Vysvetlenie vulkanizácie: definícia, chémia, proces, vybavenie a parametre

Čo je vulkanizácia? Priama odpoveď

Vulkanizácia je chemický proces, ktorý premieňa lepkavú, tekutú surovú gumu na silný, elastický, odolný produkt vytváraním priečnych väzieb medzi polymérnymi reťazcami. Pre väčšinu univerzálnych elastomérov, síra je sieťovacím činidlom a reakcia je riadená teplom, časom a tlakom . Proces je nevratný: akonáhle je guma vulkanizovaná, nedá sa roztaviť ani pretvarovať.

Tento objav sa pripisuje Charlesovi Dobreyearovi v roku 1839, keď náhodou pustil sírou upravenú prírodnú gumu na horúci sporák a všimol si, že materiál stvrdol bez toho, aby sa znova stal lepkavým. Toto pozorovanie vytvorilo moderný gumárenský priemysel. Dnes každý gumový výrobok, od O-krúžkov a hadíc až po podrážky topánok a dopravníkové pásy, prechádza vulkanizačným krokom, kým môže plniť svoju funkciu.

Kľúčové fakty, ktoré treba mať na pamäti:

• Dávkovanie síry pre flexibilné tvarované výrobky je zvyčajne 1,0 až 3,5 phr (dielov na sto gumy).
• Vulkanizovaný prírodný kaučuk dosahuje pevnosti v ťahu 20-30 MPa v gumových zmesiach a vyššie s výstužnými plnivami.
• Teploty vytvrdzovania sa pohybujú od 140 do 200 °C v závislosti od polyméru a systému vytvrdzovania.
• Správne vulkanizovaný diel po deformácii obnoví svoj pôvodný tvar a pri zahriatí už nemäkne.

Chémia za vulkanizáciou

Ako síra zosieťuje gumové reťaze

Prírodný kaučuk a iné diénové polyméry obsahujú vo svojom hlavnom reťazci dvojité väzby. Pri teplote vytvrdzovania sa tieto väzby otvárajú a reagujú so sírou za vzniku sírových mostíkov medzi susednými reťazcami. Mostíky, či už monosulfidové, disulfidové alebo polysulfidové, uzamykajú reťazce do trojrozmernej siete. Pred vulkanizáciou sa reťaze pod napätím posúvajú jedna cez druhú; po vulkanizácii sa sieť natiahne a elasticky zaskočí. Počet mostíkov, známy ako hustota zosieťovania, určuje tvrdosť, modul a pružnosť konečnej časti.

Urýchľovače a aktivátory robia vytvrdzovanie praktickým

Samotná síra reaguje tak pomaly, že priamy ohrev dáva nerovnomerné výsledky. Praktické zlúčeniny sa spoliehajú na urýchľovače (tiazoly, sulfénamidy, tiuramy, ditiokarbamáty) a aktivátory, ako je oxid zinočnatý a kyselina stearová, aby urýchlili a riadili reakciu. Reprezentatívne univerzálne vytvrdzovacie balenie obsahuje 1,5 až 2,5 phr síry, 0,5 až 1,5 phr urýchľovača, 3,0 až 5,0 phr oxidu zinočnatého a 1,0 až 2,0 phr kyseliny stearovej. Pomer urýchľovača k síre určuje typ zosieťovania: systémy s vysokým obsahom síry a nízkym obsahom urýchľovača tvoria flexibilné polysulfidické väzby s vynikajúcou únavovou životnosťou, zatiaľ čo systémy s nízkym obsahom síry a vysokým akcelerátorom (EV) tvoria tepelne stabilné monosulfidické väzby s nižšou kompresnou stálosťou.

Mnohé rastliny zjednodušujú dávkovanie a vyhýbajú sa chybám pri vážení kúpou vopred zmiešané balíčky urýchľovačov síry od dodávateľa zmesí. Konzistentné rozptýlenie vytvrdzovacieho balíka priamo zlepšuje konzistenciu vytvrdzovania od šarže k šarži.

Zákazkové urýchľovače síry Výrobcovia, dodávatelia Urýchľovač síry sa vzťahuje na urýchľovač vulkanizácie gumy. Pri spracovaní gumy samotná síra pomaly reaguje s gumou,... Zobraziť produkt →

Ako vulkanizácia mení vlastnosti gumy

Surová guma vs. vulkanizovaná guma

Rozdiel je dramatický. Surový prírodný kaučuk je lepkavý, pri zahriatí mäkne, v chladnom počasí tvrdne a praská a pri trvalom zaťažení trvalo tečie. Vulkanizovaná guma zostáva elastická približne od -40 do 100 °C pre prírodný kaučuk, oveľa lepšie odoláva olejom a rozpúšťadlám a po opakovanej deformácii sa vracia do pôvodného tvaru. Samotná zmena pevnosti v ťahu predstavuje päť až desaťnásobné zlepšenie u väčšiny zlúčenín.

