Comment une machine à pétrir le caoutchouc incorpore des huiles et des plastifiants dans le composé

Dans le monde de la transformation des polymères, obtenir un composé de caoutchouc homogène et de haute qualité est à la fois une science et un art. Au cœur de ce processus se trouve l’incorporation stratégique d’additifs, notamment d’huiles et de plastifiants, qui modifient considérablement la maniabilité, la flexibilité, la durabilité et le coût du composé. Au cœur de cette étape cruciale du mélange se trouve souvent une machine robuste et spécialisée : le pétrin en caoutchouc , également connu sous le nom de mélangeur interne ou mélangeur Banbury®.

Comprendre les composants clés : huiles et plastifiants

Avant de se plonger dans la machine, il est essentiel de comprendre ce qui y est incorporé.

• Huiles de traitement (à base de pétrole, végétales) : Principalement utilisé pour ramollir le polymère de base, réduire la viscosité pour un traitement plus facile, augmenter le volume (réduction des coûts) et faciliter la dispersion de charges comme le noir de carbone ou la silice.
• Plastifiants (Phthalates, Adipates, etc.) : Fonction similaire à celle des huiles, mais souvent spécifiquement choisie pour améliorer la flexibilité à basse température, améliorer les propriétés élastiques spécifiques ou réduire la température de transition vitreuse (Tg).

Les deux sont généralement des liquides à faible viscosité qui doivent être transformés d’une phase macroscopique séparée en un mélange intime microscopiquement dispersé avec des polymères de caoutchouc solides et des charges en poudre.

L'anatomie d'un pétrin en caoutchouc

Un pétrin en caoutchouc est une chambre de mélange fermée à fort cisaillement. Ses composants clés pertinents pour l’incorporation de liquides sont :

1. Chambre de mélange : Un boîtier robuste et gainé qui peut être chauffé ou refroidi.
2. Pales de rotor : Deux rotors contrarotatifs et sans engrènement avec des conceptions complexes en forme d'ailes. Ceux-ci constituent le cœur de la machine, générant le flux de cisaillement et d’allongement nécessaire.
3. Bélier ou poids flottant : Un piston à commande hydraulique qui ferme la chambre par le haut, appliquant une pression (généralement 3 à 7 bars) au lot.
4. Porte abattante : Situé au fond de la chambre pour évacuer le composé mélangé.

Le processus de constitution en société étape par étape

L’incorporation d’huiles et de plastifiants n’est pas une simple étape de coulée ; c'est une séquence soigneusement orchestrée d'événements mécaniques et thermiques.

Phase 1 : Mastication et engagement des polymères

Le cycle commence par l'ajout du caoutchouc de base (naturel ou synthétique). Les rotors, tournant à des vitesses différentielles, saisissent, déchirent et déforment les balles de caoutchouc. Ceci mastication décompose temporairement les chaînes polymères, réduisant le poids moléculaire et augmentant la température du caoutchouc par friction interne (génération de chaleur visqueuse). Ce réchauffement est essentiel, car il réduit la viscosité du caoutchouc, le rendant plus réceptif à l’acceptation des additifs.

Phase 2 : L’ajout stratégique de liquides

Le timing est primordial. Ajouter de grandes quantités d’huile au tout début peut être préjudiciable. La meilleure pratique standard est la suivante :

• Ajout fractionné : Une partie (souvent 1/3 à 1/2) du liquide total est ajoutée après la mastication du caoutchouc mais avant les principales charges (noir de carbone/silice) . Cette « huile de base » ramollit davantage le caoutchouc, créant une masse collante et adhésive qui mouillera et incorporera plus efficacement les charges en poudre à venir.
• Le danger du « glissade » : L’ajout d’huile trop tôt ou en excès avant les charges peut provoquer un « glissement » – une condition dans laquelle l’effet lubrifiant de l’huile empêche la transmission d’une contrainte de cisaillement adéquate au caoutchouc. Le composé glisse sur les rotors au lieu d'être cisaillé, ce qui entraîne une mauvaise dispersion et des temps de mélange prolongés.

Phase 3 : Incorporation des charges et rôle critique du cisaillement

Les charges en poudre sont maintenant ajoutées. La conception des rotors crée un modèle d’écoulement complexe au sein de la chambre :

• Action de cisaillement : Le composé de caoutchouc est forcé sur l'espace étroit entre la pointe du rotor et la paroi de la chambre, le soumettant à des contraintes intenses. contrainte de cisaillement . Cela étale le composé couche par couche.
• Pliage et division (pétrissage) : Les ailes du rotor poussent également le composé d’un bout à l’autre de la chambre, le repliant constamment sur lui-même – l’action littérale de « pétrissage ».

