Semnificația cauciucului vulcanizat: cum schimbă reticularea sulfului cauciucul brut

Cauciucul vulcanizat este cauciuc brut care a fost reticulat chimic, de obicei cu sulf și căldură, astfel încât lanțurile sale lungi de polimer sunt legate între ele într-o rețea tridimensională. Acesta este întregul sens dintr-o propoziție. Orice altceva atașat frazei - sulful, căldura, presele de întărire, mirosul unei podele de fabrică - există pentru a produce acea schimbare structurală unică.

Consecința practică este ușor de văzut. O bandă de cauciuc revine la forma inițială în loc să se lase. Banda de rulare a anvelopei supraviețuiește mii de kilometri de abraziune. Un inel O încă etanșează după ani de zile în interiorul unui compartiment fierbinte a motorului. Niciunul dintre aceste comportamente nu există în materia primă. Ele apar numai după reticulare.

Dacă vă aprovizionați cu ingrediente compuse, specificați o presă de întărire sau încercați să aflați de ce un lot de sigilii a devenit casant, definiția contează mai puțin decât ceea ce implică pentru numerele de pe foaia de proces. Acolo merge restul articolului.

Ce înseamnă de fapt cuvântul vulcanizat

Termenul provine de la Vulcan, zeul roman al focului, și a fost aplicat cauciucului în anii 1840, când Charles Goodyear a descoperit că încălzirea cauciucului brut cu sulf îl transforma dintr-o gumă lipicioasă, sensibilă la temperatură, într-un solid elastic stabil. Numele a rămas chiar dacă nu este implicată nicio zeitate a focului și chiar dacă producția modernă folosește multe chimie de reticulare care nu conțin sulf deloc.

Din punct de vedere chimic, vulcanizarea este o reacție de reticulare. Cauciucul natural brut este un lanț de unități de izopren, de obicei zeci de mii, cu o legătură dublă disponibilă aproximativ la fiecare al cincilea atom de carbon. În timpul întăririi, sulful reacționează la unele dintre aceste legături duble și formează punți scurte între lanțurile învecinate. O punte de sulf tipică are doar unul până la opt atomi de sulf lungime, în timp ce lanțurile în sine sunt enorm de lungi. O reticulare la fiecare câteva sute de atomi de carbon este suficientă pentru a schimba materialul complet.

Două lucruri merită separate aici. Vulcanizarea nu este o acoperire și nu este o simplă amestecare. Adăugarea de sulf într-o moară și amestecarea acestuia în compus produce cauciuc nevulcanizat care se comportă aproape exact ca materia primă. Schimbarea are loc numai atunci când căldura declanșează reacția și se formează efectiv rețeaua. Înainte de acel moment ai o masă de plastic. După el, aveți un solid elastic. Nu există o stare de mijloc care să dureze.

De asemenea, merită să știți că același cuvânt acoperă întărirea cu peroxid, întărirea cu oxid de metal, întărirea cu rășină și întărirea prin radiații. Cauciucul siliconic, EPDM și cauciucul fluor sunt frecvent reticulate fără sulf. Când un furnizor spune că o piesă este vulcanizată, înseamnă că rețeaua există, nu că a fost folosit sulf.

De ce cauciucul brut nu poate face treaba de unul singur

Cauciucul brut nu are aproape nicio proprietăți de inginerie utile. Rezistența sa la tracțiune se situează, de obicei, undeva între 0,5 și 2 MPa, ceea ce este aproximativ comparabil cu un gel rigid. Încălzește-l peste aproximativ 50 până la 60 de grade Celsius și se înmoaie dramatic; se răcește sub îngheț și se întărește și poate deveni casant. Lăsați o fâșie sub sarcină la temperatura camerei și va curge permanent - termenul tehnic este curgere la rece și acesta este motivul pentru care cauciucul nevulcanizat este depozitat ca foi plate sau înfășurat pe rulouri, mai degrabă decât atârnat.

Pune-l în toluen sau benzină și se dizolvă. Expuneți-l la lumina soarelui și la oxigen și se degradează rapid. Niciunul dintre aceste comportamente nu este defecte; sunt pur și simplu ceea ce face un polimer nereticulat. Lanțurile alunecă unul pe lângă celălalt pentru că nimic nu le ține pe loc.

Acesta este motivul pentru care etapa de combinare există în primul rând. Înainte de întărire, un compus conține cauciuc, umpluturi precum negrul de fum, plastifianți, antioxidanți și sistemul de întărire în sine. Umplutura îmbunătățește rezistența și duritatea, dar rețeaua este cea care blochează totul în poziție. Notele noastre tehnice proprii despre caracteristicile și proprietățile materialelor cauciucate acoperiți modul în care acești polimeri de bază diferă înainte de a adăuga orice sistem de întărire.

Dacă omiteți complet reticularea, nu obțineți o piesă de cauciuc mai slabă. Primești o piesă care nu își va menține dimensiunile timp de o săptămână.

Ce se schimbă fizic după vulcanizare

Odată ce rețeaua există, materialul câștigă o memorie. Întinde-l și revine. Se comprimă și se recuperează. Această recuperare nu este un efect de suprafață; provine din legăturile încrucișate care împiedică alunecarea permanentă a lanțului, în timp ce segmentele dintre legăturile încrucișate rămân libere să se miște și să se desfășoare.

Mai multe schimbări vin împreună:

• Puterea crește cu un ordin de mărime. Un compus de cauciuc natural bine formulat atinge în mod obișnuit 20 până la 30 MPa rezistență la tracțiune și 400 până la 700% alungire la rupere.
• Fereastra de temperatură utilă se lărgește. Cauciucul natural obișnuit întărit cu sulf funcționează confortabil până la aproximativ 70 de grade Celsius, în timp ce EPDM și compușii siliconici se extind cu mult peste aceasta.
• Apare rezistența la solvent. Materialul nu se mai dizolvă; se umflă, iar gradul de umflare devine o măsură practică a cât de dens este reticulat piesa.
• Setul de compresie se îmbunătățește. O etanșare vulcanizată își menține forma sub sarcină în loc să curgă departe de suprafața de etanșare.
• Adezivitatea la suprafață dispare. Cauciucul întărit se simte uscat și se manevrează curat pe echipamentele automate.

Observați că duritatea abia se mișcă. Reticulare nu se referă în primul rând la rigiditate; este vorba de recuperare. Controlați duritatea în principal prin încărcarea umpluturii și controlați elasticitatea și setarea prin densitatea reticulă. Confuzia acestor două pârghii este una dintre cele mai frecvente erori de formulare.

Cauciuc neîntărit versus cauciuc vulcanizat alăturat

Tabelul de mai jos rezumă diferențele care contează cel mai mult în timpul evaluării și producției. Valorile sunt intervale tipice extrase din referințele standard ale tehnologiei cauciucului, cum ar fi cea a lui Maurice Morton Tehnologia cauciucului și practica generală de amestecare; cifrele exacte depind de tipul de polimer, de încărcarea umpluturii și de sistemul de întărire.

Citiți cu atenție primul rând. Un salt de la aproximativ 1 MPa la peste 20 MPa nu este o îmbunătățire modestă; este o clasă diferită de material, realizată prin adăugarea unei fracțiuni de un procent de sulf în greutate.

Sulf, acceleratori și ceea ce face fiecare aditiv

O cură numai pe bază de sulf este posibilă din punct de vedere tehnic, dar durează ore întregi și produce proprietăți slabe. Compușii reali folosesc un sistem de întărire de trei sau patru componente care lucrează împreună.

Doza de sulf decide tipul de rețea

Sistemele convenționale folosesc aproximativ 1,5 până la 3,0 părți la o sută de cauciuc. Sistemele semi-eficiente scad la aproximativ 1,0 până la 1,5 phr cu mai mult accelerator, iar sistemele eficiente ajung până la 0,3 până la 0,8 phr. Sulf mai scăzut înseamnă legături încrucișate mai scurte, mai stabile termic, ceea ce îmbunătățește îmbătrânirea termică, dar poate reduce durata de viață la oboseală în aplicații dinamice, cum ar fi suporturile de motor.

Acceleratoarele stabilesc ceasul

Acceleratoarele nu schimbă destinația, ci doar viteza. Un tiazol, cum ar fi MBT, se vindecă moderat rapid, cu o scurtă întârziere a arderii. O sulfenamidă, cum ar fi CBS, oferă un timp de ardere mai lung și este calul de lucru pentru piesele turnate groase în care curgerea trebuie să se termine înainte de a începe reacția. Thiuramii și ditiocarbamații sunt extrem de rapidi și sunt de obicei rezervați pentru profile subțiri sau latex. A greșit accelerația este cea mai frecventă cauză a arsurilor premature într-un butoi de injecție.

Acceleratoare de sulf pentru vulcanizarea cauciucului Acceleratorii de sulf accelerează vulcanizarea cauciucului, unde doar sulful reacţionează lent. Acestea sunt relevante atunci când se selectează familiile de acceleratoare pentru a echilibra viteza de întărire și siguranța la ars în prelucrarea cauciucului. Vizualizare produs →

Dacă echilibrați viteza de întărire și siguranța la ars, punctul de pornire practic este un grafic al familiilor de acceleratoare cu timpii lor tipici de ardere la temperatura butoiului dvs., nu o rulare de încercare și eroare pe linia de producție.

Activatori și ajutoare de proces pe care nu le puteți sări

Acceleratoarele sunt surprinzător de ineficiente pe cont propriu. Au nevoie de un oxid de metal și un acid gras pentru a forma complexul solubil care transportă de fapt sulful în cauciuc. Acea pereche se numește sistemul activator, iar omiterea acesteia este o modalitate silentioasă de a vă înjumătăți rata de vindecare.

Oxidul de zinc este alegerea standard, utilizat în mod normal la 3 până la 5 phr. Sub aproximativ 2 phr, vindecarea devine vizibil lent și calitatea rețelei are de suferit. Peste 5 phr există puține beneficii suplimentare, iar excesul de oxid de zinc contribuie la înflorirea pe suprafața finită. Dimensiunea particulelor contează, de asemenea; Gradele tratate la suprafață și nano se dispersează mai repede într-un ciclu scurt de amestecare, care este adesea adevăratul motiv pentru care un compus se întărește neuniform într-un lot.

Oxid de zinc activ pentru vulcanizarea cauciucului Oxidul de zinc activ oferă particule de dimensiuni mici și activitate mare de vulcanizare. În compușii de cauciuc, susține activarea întăririi, iar gradele mai fine sau tratate la suprafață se pot dispersa mai repede în timpul ciclurilor scurte de amestecare. Vizualizare produs →

Acidul stearic este a doua jumătate a perechii, de obicei la 1 până la 3 phr. Solubilizează zincul, astfel încât să poată participa la reacție și funcționează ca un lubrifiant care ajută la eliberarea pieselor din matriță. Prea puțin și vindecarea platouri devreme; prea mult și poate migra la suprafață, provocând o aderență slabă în ansamblurile co-turnate sau lipite.

Acid stearic pentru amestecarea cauciucului Acidul stearic acționează alături de oxidul de zinc în vulcanizarea cauciucului, de obicei la 1 până la 3 phr, solubilizând zincul și ajutând eliberarea mucegaiului. Excesul poate migra și dăuna aderenței în ansamblurile lipite. Vizualizare produs →

Împreună, oxidul de zinc și acidul stearic costă foarte puțin pe kilogram, dar influențează rata de întărire, densitatea de reticulare, aspectul suprafeței și aderența. Când un lot se comportă inconsecvent, verificarea preciziei greutății acestor două ingrediente este de obicei mai rapidă decât reexaminarea polimerului.

Citirea unei curbe de vulcanizare ca un manager de producție

Un test de reometru cu matriță în mișcare produce curba care vă spune dacă un compus este gata pentru producție. Patru numere contează cel mai mult.

• Cuplul minim, sau ML, indică vâscozitatea compusului nevulcanizat. O creștere a ML în loturi succesive indică probleme de ardere sau dispersie de umplutură.
• Cuplul maxim, sau MH, reflectă densitatea reticulare. Comparați MH între loturi pentru a detecta erorile de dozare în sistemul de întărire.
• Timpul de ardere, scris ts2, este cât de mult supraviețuiește compusul la temperatura de testare înainte ca cuplul să înceapă să crească. Aceasta este limita dvs. practică pentru timpul de rezidență în butoi.
• Timpul optim de întărire, scris t90, este atunci când a avut loc 90% din creșterea cuplului. Timpul de întărire de producție este în mod normal setat cu puțin peste t90, nu la acesta.

Dependența de temperatură este abruptă. Ca regulă generală, creșterea temperaturii de întărire cu 10 grade Celsius dublează aproximativ viteza de reacție, motiv pentru care o matriță la 150 de grade Celsius care se întărește în opt minute se poate termina în patru la 160. Aceeași regulă explică de ce un butoi care funcționează ușor fierbinte poate arde materialul cu mult înainte de încheierea ciclului.

