Веб-меню

Поиск продукта

Язык

Делиться

Дом / Новости / Новости отрасли / Что такое вулканизированная резина? Сера, ускорители и руководство по процессу

Что такое вулканизированная резина? Сера, ускорители и руководство по процессу

Контент

Поставщик серных ускорителей

Что такое вулканизированная резина

Вулканизированный каучук — это натуральный или синтетический каучук, химически обработанный серой и нагреванием, в результате чего его полимерные цепи образуют постоянные поперечные связи, превращая мягкий, липкий, чувствительный к температуре материал в прочный, эластичный и долговечный продукт. До такой обработки сырая резина размягчается в теплую погоду, затвердевает и трескается на морозе, теряет форму при повторяющихся нагрузках. После вулканизации тот же материал может растягиваться в несколько раз по сравнению с первоначальной длиной и восстанавливаться, противостоять теплу, маслу и истиранию, а также сохранять свою структуру в течение многих лет. Этот единственный химический этап стал причиной того, что каучук превратился из нового материала в основу шин, уплотнений, шлангов, обуви и тысяч промышленных компонентов, используемых сегодня.

На практике вулканизация — это реакция отверждения. Сырая резиновая смесь, смешанная с серой, ускорителями, активаторами и наполнителями, подвергается воздействию тепла и часто давления. При повышении температуры атомы серы вступают в реакцию с полимерной основой каучука и сшивают соседние цепи вместе короткими серными мостиками. Как только эта сеть мостиков полностью сформирована, резину невозможно расплавить и изменить ее форму, как это можно сделать с пластиком. Он навсегда изменил свое состояние: из формованного соединения в неподвижное эластичное твердое тело.

Масштабы этой отрасли значительны. Мировое потребление натурального каучука колеблется в пределах от 14 до 15 миллионов тонн в год, и подавляющее большинство этого объема проходит ту или иную форму серной вулканизации, прежде чем стать готовой деталью. (источник: статистика производства и потребления Международной группы по изучению каучука) . Синтетический каучук добавляет к этой цифре еще несколько миллионов тонн, большая часть которого также обработана серой. Очень мало каучука доходит до потребителя или инженера в сыром, невулканизированном состоянии.

История и открытие вулканизации

Каучук был известен европейским торговцам задолго до того, как стал надежным конструкционным материалом. Ранние резиновые изделия, импортированные из Южной Америки в 1700-х и начале 1800-х годов, были интересной диковинкой, но они были практически бесполезны при меняющейся погоде. Сапоги и пальто, сделанные из сырой резины, в летнюю жару становились мягкими и воняли, а в зимнюю стужу превращались в непригодные для использования блоки. Производители, которые пытались построить бизнес на сыром каучуке, неоднократно терпели неудачу, потому что материал просто не мог сохранять свои свойства.

Случайное открытие 1839 года.

Чарльз Гудиер, американский изобретатель, работавший с ограниченными средствами, провел годы, экспериментируя с резиной и различными добавками, пытаясь решить проблему жары и холода. В 1839 году, работая со смесью каучука и серы, он случайно уронил образец на горячую плиту. Вместо того, чтобы плавиться, как сырая резина, образец слегка обугливался на поверхности, но оставался гибким и не становился липким. Он, не до конца понимая химию, запустил реакцию сшивки.

От открытия к промышленности

Goodyear запатентовала этот процесс в 1844 году. Примерно в то же время в Англии Томас Хэнкок независимо разработал аналогичный процесс и получил британский патент незадолго до того, как были завершены международные заявки Goodyear, что привело к длительному спору по поводу кредита. Само название «вулканизация» было предложено Уильямом Брокедоном, другом Хэнкока, со ссылкой на Вулкана, римского бога огня, поскольку тепло было центральным элементом реакции. В течение нескольких десятилетий вулканизированная резина превратилась из лабораторной диковины в крупномасштабное производство ботинок, шлангов, водонепроницаемых тканевых покрытий и, в конечном итоге, в индустрию пневматических шин, которая во многом определила спрос на каучук в двадцатом веке.

От проб и ошибок к контролируемой химии

Ранняя вулканизация основывалась только на сере, отвержденной в течение многих часов при высокой температуре, с противоречивыми результатами между партиями. Внедрение органических ускорителей в начале 1900-х годов кардинально изменило отрасль, сократив время отверждения с часов до минут и предоставив производителям компаундов гораздо больший контроль над конечной твердостью, прочностью и устойчивостью к старению готовой резины. Этот переход от медленного, непредсказуемого отверждения к быстрому, точно контролируемому отверждению позволил производству резины перейти к процессам массового производства, используемым сегодня.

