Вулканизация толстостенных изделий
Вулканизация толстостенных изделий протекает при переменной температуре, при этом чем больше их толщина, тем больше продолжительность нагревания. Степень вулканизации резины при переменной температуре обычно оценивают по эквивалентному времени вулканизации – условной продолжительности вулканизации при постоянной температуре – которое необходимо затратить, чтобы получить резины, с такими же свойствами в условиях переменных температур реального процесса вулканизации.
При вулканизации температуры на поверхности и в центре толстостенных изделий неодинаковы. Если продолжительность процесса будет определяться условиями, необходимыми для обеспечения заданной степени структурирования в центре изделия, то поверхностные слои, особенно при эффективной теплопередачи, окажутся сильно перевулканизированными. Перевулканизация изделий с поверхности тем больше, чем выше температура вулканизации и тем больше толщина изделий, так как скорость прогревания изделий незначительно увеличивается с повышением температуры теплоносителя, а скорость вулканизации очень быстро. Для уменьшения неоднородности свойств при вулканизации тослтостенных изделий их не следует вулкнизировать при очень высокой температуре. Также не следует в процессе нагревания добиваться полной вулканизации заготовки по всей толщине. Для уменьшения неоднородности прогревания следует проводить ступенчатый нагрев или предварительно подогревать резиновую смесь. Для изготовления многослойных изделий, полученных сборкой из различных деталей, применяют резиновые смеси с различной кинетикой вулканизации. Резиновый смеси, предназначенные для изготовления внутренних деталей, должны обладать большой скоростью вулканизации.
При выборе режима вулканизации следует учитывать влияние основных технологических факторов на этот процесс, т.е. свойств среды, температуры и давления.
Среда вулканизации
Резиновые изделий вулканизируют в металлических формах или непосредственно в среде теплоносителя. При выборе теплоносителей необходимо знать не только их теплофизические свойства, но и их влияние на свойства резиновых изделий при контакте с ними.
При выборе вулканизационной среды также учитывают вид изделия, состав резиновой смеси, применяемое оборудование, особенности ведения процесса и другие факторы.
Температура
Большинство изделий вулканизируют при температуре 140-170 ºС, а в некоторых случаях – при 190-220 ºС. При использовании высоких температур появляется возможность сократить продолжительность вулканизации изделий и, следовательно, повысить производительность оборудования. Однако для толстостенных изделий при повышении температуры следует учитывать возможность перевулканизации изделий с поверхности, а также неравномерность их вулканизации по толщине. При интенсификации процессов вулканизации следует помнить, что иногда при повышении температуры ухудшаются свойства (качество) резин.
Давление
Вулканизацию резиновых технических изделий можно проводить под избыточным давлением и без давления. Большинство резиновых изделий вулканизируют под давлением. При этом улучшаются внешний вид и физико-механические свойства вулканизатов, а главным образом исключается их пористость, которая является причиной преждевременного разрушения изделий во время эксплуатации.
Для получения высококачественных изделий резиновые смеси необходимо вулканизовать под давлении, превышающим внутреннее давление в резиновой смеси.
Для того чтобы предотвратить появление пористости, в резиновые смеси вводят водо- и газопоглащающие вещества (гипс и оксид кальция), которые поглощают содержащуюся в смеси влагу, образуя достаточно стойкие химические соединения. Существенно уменьшение порообразования наблюдается при предварительном вакуумировании резиновых смесей в процессе формования в червячных машинах с вакуум-отсосом. Вакуумированные резиновые смеси можно вулканизовать без давления.
При вулканизации резиновых тканевых изделий давление оказывают большое влияние на глубину проникновения резиновой смеси в ткань; с увеличением глубины проникновения выносливость изделий к многократным изгибам повышается. Глубина проникновения резиновой смеси в ткань зависит от ее способности растекаться при нагревании, что в свою очередь определяется свойствами исходного каучука и компонентов, входящих в состав смеси.
При выборе режима вулканизации следует учитывать влияние на этот процесс основных технологических факторов, т.е. свойств среды, температуры и давления.
