Što je vulkanizacija? Izravan odgovor
Vulkanizacija je kemijski proces koji pretvara ljepljivu, tečnu sirovu gumu u jak, elastičan, izdržljiv proizvod stvaranjem poprečnih veza između polimernih lanaca. Za većinu elastomera opće namjene, sumpor je sredstvo za umrežavanje, a reakciju pokreću toplina, vrijeme i pritisak . Proces je nepovratan: jednom kad se guma vulkanizira, ne može se rastaliti niti preoblikovati.
Za otkriće je zaslužan Charles dobroyear 1839. godine, kada je slučajno ispustio prirodnu gumu tretiranu sumporom na vruću peć i primijetio da se materijal stvrdnuo, a da ponovno nije postao ljepljiv. To zapažanje stvorilo je modernu industriju gume. Danas svaki gumeni proizvod, od O-prstenova i crijeva do potplata cipela i pokretnih traka, prolazi kroz korak vulkanizacije prije nego što može obavljati svoju funkciju.
Ključne činjenice koje treba imati na umu:
- Doziranje sumpora za fleksibilnu lijevanu robu je obično 1,0-3,5 phr (dijelova na sto gume).
- Vulkanizirana prirodna guma postiže vlačnu čvrstoću od 20-30 MPa u gumenim smjesama i više s punilima za ojačavanje.
- Temperature stvrdnjavanja kreću se od 140 do 200 °C ovisno o polimeru i sustavu stvrdnjavanja.
- Pravilno vulkanizirani dio vraća svoj izvorni oblik nakon deformacije i više ne omekšava pri zagrijavanju.
Kemija iza vulkanizacije
Kako sumpor umrežava gumene lance
Prirodni kaučuk i drugi polimeri diena sadrže dvostruke veze u svojoj okosnici. Na temperaturi stvrdnjavanja te se veze otvaraju i reagiraju sa sumporom stvarajući sumporne mostove između susjednih lanaca. Mostovi, bilo monosulfidni, disulfidni ili polisulfidni, zaključavaju lance u trodimenzionalnu mrežu. Prije vulkanizacije, lanci klize jedan pokraj drugog pod pritiskom; nakon vulkanizacije, mreža se rasteže i elastično se vraća natrag. Broj mostova, poznat kao gustoća poprečnog povezivanja, određuje tvrdoću, modul i otpornost konačnog dijela.
Ubrzivači i aktivatori čine stvrdnjavanje praktičnim
Sam sumpor reagira tako sporo da izravno zagrijavanje daje nejednake rezultate. Praktični spojevi oslanjaju se na akceleratore (tiazole, sulfenamide, tiurame, ditiokarbamate) i aktivatore kao što su cinkov oksid i stearinska kiselina za ubrzavanje i kontrolu reakcije. Reprezentativno pakiranje lijeka opće namjene sadrži 1,5-2,5 phr sumpora, 0,5-1,5 phr akceleratora, 3,0-5,0 phr cinkovog oksida i 1,0-2,0 phr stearinske kiseline. Omjer akceleratora i sumpora određuje vrstu poprečnog povezivanja: sustavi s visokim udjelom sumpora i niskim ubrzivačem tvore fleksibilne polisulfidne veze s izvrsnim vijekom trajanja, dok sustavi s niskim udjelom sumpora i visokim ubrzivačem (EV) tvore toplinski stabilne monosulfidne veze s nižom kompresijom.
Mnoge biljke kupnjom pojednostavljuju doziranje i izbjegavaju pogreške u vaganju prethodno pomiješani paketi akceleratora sumpora od dobavljača mješavina. Konzistentna disperzija paketa otvrdnjavanja izravno poboljšava konzistentnost otvrdnjavanja od serije do serije.
Proizvođači, dobavljači akceleratora sumpora po narudžbi Ubrzivač sumpora odnosi se na ubrzivač vulkanizacije gume. Tijekom obrade gume sam sumpor sporo reagira s gumom, s... Pogledajte proizvod → | Sadržaj sumpora (phr) | Crosslink karakter | Tvrdoća / fleksibilnost | Tipične primjene |
|---|---|---|---|
| 1,0-2,0 | Niske gustoće, polisulfidan | Mekan, vrlo fleksibilan | Gumice, tanki lim |
| 2,0-3,5 | Srednje gustoće | Uravnoteženi moduli elastičnosti | Brtve, brtve, crijeva, lijevani proizvodi |
| 5,0-15 | Visoka gustoća | Tvrd ali pomalo elastičan | Valjci, kutije za baterije, tvrda guma |
| 25-50 (prikaz, ostalo). | Vrlo visoka gustoća | Čvrsti ebonit | Ebonit, izolacijski dijelovi |
Kako vulkanizacija mijenja svojstva gume
Sirova guma naspram vulkanizirane gume
Razlika je dramatična. Sirova prirodna guma je ljepljiva, omekšava kada se zagrije, stvrdnjava i puca na hladnom vremenu i trajno teče pod dugotrajnim opterećenjem. Vulkanizirana guma ostaje elastična od otprilike -40 do 100 °C za prirodnu gumu, mnogo je otpornija na ulja i otapala i vraća se u svoj izvorni oblik nakon opetovane deformacije. Sama promjena vlačne čvrstoće je pet do deseterostruko poboljšanje u većini spojeva.
| Vlasništvo | Sirova (neosušena) guma | Vulkanizirana guma |
|---|---|---|
| Vlačna čvrstoća | 1-3 MPa | 20-30 MPa (guma), 25-40 MPa (punjeno) |
| Elastični oporavak | Loš, stalni protok | Izvrstan, skoro potpuni oporavak |
| Ponašanje pri zagrijavanju | Omekšava, postaje ljepljivija | Stabilan do temperature stvrdnjavanja |
| Hladno ponašanje | Stvrdnjava se i kristalizira | Ostaje fleksibilan u rasponu usluga |
| Otpornost na otapala i ulja | Slabo, jaka oteklina | Mnogo poboljšan, ovisi o polimeru |
Zašto je gustoća unakrsnog povezivanja odlučujući faktor
Premalo umrežavanja i dio se ponaša kao slab, nedovoljno stvrdnut proizvod. Previše i mreža postaje toliko kruta da se guma prije lomi nego rasteže. Učinkovit dizajn spoja cilja na gustoću poprečnog povezivanja koja odgovara primjeni: antivibracijski nosači zahtijevaju drugačiju ravnotežu od oštrice brisača, a oboje se razlikuju od valjka za ispis. Razumijevanje karakteristična svojstva gumenih materijala olakšava uvid u zašto je razina stvrdnjavanja postavljena tako pažljivo za svaku primjenu.
Usporedba sustava stvrdnjavanja
Ne koristi svaka vulkanizacija istu kemiju. Mehanički i toplinski zahtjevi završnog dijela određuju koji će sustav biti odabran.
| Sustav stvrdnjavanja | Vrsta umrežavanja | Otpornost na toplinu | Kompresijski set | Rizik reverzije | Tipični polimeri |
|---|---|---|---|---|---|
| Konvencionalni sumpor (2,0-3,5 phr) | Polisulfidna | Pošteno | dobro | Umjereno do visoko | NR, SBR, NBR |
| Poluučinkovit (polu-EV) | Mješoviti poli/mono | dobro | dobro | Niska do umjerena | Pečati, lijevani proizvodi |
| Učinkovito (EV) | Uglavnom monosulfidni | Izvrsno | Izvrsno | Niska | Brtve otporne na toplinu, brtve |
| Peroksid | Ugljik-ugljik | Izvrsno | Izvrsno | Nijedan | EPDM, silikon, FKM, HNBR |
| Metalni oksid | ionski | Umjereno | dobro | Niska | kloropren (CR) |
Kako odabrati sustav liječenja
Proizvodi od prirodne gume i SBR namijenjeni dinamičkom opterećenju, kao što su gume, nosači i amortizeri, općenito koriste konvencionalne ili polu-EV sustave za otpornost na umor. Primjene otporne na toplinu kao što su brtve u motornom prostoru favoriziraju EV ili peroksidne sustave. EPDM i silikon stvrdnuti peroksidom nude najmanju kompresiju, ali vrsta peroksida mora odgovarati povijesti topline polimera i debljini stijenke dijela.
Oprema i metode industrijske vulkanizacije
Kompresirano prešanje u grijanim prešama
Radni konj za lijevanu robu je hidraulična preša za vulkanizaciju. Operater stavlja prethodno oblikovanu izradku u zagrijani kalup, zatvara prešu i drži pritisak potrebno vrijeme stvrdnjavanja. Tipične su temperature ploče od 150-180 °C i pritisci stezanja od 15-25 MPa. Vakuumske preše idu korak dalje pražnjenjem šupljine prije potpunog stezanja, sprječavajući zarobljavanje zraka, mjehure i neispunjene kutove na složenim dijelovima.
Za tehničke dijelove sa zahtjevnim zahtjevima za gustoću i površinu, a vakuumski vruće prešani vulkanizacijski stroj je preferirani proizvodni izbor. Uklanjanje zraka prije stvrdnjavanja posebno je vrijedno za debele presjeke i smjese visoke tvrdoće.
Proizvođači i dobavljači vakuumskih strojeva za vruće prešanje po narudžbi Ovaj stroj je stroj za vulkanizaciju raznih proizvoda od gume i plastike. Ima funkcije vremenskog zaključavanja kalupa, automatskog pred... Pogledajte proizvod → Brizganje za precizne dijelove velikog volumena
Injekcijskim prešanjem guma se plastificira u vijčanoj jedinici i ubrizgava u zatvoreni, grijani kalup, gdje se odvija stvrdnjavanje. Vremena ciklusa su kraća od kompresijskog kalupljenja jer smjesa dospijeva u šupljinu već zagrijana. O-prstenovi, brtve konektora i male precizne brtve obično se proizvode na ovaj način. Kompromis je viši trošak alata i strojeva, tako da se injekcijsko prešanje isplati kada su količine proizvodnje dovoljno velike da amortiziraju investiciju.
Autoklavi i preše za velike površine
Valjci, spremnici obloženi gumom, spojnice kabela i pokretne trake ne mogu stati u standardnu prešu. Ovi se proizvodi stvrdnjavaju u autoklavima pod stlačenom parom ili vrućim zrakom, ili na kontinuiranim tračnim prešama i rotocure. Ključna prednost je ujednačen pritisak na velike površine, što je kritično za prianjanje između gume i tkanine ili metalnih podloga.
Kontinuirano stvrdnjavanje ekstrudiranih profila
Automobilske vremenske trake, brtveni profili, crijeva i užad kontinuirano se stvrdnjavaju dok izlaze iz ekstrudera. Tri glavne metode su tuneli s vrućim zrakom, tuneli s mikrovalnom pećnicom i slane kupke (LCM). Stvrdnjavanje u mikrovalnoj pećnici volumetrijski zagrijava profil, što ga čini brzim za debele poprečne presjeke. Slane kupke nude odličan prijenos topline, ali dijelove je potrebno nakon toga temeljito oprati.
A linija za koekstruziju gume i mikrovalnu polimerizaciju kombinira ekstruder, mikrovalni tunel, odjeljak s vrućim zrakom, kupelj za hlađenje i izvlačenje u jednom kontroliranom procesu, zbog čega je standardni izbor za proizvodnju profila visokog učinka.
Proizvođači proizvodne linije za koekstruziju gume i mikrovalno stvrdnjavanje po narudžbi, S U proizvodnoj liniji za mikrovalnu kontinuiranu vulkanizaciju kompozitne gume, istraživanje mjera zaštite okoliša tijekom t... Pogledajte proizvod → Parametri procesa i krivulja otvrdnjavanja
Očitavanje krivulje reometra
Pomični reometar bilježi stanje otvrdnjavanja tijekom vremena na fiksnoj temperaturi. Tri su broja važna u proizvodnji: vrijeme pečenja (ts2), početak umrežavanja; tc90, vrijeme do postizanja 90 posto potpunog stvrdnjavanja i praktično vrijeme stvrdnjavanja; i plato ili padinu povrata. Stabilan plato znači da proizvod oprašta male vremenske varijacije; strm nagib reverzije znači da je čvrsta kontrola temperature kritična.
