Дом / Новости / Новости отрасли / Состав резиновой смеси: процесс, характеристики смесительной установки и руководство по контролю качества

Состав резиновой смеси: процесс, характеристики смесительной установки и руководство по контролю качества

Контент

Что на самом деле означает смешанная резина в производстве

Смешанная резина представляет собой необработанный эластомер, который механически соединили с наполнителями, маслами, вулканизирующими добавками и другими химическими добавками до образования единого гомогенного соединения, готового к экструзии, каландрированию или формованию. Этот термин охватывает готовый продукт стадии компаундирования, а не сам необработанный полимер. Тюк натурального каучука или барабан из бутадиен-стирольного каучука еще не пригоден для использования на заводе; он становится пригодным для обработки материалом только после того, как углеродная сажа, диоксид кремния, пластификаторы, антиоксиданты, ускорители и сера равномерно диспергируются в полимерной матрице на линии смешивания.

Покупатели, ищущие резиновую смесь, обычно ищут одну из трех вещей: поставщика готовых смесей, руководство по созданию собственной линии смешивания или более четкое представление о том, как контролируется качество смеси, прежде чем она достигнет последующей переработки. В этой статье рассматриваются все три, начиная с механики самого смешивания и заканчивая рецептурой, контролем качества, типичными дефектами и выбором сорта.

Основным оборудованием для производства большинства резиновых смесей является резиновая мельница , иногда в сочетании с внутренним миксером для больших партий. Понимание того, как работает эта машина, — самый быстрый способ понять, почему качество компаундов так сильно различается у разных поставщиков.

Двухэтапный процесс смешивания каждой партии

Промышленное компаундирование почти никогда не происходит за один проход. Используются два отдельных этапа, поскольку ингредиенты, добавленные в начале цикла, ведут себя совсем иначе, чем те, которые добавляются ближе к концу.

  1. Стадия мастербатча. Сначала смешивают необработанный полимер, армирующие наполнители, такие как технический углерод или диоксид кремния, технологическое масло и защитные химикаты, обычно во внутреннем смесителе (типа Бенбери). На этом этапе создается сильный сдвиг, и температура в камере может достигать более 130–150 градусов Цельсия, что хорошо для наполнителей, но может разрушить термочувствительные вулканизирующие вещества.
  2. Заключительный этап смешивания. Охлажденную маточную смесь переносят в открытую двухвалковую резиновую смесительную мельницу, где сера, ускорители и активаторы смешиваются при гораздо более низких температурах, обычно поддерживаемых около 50–70 градусов Цельсия, чтобы избежать преждевременной вулканизации, обычно называемой подгоранием.

Некоторые небольшие операции и лабораторные партии полностью пропускают внутренний смеситель и выполняют весь цикл на открытой мельнице. Это снижает стоимость оборудования и дает оператору прямой визуальный контроль над прокатным станом, что является одной из причин, по которой открытые станы по-прежнему распространены на заводах среднего размера, хотя внутренние смесители доминируют в крупносерийном производстве шин и промышленных шлангов.

При высоком содержании наполнителя некоторые составы перед финальным смешиванием разделяются на два или даже три прохода маточной смеси. Общее правило заключается в том, что чем больше технического углерода или диоксида кремния содержится в составе, тем больше стадий смешивания необходимо для достижения равномерного диспергирования.

Внутри резиновой смесительной мельницы: скорость валков, коэффициент трения и контроль зазора

Резиносмесительная мельница состоит из двух горизонтально установленных стальных валков, вращающихся в противоположных направлениях. Валки никогда не вращаются с одинаковой скоростью. Это преднамеренное несоответствие скоростей, называемое коэффициентом трения, и является тем, что на самом деле происходит при смешивании.

Типичные рабочие диапазоны открытых двухвалковых резиносмесительных установок, применяемых в производстве смесей
Параметр Типичный диапазон Влияние на смешивание
Коэффициент трения от 1:1,1 до 1:1,4 Более высокое соотношение увеличивает сдвиг и накопление тепла.
Рулонный зазор От 2 до 20 мм, обычно от 2 до 8 мм при смешивании. Меньший зазор обеспечивает более равномерное смешивание, более медленную производительность.
Скорость поверхности переднего валка Примерно от 16 до 19 м/мин на производственных мельницах. Устанавливает время цикла партии для заданной длины рулона.
Температура поверхности рулона От 50 до 70 градусов Цельсия во время лечебного добавления Поддерживается на низком уровне, чтобы предотвратить ожоги при добавлении серы.
Твердость рулона Охлажденный чугун, примерно 68–75 HRC. Устойчивость к износу от абразивных наполнителей в течение длительного срока службы.

Состав всегда охватывает более медленный передний вращение, а не более быстрый задний. Это преднамеренный результат коэффициента трения, и именно он позволяет оператору резать, сгибать и повторно подавать прокатный ряд вручную на небольших станах или с помощью автоматических режущих лезвий на более крупных производственных линиях. Водяные или масляные каналы, проходящие через полые валки, позволяют оператору напрямую контролировать температуру заготовки. , что имеет большее значение, чем любая другая переменная, когда в партии присутствуют отверждающие вещества.

Почему коэффициент трения нельзя устанавливать слишком высоким

Заманчиво предположить, что более высокий коэффициент трения всегда ускоряет смешивание, но зависимость не является линейной, если присутствуют вулканизирующие вещества. Соотношение, превышающее примерно 1:1,4, генерирует достаточно тепла от трения, чтобы вызвать раннюю сшивку в отверждаемых серой соединениях, разрушая партию еще до того, как она попадет в пресс. Поэтому мельницы, предназначенные для окончательного смешивания, часто работают на нижнем конце диапазона, в то время как внутренние смесители на стадии маточной смеси могут выдерживать более агрессивный сдвиг, поскольку в нем еще нет вулканизующих веществ.

Выбор резиновой смесительной мельницы для вашего объема партии

Покупатели, впервые оценивающие резиновую мельницу, почти всегда недооценивают, насколько длина валков влияет на ежедневную производительность. Производительность партии — это не просто функция диаметра рулона; он зависит от рабочей длины валков, размера пакета, который оператор может безопасно поддерживать в зоне захвата, а также от того, сколько циклов резки и складывания требуется рецептуре, прежде чем она достигнет целевой дисперсии.

В качестве общего руководства по планированию можно отметить небольшую лабораторную мельницу с валками диаметром от 150 до 200 мм, которая обрабатывает партии в диапазоне от 1 до 5 килограммов и предназначена для испытаний рецептур, а не для производства. Мельницы среднего размера с валками диаметром от 400 до 500 мм, размер которых чаще всего устанавливается в цехах компаундирования малого и среднего уровня, обычно обрабатывают партии от 20 до 60 килограммов в зависимости от плотности компаунда и настройки зазора. Производственные мельницы с валками диаметром 600 мм и более масштабируются до сотен килограммов за партию и обычно работают в паре с внутренним смесителем, питающим непосредственно самосвальную мельницу, а не загрузку вручную.

Перегрузка мельницы сверх номинального веса партии не только замедляет цикл, но и активно ухудшает качество диспергирования. , потому что накат становится слишком большим, чтобы зазор мог полностью прорабатываться при каждом проходе. Недогрузка приводит к потере машинного времени и увеличивает пропорциональное выделение тепла на килограмм материала, поскольку меньший блок нагревается быстрее по сравнению с его массой. Соответствие размера партии номинальной мощности производителя, а не превышение верхнего предела при каждом запуске, является одним из самых простых способов, с помощью которых цех компаундирования обеспечивает как пропускную способность, так и стабильность.

Ежедневное планирование производительности также должно учитывать время переналадки. Цех, пропускающий несколько различных семейств компаундов на одном и том же стане, теряет реальную производительность по очистке и очистке валков между партиями, особенно при переходе от темного, сильно наполненного компаунда к светлому или нечерному составу, где любое остаточное загрязнение видно сразу.

Что входит в состав резиновой смеси

Каждая рецептура резиновой смеси построена на основе пяти функциональных групп ингредиентов. Точные соотношения меняются в зависимости от целевой твердости, стойкости к истиранию и конечного применения, но сами категории одинаковы практически для всех типов компаундов.

