Значение вулканизации: определение, химия, процесс и использование

Объяснение вулканизации: от перекрестных связей серы к промышленному автоклаву

The значение вулканизации большинство инженеров узнают, что это произошло из одной аварии с липкой резиной в 1839 году: химический процесс, который отверждает сырую резину путем образования серообразных поперечных связей между полимерными цепями, превращая непригодный липкий материал в эластичное, прочное вещество за каждой современной шиной, прокладкой и конвейерной лентой. Открытие Чарльзом Гудиером вулканизации теперь является промышленной рабочей лошадкой 186-летней давности. Та же химия все еще работает внутри сертифицированных ASME автоклавов, работающих при температуре 140180 °C по всему миру.

В этом руководстве подробно описывается, что означает вулканизация на простом английском языке, химия сшивки серой, пять систем отверждения, используемых в промышленности, а также инфраструктура автоклавов и пара, которая делает возможной крупномасштабную вулканизацию сегодня.

Что означает вулканизация?

Вулканизация - это химический процесс, который отверждает натуральный или синтетический каучук путем создания поперечных связей серы между молекулами длинноцепочечного полимера. Эта реакция превращает мягкий термопластичный липкий материал (резина) в эластичный термостойкий эластомер с термореактивной сеткой, который невозможно переплавить. Запись Britannica в вулканизации отражает это при описании химии вулканизации: “. Этот серный каучук сочетает в себе поперечные связи между молекулами длинноцепочечных цепей. and продукт демонстрирует более высокую прочность на разрыв, улучшенную стойкость к истиранию и эластичность в более широком диапазоне температур, чем необработанный каучук.

Простым языком вулканизация превращает резину из камеди в рабочий инженерный материал Сырой натуральный каучук, полученный из Гевея бразильская деревья выходят в виде полиизопренового латекса, без сероперекрестных связей он размягчается при теплых температурах, трескается при холодных, практически бесполезен для шин, шлангов, уплотнений.

Происхождение: Гудиер, 1839 г., и римский Бог Огня

Дорога к современной вулканизации была впервые проложена одним акцидентом т. Однажды в Eagle India Rubber Company в Воберне, штат Массачусетс, Чарльз Гудиер смешивал химические смеси, чтобы сохранить естественную форму многих разновидностей каучука; грозди либо расплавились в печи в январский день, либо раскололись пополам во время январской заморозки. Однажды в 1839 году, смешивая каучук и серу, Гудиер случайно уронил смесь на горячую плиту. Вместо того, чтобы плавиться дальше, каучук обуглился по краям и оставался твердым, и по мере того, как он применял больше тепла, он фактически затвердел. Этот отчет, взятый из журнала Connecticut History.org и биографа Чарльза Слэка, отражает момент, который превратил каучук из любопытства в промышленный товар.

Гудиер был астон (Goodyear) резина не плавилась А когда он поднял жару, она стала еще сильнее.

Патентная гонка последовала почти сразу и остается промышленно-историческим любопытством Британский изобретатель Томас Хэнкок подал патент Великобритании на вулканизацию серы 21 ноября 1843 года за восемь недель до патента США Goodyear 30 января 1844 г. Само слово “vulcanization” было придумано Уильямом Брокедоном, другом Хэнкока, после Вулкана, римского бога огня, связанного с серой и вулканами Гудиер умер примерно $200000 в долгах несмотря на свой прорыв; знаменитая шинная компания, носящая его имя, была основана спустя годы после его смерти как дань уважения.

Еще одно удивительное ответвление этого процесса: по данным Goodyear, древние мезоамериканские культуры вулканизировали каучук с помощью богатых серой растительных соков примерно за 3500 лет до Goodyear репортаж MIT News за 1999 год исследуя технологию ольмекской резины Древние цивилизации создали мячи для игры в мяч, подошвы сандалий и водонепроницаемые контейнеры из этого эластомера с оболочкой, натурального Гудиер сам не участвовал в первом изобретении, но его ключевые инновации в управлении процессом были причиной того, что вулканизированная резина оставалась основным продуктом мировой торговли.

Химия: как сера перекрестно связывает резиновые полимеры

Нагрев каучука серой - самый простой способ описать, что происходит при вулканизации, но химия более специфична, Вулканизация серы происходит потому, что она замечательно чувствительна к местоположению и степени серного воздействия на резиновую полимерную цепь Натуральный каучук, полиизопрен, остается длинноцепочечным полимером (макромолекулой) с регулярными вкраплениями двойных связей углерод-углерод Атомы, прилегающие к двойным связям, демонстрируют смещаемые атомы водорода, которые являются удобными ‘мишенями’, которые химики называют аллильными положениями. во время вулканизации отдельные атомы серы выламываются из двухатомной молекулы и образуют мостики длиной в несколько атомов серы (полисульфиды) между соседними цепями, замыкая их в новую, несъемную, трехмерную матрицу.