1.3.1 Среда. Поскольку резиновые изделия вулканизуют не только в металлических формах, но и непосредственно в среде теплоносителя, при выборе последнего необходимо знать не только его теплофизические свойства, но и влияние на свойства резиновых изделий при контакте с ним. Так, при вулканизации в среде горячего воздуха кислород вызывает окисление резин, что значительно ухудшает их свойства. При вулканизации в среде насыщенного водяного пара вследствие конденсации паров на поверхности изделия изменяются условия теплоотдачи, следовательно, возможна неравномерная вулканизация изделия.
При выборе вулканизационной среды учитывают также тип изделия, состав резиновой смеси, применяемое оборудование, особенности ведения процесса и другие факторы.
1.3.2 Температура. В основном температура вулканизации резиновых изделий составляет 140 – 170 °С, в некоторых случаях − 190 − 260 °С. При увеличении температуры сокращается продолжительность вулканизации, но для толстостенных изделий возрастает возможность перевулканизации изделий с поверхности и неравномерность вулканизации по толщине. Это приводит к ухудшению качества изделий.
При интенсификации процессов вулканизации следует помнить, что иногда при повышении температуры ухудшаются свойства (качество) резин. Так, для резин на основе натурального и изопренового каучуков при температурах вулканизации выше 140°С характерно резкое ухудшение механических свойств. При увеличении температуры вулканизации резинотканевых изделий наблюдается ухудшение качества прорезиненной ткани, а также снижение прочности ее связи с резиной.
При вулканизации температуры на поверхности и в центре толстостенных изделий неодинаковы. Если продолжительность процесса будет определяться условиями, необходимыми для обеспечения заданной степени структурирования в центре изделия, то поверхностные слои окажутся сильно перевулканизованными. Для уменьшения неоднородности свойств при вулканизации толстостенных изделий их не следует вулканизовать при очень высокой температуре. При определении продолжительности вулканизации таких изделий необходимо учитывать, что структурирование продолжается некоторое время после окончания нагревания за счет поглощенного тепла. Поэтому в процессе нагревания не следует добиваться полной вулканизации заготовки по толщине. Для уменьшения неоднородности прогревания проводят ступенчатый нагрев или предварительно подогревают резиновую смесь. При вулканизации массивных изделий используют программы, которые автоматически поддерживают необходимый режим.
1.3.3 Давление. Вулканизация резинотехнических изделий возможна без давления и под давлением. Большинство изделий вулканизуют под давлением (0,5 – 5 МПа), что способствуетухудшению физико-механических свойств вулканизатов, при этом исключается пористость изделий и улучшается внешний вид.
При нагревании в резиновой смеси возникает внутреннее давление, обусловленное испарением влаги и выделением газообразных веществ, образующихся при распаде ускорителей (особенно ультраускорителей) или при взаимодействии кислот с углекислыми солями с образованием летучих веществ (углекислоты из мела или углекислой магнезии в присутствии стеариновой и других кислот), а также десорбцией абсорбированного и механически поглощенного воздуха. Для получения высококачественных изделий резиновые смеси необходимо вулканизовать под давлением, превышающим внутреннее давление в резиновой смеси.
Для того чтобы предотвратить появление пористости, в резиновые смеси вводят водо- и газопоглощающие вещества (гипс и оксид кальция), которые впитывают содержащуюся в смеси влагу, образуя достаточно стойкие химические соединения.
Предварительное вакуумирование резиновых смесей в пpoцессе формования в червячных машинах резко снижает пopooбразование и позволяет проводить вулканизацию без давления.
Правильный выбор режима применяемых давлений особенно важен для вулканизации многослойных изделий. Например, в случае преждевременного снижения давления в варочных камерах во время вулканизации автопокрышек возможен брак вследствие образования губчатой резины и расслоения каркаса.