  • Базовый полимер: натуральный каучук, SBR, EPDM, нитрил или смесь, выбранная из-за его основных свойств механической и химической стойкости.
  • Армирующие наполнители: марки технического углерода, такие как N330 или N550, или осажденный диоксид кремния, добавляемые для повышения прочности на разрыв и стойкости к истиранию.
  • Технологические добавки и пластификаторы: парафиновые или ароматические масла, воски и фактис, используемые для улучшения текучести и отделения от валков во время смешивания.
  • Защитные добавки: антиоксиданты и антиозонанты, которые замедляют разложение под действием тепла, кислорода и озона в течение срока службы продукта.
  • Лечебный пакет: сера, ускорители и активаторы, такие как оксид цинка и стеариновая кислота, ответственные за создание сшитой сетки во время вулканизации.

Загрузка наполнителя обычно является основным фактором, влияющим на твердость и стоимость. Компаунд с 30 частями технического углерода на сто частей резины ведет себя совсем иначе, чем тот, в котором содержится 60 частей, даже если базовый полимер и вулканизующий пакет идентичны. Разработчики рецептур обычно выражают каждый ингредиент в частях на сто каучуков, записываемых как phr, поэтому партии можно увеличивать или уменьшать без пересчета соотношений с нуля.

Как проверяется качество резиновой смеси перед тем, как она покинет завод

Компаунд может выглядеть однородным в рулоне, но все равно разрушаться в дальнейшем, если наполнители плохо диспергированы или отвердители распределены неравномерно. Три проверки являются стандартной практикой на большинстве линий смешивания.

Вязкость по Муни

Вязкость по Муни, измеренная в соответствии с ASTM D1646, дает единственное число, которое отражает, как соединение будет течь во время экструзии или инъекции. Партия, результаты которой заметно выходят за пределы целевого окна Муни, обычно указывает на нестабильное время смешивания, неправильные настройки зазора или проблему с дисперсией наполнителя, а не на ошибку рецептуры.

Рейтинг дисперсии

Дисперсию обычно оценивают визуально или с помощью анализа изображений на разрезанной или разорванной поверхности смешанного листа. Плохо диспергированный технический углерод проявляется в виде видимых пятен или агломератов, что снижает прочность на разрыв и увеличивает риск появления поверхностных дефектов готовой детали.

Лечение реометрии

Испытание на реометре с подвижной матрицей отслеживает, насколько быстро и насколько сильно соединение отверждается под воздействием тепла, получая данные о времени подгорания и времени отверждения. Это подтверждает, что отвердитель был добавлен правильно на последнем проходе мельницы и не подвергался избыточному нагреву во время смешивания.

Авторитетные производители компаундов сохраняют образец из каждой партии и сравнивают эти три результата с целевым диапазоном, прежде чем резиновую смесь отправят на экструзию, формование или каландрирование. Пропуск этого шага — самая распространенная причина, по которой несовместимые партии превращаются в готовые детали.

Распространенные дефекты смешивания и их причины

Большинство жалоб на качество резиновой смеси связано с небольшим набором повторяющихся технологических ошибок. В таблице ниже перечислены те, которые чаще всего встречаются на производственных площадках.

Часто встречающиеся дефекты смешанной резины, их основные причины и меры по устранению.
Дефект Вероятная причина Корректирующие действия
Ожог или преждевременное излечение Слишком высокая температура валков при добавлении вулканизующих веществ Снижение температуры воды в валках, снижение коэффициента трения на последнем проходе.
Наполнитель крапчатый Недостаточное количество проходов смешивания или слишком широкий угол захвата. Увеличьте количество циклов резки и складывания, уменьшите зазор между зажимами
Липкий, неотделяющийся лист Избыток технологического масла или неправильный полимер для соответствия температуре валков. Еще раз проверьте масло, отрегулируйте температуру поверхности валков.
Непоследовательное чтение Муни от партии к партии Переменное время смешивания или техника работы оператора Стандартизируйте время цикла и количество проходов с помощью письменных рабочих инструкций.
Цветение или изменение цвета поверхности Загрузка добавки превышает предел растворимости полимера. Уменьшите содержание воска или антиоксидантов или переключитесь на более высокую степень растворимости.

Требования безопасности оператора на заводе по производству резиновых смесей

Открытая двухвалковая мельница представляет собой одну из наиболее серьезных опасностей защемления во время работы, встречающихся на производстве резины, и меры безопасности вокруг нее соответственно строгие. В Соединенных Штатах мельницы и каландры, используемые в резиновой и пластмассовой промышленности, регулируются постановлением 29 CFR 1910.216, которое устанавливает конкретные требования к оборудованию и производительности, а не оставляет вопросы на общее усмотрение.