Păstrați curba pentru fiecare compus dintr-un fișier recuperabil. Când o plângere sosește optsprezece luni mai târziu, valorile inițiale MH și t90 sunt cea mai rapidă modalitate de a dovedi dacă compusul s-a schimbat sau procesul s-a schimbat.

Vulcanizat, vindecat, reticulat: sortarea vocabularului

În conversația de zi cu zi, cele trei cuvinte sunt interschimbabile, dar au greutăți ușor diferite în documentele tehnice.

• Reticulare este termenul chimic general pentru unirea lanțurilor polimerice. Se aplică cauciucului, materialelor plastice, adezivilor și gelurilor.
• Vindecare este pasul procesului. Într-o fabrică, întărirea înseamnă că piesa a petrecut timpul necesar în presă sau pe linia continuă.
• Vulcanizarea este denumirea istorică și comercială pentru reticularea cauciucului și este folosit chiar și pentru sistemele de peroxid și radiații care nu conțin sulf.

O atenție la formulare: o parte întărită nu este automat o parte întărită corect. Cauciucul subîntărit se simte moale și prezintă o compresie ridicată, în timp ce cauciucul natural supraîntărit se poate întoarce, devenind lipicios și slab. Ambele defecțiuni arată ca defecțiuni materiale pentru un client și ambele sunt defecțiuni de proces în realitate.

Greșeli care apar la magazin

Majoritatea problemelor de vulcanizare nu sunt probleme de chimie. Sunt probleme de control și se repetă în fabrici.

1. Presupunând că presa este la temperatura setată. Un platou care citește 155 de grade pe controler poate sta la 140 la suprafață după o perioadă lungă de inactivitate. Măsurați cavitatea matriței, nu panoul.
2. Ignorarea decalajului termic în părțile groase. O secțiune de 20 mm necesită mult mai mult decât o secțiune de 2 mm la aceeași temperatură a plăcii. Timpul de întărire trebuie să fie scalat cu pătratul grosimii, nu liniar.
3. Activatori de cântărire după volum. Oxidul de zinc și acidul stearic sunt dozate în cantități mici, iar adaosurile pe bază de linguri variază cu 20 la sută sau mai mult între operatori.
4. Reutilizarea blițului tăiat. Blițul întărit nu poate fi re-amestecat într-un lot proaspăt; nu se va mai lega niciodată și va apărea ca defecte permanente ale suprafeței.
5. Depozitarea foii compuse prea mult timp înainte de întărire. Chiar și la temperatura camerei, un compus predispus la ars se deplasează, iar un lot rămas într-un weekend poate să nu curgă la fel luni.

Fiecare dintre acestea este ieftin de reparat și costisitor de ignorat. Un sondaj săptămânal de temperatură și o rutină calibrată de cântărire chimică mică elimină majoritatea acestora.

Ce înseamnă acest lucru pentru echipamente și decizii de cumpărare

Odată ce acceptați că vulcanizarea este o reacție timp-temperatura-presiune, alegerile echipamentelor devin mai ușor de justificat. O presă cu temperatură neuniformă a plăcii va produce piese cu stări de întărire diferite pe aceeași matriță. Un sistem de dozare care nu poate păstra precizia chimică mică va produce loturi care variază în MH. Un transportor de răcire care rulează prea scurt va permite pieselor groase să continue să se întărească offline, ceea ce este la fel de dăunător ca și subîntărirea.

Pentru profilele continue calculul se schimbă din nou. Conductele de cuptor cu microunde și de aer cald se întăresc prin trecerea extrudatului printr-un tunel de încălzire, astfel încât viteza liniei, grosimea profilului și reactivitatea compusului trebuie să fie egalate. Liniile de baie cu sare tratează secțiuni groase și geometrii complexe care s-ar lăsa într-un tunel de aer cald. Alegerea dintre ele se reduce la grosimea secțiunii și la stabilitatea formei, nu la preferința furnizorului.

Aceeași logică se aplică în amonte. Precizia preformatorului determină cât de consistentă este greutatea goală, iar greutatea goală determină cât de consistent se umple cavitatea. Performanța filtrului determină dacă particulele străine supraviețuiesc în piesa finită. Acestea nu sunt subiecte separate de vulcanizare; sunt condițiile care fac ca un program de cure să funcționeze.

Dacă doriți un punct de plecare pentru maparea unui proces de întărire pe hardware, răsfoiți gama completă de echipamente de prelucrare a cauciucului și potriviți categoria mașinii cu stadiul cu care vă luptați.

Întrebări frecvente despre cauciucul vulcanizat

Cauciucul vulcanizat conține întotdeauna sulf?

