Vulkanizirana guma Značenje: Kako umrežavanje sumpora mijenja sirovu gumu

Vulkanizirana guma je sirova guma koja je kemijski umrežena, obično sumporom i toplinom, tako da su njezini dugi polimerni lanci povezani u trodimenzionalnu mrežu. To je cijeli smisao u jednoj rečenici. Sve ostalo vezano uz frazu - sumpor, toplina, preše za stvrdnjavanje, miris tvorničkog poda - postoji da proizvede tu jedinstvenu strukturnu promjenu.

Praktična posljedica je lako vidljiva. Gumica se vraća u svoj izvorni oblik umjesto da opada. Gazni sloj gume preživi tisuće kilometara habanja. O-prsten još uvijek brtvi nakon godina u vrućem motornom prostoru. Nijedno od tih ponašanja ne postoji u sirovom materijalu. Pojavljuju se tek nakon umrežavanja.

Ako nabavljate složene sastojke, specificirate prešu za stvrdnjavanje ili pokušavate otkriti zašto je serija brtvila postala krhka, definicija je manje bitna od onoga što implicira za brojeve na vašem procesu. Tu ide ostatak ovog članka.

Što riječ Vulkanizirano zapravo znači

Izraz dolazi od Vulkana, rimskog boga vatre, a primijenjen je na gumu 1840-ih kada je Charles Goodyear otkrio da se sirova guma zagrijavanjem sa sumporom pretvara iz ljepljive gume osjetljive na temperaturu u stabilnu elastičnu čvrstu tvar. Naziv se zadržao iako nije uključeno nikakvo božanstvo vatre i iako moderna proizvodnja koristi mnoge kemikalije za umrežavanje koje uopće ne sadrže sumpor.

Kemijski gledano, vulkanizacija je reakcija umrežavanja. Sirova prirodna guma je lanac izoprenskih jedinica, obično desetaka tisuća njih, s dvostrukom vezom dostupnom otprilike na svakom petom atomu ugljika. Tijekom stvrdnjavanja, sumpor reagira na neke od tih dvostrukih veza i formira kratke mostove između susjednih lanaca. Tipični sumporni most dugačak je samo jedan do osam atoma sumpora, dok su sami lanci enormno dugi. Jedna poprečna veza za svakih nekoliko stotina ugljikovih atoma dovoljna je da se materijal potpuno promijeni.

Ovdje vrijedi razdvojiti dvije stvari. Vulkanizacija nije premaz i nije jednostavno miješanje. Dodavanje sumpora u mlin i njegovo miješanje u smjesu proizvodi nevulkaniziranu gumu koja se ponaša gotovo jednako kao sirovina. Promjena se događa samo kada toplina pokrene reakciju i mreža se stvarno formira. Prije tog trenutka imate plastičnu masu. Nakon toga, imate elastično tijelo. Ne postoji srednje stanje koje traje.

Također je vrijedno znati da ista riječ pokriva stvrdnjavanje peroksidom, stvrdnjavanje metalnim oksidom, stvrdnjavanje smolom i stvrdnjavanje zračenjem. Silikonska guma, EPDM i fluorkaučuk često su umreženi bez sumpora. Kad dobavljač kaže da je dio vulkaniziran, znači da mreža postoji, a ne da je korišten sumpor.

Zašto sirova guma ne može sama obaviti posao

Sirova guma nema gotovo nikakva korisna tehnička svojstva. Njegova vlačna čvrstoća obično se nalazi negdje između 0,5 i 2 MPa, što je otprilike usporedivo s krutim gelom. Zagrijte ga iznad oko 50 do 60 stupnjeva Celzijusa i dramatično će omekšati; ohladite ga ispod točke smrzavanja i očvrsne i može postati krt. Ostavite traku pod opterećenjem na sobnoj temperaturi i ona će trajno teći - tehnički izraz je hladna tečnost, i to je razlog zašto se nevulkanizirana guma pohranjuje kao ravne ploče ili zamotana u role, a ne obješena.

Stavite ga u toluen ili benzin i otopit će se. Izložite ga sunčevoj svjetlosti i kisiku i brzo se razgrađuje. Nijedno od ovih ponašanja nije nedostatak; oni su jednostavno ono što čini neumreženi polimer. Lanci klize jedan pokraj drugog jer ih ništa ne drži na mjestu.

