Hohenauer, S. (2016). Optimierung des Prozesses zur Herstellung einer Kautschukmischung mittels Design of Experiments [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/79800
E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie
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Date (published):
2016
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Number of Pages:
80
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Keywords:
elastomere
de
rubbers
en
Abstract:
In 239 hergestellten Kautschukmischungen mit unterschiedlichen Mischverfahren und vier mittels statistischer Versuchsplanung erstellten Prüfserien wurden Daten zum Einfluss von Drehzahl, Füllgrad, Stempeldruck und Mischzeit sowie der Zugabereihenfolge der Rohstoffe in den Innenmischer erhoben. Für die Mischungen, welche in den Prüfserien untersucht wurden existieren nun genaue Analysen zum Einfluss der variierten Stellgrößen auf die wichtigsten mechanischen und rheologischen Kennwerte, sowie auf die am Innenmischer aufgenommenen Daten. Es zeigte sich, dass der Stempeldruck zwar einen signifikanten, allerdings gegenüber den anderen Einflussgrößen nachrangigen Einfluss besitzt, weshalb empfohlen werden kann den Stempeldruck auf dem maximal möglichen Wert zu belassen, oder etwas darunter, um ein -Stempelspielen- zu ermöglichen. Dies ist konsistent zu den entsprechenden Literaturstellen. Es konnte gezeigt werden, dass Prozessdaten des Innenmischers sehr genau durch die erstellten Modelle wiedergegeben werden können, diese Präzision geht allerdings bei der Vorhersage von mechanischen, oder rheologischen Kennwerten weitestgehend verloren, es treten größere Schwankungen und Ausreißer auf, welche die Auswertung erschweren. Die grundsätzlichen Parameter, welche einen Messwert beeinflussen scheinen über verschiedene Mischungszusammensetzungen gleich zu bleiben. So haben eine Erhöhung von Drehzahl, Mischzeit als auch Füllgrad einen verlängernden Effekt auf die Scorch-Zeit bei beiden gemessenen Proben, die Stärke des Einflusses variiert allerdings. Eine Analyse der durchgeführten Testserien hinsichtlich der Streuung der Messergebnisse und einer Untersuchung mittels Anwendung eines neuen Kriteriums zur Bestimmung des Zeitpunktes, zu dem eine Mischung fertig gemischt sein soll, ergab eine unzureichende Mischzeit für zwei der Testserien, weshalb eine davon wiederholt wurde. Dadurch konnten bestehende Modelle verbessert werden, aber keine Aussagen zu weiteren physikalischen Messwerten gemacht werden. Die Untersuchung des Mischvorganges auf eventuelle Störfaktoren ergab, dass eine Erhöhung der Lagertemperatur der Mischungsbestandteile um zehn Grad bereits eine signifikante Erhöhung der Mooney Viskosität und der Reißfestigkeit nach sich zieht. Ebenso konnte die Streuung des Payne Effektes, des Abriebes und der Mooney Viskosität durch eine genauere Überwachung der Mischungserstellung reduziert werden. Eine Analyse des Einflusses der Verarbeitung am Walzwerk zeigte, dass sich die Eigenschaften in einem nicht zu vernachlässigenden Maße ändern. So ergab sich, dass sich die Mooney Viskosität durch das Aufmischen um bis zu 32% verringert, abhängig vom verwendeten Kautschuktyp. Ebenso haben unterschiedliche Lagerzeiten zwischen Grund- und Fertigmischung unterschiedliche Mischungseigenschaften zur Folge. Betrachtet man die Festigkeit, so sinkt diese nach 3 Stunden Lagerzeit um 1MPa ab, die Mooney Viskosität sinkt im Laufe von 24h um 10 Einheiten ab.
de
aBy producing 239 rubber mixtures with different mixing rules as well as four test series generated via Design of Experiments, data was collected in aspects of mixing speed, filling factor, ram pressure, mixing time as well as the sequence of adding the raw materials into the internal mixer. For the mixtures used in the test series there are now complete data sets regarding the effect of the named variables onto rheological and physical properties as well as the data recorded by the internal mixer during the mixing process. In general, the data indicated, that the ram pressure has a significant, but minor effect compared to the other parameters. Due to that it can be advised, that the ram pressure is set to a little below the maximum or even the maximum to minimize the feeding time and allow for some movement at the end of the mixing cycle. This is consistent to the referring literature. It has been proved, that process data recorded by the internal mixer are good reproducible by the calculated models, however except for the mooney scorch, this precision is lost when reproducing rheological or physical test values. There are too many outliers and fluctuations to build a proper model. The basic parameters which can influence a value are the same for the measured different mixtures, but the magnitude of the effect varies. This means, that for example an increase in mixing speed, as well as filling factor and mixing time result in an extension in the mooney scorch, but for each of the measured mixtures in a different way. Analysing the data regarding the variation as well as applying a new criteria to determine the point at which a mixture is finished, resulted in an insufficient mixing time for tow test series. Due to that, one batch was repeated. This resulted in a significant improvement of the calculated models, but regarding the physical properties, again no prediction could be made. When checking different interference factors on the mixing process, it has been shown that an increase in the storage temperature by ten degrees implies a significant increase of the mooney viscosity and tensile strength. In addition, the variance of the payne effect, abrasion and mooney viscosity could be reduced by a more accurate monitoring of the mixing process. An investigation of the processing of the mixture on the two-roll mill showed, that the properties change in a highly significant way. Meaning the mooney viscosity changes by up to 32%, depending on the rubber used. Different storing times have led to different properties similarly. Regarding the tensile strength, it decreases by 1MPa after three hours, mooney viscosity decreases by 10 MU in 24 hours.
en
Additional information:
Zusammenfassung in englischer Sprache Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers