Объяснение вулканизации: определение, химия, процесс, оборудование и параметры

Что такое вулканизация? Прямой ответ

Вулканизация — это химический процесс, который превращает липкую, текучую сырую резину в прочный, эластичный и долговечный продукт путем создания поперечных связей между полимерными цепями. Для большинства эластомеров общего назначения сера является сшивающим агентом, и реакция осуществляется под действием тепла, времени и давления. . Процесс необратим: после вулканизации резину невозможно расплавить или изменить ее форму.

Открытие приписывается Чарльзу Гудиеру в 1839 году, когда он случайно уронил обработанный серой натуральный каучук на горячую плиту и заметил, что материал затвердел, но не стал снова липким. Это наблюдение создало современную резиновую промышленность. Сегодня каждое резиновое изделие, от уплотнительных колец и шлангов до подошв обуви и конвейерных лент, проходит этап вулканизации, прежде чем сможет выполнять свою функцию.

Ключевые факты, которые следует иметь в виду:

• Дозировка серы для гибких формованных изделий обычно составляет 1,0-3,5 частей на сотню резины.
• Вулканизированный натуральный каучук достигает прочности на разрыв 20-30 МПа в резиновых смесях и выше с армирующими наполнителями.
• Температура отверждения варьируется от 140 до 200 °C в зависимости от полимера и системы отверждения.
• Правильно вулканизированная деталь после деформации восстанавливает первоначальную форму и больше не размягчается при нагреве.

Химия, лежащая в основе вулканизации

Как сера сшивает резиновые цепи

Натуральный каучук и другие диеновые полимеры содержат в своей основной цепи двойные связи. При температуре отверждения эти связи разрываются и реагируют с серой, образуя серные мостики между соседними цепями. Мостики, будь то моносульфидные, дисульфидные или полисульфидные, соединяют цепи в трехмерную сеть. Перед вулканизацией цепи под напряжением скользят одна относительно другой; после вулканизации сеть упруго растягивается и возвращается в исходное состояние. Количество перемычек, известное как плотность поперечных связей, определяет твердость, модуль упругости и упругость конечной детали.

Ускорители и активаторы делают лечение практичным

Сама по себе сера реагирует настолько медленно, что прямой нагрев дает неравномерные результаты. В практических соединениях используются ускорители (тиазолы, сульфенамиды, тиурамы, дитиокарбаматы) и активаторы, такие как оксид цинка и стеариновая кислота, для ускорения и контроля реакции. Типичный пакет отвердителя общего назначения содержит 1,5–2,5 части серы, 0,5–1,5 части ускорителя, 3,0–5,0 части оксида цинка и 1,0–2,0 части стеариновой кислоты. Соотношение ускорителя и серы определяет тип сшивки: системы с высоким содержанием серы и низким содержанием ускорителя образуют гибкие полисульфидные связи с превосходной усталостной долговечностью, тогда как системы с низким содержанием серы и высоким ускорителем (EV) образуют термостабильные моносульфидные связи с более низкой остаточной деформацией при сжатии.

Многие предприятия упрощают дозировку и избегают ошибок при взвешивании, покупая предварительно смешанные пакеты ускорителей серы от поставщика компаундов. Равномерное распределение отвердителя напрямую улучшает стабильность отверждения от партии к партии.

Изготовленные на заказ ускорители серы Производители, Поставщики Серный ускоритель относится к ускорителю вулканизации каучука. При переработке каучука сама сера медленно реагирует с каучуком,... Посмотреть продукт →

Как вулканизация меняет свойства резины

Сырая резина против вулканизированной резины

Разница существенная. Сырой натуральный каучук липкий, размягчается при нагревании, затвердевает и трескается в холодную погоду и постоянно течет при длительной нагрузке. Вулканизированная резина остается эластичной при температуре примерно от -40 до 100 °C для натурального каучука, намного лучше противостоит маслам и растворителям и возвращается к своей первоначальной форме после многократной деформации. Одно лишь изменение прочности на разрыв приводит к увеличению в пять-десять раз большинства соединений.

Почему плотность сшивок является решающим фактором

Слишком мало сшивок, и деталь ведет себя как слабый, недостаточно отвержденный продукт. Слишком много, и сеть становится настолько жесткой, что резина скорее рвется, чем растягивается. Эффективная составная конструкция ориентирована на плотность поперечных связей, соответствующую конкретному применению: антивибрационные опоры требуют другого баланса, чем лезвие ракеля, и оба они отличаются от печатного валика. Понимание характерные свойства резиновых материалов помогает понять, почему уровень отверждения устанавливается так тщательно для каждого применения.

Сравнение систем отверждения

Не во всех вулканизациях используется один и тот же химический состав. Механические и термические требования к конечной детали определяют выбор системы.

Как выбрать систему лечения

В продуктах из натурального каучука и бутадиен-стирольного каучука, предназначенных для динамических нагрузок, таких как шины, крепления и амортизаторы, обычно используются обычные или полуэлектрические системы для обеспечения усталостной прочности. Для термостойких применений, таких как уплотнения моторного отсека, предпочтительны системы EV или перекиси. ЭПДМ и силикон, отверждаемые пероксидом, обеспечивают наименьшую остаточную деформацию при сжатии, но тип пероксида должен соответствовать термической истории полимера и толщине стенки детали.