  • Чувствительные к давлению стержни для тела устанавливается как в передней, так и в задней части любого стана с высотой валков 46 дюймов и более и располагается так, чтобы контакт с телом вызывал немедленную остановку.
  • Тросы безопасности или проволочные шнуры устанавливается в пределах двух дюймов от вертикальной плоскости, касательной к валкам, и доступен из любого места рабочего места оператора.
  • Определены пределы тормозного пути. Стан должен остановиться на расстоянии перемещения, измеряемом в дюймах поверхности валков, не превышающем 1,5 процента периферийной скорости вращения валков без нагрузки в футах в минуту.
  • Только ручной сброс. Автоматический сброс аварийных и аварийных выключателей не допускается; оператор или руководитель должен физически перезагрузить систему управления, прежде чем мельница сможет перезапуститься.

Современные мельницы добавляют многоуровневую защиту поверх этих базовых механических средств управления. Системы автоматического отключения, отслеживающие перегрев, аномальную вибрацию или внезапную потерю мощности, становятся все более стандартными для нового оборудования, а полная защита зоны контакта в нерабочие периоды, например, во время мытья, рассматривается как отдельное требование от средств управления отключением оператора в рабочем положении. Ни одна из этих систем не заменяет обучение. ; Устройства аварийной остановки по своей конструкции являются реактивными и срабатывают только в том случае, если оператор распознает опасность и достигает органа управления до того, как произойдет контакт, поэтому операторы мельниц специально обучены правильному расположению рук и технике безопасной подачи, а не полагаются только на защитные ограждения.

Техническое обслуживание, обеспечивающее постоянное качество резиновой смеси

Резиносмесительный завод, механически не отвечающий техническим требованиям, будет производить противоречивые партии, даже если рецептура и техника работы правильны. Некоторые элементы технического обслуживания оказывают прямое и измеримое влияние на качество смеси, а не только на долговечность оборудования.

Элементы технического обслуживания, непосредственно влияющие на качество партии резиновой смеси
Компонент Проверить частоту Влияние на качество, если им пренебречь
Зазор подшипника качения Ежемесячно на производственных предприятиях Неравномерный зазор по длине рулона, неравномерная толщина листа
Износ и питтинг поверхности валков Визуальная проверка каждой смены, ежеквартально Плохое отделение листа, локализованные дефекты дисперсии.
Расход и температура охлаждающей воды Ежедневно Риск ожога, если температура валков повышается во время смены
Калибровка зазора зажима Еженедельно или после любого изменения рулона От партии к партии дрейф вязкости по Муни
Смазка ведущей шестерни По графику производителя, обычно ежемесячно Коэффициент трения instability, increased downtime risk

Состояние поверхности валков заслуживает особого внимания, поскольку его легко не заметить, пока в готовых деталях не проявится дефект. Валки из охлажденного чугуна хорошо противостоят износу, но абразивные наполнители, такие как высокоструктурированный технический углерод или армирующий диоксид кремния, все еще разрушают качество поверхности в течение многих лет непрерывного использования. Поверхности валков с ямками или насечками снижают способность компаунда образовывать чистую, непрерывную ленту. , который проявляется в виде прерывистого или полосатого листа, даже если рецептура и настройки температуры правильные.

Выбор резиновой смеси по твердости и применению

Твердость смеси, измеряемая по шкале Шора А, является одним из самых быстрых способов сузить выбор марки смешанной резины для конкретной работы. Это не единственная важная переменная, но она сильно коррелирует с тем, как деталь будет работать в эксплуатации.

  • От 30 до 45 по Шору А: мягкие уплотнения, прокладки и компоненты, гасящие вибрацию, где гибкость важнее, чем устойчивость к истиранию.
  • От 50 до 65 по Шору А: Формованные детали общего назначения, шланги и крышки конвейеров, сочетающие гибкость с разумным сроком службы.
  • От 70 до 85 по Шору А: Приложения с высокой абразивностью, такие как составы протекторов шин, промышленные ролики и полы для тяжелых условий эксплуатации.
  • 90 по Шору А и выше: несущие втулки, изнашиваемые накладки и компоненты, которые должны противостоять деформации под постоянным давлением.