Prečo je hustota sieťových väzieb rozhodujúcim faktorom

Príliš málo priečnych väzieb a diel sa správa ako slabý, nedostatočne vytvrdený produkt. Príliš veľa a sieť je taká tuhá, že guma sa skôr láme ako naťahuje. Efektívny dizajn zmesi sa zameriava na hustotu sieťovania, ktorá zodpovedá aplikácii: antivibračné držiaky vyžadujú iné vyváženie ako list stierky a obe sa líšia od tlačového valca. Pochopenie charakteristické vlastnosti gumových materiálov uľahčuje pochopenie, prečo je úroveň vytvrdzovania nastavená tak starostlivo pre každú aplikáciu.

Porovnanie vytvrdzovacích systémov

Nie pri každej vulkanizácii sa používa rovnaká chémia. Mechanické a tepelné nároky finálnej časti určujú, ktorý systém sa zvolí.

Ako si vybrať liečebný systém

Výrobky z prírodného kaučuku a SBR určené na dynamické zaťaženie, ako sú pneumatiky, držiaky a tlmiče, vo všeobecnosti používajú konvenčné alebo semi-EV systémy na odolnosť proti únave. Tepelne odolné aplikácie, ako sú tesnenia motorového priestoru, uprednostňujú EV alebo peroxidové systémy. Peroxidom vytvrdený EPDM a silikón ponúkajú najnižšiu kompresnú deformáciu, ale typ peroxidu musí zodpovedať tepelnej histórii polyméru a hrúbke steny dielu.

Priemyselné vulkanizačné zariadenia a metódy

Lisovanie vo vyhrievaných lisoch

Ťahačom lisovaných výrobkov je hydraulický vulkanizačný lis. Operátor vloží predtvarovaný polotovar do vyhrievanej formy, zatvorí lis a udržiava tlak počas požadovaného času vytvrdzovania. Typické sú teploty dosky 150-180 °C a upínacie tlaky 15-25 MPa. Vákuové lisy idú o krok ďalej tým, že vyprázdnia dutinu pred úplným upnutím, čím zabránia zachyteniu vzduchu, pľuzgierom a nevyplneným rohom na zložitých častiach.

Pre technické diely s náročnými požiadavkami na hustotu a povrch a vulkanizačný stroj na vákuové lisovanie za tepla je preferovanou výrobnou voľbou. Odstránenie vzduchu pred vytvrdnutím je obzvlášť cenné pre hrubé profily a zmesi s vysokou tvrdosťou.

Výrobcovia, dodávatelia vlastných vákuových lisov za horúca Tento stroj je vulkanizačný stroj na rôzne gumové a plastové výrobky. Disponuje funkciami uzamykania formy načasovania, automatickým pred... Zobraziť produkt →

Vstrekovanie pre vysokoobjemové presné diely

Vstrekovanie plastifikuje gumu v závitovkovej jednotke a vstrekuje ju do uzavretej vyhrievanej formy, kde prebieha vytvrdzovanie. Časy cyklov sú kratšie ako pri lisovaní, pretože zmes sa dostane do dutiny už zahriatej. Bežne sa týmto spôsobom vyrábajú O-krúžky, tesnenia konektorov a malé presné tesnenia. Kompromisom sú vyššie náklady na nástroje a stroje, takže vstrekovanie sa oplatí, keď sú objemy výroby dostatočne veľké na amortizáciu investície.

Autoklávy a pásové lisy na veľkoplošné výrobky

Valce, pogumované nádrže, káblové spoje a dopravníkové pásy sa nezmestia do štandardného lisu. Tieto produkty vytvrdzujú v autoklávoch pod tlakovou parou alebo horúcim vzduchom alebo na kontinuálnych pásových lisoch a rotačných vytvrdzovačoch. Kľúčovou výhodou je rovnomerný tlak na veľké povrchy, ktorý je rozhodujúci pre priľnavosť medzi gumou a tkaninou alebo kovovými podkladmi.

Kontinuálne vytvrdzovanie extrudovaných profilov

Automobilové tesniace pásy, tesniace profily, hadice a šnúry sa vytvrdzujú nepretržite, keď opúšťajú extrudér. Tri hlavné metódy sú teplovzdušné tunely, mikrovlnné tunely a soľné kúpele (LCM). Mikrovlnné vytvrdzovanie ohrieva profil objemovo, čím je rýchly pre hrubé prierezy. Soľné kúpele ponúkajú vynikajúci prenos tepla, ale časti sa musia potom dôkladne umyť.