Результаты драматичны.Опубликованные технические таблицы данных для двигателя-класса предварительно отвержденный (размещенный в Интернете) натуральный вулканизированный каучук описывают предельное напряжение разрыва около 28 МПа, против едва-однозначной цифры для сырой резины.Это число согласуется в пределах ошибки измерения с независимыми исследованиями академических учреждений на предварительно вулканизированном натуральном каучуке латекс, сообщая о прочности на разрыв 26,7 МПа. Развитие других свойств включает увеличение прочности на разрыв, сопротивления разрыву, твердости и эластичности; и небольшое затягивание полимерной цепи, по мере затягивания сети.

Сера сама по себе не идеальна: она медленна и менее эффективна, и имеет тенденцию окисляться и разрушаться Сегодня коммерческие составы включают ускорители, такие как сульфенамиды, тиазолы, тиурамы или гуанидины, и активаторы, часто сочетающие оксид цинка и стеариновую кислоту. Неспособность включить настоящую смесь ускорителей может привести к часам медленного и слабого свободного сшивания серы материалом, и много лома; Джордж Оэнслагер в 1912 году разработал настоящую, точную систему ускорителя и активатора, продав концепцию и опубликовав стандартный для отрасли набор рецептов, а не только Goodyear, который позволил вулканизировать каучук в промышленных масштабах.

После образования поперечные связи не обращают вспять химические превращения и не разрушаются; эта необратимая особенность непосредственно определяет термореактивный набор. Как неизбежна поперечная связь, так и связанное с ней повышение вязкости во время цикла отверждения; так называемая кривая отверждения является важной концепцией в производстве резины (время отверждения 90% известно как t90 и определяется реометрическим тестом ASTM D2084. После сшивки склонность резиновых материалов к скольжению назад мимо себя останавливается.

Как работает вулканизация: процесс шаг за шагом

Этот процесс происходит через и из комплекса из четырех ключевых шагов Каждый шаг в конечном итоге будет причиной непригодных для использования частей лома:

1. Соединение. каучук-сырец (также известный как соединение い смешивается с серой (5-30% по массе), ускорителями, активаторами, наполнителями (углеродная сажа или диоксид кремния), антиоксидантами и технологическими добавками на двухвалковой мельнице или во внутреннем смесителе Бенбери. Соединения гарантируют, что смесь остается ниже температуры ожога смеси до тех пор, пока она не будет подана вниз по потоку для формования. в противном случае, как сшивка в каучуке начнет происходить преждевременно и отрицательно повлияет на свойства каучука.
2. Формирование. невулканизированную резиновую смесь экструдируют в профили шлангов или уплотнительные полосы, каландрированные в листы, или дозируют в закрытую форму. Формирование должно быть завершено до вулканизации, чтобы резина могла течь до того, как сильные поперечные связи зададут форму после установления поперечных связей соединений.
3. Лечение. Тепло в резину вводят в течение желаемого периода времени на основе сшитой плотности,”, которая варьируется в зависимости от толщины компонента, рецептуры и указанных каучуков. В автоклаве насыщенный пар передает тепло при 140 180 °C, тогда как плиты с электрическим подогревом используются для подачи тепла непосредственно в форму в гидравлическом прессе. Требуемое время отверждения может составлять от 3 до 4 минут для тонких прокладок до более часа для толстой конвейерной ленты.
4. Охлаждение и отделка.Управляемые охлаждения стабилизируют сшитую сеть. Затем продукт обрезается, проверяется поверхность и тестируется (ASTM D2240) перед отправкой.

Тонкая деталь качества: соединение должно быть нагрето выше температуры активации выбранного ускорителя, а не просто выше температуры плавления серы. Неспособность соответствовать правильной системе отверждения для температуры отверждения является одним из недостатков стоимости при обработке резины. Симптомы несоответствия серной системы являются поверхностной липкостью, если она недостаточно отверждена, меловостью и потерей эластичности при чрезмерном отверждении (реверсия).

Методы вулканизации: Автоклав, Горячий пресс, Горячий воздух, RTV

В промышленных условиях в статье Википедии о вулканизации перечислены пять различных систем отверждения, используемых в настоящее время: сера-, пероксид-, оксид металла-, ацетоксисилан- и уретан-сшивка. Каждая система соответствует другому типу химии каучука, что, в свою очередь, коррелирует с другим методом обработки. Выбор правильного процесса и комбинации рецептур зависит от желаемой геометрии детали, объема производства и предполагаемой среды обслуживания.

Лечение против вулканизации: это одно и то же?