Наука, лежащая в основе вулканизации резины

Сырой каучук состоит из длинных запутанных полимерных цепочек, которые могут скользить друг по другу. Вот почему невулканизированная резина кажется липкой и постоянно деформируется при растяжении. Вулканизация образует серные мостики, известные как поперечные связи, между соседними полимерными цепями. Эти мосты соединяют цепи в трехмерную сеть. Когда резина растягивается, цепи распрямляются, но серные поперечные связи возвращают их на место, как только сила снимается.

Что меняется на молекулярном уровне

  • Отдельные полимерные цепи становятся химически связанными, а не просто переплетаются друг с другом.
  • Материал переходит из пластичного, формуемого состояния в эластичное, сохраняющее память состояние.
  • Растворимость в обычных растворителях резко падает, поскольку сетку уже невозможно разорвать.
  • Устойчивость к окислению и озоновому растрескиванию повышается за счет более стабильной внутренней структуры.
  • Поведение стеклования меняется, а это означает, что резина остается гибкой в ​​более широком температурном диапазоне.
  • Ползучесть, медленное постоянное растяжение под постоянной нагрузкой, значительно снижается после фиксации поперечных связей на месте.

Типы серных сшивок

Не все серные мостики одинаковы, и их тип напрямую влияет на производительность. Моносульфидные мостики содержат один атом серы, соединяющий две цепи, и являются наиболее термостабильными, но также и наиболее жесткими. Дисульфидные и полисульфидные мостики содержат в цепи два и более атома серы и придают резине большую гибкость и лучшую усталостную прочность, хотя они несколько менее термостойки, чем моносульфидные звенья. Производители компаундов регулируют соотношение ускорителя и серы специально для того, чтобы контролировать, какой тип моста будет доминировать, поскольку к боковине шины, которая должна изгибаться миллионы раз, предъявляются совсем другие требования к мосту, чем к жесткому корпусу аккумулятора.

Плотность поперечных связей и ее влияние на свойства

Количество поперечных связей на единицу объема каучука, называемое плотностью поперечных связей, является одной из наиболее важных переменных, которые контролирует производитель компаундов. Низкая плотность поперечных связей позволяет получить мягкую, очень растяжимую резину с более низкой прочностью на разрыв. Более высокая плотность поперечных связей позволяет получить более прочную резину с более высоким модулем упругости, но с меньшим удлинением. После определенного момента добавление большего количества поперечных связей перестает улучшать прочность и вместо этого делает резину хрупкой, поэтому каждая формула имеет оптимальную плотность поперечных связей, а не просто максимизирует ее.

Почему сера играет центральную роль в процессе вулканизации

Сера остается наиболее широко используемым отвердителем в резиновой промышленности, поскольку она образует прочные и гибкие поперечные связи при разумной цене. Во время нагрева атомы серы прикрепляются к основной цепи полимера каучука и соединяют отдельные цепи вместе. Количество используемой серы напрямую влияет на то, насколько твердым или мягким будет на ощупь конечный продукт.

Примерное содержание серы и полученные характеристики резины.
Содержание серы Полученный материал Типичное использование
от 0,5 до 2 процентов Мягкая, очень гибкая резина. Резинки, прокладки, трубки
от 2 до 8 процентов Твердая, износостойкая резина Протекторы шин, конвейерные ленты, подошвы для обуви
от 25 до 35 процентов Твердый хрупкий материал, известный как эбонит. Корпуса аккумуляторов, штоки труб, твердые погонажные изделия.

Растворимая сера и нерастворимая сера

Помимо количества, имеет значение и форма серы. Производители резиновых смесей обычно выбирают между нерастворимой серой, которая препятствует выцветанию на поверхности готовой детали, и растворимой серой, которая реагирует быстрее, но может мигрировать и оставлять пыльную пленку в случае передозировки. Нерастворимая сера обычно предпочтительна для толстых срезов, маточных партий, которые хранятся перед использованием, а также продуктов, для которых внешний вид поверхности имеет значение, например видимых уплотнений или обуви. Растворимая сера остается популярной для производства простых и быстрообрабатываемых продуктов, где время хранения короткое, а экономическая эффективность является приоритетом.

Системы доноров серы

В некоторых составах вместо элементарной серы или вместе с ней используются химические доноры серы. Эти соединения постепенно выделяют серу во время отверждения и имеют тенденцию образовывать более короткие и более термостабильные моносульфидные мостики. Системы доноров серы часто встречаются в продуктах, которые подвергаются длительному воздействию высоких температур, например, в автомобильных деталях под капотом, поскольку образующиеся поперечные связи устойчивы к разрушению даже после многих лет циклического нагрева.

Роль ускорителей в современной вулканизации

Сама по себе сера медленно реагирует с каучуком, и ранняя вулканизация может занять несколько часов при высокой температуре, что приведет к потере энергии и разрушению полимера. Ускорители — это химические добавки, которые ускоряют реакцию сшивки серой, сокращают время отверждения и позволяют снизить температуру отверждения без ущерба для прочности. Благодаря этим добавкам типичная современная резиновая смесь затвердевает за считанные минуты, а не за часы.

Общие семейства ускорителей

  1. Тиазолы ценятся за сбалансированную скорость отверждения и хорошую устойчивость к старению.
  2. Сульфенамиды, известные своим замедленным действием, что дает заводам больше времени для придания формы резине до начала отверждения.
  3. Тиурамы очень быстро отверждаются и часто используются вместе с небольшими количествами серы или в качестве единственного отвердителя в некоторых составах.
  4. Дитиокарбаматы, ценящиеся за чрезвычайно быструю реакцию при более низких температурах, часто встречаются в процессах погружения в латекс.
  5. Гуанидины обычно используются в качестве вторичных ускорителей для повышения активности первичного ускорителя, а не действуют отдельно.

Почему выбор акселератора имеет значение

Выбор акселератора редко ограничивается только скоростью. Для больших шин можно выбрать сульфенамидный ускоритель, поскольку его отложенное начало дает заводу безопасное окно обработки до того, как резина начнет отверждаться, предотвращая пригорание во время смешивания и экструзии. Для изготовления перчаток с тонким погружением можно выбрать тиурам, поскольку его быстрое действие подходит для быстрой и непрерывной производственной линии. Система ускорения в большей степени, чем любой другой компонент, определяет, как завод планирует использовать свое оборудование и насколько стабильными будут готовые детали от одной смены к другой.

Активаторы: поддерживающая химия

Ускорители обычно сочетаются с активаторами, такими как оксид цинка и стеариновая кислота. Ионы цинка помогают ускорителю и сере объединиться в активный комплекс, который затем реагирует с каучуковой цепью гораздо эффективнее, чем сера, действующая отдельно. Без этой системы активаторов даже быстрый ускоритель будет работать хуже, в результате чего отвержденная резина будет мягкой, липкой или нестабильной от партии к партии. Оксид цинка обычно составляет от 3 до 5 процентов стандартной резиновой смеси по весу, что делает его одним из наиболее важных неполимерных ингредиентов в рецептуре.

Дозировка ускорителя и безопасность при ожогах

У каждой ускорительной системы есть время прогрева, окно во время смешивания и формования, прежде чем начнется серьезное отверждение. Если фабрика работает слишком медленно и смесь подгорает внутри смесителя или экструдера, партия портится и ее невозможно изменить. Составы компаундов балансируют дозировку ускорителя в зависимости от скорости смешивания, температуры окружающей среды и времени пребывания в оборудовании, чтобы сохранить достаточный запас прочности, сохраняя при этом эффективное отверждение после того, как каучук достигнет формы или печи.

Вулканизация натурального каучука по сравнению с синтетическим каучуком

Не вся резина отверждается одинаково. Натуральный каучук, полученный в виде латекса из дерева гевеи бразильской, имеет химическую основу, которая легко реагирует с серой, поэтому на его основе была разработана классическая серная вулканизация. Синтетические каучуки, производимые из мономеров, полученных из нефти, сильно различаются по тому, как они реагируют на отверждение серой.

Бутадиен-стирольный каучук

Бутадиен-стирольный каучук, один из наиболее распространенных синтетических каучуков, используемых в протекторах шин, отверждается серой во многом аналогично натуральному каучуку, хотя для достижения эквивалентного состояния отверждения обычно требуется несколько иное соотношение ускорителей.

Нитриловая резина

Нитриловый каучук, выбранный из-за его масло- и топливостойкости в шлангах и уплотнениях, также отверждается серными системами, но часто сочетается со специальными смесями ускорителей, чтобы противодействовать более медленной реакционной способности, вызванной содержанием в нем акрилонитрила.

Этилен-пропилен-диеновый мономерный каучук

Этилен-пропилен-диеновый мономерный каучук, широко используемый в автомобильных герметиках и кровельных мембранах из-за его исключительной устойчивости к озону и атмосферным воздействиям, содержит гораздо меньше реакционноспособных участков вдоль своей основы, чем натуральный каучук. Для достижения приемлемой скорости отверждения требуется более высокая загрузка ускорителя и тщательно подобранные системы доноров серы.

Силикон и другие специальные эластомеры

Некоторые специальные эластомеры, в том числе силиконовый каучук, вообще не подвергаются вулканизации серой. Вместо этого они полагаются на отверждение пероксидом или аддитивное отверждение, катализируемое платиной, которое образует углерод-углеродные поперечные связи, а не серные мостики. Эти альтернативные системы существуют именно потому, что некоторые основные цепи полимера либо сопротивляются реакциям серы, либо требуют отверждения, подходящего для экстремальных температур или требований к чистоте медицинского уровня, где остатки серы нежелательны.

Виды методов вулканизации, используемые в промышленности

Не все резиновые изделия обрабатываются одинаково. Форма, толщина и предполагаемое использование детали определяют, какой метод вулканизации будет выбран.

Вулканизация горячим воздухом

Детали отверждаются в печи с использованием циркулирующего горячего воздуха, обычно при температуре от 140 до 220 градусов Цельсия. Этот метод подходит для экструдированных профилей и непрерывных резиновых полос, где необходим равномерный всесторонний нагрев. Отверждение горячим воздухом требует относительно невысоких затрат, но может быть медленнее, чем отверждение паром или прессованием, поскольку воздух передает тепло менее эффективно, чем пар или прямой контакт с металлом.

Паровая вулканизация

Пар под давлением обеспечивает быструю и равномерную передачу тепла и широко используется для формованных изделий, таких как уплотнения, чехлы и промышленные шланги. Влага также помогает предотвратить пористость поверхности в более толстых секциях. Автоклавы, используемые для отверждения паром, обычно работают под давлением от 2 до 6 бар, что повышает эффективную температуру отверждения значительно выше той, которую можно достичь только атмосферным паром.

Прессовая или компрессионная вулканизация

Нагретые металлические формы сжимают резиновую смесь, придавая ей форму, одновременно отверждая ее. Этот метод доминирует в производстве шин, конвейерных лент и формованных резиновых изделий, где точные размеры имеют значение. Поскольку источником тепла является сама форма, отверждение в прессе обеспечивает превосходную точность размеров и чистоту поверхности, хотя затраты на оснастку выше, чем при использовании методов в печи или автоклаве.

Холодная вулканизация

Вместо серы и тепла в этом методе используются химические агенты, такие как монохлорид серы, при комнатной температуре. В основном он предназначен для тонких резиновых листов, ремонтных заплат и изделий, пропитанных погружением, где нагревательное оборудование нецелесообразно. Холодное отверждение происходит быстро и не требует затрат энергии для нагрева, но обычно оно образует более тонкую и менее однородную сеть поперечных связей, чем системы серы, отверждаемые при нагревании.

Микроволновая и сверхвысокочастотная отверждение

Для непрерывных резиновых профилей, таких как дверные уплотнители и оконные каналы, на новых фабриках стал обычным предварительный микроволновый нагрев в сочетании с отверждением горячим воздухом. Микроволновая энергия нагревает резиновую смесь изнутри, а не полагается исключительно на поверхностную теплопередачу, что ускоряет отверждение толстых непрерывных профилей и уменьшает длину линии печи, необходимой в заводских цехах.

Вулканизация литьем под давлением

При литье под давлением сырьевой компаунд нагревается и подается непосредственно в закрытую, нагретую полость формы под высоким давлением, где он практически мгновенно затвердевает. Этот метод подходит для больших объемов деталей со сложной геометрией, таких как автомобильные втулки и небольшие прецизионные уплотнения, обеспечивая быстрое время цикла и минимальные отходы материала по сравнению с компрессионным формованием.

Оборудование и машины для вулканизации

Оборудование, используемое для вулканизации резины, напрямую влияет на время цикла, затраты на электроэнергию и консистенцию продукта.

Смесительное оборудование

Еще до начала отверждения сера, ускорители, активаторы и наполнители должны быть равномерно смешаны с сырой резиной с помощью внутреннего смесителя или двухвалковой мельницы. Плохое смешивание приводит к неравномерному отверждению одной детали, поскольку карманы резины со слишком малым количеством ускорителя будут недостаточно отверждаться, а соседние карманы со слишком большим количеством ускорителя быстро подгорят.

Прессы для отверждения

Гидравлические прессы для отверждения применяют как тепло, так и давление через плиты с электрическим или паровым нагревом. Современные печатные машины оснащены программируемыми контроллерами, которые точно отслеживают температуру и время, и многие из них теперь автоматически регистрируют данные для отслеживания качества при больших производственных циклах.

Автоклавы

Автоклавы are pressurised steam chambers large enough to cure batches of moulded or extruded parts at once. They are common in hose and cable manufacturing, where continuous lengths need consistent curing along their entire run.