A linka na koextrúziu gumy a mikrovlnné vytvrdzovanie spája extrudér, mikrovlnný tunel, teplovzdušnú sekciu, chladiaci kúpeľ a odvoz v jednom riadenom procese, a preto je štandardnou voľbou pre vysokovýkonnú výrobu profilov.

Výrobcovia vlastnej výrobnej linky na koextrúziu a mikrovlnné vytvrdzovanie gumy, S V mikrovlnnej kontinuálnej vulkanizačnej výrobnej linke kompozitnej gumy prebieha výskum opatrení na ochranu životného prostredia počas... Zobraziť produkt →

Parametre procesu a krivka vytvrdzovania

Čítanie krivky reometra

Reometer s pohyblivou matricou zaznamenáva stav vytvrdzovania v priebehu času pri pevnej teplote. Pri výrobe sú dôležité tri čísla: čas horenia (ts2), začiatok zosieťovania; tc90, čas na dosiahnutie 90 percent úplného vytvrdnutia a praktický čas vytvrdnutia; a plošina alebo reverzný sklon. Stabilná plató znamená, že produkt je odolný voči malým časovým odchýlkam; strmý sklon spätného chodu znamená, že prísna kontrola teploty je kritická.

Prenos tepla a hrúbka dielu

Guma vedie teplo zle, zhruba 0,15-0,25 W/(m·K), asi jedna desatina ocele. V lisovacej forme stred hrubej časti dosiahne úplné vytvrdnutie dobre po vonkajšej vrstve. Priemyselná prax pridáva približne 1-2 minúty vytvrdzovacieho času na ďalší milimeter hrúbky steny. To je dôvod, prečo hrubé výrobky používajú nižšie teploty formy, aby sa zabránilo nadmernému vytvrdzovaniu povrchu, zatiaľ čo interiér je stále nedostatočne vytvrdený.

Zloženie a príprava pred vulkanizáciou

Vulkanizácia začína v zmiešavacej miestnosti. Ak je vytvrdzovací balík nerovnomerný, lis nemôže kompenzovať. Tri prípravné kroky majú veľký vplyv na konečnú kvalitu:

1. Presné váženie: odchýlka len 0,1 phr v obsahu síry môže posunúť tc90 o niekoľko percent, preto sa odporúčajú digitálne váhy a automatizované dávkovacie systémy.
2. Konečné miešanie za studena: síra a urýchľovače sa pridávajú na dvojvalcovom mlyne alebo v konečnom prechode vnútorného miešača, zvyčajne v tlakový hnetač , udržiavané pod teplotou prepálenia.
3. Odstraňovanie kontaminantov: mnohé rastliny prechádzajú zlúčeninou cez a gumové sitko na horúce krmivo vybavené jemným sitom pred predtvarovaním, pričom sa odstraňujú nedispergované aglomeráty a cudzie látky, ktoré spôsobujú prietokové línie a vyfukovacie otvory.

Pozornosť si zaslúži aj predtvarovanie. Prírezy s konzistentnou hmotnosťou a tvarom znižujú variácie vytvrdzovania, pretože každá dutina sa vypĺňa rovnakým spôsobom, s rovnakou históriou tepla a rovnakým rozložením tlaku.

Bežné defekty vulkanizácie a ako sa im vyhnúť

Dokonca aj dobre navrhnutá zmes môže produkovať chybné diely, ak vulkanizácia nie je kontrolovaná. Chyby uvedené nižšie zodpovedajú za väčšinu nepodarkov pri lisovaní a vytláčaní gumy:

• Spálenie: predčasné zosieťovanie v mixéri, predtvarovači alebo vstrekovacom valci. Prejavuje sa ako drsné povrchy, krátke výlisky alebo tvrdé hrudky. Prevencia: znížte procesnú teplotu, pridajte spomaľovače horenia, skráťte dobu zotrvania.
• Nedostatočné vytvrdenie: mäkké, slabé časti s vysokou kompresiou. Prevencia: overte skutočnú teplotu formy pomocou sondy, predĺžte čas vytvrdzovania na tc90 a znova skontrolujte recept, ak sa problém opakuje.
• Reverzia: prírodný kaučuk stráca pevnosť a pružnosť, keď sa drží pri vysokej teplote príliš dlho. Prevencia: znížte teplotu formy, prejdite na semi-EV alebo EV vytvrdzovacie systémy alebo použite polymér odolný voči reverzii.
• Pórovitosť a pľuzgiere: vnútorné dutiny zo zachyteného vzduchu, vlhkosti alebo prchavých zložiek. Prevencia: použite vákuový lis, vysušte všetky zložky zmesi a presne vyrobte predlisky.
• Stopy toku a krátke výstrely: dutina sa nevyplní úplne, často na tenkých okrajoch. Prevencia: zvýšiť tok materiálu, zvýšiť vstrekovací alebo upínací tlak, zlepšiť tvar predlisku a urýchliť vstrekovanie.