Zbog toga uopće postoji faza slaganja. Prije stvrdnjavanja smjesa sadrži gumu, punila kao što je čađa, plastifikatore, antioksidanse i sam sustav stvrdnjavanja. Punilo poboljšava čvrstoću i tvrdoću, ali mreža je ono što zaključava sve na mjestu. Naše vlastite tehničke bilješke o karakteristike i svojstva gumenih materijala pokrijte kako se ovi bazni polimeri razlikuju prije nego što se doda bilo kakav sustav stvrdnjavanja.

Ako u potpunosti preskočite umrežavanje, nećete dobiti slabiji gumeni dio. Dobivate dio koji neće zadržati svoje dimenzije tjedan dana.

Što se fizički mijenja nakon vulkanizacije

Jednom kad mreža postoji, materijal dobiva memoriju. Rastegni ga i vraća se. Stisnite ga i oporavi se. Taj oporavak nije površinski učinak; dolazi od poprečnih veza koje sprječavaju trajno klizanje lanca, dok segmenti između poprečnih veza ostaju slobodni za kretanje i odmotavanje.

Nekoliko promjena dolazi zajedno:

• Snaga raste za red veličine. Dobro formulirana prirodna gumena smjesa obično doseže 20 do 30 MPa vlačnu čvrstoću i 400 do 700 posto istezanja pri prekidu.
• Prozor korisne temperature se širi. Obična prirodna guma sušena sumporom radi ugodno do otprilike 70 stupnjeva Celzijusa, dok EPDM i silikonski spojevi rade i dalje.
• Pojavljuje se otpornost na otapala. Materijal se više ne otapa; on bubri, a stupanj bubrenja postaje praktična mjera koliko je dio gusto umrežen.
• Kompresija se poboljšava. Vulkanizirana brtva zadržava svoj oblik pod opterećenjem umjesto da teče s površine brtve.
• Površinska ljepljivost nestaje. Stvrdnuta guma čini se suhom i čisto se rukuje na automatiziranoj opremi.

Primijetite da se tvrdoća jedva pomiče. Unakrsno povezivanje nije prvenstveno krutost; radi se o oporavku. Tvrdoću kontrolirate uglavnom punjenjem punila, a elastičnost i stvrdnjavanje kontrolirate gustoćom umreženosti. Brkanje ove dvije poluge jedna je od najčešćih pogrešaka u formulaciji.

Nestvrdnuta naspram vulkanizirane gume jedna uz drugu

Tablica u nastavku sažima razlike koje su najvažnije tijekom evaluacije i proizvodnje. Vrijednosti su tipični rasponi izvučeni iz standardnih referenci tehnologije gume kao što je Maurice Morton Tehnologija gume i opća praksa slaganja; točne brojke ovise o vrsti polimera, učitavanju punila i sustavu stvrdnjavanja.

Pažljivo pročitajte prvi red. Skok s oko 1 MPa na preko 20 MPa nije skromno poboljšanje; to je druga klasa materijala, koja se postiže dodavanjem djelića postotka sumpora po težini.

Sumpor, ubrzivači i što svaki aditiv radi

Lijek samo sumporom je tehnički moguć, ali traje satima i proizvodi loša svojstva. Pravi spojevi koriste sustav stvrdnjavanja od tri ili četiri komponente koje rade zajedno.

Doza sumpora odlučuje o vrsti mreže

Konvencionalni sustavi koriste otprilike 1,5 do 3,0 dijela gume na stotinu. Poluučinkoviti sustavi padaju na oko 1,0 do 1,5 phr s više akceleratora, a učinkoviti sustavi idu čak do 0,3 do 0,8 phr. Niži sadržaj sumpora znači kraće, toplinski stabilnije poprečne veze, što poboljšava toplinsko starenje, ali može smanjiti vijek trajanja u dinamičkim primjenama kao što su nosači motora.

Akceleratori namještaju sat

Akceleratori ne mijenjaju odredište, samo brzinu. Tiazol kao što je MBT stvrdnjava umjereno brzo s kratkom odgodom opekotina. Sulfenamid kao što je CBS daje dulje vrijeme sagorijevanja i pogonski je konj za debele lijevane dijelove gdje protok mora završiti prije nego što reakcija započne. Tiurami i ditiokarbamati su izuzetno brzi i obično su rezervirani za tanke profile ili lateks. Pogrešno podešavanje akceleratora je najčešći uzrok preranog zagorevanja u cijevi za ubrizgavanje.