| Guma | Tipična temperatura kalupa | Vrijeme stvrdnjavanja za ploču od 2 mm | Ključna briga procesa |
|---|---|---|---|
| NR | 150-160 °C | 5-10 min | Reverzija iznad 170 °C |
| SBR | 150-165 °C | 6-12 min | Sporije stvrdnjavanje, dobra sigurnost od opekotina |
| EPDM | 160-180 °C | 8-15 min | Brže s peroksidom |
| NBR | 150-170 °C | 5-12 min | Koristite EV za nisku kompresiju |
| CR (neopren) | 150-165 °C | 6-12 min | Osjetljivo na opekotine, stvrdnjavanje metalnim oksidom |
| Silikon (VMQ) | 160-180 °C | 3-10 min | Brzo stvrdnjavanje, tanki dijelovi |
Prijenos topline i debljina dijela
Guma slabo provodi toplinu, otprilike 0,15-0,25 W/(m·K), oko jedne desetine čelika. U kompresiranom kalupu, središte debelog dijela dostiže potpuno stvrdnjavanje znatno nakon vanjske opne. Industrijska praksa dodaje otprilike 1-2 minute vremena stvrdnjavanja po dodatnom milimetru debljine stijenke. Zbog toga se kod debelih proizvoda koriste niže temperature kalupa kako bi se izbjeglo prekomjerno stvrdnjavanje površine dok je unutrašnjost još nedovoljno stvrdnuta.
Smjesa i priprema prije vulkanizacije
Vulkanizacija počinje u prostoriji za spajanje. Ako je paket stvrdnjavanja neujednačen, preša to ne može nadoknaditi. Tri koraka pripreme imaju ogroman utjecaj na konačnu kvalitetu:
- Precizno vaganje: varijacija od samo 0,1 phr u sumporu može pomaknuti tc90 za nekoliko postotaka, stoga se preporučuju digitalne vage i automatizirani sustavi za doziranje.
- Hladno konačno miješanje: sumpor i akceleratori dodaju se u mlinu s dva valjka ili u završnom unutarnjem prolazu miješalice, obično u gnječilica pod pritiskom , držati ispod temperature gorenja.
- Uklanjanje onečišćenja: mnoge biljke prolaze spoj kroz a gumeno cjedilo za vruću hranu opremljen finim sitom prije predformiranja, uklanjajući neraspršene aglomerate i strane tvari koje uzrokuju linije protoka i pukotine.
Preformiranje također zaslužuje pozornost. Praznine dosljedne težine i oblika smanjuju varijacije stvrdnjavanja jer se svaka šupljina puni na isti način, s istom poviješću topline i istom raspodjelom tlaka.
Uobičajeni nedostaci vulkanizacije i kako ih izbjeći
Čak i dobro dizajnirana smjesa može proizvesti neispravne dijelove ako se vulkanizacija ne kontrolira. Nedostaci u nastavku čine većinu odbačenog materijala u kalupljenju i ekstruziji gume:
- Scorching: prerano umrežavanje u miješalici, preformeru ili bačvi za ubrizgavanje. Prikazuje se kao grube površine, kratke izbočine ili tvrde kvržice. Prevencija: sniziti temperaturu procesa, dodati usporivače gorenja, skratiti vrijeme zadržavanja.
- Nedovoljno stvrdnjavanje: mekani, slabi dijelovi s visokom kompresijom. Prevencija: provjerite stvarnu temperaturu kalupa pomoću sonde, produžite vrijeme stvrdnjavanja na tc90 i ponovno provjerite recept ako se problem ponovi.
- Reverzija: prirodna guma gubi čvrstoću i elastičnost ako se predugo drži na visokoj temperaturi. Prevencija: snizite temperaturu kalupa, prebacite se na polu-EV ili EV sustave stvrdnjavanja ili koristite polimer otporan na reverziju.
- Poroznost i mjehurići: unutarnje šupljine od zarobljenog zraka, vlage ili hlapljivih sastojaka. Prevencija: upotrijebite vakuumsku prešu, osušite sve sastojke za smjesu i točno izradite predforme.