Реометры и инструменты для контроля отверждения

Реометр с подвижной матрицей измеряет крутящий момент образца резины во время ее отверждения внутри небольшой нагретой камеры и строит кривую, показывающую время поджига, скорость отверждения и оптимальную точку отверждения. Эта единственная единица лабораторного оборудования определяет практически каждое решение о графике отверждения, принимаемое в заводских цехах, поскольку оно показывает, как будет вести себя конкретное соединение, прежде чем будет произведена одна полноразмерная деталь.

Чем вулканизированная резина отличается от сырой резины

Параллельное сравнение свойств сырой резины и вулканизированной резины.
Недвижимость Сырая резина Вулканизированная резина
Эластичность Ограничено, не полностью восстанавливает форму Высокий, возвращается к исходной форме после растяжения.
Температурная стабильность Мягкий в жару, хрупкий в холоде Стабилен в широком диапазоне температур
Устойчивость к растворителям Легко растворяется или набухает Меньше набухает, устойчив к растворению
Долговечность Быстро изнашивается при трении Устойчив к истиранию и многократному изгибу
Запах и липкость Липкая поверхность, сильный сырой запах. Сухая, стабильная поверхность со сниженным запахом.
Память формы Плохо, постоянно растягивается под нагрузкой. Крепкий, восстанавливается даже после длительного сжатия.

Ключевые свойства и данные о производительности

Разработчики компаундов описывают вулканизированную резину, используя набор стандартных измерений, которые позволяют предсказать, как деталь будет вести себя при эксплуатации.

  • Предел прочности показывает, какую силу растяжения может выдержать резина, прежде чем она порвется, обычно выражается в мегапаскалях.
  • Удлинение при разрыве измеряет, насколько резина растянется до разрушения, часто это несколько сотен процентов от ее первоначальной длины для смесей общего назначения.
  • Твердость, измеряемая по шкале Шора А, показывает, насколько твердой на ощупь является поверхность: от мягких уплотнений с твердостью около 30 по Шору А до жестких промышленных роликов с твердостью более 90 по Шору А.
  • Остаточная компрессия характеризует, насколько хорошо резина пружинит после длительного сжатия, что является критическим показателем для прокладок и уплотнительных колец, которые остаются сжатыми в течение многих лет.
  • Сопротивление разрыву показывает, насколько хорошо резина противостоит порезам или порезам, превращающимся в полный раскол под нагрузкой, что важно для продуктов, которые имеют острые края или повторяющиеся изгибы возле края.
  • Сопротивление истиранию определяет, сколько поверхностного материала теряется при многократном контакте с трением, что является ключевым показателем для составов протекторов шин и покрытий конвейерных лент.
  • Сопротивление тепловому старению отслеживает, насколько теряются прочность на разрыв и удлинение после длительного воздействия повышенной температуры, имитируя годы службы за несколько дней лабораторных испытаний.

Как выбор рецептуры меняет эти цифры

Эти цифры меняются в зависимости от уровня серы, типа ускорителя, содержания наполнителя и режима отверждения, поэтому две резиновые детали, которые выглядят одинаково, могут вести себя совершенно по-разному в реальных условиях. Состав протектора шины, наполненный техническим углеродом и отвержденный до умеренной плотности поперечных связей, покажет высокую стойкость к истиранию, но умеренное удлинение, в то время как резиновый состав для перчаток с мягким погружением, отвержденный быстрым ускорителем и низким содержанием серы, покажет очень высокое удлинение, но сравнительно низкую прочность на разрыв. Выбор правильного баланса этих свойств для конкретного применения является основным навыком производителя резиновых смесей.

Типичные диапазоны свойств по типу продукта

Репрезентативные диапазоны свойств для распространенных категорий изделий из вулканизированной резины.
Тип продукта Типичная твердость (по Шору А) Типичное удлинение при разрыве
Уплотнительные кольца от 60 до 80 от 150 до 300 процентов
Состав протектора шин от 55 до 70 от 300 до 500 процентов
Подошва для обуви от 45 до 65 от 400 до 600 процентов
Промышленные ролики от 80 до 95 от 100 до 250 процентов

Общие применения вулканизированной резины

Свойства, полученные в результате вулканизации, объясняют, почему этот материал используется во многих отраслях промышленности.

Автомобильная промышленность и транспорт

Шины, опоры двигателя, герметики и виброгасители — все зависит от усталостной прочности и гибкости, которые обеспечивает вулканизация. Одна только шина легкового автомобиля может сгибаться миллионы раз в течение срока службы, не теряя своей формы, а типичный каркас шины состоит из нескольких различных резиновых смесей, вулканизированных серой, связанных со стальными и текстильными армирующими слоями.