При вулканизации резиновых тканевых изделий давление оказывает большое влияние на глубину проникновения резиновой смеси в ткань; с увеличением глубины проникновения выносливость изделий к многократным изгибам повышается. Глубина проникновения резиновой смеси в ткань зависит от способности смеси растекаться при нагревании, что в свою очередь определяется свойствами исходного каучука и компонентов, входящих в ее состав .
При существующей технологии режим вулканизации обычно разрабатывается заранее расчетными и экспериментальными методами и задается программа проведения процесса вулканизации при производстве изделий. Для пунктуального выполнения предписанного режима производится оснащение процесса средствами контроля и автоматизации, максимально точно реализующими предписанную жесткую программу проведения режима вулканизации.
Недостатками способа являются нестабильность характеристикпроизводимых изделий вследствие невозможности обеспечения полной воспроизводимости процесса, вследствие ограничения точности систем автоматизациии возможности смещения режимов, а также изменения характеристик резиновой смеси во времени.
Разработан способ контоля, который устраняет недостатки вышеописанного. Способ управления процессом вулканизации резинотехнических изделий путем управления временем вулканизации, отличающийся тем, что время вулканизации резинотехнических изделий корректируют в зависимости от времени получения максимального модуля сдвига резиновой смеси при вулканизации образцов перерабатываемой резиновой смеси в лабораторных условиях на реометре и отклонения модуля растяжения резины в производимых изделиях от заданного значения .
Известен способ, который позволяет определить параметры вулканизации на начальном этапе процесса. Он характеризуется тем, что он предусматривает процесс вулканизации резиновой смеси, отбор проб в течение осуществления процесса, подготовку проб к анализу .
Технологически процесс вулканизации представляет собой преобразование в резину «сырого» каучука. Как химическая реакция, он предполагает объединение линейных каучуковых макромолекул, легко теряющих стабильность при внешнем воздействии на них, в единую вулканизационную сетку. Она создается в трехмерном пространстве благодаря поперечным химическим связям.
Такая как бы «сшитая» структура наделяет каучук дополнительными прочностными показателями. Улучшаются его твердость и эластичность, морозо- и теплостойкость при снижении показателей растворимости в органических веществах и набухания.
Полученная сетка отличается сложным строением. Она включает не только узлы, соединяющие пары макромолекул, но и те, что объединяют одновременно несколько молекул, а также поперечные химические связи, представляющие собой как бы «мостики» между линейными фрагментами.
Их образование происходит под действием специальных агентов, молекулы которых частично выступают строительным материалом, химически реагируя друг с другом и макромолекулами каучука при высокой температуре.
От вида примененного реагента во многом зависят эксплуатационные свойства полученной вулканизированной резины и изделий из нее. К таким характеристикам относят устойчивость к пребыванию в агрессивных средах, скорость деформирования при сжатии или повышении температуры, сопротивляемость термоокислительным реакциям.
Возникающие связи необратимо ограничивают подвижность молекул под механическим воздействием, одновременно сохраняя высокую эластичность материала со способностью к пластическим деформациям. Структура и численность этих связей определяется методом вулканизации резины и использованными для нее химическими агентами.
Процесс протекает не монотонно, и отдельные показатели вулканизируемой смеси в своем изменении достигают своего минимума и максимума в разное время. Наиболее подходящее соотношение физико-механических характеристик получаемого эластомера называется оптимумом.
Вулканизируемый состав, помимо каучука и химических агентов, включает ряд дополнительных веществ, способствующих производству резин с заданными эксплуатационными свойствами. По назначению их делят на ускорители (активаторы), наполнители, мягчители (пластификаторы) и противостарители (антиокислители). Ускорители (чаще всего это оксид цинка) облегчают химическое взаимодействие всех ингредиентов резиновой смеси, способствуют сокращению расхода сырья, времени на его переработку, улучшают свойства вулканизаторов.
Наполнители, такие как мел, каолин, сажа, повышают механическую прочность, сопротивление износу, истиранию и другие физические характеристики эластомера. Пополняя объем исходного сырья, они тем самым уменьшают расход каучука и понижают себестоимость получаемого продукта. Мягчители добавляют для повышения технологичности обработки резиновых смесей, снижения их вязкости и увеличения объема наполнителей.
