ejemplo, el paso a través de los espacios entre la punta de la pala del rotor y la pared o a través del espacio entre los rotores), lo que lo convierte en un buen mezclador dispersivo. Las fuerzas impulsoras para este tipo de mezcla son las fuerzas aplicadas y el tiempo de aplicación. Se pueden caracterizar a grandes rasgos por el momento de torsión aplicado o la demanda de potencia del mezclador.

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Fig. 2.2 Mezcla dispersiva

• Cambio en el tamaño de partícula
• Cambios de posición

La Fig. 2.3 muestra la caracterización de la reducción del tamaño de partícula en función de las fuerzas aplicadas y el tiempo. Como puede verse, las partículas pueden resistir un cierto esfuerzo (menor) durante un tiempo indefinido. En otras palabras, si el nivel de esfuerzo en el mezclador es bajo (por ejemplo, si debido a la alta temperatura del material las viscosidades del compuesto son bajas), los tiempos de mezcla más largos no ayudan a lograr un buen mezclado dispersivo.

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Fig. 2.3 Reducción del tamaño de las partículas en función de la fuerza aplicada y el tiempo

A niveles más altos de esfuerzo, se puede producir una rotura inmediata de las partículas. Significa que para un buen mezclado dispersivo, un impacto corto de esfuerzos elevados es muy eficaz. En términos prácticos, se puede utilizar un pico de alta potencia al comienzo de un ciclo de mezclado de masterbatch para lograr una inmediata y gran cantidad de efectos dispersivos. La figura también muestra una correlación entre el tiempo de aplicación y la rotura.

El tercer mecanismo de mezclado, mezclado laminar. Aquí, la interfaz entre dos capas debería aumentarse tanto como sea posible. El aumento se puede lograr por deformación o por cizallamiento. También se puede ver que el cizallamiento rotacional tiene un efecto elevado. El mezclado laminar es de especial importancia para el caucho. Durante el tiempo de permanencia en el mezclador, las capas de material se pueden estirar en varios cientos por ciento, el esfuerzo y estiramiento repetitivos proporcionan altos efectos de mezclado laminar. La relación total de cizallamiento/deformación se utiliza para caracterizar el mezclado laminar. Puede calcularse, o al menos estimarse, mediante la integral respectiva de la velocidad de corte/deformación en función del tiempo.

La interrelación de los tres tipos de mezclado con los parámetros prácticos del proceso se muestra en la Fig. 2.5. La mezcla dispersiva es una función de los cambios de posición, que se pueden caracterizar por la velocidad del rotor y el tiempo de aplicación. Aquí, solo deben considerarse los momentos en que el pisón actúa sobre el compuesto.

Fig. 2.5 Tipo de mezcla y parámetros de proceso

La rotura de partículas durante el mezclado dispersivo se logra mediante las fuerzas aplicadas, que pueden caracterizarse por el torque (o la potencia a una velocidad determinada) y el tiempo de aplicación. Estas fuerzas se pueden determinar mediante la "huella digital" de un ciclo de mezcla, que típicamente muestra la potencia en función del tiempo de mezcla.

La mezcla laminar se caracteriza por las deformaciones absolutas introducidas en el lote. Se caracterizan por los pasos a través de los espacios entre las paletas del rotor y las paredes del mezclador y los pasos a través del área del espacio del rotor.

2.2 Descripción del proceso

La Fig. 2.6 muestra un rotor giratorio en un mezclador discontinuo. El material a mezclar se coloca delante del lado rojo del vuelo y puede seguir tres trayectos de flujo:

• puede transportar en rotación con el vuelo del rotor ("banco rodante")
• puede sobrepasar el espacio entre la punta del ala y la pared de la cámara
• puede empujar a lo largo del vuelo y pasar alrededor del extremo del rotor

El "banco rodante" es una zona de mezclado muy activa. Al igual que en el proceso de mezclado en los molinos de rodillos, aquí las capas de material se abren y doblan y se introduce mucha energía en el material. Debido a las rutas de flujo mencionadas (rutas 2 y 3), el tamaño del banco rodante disminuye durante una revolución del rotor.

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Fig. 2.6 Rutas de flujo dentro del mezclador

El criterio decisivo para la división del flujo entre las trayectorias a lo largo y sobre las alas del rotor son las pérdidas de carga a lo largo de ambas. Si el mezclador está mal llenado, un paso a lo largo de los vuelos es fácil y, por lo tanto, el mezclador está empujando el material a lo largo de su vuelo hacia los bordes de las cámaras del mezclar. Como consecuencia, el transporte del "banco rodante" finaliza después de un breve ángulo de revolución. Por tanto, en esta fase del proceso casi ningún material es transportado desde la parte inferior hacia arriba por los combates. Significa que los ingredientes permanecen más o menos en la parte inferior de la cámara del mezclar. Esto se ve a menudo en los primeros pasos de un ciclo de mezclado, cuando el mezclador aún no está lleno. En esta fase, el proceso de mezclado es principalmente distributivo mientras que el mezclado dispersivo es pobre.

Con el aumento del grado de llenado, las trayectorias de flujo a lo largo de los vuelos se bloquean cada vez más y el material comienza a pasar por el espacio entre la punta del vuelo y la pared de la cámara. Aquí, se ejercen grandes esfuerzos cortantes de modo que con un factor de llenado creciente, el mezclador cambia sus características de mezclado distributivo a dispersivo, véase la Fig. 2.7.

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Fig. 2.7 Transición de mezclado distributivo a dispersivo

La Fig. 2.8 resume todos los efectos descritos en términos de parámetros generales de proceso. Los dos diagramas resumen ensayos sistemáticos en un mezclador interno tangencial, en el que se mezcló un compuesto SBR/N220 (material típico de neumático). El eje y indica la calidad de la dispersión (tenga en cuenta que los valores más pequeños significan una calidad más alta), mientras que el eje x muestra el factor de llenado del mezclador. Este valor representa el porcentaje al que el compuesto llena el volumen de la máquina. Un factor de llenado de 0.5, por ejemplo, representa una máquina llena al 50%.

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