Оборудование и методы промышленной вулканизации

Компрессионное формование в прессах с подогревом

Рабочей лошадкой для формованных изделий является гидравлический вулканизационный пресс. Оператор помещает предварительно отформованную заготовку в нагретую форму, закрывает пресс и удерживает давление в течение необходимого времени отверждения. Типичные температуры плиты составляют 150–180 °C и давление смыкания 15–25 МПа. Вакуумные прессы идут еще дальше, вакуумируя полость перед полным зажимом, предотвращая захват воздуха, вздутия и незаполненные углы на сложных деталях.

Для технических деталей с высокими требованиями к плотности и поверхности вакуумная вулканизационная машина горячего прессования является предпочтительным выбором производства. Удаление воздуха перед отверждением особенно ценно для толстых сечений и соединений высокой твердости.

Машины вакуумного горячего прессования на заказ Производители, Поставщики Эта машина представляет собой вулканизирующую машину для различных резиновых и пластиковых изделий. Он имеет функции блокировки формы по времени, автоматическую предварительную... Посмотреть продукт →

Литье под давлением прецизионных деталей большого объема

При литье под давлением резина пластифицируется в шнековом блоке и впрыскивается в закрытую нагретую форму, где происходит отверждение. Время цикла короче, чем при компрессионном формовании, поскольку компаунд достигает уже нагретой полости. Таким способом обычно изготавливаются уплотнительные кольца, уплотнения разъемов и небольшие прецизионные прокладки. Компромиссом является более высокая стоимость инструментов и оборудования, поэтому литье под давлением окупается, когда объемы производства достаточно велики, чтобы окупить инвестиции.

Автоклавы и ленточные прессы для изделий большой площади

Ролики, обрезиненные резервуары, кабельные муфты и конвейерные ленты не помещаются в стандартный пресс. Эти продукты отверждаются в автоклавах под давлением пара или горячего воздуха, а также на ленточных прессах непрерывного действия и ротационных машинах. Ключевым преимуществом является равномерное давление на большие поверхности, что имеет решающее значение для сцепления между резиной и тканевыми или металлическими подложками.

Непрерывное отверждение экструдированных профилей

Автомобильные уплотнители, уплотнительные профили, шланги и шнуры подвергаются непрерывной вулканизации на выходе из экструдера. Тремя основными методами являются туннели горячего воздуха, микроволновые туннели и соляные ванны (LCM). Микроволновая отверждение нагревает профиль объемно, что позволяет быстро обрабатывать толстые поперечные сечения. Соляные ванны обеспечивают превосходную теплопередачу, но после этого детали необходимо тщательно промыть.

A Линия совместной экструзии и микроволновой вулканизации резины объединяет экструдер, микроволновый туннель, секцию горячего воздуха, охлаждающую ванну и вытяжку в одном контролируемом процессе, поэтому он является стандартным выбором для высокопроизводительного производства профилей.

Производители производственных линий для совместной экструзии и микроволнового отверждения резины на заказ, S На линии по производству композитной резины непрерывной микроволновой вулканизации проводятся исследования мер по защите окружающей среды во время... Посмотреть продукт →

Параметры процесса и кривая отверждения

Чтение кривой реометра

Реометр с подвижной матрицей регистрирует состояние отверждения с течением времени при фиксированной температуре. В производстве имеют значение три цифры: время обжига (тс2), начало сшивки; tc90, время достижения 90 процентов полного отверждения и практическое время отверждения; и плато или реверсионный склон. Стабильное плато означает, что продукт не допускает небольших изменений во времени; крутой наклон возврата означает, что строгий контроль температуры имеет решающее значение.

Теплопередача и толщина детали

Резина плохо проводит тепло, примерно 0,15-0,25 Вт/(м·К), что составляет примерно одну десятую часть стали. В пресс-форме центр толстой детали достигает полного отверждения намного позже внешней оболочки. Промышленная практика добавляет примерно 1-2 минуты времени отверждения на каждый дополнительный миллиметр толщины стенки. Вот почему для толстых изделий используются более низкие температуры формы, чтобы избежать чрезмерного отверждения поверхности, в то время как внутренняя часть еще недостаточно отверждена.

Состав и подготовка перед вулканизацией

Вулканизация начинается в камере компаундирования. Если пакет лечения неровный, пресса не сможет его компенсировать. Три этапа подготовки оказывают огромное влияние на конечное качество:

1. Точное взвешивание: изменение содержания серы всего на 0,1 части/ч может привести к изменению tc90 на несколько процентов, поэтому рекомендуется использовать цифровые весы и автоматизированные системы дозирования.
2. Холодное окончательное смешивание: сера и ускорители добавляются в двухвалковой мельнице или на последнем проходе внутреннего смесителя, обычно в тестомес под давлением , хранится ниже температуры ожога.
3. Удаление загрязнений: многие растения пропускают соединение через резиновый фильтр горячей подачи перед предварительной формовкой оснащается тонким ситом, удаляющим недиспергированные агломераты и посторонние вещества, которые образуют линии потока и пузырьки.