- Tragovi protoka i kratki udarci: šupljina se ne puni u potpunosti, često na tankim rubovima. Prevencija: povećati protok materijala, povećati tlak ubrizgavanja ili stezanja, poboljšati oblik predforme i ubrzati ubrizgavanje.
Često postavljana pitanja
Je li vulkanizacija isto što i stvrdnjavanje?
Da. U industriji gume, riječi se koriste kao sinonimi. Strogo govoreći, vulkanizacija je izvorno značila sumporno umrežavanje dienskih guma, ali taj izraz sada pokriva bilo koju reakciju umrežavanja koja pretvara gumenu smjesu u elastični proizvod, uključujući sustave peroksida i metalnih oksida.
Mogu li se sve gume vulkanizirati sumporom?
Ne. Dienske gume s dvostrukim vezama, kao što su prirodna guma, SBR, NBR, EPDM i butil, dobro reagiraju na stvrdnjavanje sumporom. Gume bez tih dvostrukih veza, uključujući silikon (VMQ), mnoge vrste fluorokaučuka (FKM), EPM i neke HNBR spojeve, zahtijevaju peroksid ili posebne sustave stvrdnjavanja.
Koja je temperatura potrebna za vulkanizaciju?
Industrijsko stvrdnjavanje obično traje između 140 i 200 °C. Većina lijevanih proizvoda stvrdnjava se na 150-180 °C. Više temperature skraćuju vrijeme ciklusa, ali povećavaju rizik od opekotina i povrata. Debeli predmeti stvrdnjavaju se na nižim temperaturama jer guma sporo provodi toplinu.
Koliko dugo traje vulkanizacija?
Tanko oblikovana brtva može se stvrdnuti za 3-8 minuta na 160 °C. Debeli ležaj ili valjak može trajati 30-60 minuta ili dulje. Kontinuirane mikrovalne linije stvrdnjavaju ekstrudirane profile u 1-5 minuta, a stvrdnjavanje u autoklavu velikih valjaka može trajati nekoliko sati.
Što se događa ako je guma previše vulkanizirana?
Pretjerano stvrdnjavanje povećava tvrdoću i smanjuje istezanje. U prirodnoj gumi, dugotrajna toplina može prekinuti polisulfidne poprečne veze, uzrokujući reverziju, gdje površina postaje mekana i ljepljiva. Proizvodno vrijeme stvrdnjavanja stoga je postavljeno na tc90, vrijeme za postizanje 90 posto potpunog stvrdnjavanja, umjesto na apsolutno maksimalno stanje stvrdnjavanja.
Može li se vulkanizirana guma reciklirati?
Vulkanizirana guma je duroplastična, pa se ne može ponovno rastaliti i oblikovati kao termoplast. Može se samljeti u gumene mrvice za podove, površine za igrališta i oblikovane reciklirane proizvode. Postupci devulkanizacije postoje, ali još nisu ekonomični na širokoj industrijskoj razini.
Zaključak: Vulkanizacija je srce proizvodnje gume
Vulkanizacija je korak koji pretvara polimerni spoj u inženjerski materijal predvidljive čvrstoće, elastičnosti i trajnosti. Odabir sustava stvrdnjavanja, metode kalupljenja ili ekstruzije i parametara procesa određuje i kvalitetu dijela i trošak njegove proizvodnje.
Za voditelje proizvodnje i procesne inženjere, najizravniji put do manje odbačenih proizvoda i nižih troškova po dijelu je kontrola krivulje otvrdnjavanja na svakoj seriji, redovita provjera temperature kalupa i održavanje smjese bez kontaminacije. Dobro dizajnirano pakiranje lijeka, izmjereno reometrom i usklađeno s pravom prešom ili kontinuiranom linijom, daje isti rezultat iz serije za seriju.
Dobavljači koji nude i kemiju i strojeve, od akceleratora do preša za stvrdnjavanje i mikrovalnih linija, znatno pojednostavljuju ovu integraciju. Započinjanje s testiranim receptom i odgovarajućom proizvodnom opremom uklanja većinu nagađanja o vulkanizaciji.