Также пластификаторы способны повышать динамическую выносливость эластомеров, стойкость к истиранию. Стабилизирующие процесс антиокислители вводятся в состав смеси, чтобы предупредить «старение» каучука. Разные комбинации этих веществ применяют при разработке специальных рецептур сырой резины для прогнозирования и корректировки процесса вулканизации.
Чаще всего общеупотребимые каучуки (бутадиен-стирольный, бутадиеновый и натуральный) вулканизируют в сочетании с серой, нагревая смесь до 140-160°С. Этот процесс называется серной вулканизацией. В образовании межмолекулярных поперечных связей участвуют атомы серы. При добавлении в смесь с каучуком до 5% серы производят мягкий вулканизат, используемый для изготовления автомобильных камер, покрышек, резиновых трубок, мячей и т.п.
Когда присоединяется более 30% серы, то получается довольно жесткий, малоэластичный эбонит. В качестве ускорителей в этом процессе используют тиурам, каптакс и др., полноту действия которых обеспечивает добавление активаторов, состоящих из окислов металлов, как правило, цинка.
Еще возможна радиационная вулканизация. Ее проводят посредством ионизирующей радиации, применяя потоки электронов, излучаемых радиоактивным кобальтом. Такой процесс без использования серы способствует получению эластомеров, наделенных особой стойкостью к химическому и термическому воздействию. Для производства специальных видов резин добавляют органические перекиси, синтетические смолы и другие соединения при тех же параметрах процесса, что и в случае добавление серы.
В промышленных масштабах вулканизируемый состав, помещенный в форму, нагревают при повышенном давлении. Для этого формы помещают между нагретыми плитами гидропресса. При изготовлении неформовых изделий смесь засыпают в автоклавы, котлы или индивидуальные вулканизаторы. Нагревание резины для вулканизации в этом оборудовании проводится при помощи воздуха, пара, нагретой воды или высокочастотного электрического тока.
Крупнейшими потребителями резинотехнической продукции на протяжении многих лет остаются предприятия автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения. Степень насыщенности их продукции изделиями из резины служит показателем высокой надежности и комфорта. Кроме того, детали из эластомеров часто используют при производстве монтажа сантехники, изготовлении обуви, канцелярских и детских товаров.
Шиномонтажных мастерских становятся все больше и больше. Однако в дороге, как у велосипедиста, так и у автомобилиста, может возникнуть ситуация, когда колесо пробилось, а до мастерской далеко. У автолюбителя зачастую есть запасное колесо, а вот у водителя велосипеда такого колеса нет, и возникает необходимость вулканизировать камеру в пути.
Вулканизация – это химический процесс, в ходе которого, сырой каучук, улучшая свойства материала в прочности и упругости, становится резиной. По сути, каучук может применяться, как специальный клей, для заделывания прокола в камере или покрышке. Процессы вулканизации резины бывают такими:
Резина один из немногих материалов, имеющих различную твердость. В зависимости от процентного содержания серы она бывает:
Существуют также специальные струбцины с элементом нагрева. Такие устройства могут работать от бытовой сети 220В, от автомобильного аккумулятора, через розетку прикуривателя и от собственной батареи. Все зависит от исполнения каждого прибора. Данные струбцины просты в использовании, необходимо приложить латку из резины к камере, зажать и включить в сеть.
Эта операция состоит из химической реакции, в ходе которой к каучуку присоединяют атомы серы. При добавлении до 5%, получается сырье для изготовления камер и покрышек. В случае склеивания двух элементов, сера, помогает соединять молекулы каучука, образовывая так называемый мостик. Данная процедура относится к горячему способу, но вряд ли получится ее проделать ее в походе или на трассе.
Каучук, как сырой материал, имеет свойство свариваться в единый состав при температуре 150 °С. Вследствие этого процесса, каучук становится уже резиной и в исходное положение вернуться не может. Благодаря своим возможностям каучук может исправить любые проколы и порезы в камере и покрышке.