Dans cet environnement de cisaillement élevé, l'huile précédemment ajoutée, maintenant réchauffée par le composé, agit comme un moyen de transport . Il aide le caoutchouc à encapsuler les agglomérats de charges individuels. Les forces de cisaillement brisent ensuite ces agglomérats, répartissant les particules de charge et les enrobant d’une fine couche de matrice de caoutchouc-huile.

Phase 4 : Ajout final d’huile et dispersion

L'huile ou le plastifiant restant est souvent ajouté une fois que les charges sont en grande partie incorporées . À ce stade, la température du composé est élevée (souvent 120-160°C) et le mélange forme une masse cohérente. L’ajout de liquide est désormais plus contrôlé.

• La pression du piston garantit que le liquide est forcé dans le lot et non simplement pulvérisé sur les parois de la chambre.
• L'action de pétrissage continue pompes mécaniquement le liquide dans les pores et les interstices microscopiques du composé. Les liquides migrent dans le composé via deux mécanismes principaux :
  1. Action capillaire : Dessiné dans de minuscules espaces entre les chaînes de polymères et les amas de charges.
  2. Diffusion induite par cisaillement : Le mélange macroscopique par les rotors crée des surfaces toujours nouvelles, exposant le composé sec au liquide, forçant le mélange à un niveau microscopique.

Phase 5 : Homogénéisation finale et contrôle de la température

Les dernières minutes du cycle de mélange sont destinées à l'homogénéisation. La pression du vérin assure un engagement complet de la chambre, tandis que le pliage et le cisaillement constants éliminent tout gradient de concentration local d'huile. Tout au long du processus, le chambre à enveloppe fait circuler le liquide de refroidissement pour gérer la chaleur exothermique du mélange. Un contrôle précis de la température est vital ; trop chaud, le caoutchouc risque de brûler (vulcanisation prématurée) ; trop froid et la réduction de viscosité nécessaire à une bonne dispersion ne sera pas obtenue.

Pourquoi un pétrin excelle dans cette tâche

La conception du mélangeur interne est particulièrement adaptée à ce travail exigeant :

• Haute intensité : Il fournit une énergie de cisaillement et de déformation massive en peu de temps, décomposant efficacement les agglomérats.
• Environnement confiné : La chambre scellée sous pression dynamique empêche la perte de composants volatils, contrôle la contamination et permet un mélange à des températures élevées en toute sécurité.
• Efficacité : Il peut traiter de gros lots (de litres à plusieurs centaines de kilogrammes) avec beaucoup moins d’énergie et de temps que les broyeurs ouverts pour une qualité équivalente.

Considérations pratiques pour une incorporation optimale

Les opérateurs et les préparateurs doivent équilibrer plusieurs facteurs :

• Ordre d'ajout : Comme indiqué, un ajout fractionné est standard pour un équilibre optimal entre la qualité de la dispersion et le temps de mélange.
• Vitesse du rotor et pression du bélier : Des vitesses plus élevées augmentent le cisaillement et la température plus rapidement. Une pression optimale assure un bon contact sans surcharger le moteur.
• Viscosité et chimie de l'huile : Les huiles plus légères s'intègrent plus rapidement mais peuvent être plus volatiles. La compatibilité (paramètre de solubilité) du plastifiant avec le polymère de base est fondamentale.
• Taille du lot (facteur de remplissage) : La chambre doit être chargée correctement (généralement pleine à 65-75 %). Un sous-remplissage entraîne un cisaillement insuffisant ; un remplissage excessif empêche un pliage correct et entraîne un mélange inégal.

Conclusion

L'incorporation d'huiles et de plastifiants par un pétrin en caoutchouc machine est un processus thermomécanique dynamique qui va bien au-delà du simple brassage. Il s’agit d’une séquence précisément conçue de mastication, addition chronométrée, dispersion entraînée par cisaillement et gestion thermique. Les rotors puissants et la chambre scellée de la machine travaillent de concert pour relever l’immense défi du mélange de liquides à faible viscosité dans une matrice de caoutchouc non newtonienne à haute viscosité. En comprenant la physique du cisaillement, l’importance de la séquence d’addition et le rôle critique de la température, les malaxeurs peuvent exploiter les capacités du malaxeur pour produire des composés de caoutchouc cohérents et hautes performances où chaque goutte d’huile et de plastifiant est exploitée efficacement et uniformément pour répondre aux exigences rigoureuses du produit final. Cette compréhension approfondie garantit l'efficacité, la qualité et l'innovation dans le vaste monde de la fabrication du caoutchouc.