Nu. Întărirea cu sulf domină pentru cauciucul natural, SBR și cauciucul nitrilic, dar sistemele de peroxid sunt obișnuite pentru EPDM și silicon și oxizi de metal, cum ar fi oxidul de zinc și cauciucul cloropren reticulat cu oxid de magneziu. Întărirea prin radiații nu utilizează deloc agent chimic. Caracteristica definitorie este rețeaua reticulata, nu prezența sulfului.

Se poate anula vulcanizarea?

Nu în niciun fel care să restabilească cauciucul brut original. Încălzirea cauciucului natural întărit suficient de mult provoacă reversiune - rețeaua se defectează și materialul devine lipicios și slab - dar rezultatul este cauciuc degradat, materie primă inutilizabilă. Acesta este motivul pentru care deșeurile întărite sunt măcinate și vândute ca umplutură, mai degrabă decât reprocesate ca compus.

Cât durează vulcanizarea?

Acesta variază de la sub un minut la câteva ore. Piesele subțiri turnate prin injecție în sisteme eficiente se pot întări în 30 până la 60 de secunde la 170 până la 180 de grade Celsius. Blocurile groase turnate prin compresie pot avea nevoie de 30 de minute sau mai mult. Liniile de extrudare continue echilibrează lungimea tunelului cu viteza liniei, mai degrabă decât să ruleze un ciclu de timp fix.

De ce cauciucul neîntărit miroase diferit de cauciucul întărit?

Mirosul provine în mare parte de la ingredientele compuse volatile și de la produsele secundare de reacție eliberate în timpul întăririi. Mulți acceleratori se descompun în timpul reacției și generează cantități mici de amine sau alte specii volatile, motiv pentru care piesele proaspăt întărite sunt de obicei ventilate sau post-întărite înainte de ambalare.

Cum pot spune dacă o parte este complet vindecată?

Metoda fiabilă este o curbă reometru pe compus plus un test de umflare a solventului pe piesa finită. Indicatorii de câmp includ setarea compresiei, deriva de duritate după îmbătrânire și aderența la suprafață. O parte care se simte ușor moale și durează o întărire permanentă după 24 de ore sub compresie este de obicei subîntărită, nu sub umplută.

Conținut mai mare de sulf înseamnă un cauciuc mai puternic?

Doar până la un punct, și nu așa cum se așteaptă majoritatea oamenilor. Creșterea sulfului crește densitatea de reticulare, ceea ce crește modulul și reduce alungirea. Împingeți-l suficient de departe și materialul devine casant, cu o rezistență slabă la oboseală. Pentru piesele dinamice, un sistem semi-eficient cu sulf mai mic și accelerator mai mare durează adesea mai mult decât un compus convențional cu conținut ridicat de sulf.

Cauciucul vulcanizat este același cu cauciucul siliconic?

Nu. Cauciucul siliconic este o familie diferită de polimeri, construită pe o coloană de siliciu-oxigen în loc de un lanț de carbon și este în mod normal reticulat cu peroxid sau adaos catalizat de platină, mai degrabă decât cu sulf. Siliconul este, de asemenea, vulcanizat în sens larg, dar intervalul său de temperatură și comportamentul chimic sunt complet diferite.

Ce determină revenirea unei piese vindecate?

Reversiunea are loc în principal în cauciucul natural atunci când este ținut la temperatura de întărire prea mult timp sau este întărit la temperatură excesivă. Legăturile polisulfidice se sparg și se rearanjează în structuri ciclice care nu contribuie la rețea, astfel încât materialul se înmoaie. Trecerea la un sistem semi-eficient sau eficient sau scăderea temperaturii de întărire cu un ciclu mai lung este remediul standard.

Pentru a rezuma: cauciucul vulcanizat înseamnă cauciuc ale cărui lanțuri polimerice au fost îmbinate chimic într-o rețea. Această rețea este cea care transformă o gumă moale, lipicioasă, sensibilă la temperatură într-un material care poartă sarcina, etanșează presiunea și își recuperează forma.

De aici rezultă tot ceea ce este practic. Dozajul de sulf stabilește tipul de rețea. Acceleratorul stabilește viteza. Oxidul de zinc și acidul stearic decid dacă reacția se desfășoară în mod eficient. Presa, tunelul, linia de răcire și preformatorul decid dacă fiecare parte din lot primește același tratament. Aliniați cele patru lucruri și materialul face exact ceea ce promite definiția.