Ubrzivači sumpora za vulkanizaciju gume Akceleratori sumpora ubrzavaju vulkanizaciju gume, pri čemu sam sumpor sporo reagira. Oni su relevantni pri odabiru obitelji akceleratora za balansiranje brzine stvrdnjavanja i sigurnosti od opekotina u obradi gume. Pogledajte proizvod →

Ako balansirate između brzine stvrdnjavanja i sigurnosti od spaljivanja, praktična polazna točka je grafikon obitelji akceleratora s njihovim tipičnim vremenima sagorijevanja na vašoj temperaturi bačve, a ne rad na proizvodnoj liniji metodom pokušaja i pogreške.

Aktivatori i pomoćna sredstva koja ne možete preskočiti

Akceleratori su sami po sebi iznenađujuće neučinkoviti. Potrebni su im metalni oksid i masna kiselina da formiraju topljivi kompleks koji zapravo prenosi sumpor u gumu. Taj se par naziva aktivacijski sustav, a njegovo izostavljanje je tihi način da prepolovite svoju stopu izlječenja.

Cinkov oksid je standardni izbor, obično se koristi u količini od 3 do 5 phr. Ispod oko 2 phr stvrdnjavanje postaje primjetno sporo i kvaliteta mreže trpi. Iznad 5 phr malo je daljnje koristi, a višak cinkovog oksida doprinosi cvjetanju na gotovoj površini. Veličina čestica je također važna; površinski obrađene i nano vrste brže se raspršuju u kratkom ciklusu miješanja, što je često pravi razlog neravnomjernog stvrdnjavanja smjese u šarži.

Aktivni cinkov oksid za vulkanizaciju gume Aktivni cinkov oksid nudi malu veličinu čestica i visoku aktivnost vulkanizacije. U gumenim smjesama podržava aktivaciju otvrdnjavanja, a finiji ili površinski tretirani tipovi mogu se brže dispergirati tijekom kratkih ciklusa miješanja. Pogledajte proizvod →

Stearinska kiselina je druga polovica para, obično od 1 do 3 phr. Topi cink tako da može sudjelovati u reakciji, a služi i kao lubrikant koji pomaže u oslobađanju dijelova iz kalupa. Premalo i izlječenje rano dolazi; previše i može migrirati na površinu, uzrokujući loše prianjanje u ko-lijevanim ili spojenim sklopovima.

Stearinska kiselina za smjesu gume Stearinska kiselina djeluje zajedno s cinkovim oksidom u vulkanizaciji gume, obično pri 1 do 3 phr, otapajući cink i potpomažući oslobađanje plijesni. Višak može migrirati i oštetiti prianjanje u spojenim sklopovima. Pogledajte proizvod →

Zajedno, cinkov oksid i stearinska kiselina koštaju vrlo malo po kilogramu, ali utječu na brzinu stvrdnjavanja, gustoću umrežavanja, izgled površine i prianjanje. Kada se serija ponaša nedosljedno, provjera točnosti težine ova dva sastojka obično je brža od ponovnog ispitivanja polimera.

Čitanje krivulje vulkanizacije poput voditelja proizvodnje

Ispitivanje reometrom pokretne matrice daje krivulju koja vam govori je li spoj spreman za proizvodnju. Četiri broja su najvažnija.

• Minimalni zakretni moment ili ML označava viskoznost nevulkanizirane smjese. Rastući ML tijekom uzastopnih serija ukazuje na zagorenost ili probleme s disperzijom punila.
• Maksimalni zakretni moment ili MH odražava gustoću poprečnog povezivanja. Usporedite MH između serija kako biste otkrili pogreške u doziranju u sustavu stvrdnjavanja.
• Vrijeme sagorijevanja, napisano ts2, je koliko dugo spoj preživi na ispitnoj temperaturi prije nego što zakretni moment počne rasti. Ovo je vaše praktično ograničenje vremena zadržavanja bačve.
• Optimalno vrijeme stvrdnjavanja, napisano t90, je kada se dogodi 90 posto porasta momenta. Vremena proizvodnog stvrdnjavanja obično su postavljena malo iznad t90, a ne na njemu.

Ovisnost o temperaturi je velika. Kao pravilo, podizanje temperature stvrdnjavanja za 10 stupnjeva Celzijusa otprilike udvostručuje brzinu reakcije, zbog čega kalup na 150 stupnjeva Celzijusa koji se stvrdnjava za osam minuta može završiti za četiri na 160. To isto pravilo objašnjava zašto bačva koja je malo vruća može spržiti materijal puno prije završetka ciklusa.

Čuvajte krivulju za svaki spoj u dohvatljivoj datoteci. Kada pritužba stigne osamnaest mjeseci kasnije, izvorne vrijednosti MH i t90 najbrži su način da se dokaže je li se spoj promijenio ili proces.