Промышленные и механические детали

Конвейерные ленты, приводные ремни, шланги и ролики изготовлены из вулканизированной резины, которая выдерживает постоянное трение, давление и перепады температуры в заводских цехах. Например, ленточные конвейеры для горнодобывающей промышленности должны противостоять постоянному абразивному износу от руды и горных пород, оставаясь при этом достаточно гибкими, чтобы непрерывно перемещаться по роликам в течение многих лет.

Потребительские товары

В подошвах обуви, спортивных товаров и бытовых уплотнителей используется вулканизированная резина, обеспечивающая сцепление, комфорт и устойчивость к многократному изгибу. Спортивные мячи, ручки для тренажеров и эластичные ленты основаны на одном и том же химическом составе поперечных связей, адаптированном для самых разных целей по твердости и удлинению.

Строительство и инфраструктура

В опорах мостов, компенсаторах и водонепроницаемых мембранах используются толстые секции из вулканизированной резины, рассчитанные на десятилетия эксплуатации на открытом воздухе. Эти детали разработаны с особым вниманием к устойчивости к озону и ультрафиолету, поскольку их невозможно заменить так же легко, как более мелкие потребительские товары.

Медицинское и лабораторное оборудование

Трубки, пробки и гибкие уплотнения, используемые в медицинских и лабораторных условиях, часто изготавливаются из вулканизированной резины, формула которой обеспечивает химическую инертность и постоянную гибкость, поскольку непостоянная твердость пробки или пробирки может поставить под угрозу герметичность образца или трубопровода для жидкости.

Морское и оффшорное применение

Системы крыльев в доках, шланговые соединения на морских платформах и уплотнения подводного оборудования зависят от вулканизированной резины, которая может выдерживать постоянное воздействие соленой воды, циклическое давление и ударные нагрузки, не теряя при этом своей эластичности.

Соображения о температуре и времени вулканизации

Температура и время отверждения напрямую связаны между собой. Более высокие температуры сокращают время отверждения, но могут привести к риску реверсии - состояния, при котором поперечные связи серы начинают разрушаться из-за избыточного тепла, в результате чего резина становится мягче и слабее, чем предполагалось. Типичная температура отверждения серой колеблется от 140 до 190 градусов по Цельсию, при этом время отверждения варьируется от нескольких минут для тонких изделий до более часа для толстых формованных блоков.

Чтение кривой лечения

Заводы используют реометр для определения того, как компаунд отверждается с течением времени, определяя оптимальную точку отверждения, при которой плотность поперечных связей достигает максимума перед тем, как наступает реверсия. Отверждение после этой точки приводит к потере энергии и может ослабить готовую деталь, тогда как отверждение до этой точки оставляет резину недоотвержденной и склонной к необратимой деформации. Результирующий график обычно повышается при низком начальном крутящем моменте, резко возрастает по мере ускорения сшивки, а затем либо выходит на плато, либо, для соединений, склонных к реверсии, слегка падает после пика.

Корректировка графиков отверждения для толстых срезов

Толстые резиновые детали требуют особого внимания, поскольку для распространения тепла от поверхности к центру требуется время. График отверждения, установленный исключительно на температуру поверхности, может привести к тому, что геометрический центр толстого блока будет значительно недоотвержденным даже после того, как поверхность будет выглядеть полностью отвержденной. Инженеры обычно используют термопары, встроенные в центр толстых деталей прототипа, чтобы убедиться, что сердечник достигает необходимой температуры достаточно долго, прежде чем завершить график производственного отверждения.

Контроль качества и методы тестирования

Стабильная вулканизация зависит от испытаний на каждом этапе, а не только от визуальной проверки готовой детали.

Физические испытания

При стандартном испытании на растяжение образец резины в форме гантели растягивают до тех пор, пока он не сломается, фиксируя прочность на растяжение и удлинение. При испытании на твердость используется твердомер, прижатый к резиновой поверхности, для регистрации показаний по Шору A или по Шору D. При испытании на сжатие образец сжимается в течение фиксированного времени при фиксированной температуре, а затем измеряется, насколько он не может пружинить после отпускания.

Проверка состояния лечения

Помимо кривой реометра, полученной перед производством, фабрики часто режут поперечные сечения готовых деталей, чтобы проверить неравномерность отверждения, пустоты или пористость, которые могут образоваться, если захваченный воздух или влага мешают отверждению. Испытания на набухание, при которых небольшой образец резины пропитывают растворителем и измеряют увеличение его объема, дают косвенное, но надежное определение плотности поперечных связей.

Моделирование окружающей среды и старения

Камеры ускоренного старения подвергают образцы резины воздействию повышенного тепла, озона или ультрафиолета в течение определенного периода, чтобы предсказать, как материал будет вести себя после многих лет реального воздействия. Деталь, которая демонстрирует чрезмерное растрескивание или значительное падение прочности на разрыв после ускоренного старения, помечается до того, как она достигнет полномасштабного производства.