Выбор полимера имеет такое же значение, как и твердость. Смешанная резина на основе EPDM устойчива к атмосферным воздействиям и озону намного лучше, чем натуральный каучук, что делает ее выбором по умолчанию для наружных уплотнений и компаундов для кровельных мембран. Вместо этого выбираются соединения на основе нитрила, когда деталь контактирует с маслами или топливом, поскольку натуральный каучук и бутадиен-стирольный каучук плохо набухают в углеводородной среде. Подбор базового полимера в соответствии с рабочей средой предотвращает гораздо больше сбоев в эксплуатации, чем корректировка загрузки наполнителя.

Смешивание регенерированного каучука в резиновые смеси

Не каждая партия резиновой смеси изготавливается только из первичного полимера. Регенерированная резина, полученная путем девулканизации отходов шин или отходов компаунда, обычно добавляется в рецептуру в количестве от 5 до 30 процентов от общего содержания полимера, в зависимости от целевых механических свойств готовой детали.

Утилизация снижает стоимость сырья и уменьшает объем лома, отправляемого на свалку, что делает ее все более актуальной, поскольку команды по закупкам сталкиваются с необходимостью документировать переработанный контент в своей цепочке поставок. Компромисс является механическим: восстановленная резина обычно снижает прочность на разрыв, удлинение при разрыве и стойкость к истиранию по сравнению с эквивалентным полностью натуральным составом, поэтому она имеет тенденцию появляться в изделиях с более низкими нагрузками, таких как напольные коврики, бамперы для доков, брызговики и некоторые формованные промышленные детали, а не в протекторах шин или высокоэффективных герметизирующих составах.

На самой смесительной мельнице рецикл на стадии бандажирования ведет себя иначе, чем первичный полимер. Обычно для достижения работоспособной пластичности требуется меньше времени на пластификацию, поскольку процесс девулканизации уже разрушил большую часть исходной сети поперечных связей. Разработчики рецептур, работающие с регенерирующими смесями, обычно используют более короткий первоначальный цикл наложения бандажей и компенсируют это слегка скорректированным лечебным пакетом. , поскольку остаточная сера, перенесенная из исходного вулканизата, в противном случае может отодвинуть сроки отверждения от запланированного.

Что на самом деле движет ценами на смешанный каучук

Котировки цен на смешанную резиновую смесь сильно различаются между поставщиками, и разница редко ограничивается только прибылью. Четыре фактора определяют большую часть разницы между бюджетным составом и премиальным.

Выбор базового полимера

Специальные эластомеры, такие как фторэластомер или высококачественный нитрил, стоят в несколько раз дороже за килограмм, чем натуральный каучук или бутадиен-стирольный каучук общего назначения, и эта разница напрямую влияет на цену готового компаунда, независимо от того, насколько эффективно смешивается партия.

Марка наполнителя и присадки

Осажденный диоксид кремния и специальные связующие агенты стоят дороже, чем стандартные марки технического углерода, а пакеты антиоксидантов премиум-класса, разработанные для увеличения срока службы на открытом воздухе, увеличивают стоимость, которую не требует базовый состав для внутреннего использования.

Требования к согласованности партии

Производство смеси с жесткими допусками вязкости по Муни и полной документацией по отслеживанию партии обходится дороже, чем смесь с более рыхлой спецификацией, поскольку она требует более частых испытаний, меньших производственных циклов и более жесткой дисциплины операторов на заводе.

Объем заказа и эффективность смешивания

Небольшие пробные партии, смешанные на недостаточно загруженном производственном предприятии, требуют гораздо более высоких затрат на килограмм, чем полный производственный цикл, поскольку время наладки, очистки и переналадки распределяется по гораздо меньшему количеству готового материала. Покупатели, которые объединяют заказы в меньшее количество более крупных партий, обычно видят значительно более низкую цену за килограмм. чем те, кто заказывает небольшие, частые поставки одного и того же состава.

Часто задаваемые вопросы о резиновой смеси

В чем разница между смешанной резиной и сырой резиной?

Сырой каучук представляет собой необработанный полимер, полученный из натурального латекса или синтетический, без добавления каких-либо наполнителей или вулканизующих веществ. Каучуковая смесь представляет собой смесь, полученную после того, как наполнители, масла, защитные добавки и вулканизирующие вещества были диспергированы в этом полимере на линии смешивания, подготавливая его к формованию и вулканизации.