Вулканизировать резину горячим способом нужно, только с применением пресса. Глубина и площадь пореза, подскажут, сколько времени нужно сваривать. Как правило, чтобы восстановить 1мм пореза, нужно 4 минуты варки. Соответственно если порез 4мм, то вулканизировать нужно 16 минут. При этом аппаратура должна быть разогрета и настроена.
Выполняя горячую вулканизацию при температуре выше 150С о, можно испортить каучук и ничего не добиться, так как материал будет разрушаться, и терять свои характеристики.
Использование струбцин или пресса, позволяет качественно залатать повреждение. После окончания работ следует убедиться, что в шве нет пустот или пузырьков воздуха. Если таковые имеются, нужно очистить место прокола от свежей резины и заново повторить весь процесс.
Для того, чтобы заклеить камеру в домашних условиях, горячим способом, необходимо выполнить следующее. Из сырой резины, нужно вырезать кусочек немного меньше, чем сама латка. Камера или шина зачищаются в месте повреждения несколько шире, до шероховатого состояния, после чего обезжириваются бензином. Подготавливая латку, нужно подрезать фаску таки под углом 45°, также зашкурить и обезжирить. После чего накрываем место пробоя заплаткой, зажимаем в тиски и нагреваем до нужной температуры.
Если растворить сырую резину в бензине, то можно получить специальный клей, для резины, применяя который повышается качество шва. Особое внимание следует уделять температурному режиму. Вулканизация производится при температуре 140 — 150 °С, если появился запах горелой резины, то значит заплатка перегрелась, а если она не слилась с общим изделием, то возможно не достигли нужной температуры. Во избежание прилипания резины к металлу, нужно проложить между ними бумагу.
В наше время воспользоваться этим методом не составляет труда, так как приобрести набор для ремонта можно в каждом магазине авто или вело запчастей. Комплектация такого набора может отличаться, но в каждом есть латки и специальный клей.
Процедура ремонта в этом случае похожа на горячий способ. Также нужно обработать поврежденную поверхность абразивом, удалить резиновую пыль и обезжирить. После высыхания нанести клей на камеру и приклеить заплатку. В этом случае играет роль не продолжительность прижатия, а его сила. Поэтому недостаточно будет просто придавить камнем, необходимо большее усилие.
Холодная вулканизация резины своими руками довольно-таки несложный процесс, который можно выполнить, где бы ни находился, если есть специальный набор. Однако сырая резина своими руками в домашних условиях не делается. Для таких работ нужно специальное оборудование.
Каждый вулканизатор имеет два основных элемента – нагревательную часть и зажимное устройство. В основе такого оборудования для обработки резины, может использоваться:
В приспособлении с утюгом, нагревательной частью является поверхность, которой в быту гладят. Если планируем использовать электроплиту, то нагревательную спираль следует закрыть, металлическим листом, а при работе нужно прокладывать бумагу между резиной и металлом. Такое устройство должно быть оборудовано терморегулятором, во избежание перегрева материала.
Прижимную часть вулканизатора проще всего сделать из струбцины. Наиболее простым в изготовлении будет устройство, состоящее из утюга и струбцины. Поскольку они оба металлические, соединить их при помощи дуговой сварки не составит труда. Утюг же имеет терморегулятор.
В вулканизаторе из поршня, также используется металлическая пластина. На нее укладывается резиновая камера. Поршень, своей гладкой частью, которая контактирует со взрывной смесью в двигателе, при помощи самодельного зажима, придавливает латку. Между поршнем и латкой, также прокладывается бумага. После чего в поршень заливается бензин и поджигается.
Такое устройство из поршня, особенно актуально в дороге, когда нет возможности подключиться к электрической сети. Однако такое устройство лишено терморегулятора, и контролировать температуру придется вручную.