Факторы стоимости и эффективности вулканизации

Вулканизация – это не только химическое решение, но и экономическое. Время отверждения напрямую определяет, сколько деталей линия пресса или печи может произвести за смену, поэтому сокращение даже нескольких секунд в цикле отверждения большого объема может привести к значительной экономии затрат в течение всего года производства.

Энергопотребление

Нагрев больших прессов для отверждения, автоклавов или печей требует значительного количества энергии, особенно для толстых промышленных деталей, требующих длительного времени отверждения. Более быстрые ускорительные системы и оптимизированные графики отверждения снижают как прямые затраты на электроэнергию, так и износ оборудования, связанный с длительными высокотемпературными циклами.

Эффективность материала

При ожоге во время смешивания или формования теряется вся партия резиновой смеси, поскольку частично отвержденная масса, как правило, не может быть переработана. Тщательный выбор ускорителя и контроль процесса снижают процент брака, что имеет большее значение в масштабе, чем может показаться на примере одной небольшой партии.

Инвестиции в оснастку и оборудование

Компрессионное и литьевое формование требуют прецизионных металлических инструментов, что требует значительных первоначальных затрат, в то время как отверждение горячим воздухом и автоклавирование требуют менее специализированных инструментов, но часто выполняются с более медленными циклами. Производители сопоставляют объем производства со стоимостью инструмента при выборе метода вулканизации, подходящего для новой линейки продуктов.

Распространенные проблемы и как их избежать

Серное цветение

Излишек серы, не прореагировавший, может мигрировать на поверхность, оставляя меловую пленку. Это снижается за счет использования нерастворимых сортов серы и поддержания содержания серы на уровне, который соединение может полностью поглотить во время отверждения.

палящий

Преждевременное отверждение во время смешивания или хранения, известное как ожог, разрушает партию еще до того, как она достигнет формы. Ускорители замедленного действия и контролируемая температура смешивания помогают предотвратить это.

Реверсия

Перегрев во время отверждения может разрушить поперечные связи после их образования, размягчая резину. Тщательный контроль температуры и времени отверждения, руководствуясь данными реометра, позволяет держать это под контролем.

Неравномерное отверждение в толстых срезах

Нагреву требуется больше времени, чтобы достичь центра толстых резиновых деталей, что может привести к недостаточному отверждению сердцевины, в то время как поверхность полностью отверждена. Поэтапный нагрев и адаптированная конструкция формы помогают добиться этой цели.

Пористость и захваченный газ

Влага или захваченный воздух внутри компаунда могут расширяться во время нагрева и образовывать небольшие пустоты внутри затвердевшей детали, ослабляя ее изнутри, даже если поверхность выглядит приемлемо. Правильное перемешивание в вакууме или контролируемая вентиляция во время формования снижают этот риск.

Загрязнение плесенью

Остатки, накапливающиеся внутри формы для отверждения в результате повторяющихся циклов, могут вызвать дефекты поверхности и прилипание к последующим деталям. Регулярные графики очистки пресс-форм и использование внутренних или внешних разделительных смазок помогают поддерживать стабильное качество деталей в течение длительного производственного цикла.

Соображения, связанные с устойчивым развитием и окончанием срока службы

Поскольку поперечные связи серы химически постоянны, вулканизированную резину нельзя просто переплавить и реформировать, как это делают термопласты. Это делает обработку по окончании срока службы настоящей инженерной и экологической проблемой для отрасли, которая ежегодно производит десятки миллионов тонн изделий из вулканизированной резины.

Подходы к переработке

Самый распространенный способ переработки – это измельчение использованной резины, особенно старых шин, в резиновую крошку. Этот материал обретает вторую жизнь в покрытиях игровых площадок, беговых дорожках, прорезиненном асфальте и формованных покрытиях, где исходная сшитая структура просто разбивается на более мелкие частицы, а не меняется на химическом уровне.

Девулканизация

В более продвинутых процессах предпринимается попытка фактической девулканизации с использованием тепла, механического сдвига, микроволн или химических агентов для избирательного разрушения поперечных связей серы, оставляя при этом основную цепь полимера практически неповрежденной. Полученный в результате девулканизированный каучук можно снова смешивать с новыми составами, хотя он, как правило, не может полностью заменить первичный каучук в высокопроизводительных приложениях, таких как протектор шин, без измеримого снижения свойств.

Восстановление энергии

Там, где механическая переработка нецелесообразна, использованная вулканизированная резина (чаще всего это отходы шин) иногда перерабатывается в качестве источника топлива в цементных печах и других высокотемпературных промышленных процессах, извлекая энергетическую ценность из материала, который в противном случае был бы отправлен на свалку.

