LIUC Anno Accademico 2012-2013 Applicazioni industriali Gomme

1. LIUCAnno Accademico 2012-2013Applicazioni industriali Gomme Sintesi del corso Applicazioni Industriali (Parte gomme) Proni

2. 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

3. 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

4. 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)

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 1.4La silice • Metodi di produzione • Filtrazione essiccamento, macinazione, granulazione • Handling • Caratteristiche fisiche e proprietà del compound

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 2.1 • Relazione fra viscosità, gradiente di scorrimento, modulo dinamico(effetto Payne) e temperatura • Misure di processabilità: trafila Garvey sistemi di simulazione (Polyflow)

16. 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.)

17. 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

18. 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

19. 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)

20. 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

21. 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

22. 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)

23. 5.2Meccanismo nel processo di confezione mescole • Riduzione di viscosità • Incorporazione (laminazione o spezzetta- mento) • Dispersione (rottura agglomerati e meccanismo a cipolla ) • Distribuzione

24. 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)

25. 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

26. 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

27. 5.6Equipaggiamenti ausiliari della sala mescole • Serie di mescolatori aperti • Pelletizer • Estrusore e roller die • Estrusore e T.S.E. (twin screw extruder)

28. 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

29. 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

30. 5.9 Controllo on line ed in process control • Rheomill • Relma • RPA on line • In process control

31. 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

32. 5.11Schema di impianto per la produzione di mescole • Area stoccaggio • Area dosatura • Area mescolazione • Area finitura e raccolta

33. 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

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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

42. 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

43. 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

44. 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

45. 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

46. 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)

47. 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

48. 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