Vulkanizirano, stvrdnuto, umreženo: razvrstavanje vokabulara

U svakodnevnom razgovoru te su tri riječi međusobno zamjenjive, ali imaju malo različite težine u tehničkim dokumentima.

• Unakrsno povezivanje je opći kemijski izraz za spajanje polimernih lanaca. Odnosi se na gumu, plastiku, ljepila i gelove.
• Stvrdnjavanje je korak procesa. U tvornici, stvrdnjavanje znači da je dio proveo potrebno vrijeme u preši ili kontinuiranoj liniji.
• Vulkanizacija je povijesni i komercijalni naziv za umrežavanje gume, a koristi se čak i za peroksidne i radijacijske sustave koji ne sadrže sumpor.

Jedno upozorenje pri tekstu: stvrdnuti dio nije automatski ispravno stvrdnuti dio. Nedovoljno stvrdnuta guma je mekana i pokazuje visoku kompresiju, dok se previše stvrdnuta prirodna guma može vratiti, postati ljepljiva i slaba. Oba kvara kupcu izgledaju kao materijalne greške, a obje su zapravo greške u procesu.

Pogreške koje se javljaju u trgovini

Većina problema s vulkanizacijom nisu kemijski problemi. To su problemi kontrole i ponavljaju se u tvornicama.

1. Pod pretpostavkom da je preša na zadanoj temperaturi. Ploča koja očitava 155 stupnjeva na kontroleru može stajati na 140 na površini nakon dugog perioda mirovanja. Izmjerite šupljinu kalupa, a ne ploču.
2. Ignoriranje toplinskog kašnjenja u debelim dijelovima. Dijeljak od 20 mm treba daleko duži od odsječka od 2 mm pri istoj temperaturi ploče. Vrijeme stvrdnjavanja treba biti u skladu s kvadratom debljine, a ne linearno.
3. Vaganje aktivatora prema volumenu. Cinkov oksid i stearinska kiselina doziraju se u malim količinama, a dodaci na bazi lopatica variraju za 20 posto ili više od operatera.
4. Ponovno korištenje obrezane bljeskalice. Stvrdnuti bljesak ne može se ponovno umiješati u svježu šaržu; više se nikada neće umrežiti i pokazat će se kao trajni površinski defekti.
5. Predugo skladištenje složene ploče prije stvrdnjavanja. Čak i na sobnoj temperaturi, spoj sklon opekotinama se kreće, a serija koja je ostala preko vikenda možda neće teći istim putem u ponedjeljak.

Svaki od njih jeftino je popraviti, a skupo ignorirati. Tjedno mjerenje temperature i kalibrirana rutina vaganja malih kemikalija eliminiraju većinu njih.

Što to znači za opremu i odluke o kupnji

Jednom kada prihvatite da je vulkanizacija reakcija vremena, temperature i pritiska, odabir opreme postaje lakše opravdati. Preša s neujednačenom temperaturom ploče proizvest će dijelove s različitim stanjima stvrdnjavanja u istom kalupu. Sustav doziranja koji ne može održati malu kemijsku točnost proizvest će serije koje variraju u MH. Transporter za hlađenje koji radi prekratko dopustit će da se debeli dijelovi stvrdnjavaju izvan mreže, što je jednako štetno kao i nedovoljno stvrdnjavanje.

Za kontinuirane profile izračun se ponovno mijenja. Mikrovalna pećnica i vodovi vrućeg zraka stvrdnjavaju prolaskom ekstrudata kroz tunel za grijanje, tako da se brzina linije, debljina profila i reaktivnost spoja moraju uskladiti. Linije za slanu kupku podnose debele dijelove i složene geometrije koje bi se ulegnule u tunelu s vrućim zrakom. Odabir između njih svodi se na debljinu profila i stabilnost oblika, a ne na preferencije dobavljača.

Ista logika vrijedi i uzvodno. Preciznost preformera određuje koliko je dosljedna težina slijepog uzorka, a težina slijepog uzorka određuje koliko se dosljedno ispunjava šupljina. Performanse cjedila određuju hoće li strane čestice preživjeti u gotovom dijelu. Ovo nisu teme odvojene od vulkanizacije; oni su uvjeti koji čine da raspored liječenja funkcionira.

Ako želite početnu točku za mapiranje procesa stvrdnjavanja na hardver, pregledajte cijeli asortiman opreme za obradu gume i uskladite kategoriju stroja s fazom s kojom se borite.

Često postavljana pitanja o vulkaniziranoj gumi

Sadrži li vulkanizirana guma uvijek sumpor?