Выбор подходящей вулканизированной резиновой смеси

Выбор соединения для нового применения предполагает сопоставление нескольких переменных, а не оптимизацию отдельного свойства.

  • Диапазон рабочих температур, в которых готовая деталь будет регулярно эксплуатироваться.
  • Воздействие масел, топлива, растворителей или озона, которые со временем могут привести к разрушению неподходящего типа резины.
  • Требуемая твердость и гибкость для механической функции, которую должна выполнять деталь.
  • Ожидаемый срок службы и допустимая потеря имущества в результате старения до замены.
  • Объем производства, влияющий на то, будет ли компрессионное формование, литьевое формование или непрерывное экструзионное отверждение иметь больший экономический смысл.

Инженеры и составители компаундов обычно работают над этими факторами вместе, часто начиная с известного базового полимера, такого как натуральный каучук, бутадиен-стирольный каучук, нитриловый каучук или мономерный каучук этилен-пропилен-диена, затем регулируя уровень серы, пакет ускорителей и систему наполнителей до тех пор, пока свойства отверждения не будут соответствовать требованиям применения, указанным выше.

Часто задаваемые вопросы

Вулканизированная резина — это то же самое, что натуральный каучук.

Нет. Натуральный каучук — это сырье, получаемое из каучуковых деревьев. Вулканизированная резина — это тот же сырой каучук или его синтетический эквивалент, прошедший химическую обработку серой и нагреванием для придания эластичности и долговечности.

Можно ли переработать вулканизированную резину

После отверждения поперечные связи серы затрудняют переплавку или изменение формы резины, как пластика. Переработка обычно включает в себя измельчение его в резиновую крошку для использования в напольных покрытиях, игровых площадках и в качестве добавок к асфальту или процессы девулканизации, которые частично разрушают поперечные связи для повторного использования.

Почему вулканизированная резина пахнет иначе, чем сырая резина

Реакция серы вместе с ускорителями и другими добавками, используемыми при составлении рецептуры, изменяет химический состав поверхности материала, что уменьшает сильный запах латекса, типичный для сырой, необработанной резины.

Сколько времени занимает процесс вулканизации

Время отверждения широко варьируется в зависимости от толщины детали, температуры и используемой ускорительной системы: от менее минуты для изделий из тонкого латекса до более часа для крупных формованных промышленных блоков.

Всегда ли больше серы означает более прочную резину?

Не обязательно. При низком содержании серы получается мягкая, очень эластичная резина, при умеренном содержании – прочная, износостойкая резина, а при очень высоком содержании серы – твердый, хрупкий материал, называемый эбонитом. Нужное количество полностью зависит от предполагаемого использования готовой детали.

Требуются ли ускорители для каждого изделия из вулканизированной резины?

В большинстве современных составов используются ускорители, поскольку они сокращают время отверждения, снижают затраты энергии и улучшают консистенцию. Некоторые медленные специальные методы лечения по-прежнему основаны только на сере, но в крупномасштабном производстве это встречается гораздо реже.

Что произойдет, если резина недостаточно или переотверждена

Недостаточно вулканизированная резина остается мягкой, липкой и склонной к постоянному растяжению, в то время как переотвержденная резина может стать хрупкой или, в случае реверсии, неожиданно мягкой из-за разрушения поперечных связей. Оба условия сокращают срок службы готовой детали.

Всякая ли резина нуждается в сере для вулканизации?

Нет. Некоторые специальные эластомеры, такие как силиконовый каучук, отверждаются посредством систем, катализируемых пероксидом или платиной, вместо серы, образуя различные типы поперечных связей, подходящие для их конкретной полимерной структуры.

Почему некоторые резиновые детали кажутся тверже других, даже из того же базового полимера

Твердость готовой детали зависит в первую очередь от уровня серы, плотности поперечных связей и содержания наполнителя, используемого в конкретном составе, а не только от базового полимера. Два продукта, изготовленные из одного и того же исходного каучука, могут иметь очень разную твердость в зависимости от того, как они изготовлены и отверждены.

Как определить, правильно ли вулканизировано резиновое изделие?

Правильно вулканизированная резина должна быть сухой, а не липкой, быстро возвращаться к исходной форме после растяжения или сжатия и не иметь стойкого запаха сырой резины. Непостоянная твердость одной и той же детали или поверхность, которая остается липкой в ​​нормальных условиях, может указывать на неполное или неравномерное отверждение.

Предыдущий：Нет предыдущей статьей
Следующий：Руководство поставщика экструдеров для силиконовой резины: описание производственной линии

Последние сообщения

Вам могут понравиться товары, указанные ниже