Отверждение является общим термином - оно охватывает каждый химический путь сшивания, применяемый к полимерам, включая сульферную вулканизацию, пероксидное отверждение, отверждение оксидом металла, радиационное отверждение и отверждение влагой окружающей среды. Вулканизация первоначально относилась только к отверждению натурального каучука на основе серы в качестве метода, обнаруженного Goodyear. Практикующие специалисты отрасли используют эти два метода как взаимозаменяемые неформально, но спецификации, технические описания и патенты различают их, когда речь идет о химии.

Эмпирическое правило между двумя процессами: если сшивающий агент представляет собой серу (или донор серы), назовите это вулканизацией. Если агент представляет собой пероксид, оксид металла, ацетоксисилан или излучение электронного луча, назовите его отверждением, даже если образовавшаяся сеть аналогична. Оба процесса приводят к получению вулканизированной или отвержденной резины, которая тверже, эластичнее и термостойче, чем сырая резина.

Одно важное различие в закупках: отвержденная пероксидом прокладка из EPDM и вулканизированная серой прокладка из EPDM имеют практически идентичную твердость по Шору, но ожидается, что они будут вести себя по-разному в горячем масле, озоне и насыщенном паре. Уточнение того, какой метод отверждения использовался, - это то, как инженеры избегают преждевременных отказов.

Куда идет вулканизированная резина: шины, уплотнения, ремни и т. д

Большинство резинотехнических изделий, производимых в современной экономике, подверглись вулканизации. Полимерные цепи в вулканизированной резине отвечают за обеспечение полезного сочетания характеристик упругости, прочности на разрыв, стойкости к истиранию, твердости и электроизоляции. Различные конечные продукты различаются только плотностью поперечных связей и составом упаковки наполнителя в соответствии с заданной средой обслуживания.

Обычное конечное использование охватывает десятки областей применения: автомобильные шины, конвейерные ленты, промышленные уплотнения и уплотнительные кольца, резиновые шланги, подошвы обуви, виброгасители, амортизаторы, электрические изоляционные рубашки, кровельные мембраны, компенсаторы и баки с резиновой обшивкой. Полиизопрен и бутадиен-стирольный каучук являются наиболее вулканизированными полимерами в мире, прежде всего потому, что шинная промышленность потребляет большую часть того и другого.

Сами по себе вулканизированные резиновые шины являются полезной проверкой масштаба: ежегодно утилизируется более миллиарда шин по всему миру, однако каждая из этих шин прошла цикл вулканизации во время производства. Благодаря аналогичной химии сшивки серой та же химия также позволяет получить облицовку химических реакторов, прокладки, герметизирующие пищевые пастеризаторы, и втулки, демпфирующие тележки локомотивов. В этой области применения используются аналогичные технологии сшивки серой промышленные вулканизационные установки на основе автоклавов на шести континентах.

Промышленная вулканизация: как пар и автоклавы делают это возможным

Вулканизация резины в промышленных масштабах редко бывает делом с плитой. для больших или неправильных частей — конвейерные ленты, шланговые резервуары, резиновые шины, ретридовые грузовые шины — производственный ответ - цилиндрический сосуд под давлением, называемый автоклавом вулканизации, непрерывно снабжаемый насыщенным паром из верхнего бьефа промышленный паровой котел. Сосуд равномерно поднимает деталь до температуры отверждения, насыщенный пар переносит тепло в резиновую смесь, а приложенное давление предотвращает пористость дефектов из-за выделения газа во время отверждения.

Средние условия эксплуатации автоклава: 140-170 °Celsius, давление насыщенного пара 4-6 барГ, продолжительность цикла 30-90 мин. Насыщенный пар генерируется в специальном промышленном парогенераторе — природный газ, топливо-масло, биомасса, электроснабжение — и направляется через изолированные трубопроводы в оболочку сосуда автоклава. Для циклов отверждения при более высоких температурах, типичных для специальных силиконов и пероксидных соединений, некоторые уплотняют доступный источник тепла с помощью a тепловой источник теплоты теплового масла вместо этого, поскольку термическое масло достигает температуры до 350 °C без высокого давления, связанного с насыщенным паром.

Конструкция сосудов под давлением, используемых для вулканизации резины автоклавов, определяется теми же нормативными нормами, которые применяются к аналогичным технологическим сосудам под давлением: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 в США, и GB/T 150 в Китае. оба требуют сторонней проверки, гидростатических исследований, документации по процедурам сварки, и частых периодических проверок, когда в эксплуатации 100 состояние автоклава является критическим Наши инженеры изготавливали вулканизационные автоклавы как по стандартам ASME, так и по стандартам GB/T 150 с 1976 года, и поставляли шинные реридеры, шланговые производители, а также резинофутеровочные цеха в более чем 100 странах.

Часто задаваемые вопросы