Преформинг также заслуживает внимания. Заготовки одинакового веса и формы уменьшают вариации отверждения, поскольку каждая полость заполняется одинаково, с одинаковой историей нагрева и одинаковым распределением давления.

Распространенные дефекты вулканизации и как их избежать

Даже хорошо разработанный состав может привести к образованию дефектных деталей, если не контролировать вулканизацию. Следующие дефекты составляют большую часть брака при формовании и экструзии резины:

• Поджигание: преждевременное сшивание в смесителе, преформере или цилиндре впрыска. Он проявляется в виде шероховатых поверхностей, коротких молдингов или твердых комков. Профилактика: снизить температуру процесса, добавить замедлители подгорания, сократить время выдержки.
• Недоотверждение: мягкие, слабые детали с высокой остаточной деформацией при сжатии. Профилактика: проверьте фактическую температуру формы с помощью датчика, увеличьте время отверждения до tc90 и перепроверьте рецепт, если проблема повторится.
• Реверсия: натуральный каучук теряет прочность и эластичность при слишком длительном выдерживании при высокой температуре. Профилактика: снизить температуру формы, перейти на полу-EV или EV-системы отверждения или использовать устойчивый к реверсии полимер.
• Пористость и вздутия: внутренние пустоты из захваченного воздуха, влаги или летучих ингредиентов. Профилактика: используйте вакуумный пресс, просушите все ингредиенты рецептуры, аккуратно изготовьте заготовки.
• Следы течения и короткие выстрелы: полость заполняется не полностью, часто по тонким краям. Профилактика: увеличить поток материала, увеличить давление впрыска или зажима, улучшить форму преформы и ускорить впрыск.

Часто задаваемые вопросы

Вулканизация — это то же самое, что отверждение?

Да. В резиновой промышленности эти слова используются как синонимы. Строго говоря, вулканизация первоначально означала сшивку диеновых каучуков серой, но теперь этот термин охватывает любую реакцию сшивки, которая превращает резиновую смесь в эластичный продукт, включая системы пероксидов и оксидов металлов.

Все ли каучуки можно вулканизировать серой?

Нет. Диеновые каучуки с двойными связями, такие как натуральный каучук, SBR, NBR, EPDM и бутил, хорошо поддаются отверждению серой. Каучуки без этих двойных связей, включая силикон (VMQ), многие марки фторкаучуков (FKM), EPM и некоторые соединения HNBR, требуют перекиси или специальных систем вулканизации.

Какая температура необходима для вулканизации?

Промышленное отверждение обычно происходит при температуре от 140 до 200 °C. Большинство формованных изделий отверждаются при температуре 150–180 °C. Более высокие температуры сокращают время цикла, но увеличивают риск ожогов и реверсии. Толстые изделия отверждаются при более низких температурах, поскольку резина медленно проводит тепло.

Сколько времени занимает вулканизация?

Тонкая формованная прокладка может затвердеть за 3–8 минут при температуре 160 °C. Толстый подшипник или ролик может занять 30-60 минут или дольше. Непрерывные микроволновые линии отверждают экструдированные профили за 1-5 минут, а автоклавное отверждение крупных валков может длиться несколько часов.

Что произойдет, если резина подвергнется чрезмерной вулканизации?

Чрезмерное отверждение увеличивает твердость и уменьшает удлинение. В натуральном каучуке длительное нагревание может разрушить полисульфидные сшивки, вызывая реверсию, при которой поверхность становится мягкой и липкой. Поэтому время производственного отверждения установлено на уровне tc90, времени достижения 90 процентов полного отверждения, а не при абсолютном максимальном состоянии отверждения.

Можно ли переработать вулканизированную резину?

Вулканизированная резина является термореактивной, поэтому ее нельзя переплавлять и формовать, как термопласт. Его можно измельчить в резиновую крошку для полов, поверхностей игровых площадок и формованных изделий из вторичной переработки. Процессы девулканизации существуют, но пока не являются экономичными в широком промышленном масштабе.

Вывод: Вулканизация – это основа производства резины

Вулканизация — это этап, который превращает полимерное соединение в конструкционный материал с предсказуемой прочностью, эластичностью и долговечностью. Выбор системы отверждения, метода формования или экструзии, а также параметров процесса определяет как качество детали, так и стоимость ее производства.

Для руководителей производства и инженеров-технологов самый прямой путь к меньшему количеству брака и снижению затрат на деталь — это контроль кривой отверждения каждой партии, регулярная проверка температуры пресс-формы и поддержание состава в чистоте. Хорошо спроектированный пакет отверждения, измеренный с помощью реометра и согласованный с подходящим прессом или непрерывной линией, дает одинаковый результат партия за партией.

Поставщики, предлагающие как химию, так и оборудование, от ускорителей до вулканизирующих прессов и микроволновых линий, значительно упрощают эту интеграцию. Начиная с проверенного рецепта и подходящего производственного оборудования, вы избавляетесь от большинства догадок при вулканизации.