Основным достоинством процесса ремонта резины является то, что отремонтировать дешевле, чем купить новое. Однако каждая ситуация индивидуальна, поэтому важно определить спасет ли ремонт ситуацию.
Холодный способ достаточно прост в использовании, это не займет много времени, а затраты будут минимальными. Главный же минус такого способа, это ненадежность склеивания. Такая процедура является временной, и следует как можно быстрее обратиться на СТО.
Горячая вулканизация надежно сваривает резину, позволяет проводить такие работы при любой температуре и имеет невысокую стоимость.
Итак, выполнить ремонт камеры или покрышки можно разными способами, но лучше доверить эту работу специалистам, потому что это собственная безопасность.
Сера является наиболее распространенным вулканизирующим веществом для многих каучуков. Степень чистоты применяемой серы должна быть не менее 99,5 %. Равномерное распределение серы в смеси - необходимое условие для достижения оптимальных физико-механических показателей вулканизатов. Наличие в резинах свободной серы указывает на неправильную рецептуру смеси или на недовулканизацию. Суть процесса вулканизации заключается в образовании трехмерной сетчатой структуры из линейных макромолекул каучука при нагревании его, например, с серой. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул и образуют между ними сшивающие дисульфидные мостики, как показано на рис. 3.1. Сетчатый полимер прочнее и проявляет повышенную упругость - высокоэластичность. В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки. Предельно сшитый каучук - эбонит - не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал. Температура вулканизации должна быть выше температуры плавления серы (120 °С), но ниже температуры плавления каучука (180-200 °С).
Температура вулканизации, °С Напряжение при удлинении 130 8-9,5 133 3,5-8,0 143 6-11 160 4-6 143 П- 17 143 9 3-3,5 - 143 - 9,3 143 6,5 143 16,8-
Температура вулканизации.... ................ 336
Температура вулканизации оказывает очень сильное влияние на скорость присоединения серы к каучуку и скорость изменения физико-механических свойств каучука. При повышении температуры на 10 °С скорость присоединения серы в тонком слое каучука возрастает примерно в два раза. Этот коэффициент, характеризующий изменение скорости процесса при изменении температуры на 10 °С, называется температурным коэффициентом скорости вулканизации. В зависимости от типа каучука и ускорителей он изменяется в пределах от 1,8 до 2,8.
Сшитый каучук
Что касается переработки формованием, то для этого можно использовать обычные формы и прессы. Стандартная температура вулканизации составляет ~ 130 °С в течение 10-15 мин. Во избе--жание преждевременной вулканизации необходимо вводить наполнитель и закрывать формы очень быстро.
Односторонний обогрев и применение пара с давлением 0,6- 0,8 МП а особенно отрицательно сказываются на качестве камер из БК, для которых температура вулканизации не должна быть ниже 170-175 ПС. В этом случае лучшие результаты получаются либо при использовании пара с давлением до 1,6 МПа, либо при двустороннем обогреве, либо при использовании устройств зонного обогрева.
Плиты "гидравлического вулканизационного пресса обычно обогреваются паром, иногда горячей водой или с помощью электрического тока. Постоянная температура вулканизации при электронагреве поддерживается с помощью автоматического электронного регулятора типа ЭПД или электронной машиной Марс-200.
Процесс вулканизации обычно продолжается от нескольких минут до нескольких часов. На продолжительность вулканизации кроме состава резиновой смеси влияет температура вулканизации, размеры резинового изделия, а также способ нагревания и природа вулканизационной среды.
Основными техническими факторами, влияющими на процесс вулканизации и качество вулканизованных изделий, являются следующие: 1) природа вулканизационной среды; 2) температура вулканизации; 3) продолжительность вулканизации; 4) давление на поверхность вулканизуемого изделия; 5) условия нагревания.
... отрезано, скачайте архив с полным текстом!
1. Гармонов И.В. Синтетический каучук, 1976, 753 с.
2. Кирпичников П.А. Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука, 1986, 225 с.
3. Шайдаков В.В. Свойства и испытания резин, 2002, 236 с.