Можно ли производить резиновую смесь без внутреннего смесителя?

Да. Многие небольшие производители компаундов проводят весь цикл на открытом резиновом смесителе без внутреннего смесителя, особенно для небольших объемов производства, прототипных партий или специальных смесей, где ценен прямой визуальный контроль прокатного блока. Внутренние смесители становятся более экономичными по мере увеличения объема партии.

Почему сера добавляется в конце цикла смешивания, а не в начале?

Сера и ускорители запускают реакцию сшивки при нанесении достаточного количества тепла. Их раннее добавление, когда температура партии во время диспергирования наполнителя может достигать температуры выше 130 градусов по Цельсию, может привести к преждевременной вулканизации еще до того, как материал достигнет формы. Чтобы избежать этого, вулканизаторы всегда добавляются на последнем этапе смешивания при более низкой температуре.

Как долго партия резиновой смеси остается пригодной к использованию, прежде чем ее необходимо будет переработать?

Это во многом зависит от ускорительной системы и температуры хранения, но многие соединения общего назначения следует обрабатывать в течение от нескольких дней до пары недель после смешивания, чтобы избежать риска ожогов или окисления. Соединения с ускорителями замедленного действия или те, которые хранятся в прохладных, затененных условиях, могут храниться дольше.

Ускоряет ли производство более широкий захват валков на резиносмесительной мельнице?

Это увеличивает производительность, но снижает однородность смешивания. Более широкий зажим позволяет проходить большему количеству материала за цикл, но с меньшим усилием сдвига, прикладываемым к каждому проходу, что обычно означает, что для достижения того же качества диспергирования требуется большее количество проходов, что компенсирует большую часть сэкономленного времени.

Что вызывает неравномерный цвет или текстуру готового листа смешанной резины?

Неравномерный цвет или пятнистая текстура обычно указывают на неполное диспергирование наполнителя, недостаточное количество циклов резки и складывания на мельнице или слишком большой зазор для размера партии. Увеличение количества проходов и проверка соответствия веса партии номинальной мощности мельницы обычно решают эту проблему.

Сколько регенерированного каучука можно использовать в смешанной резиновой смеси без ущерба для производительности?

Обычно загрузка составляет от 5 до 30 процентов от общего содержания полимера, при этом верхний предел зарезервирован для деталей с меньшими нагрузками. Выше этого диапазона прочность на разрыв и стойкость к истиранию обычно падают настолько, что состав больше не подходит для требовательных применений, поэтому правильный потолок зависит от того, чему должна противостоять готовая деталь.

Какой диаметр валков необходим для производства резиновых смесителей?

Большинство цехов компаундирования имеют станы с валками диаметром от 400 до 600 миллиметров. Меньшие диаметры ниже этого диапазона обычно предназначены для лабораторных или пилотных пробных партий, а не для непрерывного производства.

Всегда ли внутренний смеситель лучше, чем открытая мельница для смешивания резины?

Не обязательно. Внутренние смесители обеспечивают более высокую производительность и большие размеры партий, но открытые мельницы дают оператору более прямой визуальный и ручной контроль, остаются более безопасными для смесей с коротким окном подгорания и значительно дешевле при покупке и обслуживании, что делает их распространенными на предприятиях малого и среднего размера.

Какое защитное оборудование требуется по закону на производственном предприятии?

В Соединенных Штатах постановление 29 CFR 1910.216 требует, чтобы чувствительные к давлению кузовные балки или тросы безопасности как в передней, так и в задней части стана, ручной сброс аварийных выключателей и определенный максимальный тормозной путь в зависимости от скорости поверхности валка. Требования могут различаться в зависимости от страны, поэтому местные правила всегда должны быть подтверждены наряду с этими базовыми показателями.

Почему два поставщика указывают совершенно разные цены на то, что выглядит как одна и та же резиновая смесь?

Разница в ценах обычно зависит от марки базового полимера, качества наполнителя и добавок, от того, насколько строго контролируется и документируется однородность партии, а также от объема заказа относительно эффективного размера партии завода. Два соединения, которые выглядят одинаково в технических характеристиках, могут существенно отличаться по качеству сырья и строгости испытаний.