Ne. Stvrdnjavanje sumporom dominira za prirodnu gumu, SBR i nitrilnu gumu, ali peroksidni sustavi uobičajeni su za EPDM i silikon, a metalni oksidi kao što su cink oksid i magnezijev oksid umrežuju kloroprensku gumu. Stvrdnjavanje zračenjem ne koristi nikakva kemijska sredstva. Definirajuća značajka je umrežena mreža, a ne prisutnost sumpora.

Može li se vulkanizacija poništiti?

Ne na bilo koji način koji vraća originalnu sirovu gumu. Zagrijavanje otvrdnute prirodne gume dovoljno dugo uzrokuje reverziju - mreža se raspada i materijal postaje ljepljiv i slab - ali rezultat je degradirana guma, neupotrebljiva sirovina. Zbog toga se stvrdnuti otpad melje i prodaje kao punilo, a ne ponovno prerađuje kao smjesa.

Koliko dugo traje vulkanizacija?

Kreće se od manje od minute do nekoliko sati. Tanki brizgani dijelovi u učinkovitim sustavima mogu se stvrdnuti za 30 do 60 sekundi na 170 do 180 stupnjeva Celzijusa. Debelim blokovima lijevanim pod pritiskom može trebati 30 minuta ili više. Linije za kontinuiranu ekstruziju uravnotežuju duljinu tunela s brzinom linije umjesto pokretanja fiksnog vremenskog ciklusa.

Zašto nestvrdnuta guma miriše drugačije od stvrdnute gume?

Miris uglavnom dolazi od hlapljivih sastojaka smjese i nusproizvoda reakcije koji se oslobađaju tijekom stvrdnjavanja. Mnogi se akceleratori razgrađuju tijekom reakcije i generiraju male količine amina ili drugih hlapljivih vrsta, zbog čega se svježe stvrdnuti dijelovi obično ventiliraju ili naknadno stvrdnjavaju prije pakiranja.

Kako mogu znati je li dio potpuno stvrdnut?

Pouzdana metoda je reometarska krivulja na spoju plus test bubrenja otapala na gotovom dijelu. Terenski pokazatelji uključuju kompresiju, pomak tvrdoće nakon starenja i prianjanje površine. Dio koji je na dojam blago mekan i traje trajno nakon 24 sata pod kompresijom obično je nedovoljno stvrdnut, a ne premalo ispunjen.

Znači li veći sadržaj sumpora čvršću gumu?

Samo donekle, a ne na način na koji većina ljudi očekuje. Povećanje sumpora povećava gustoću poprečnog povezivanja, što povećava modul i smanjuje istezanje. Gurnite ga dovoljno daleko i materijal postaje krt, sa slabom otpornošću na zamor. Za dinamičke dijelove, poluučinkoviti sustav s nižim sadržajem sumpora i višim ubrzivačem često traje duže od konvencionalnog spoja s visokim sadržajem sumpora.

Je li vulkanizirana guma isto što i silikonska guma?

Ne. Silikonska guma druga je obitelj polimera, izgrađena na okosnici silicij-kisik umjesto na ugljikovom lancu, i obično je umrežena peroksidom ili dodatkom kataliziranim platinom, a ne sumporom. Silikon je također vulkaniziran u širem smislu, ali njegov temperaturni raspon i kemijsko ponašanje potpuno su drugačiji.

Što uzrokuje vraćanje stvrdnutog dijela?

Reverzija se uglavnom događa u prirodnoj gumi kada se predugo drži na temperaturi stvrdnjavanja ili stvrdnjava na previsokoj temperaturi. Polisulfidne poprečne veze pucaju i preuređuju se u cikličke strukture koje ne doprinose mreži, pa materijal omekšava. Prebacivanje na poluučinkoviti ili učinkoviti sustav, ili snižavanje temperature stvrdnjavanja s duljim ciklusom, standardni je lijek.

Ukratko: vulkanizirana guma znači guma čiji su polimerni lanci kemijski povezani u mrežu. Ta mreža je ono što pretvara meku, ljepljivu, temperaturno osjetljivu žvakaću gumu u materijal koji nosi opterećenje, zatvara pritisak i vraća svoj oblik.

Iz toga proizlazi sve praktično. Doziranje sumpora postavlja vrstu mreže. Akcelerator postavlja brzinu. Cinkov oksid i stearinska kiselina odlučuju hoće li reakcija uopće teći učinkovito. Preša, tunel, linija za hlađenje i preformer odlučuju hoće li svaki dio u šarži dobiti isti tretman. Uskladite te četiri stvari i materijal će učiniti točno ono što definicija obećava.