Často kladené otázky

Je vulkanizácia to isté ako vytvrdzovanie?

áno. V gumárenskom priemysle sa slová používajú zameniteľne. Presne povedané, vulkanizácia pôvodne znamenala zosieťovanie diénových kaučukov sírou, ale tento termín teraz zahŕňa akúkoľvek zosieťovaciu reakciu, ktorá premieňa kaučukovú zmes na elastický produkt, vrátane peroxidových a oxidových systémov kovov.

Môžu byť všetky gumy vulkanizované sírou?

Nie. Diénové kaučuky s dvojitými väzbami, ako je prírodný kaučuk, SBR, NBR, EPDM a butyl, dobre reagujú na vytvrdzovanie sírou. Kaučuky bez týchto dvojitých väzieb, vrátane silikónu (VMQ), mnohých typov fluórovaného kaučuku (FKM), EPM a niektorých zlúčenín HNBR, vyžadujú peroxid alebo špeciálne vytvrdzovacie systémy.

Aká teplota je potrebná na vulkanizáciu?

Priemyselné vytvrdzovanie zvyčajne prebieha pri teplote 140 až 200 °C. Väčšina tvarovaných výrobkov vytvrdzuje pri 150-180 °C. Vyššie teploty skracujú čas cyklu, ale zvyšujú riziko pripálenia a prevrátenia. Hrubé predmety sa vytvrdzujú pri nižších teplotách, pretože guma vedie teplo pomaly.

Ako dlho trvá vulkanizácia?

Tenké lisované tesnenie môže vytvrdnúť za 3-8 minút pri 160 °C. Hrubé ložisko alebo valček môže trvať 30-60 minút alebo dlhšie. Kontinuálne mikrovlnné linky vytvrdzujú extrudované profily za 1-5 minút a autoklávové vytvrdzovanie veľkých valcov môže trvať niekoľko hodín.

Čo sa stane, ak je guma nadmerne vulkanizovaná?

Prílišné vytvrdzovanie zvyšuje tvrdosť a znižuje predĺženie. V prírodnom kaučuku môže dlhodobé teplo rozbiť polysulfidické zosieťovanie, čo spôsobí reverziu, kde sa povrch stáva mäkkým a lepkavým. Výrobný čas vytvrdnutia je preto nastavený na tc90, čas na dosiahnutie 90 percent úplného vytvrdenia, a nie na absolútny maximálny stav vytvrdnutia.

Dá sa vulkanizovaná guma recyklovať?

Vulkanizovaný kaučuk je termoset, takže sa nedá pretaviť a znovu tvarovať ako termoplast. Môže sa rozdrviť na gumovú drvinu na podlahy, povrchy ihrísk a lisované recyklované výrobky. Procesy devulkanizácie existujú, ale v širokom priemyselnom meradle ešte nie sú ekonomické.

Záver: Vulkanizácia je srdcom výroby gumy

Vulkanizácia je krok, ktorý premení polymérnu zlúčeninu na technický materiál s predvídateľnou pevnosťou, elasticitou a trvanlivosťou. Výber systému vytvrdzovania, metódy lisovania alebo extrúzie a procesných parametrov určuje kvalitu dielu aj náklady na jeho výrobu.

Pre výrobných manažérov a procesných inžinierov je najpriamejšou cestou k menšiemu počtu nepodarkov a nižším nákladom na diel kontrola vytvrdzovacej krivky každej šarže, pravidelné overovanie teplôt formy a udržiavanie zmesi bez kontaminácie. Dobre navrhnutý balíček vytvrdzovania, meraný na reometri a zladený so správnym lisom alebo kontinuálnou linkou, poskytuje rovnaký výsledok dávku po dávke.

Dodávatelia, ktorí ponúkajú chémiu aj strojové zariadenia, od urýchľovačov po vytvrdzovacie lisy a mikrovlnné linky, túto integráciu značne zjednodušujú. Počnúc testovanou receptúrou a správnym výrobným zariadením odstraňuje väčšinu dohadov z vulkanizácie.