Mikä on vulkanointi? Suora vastaus
Vulkanointi on kemiallinen prosessi, joka muuntaa tahmean, juoksevan raakakumin vahvaksi, joustavaksi, kestäväksi tuotteeksi luomalla ristisidoksia polymeeriketjujen välille. Useimmille yleiskäyttöisille elastomeereille, rikki on silloitusaine, ja reaktiota ohjaavat lämpö, aika ja paine . Prosessi on peruuttamaton: kun kumi on vulkanoitu, sitä ei voi sulattaa tai muotoilla uudelleen.
Löytön ansioksi lukee Charles Hyväyear vuonna 1839, kun hän pudotti vahingossa rikkikäsiteltyä luonnonkumia kuumalle liedelle ja huomasi materiaalin kovettumisen muuttumatta enää tahmeaksi. Tämä havainto loi modernin kumiteollisuuden. Nykyään jokainen kumituote O-renkaista ja letkuista kengänpohjiin ja kuljetinhihnoihin käy läpi vulkanointivaiheen ennen kuin se voi suorittaa tehtävänsä.
Tärkeimmät tosiasiat, jotka kannattaa pitää mielessä:
- Rikkiannostus joustaville muotteille on tyypillisesti 1,0-3,5 phr (osia per sata kumia).
- Vulkanoitu luonnonkumi saavuttaa 20-30 MPa:n vetolujuuden kumiyhdisteissä ja enemmän vahvistavilla täyteaineilla.
- Kovettumislämpötilat vaihtelevat 140 - 200 °C polymeeristä ja kovetusjärjestelmästä riippuen.
- Oikein vulkanoitu osa palauttaa alkuperäisen muotonsa muodonmuutoksen jälkeen eikä enää pehmene kuumennettaessa.
Kemia vulkanoinnin takana
Kuinka rikki silloittaa kumiketjuja
Luonnonkumi ja muut dieenipolymeerit sisältävät kaksoissidoksia rungossaan. Kovettumislämpötilassa nämä sidokset avautuvat ja reagoivat rikin kanssa muodostaen rikkisiltoja viereisten ketjujen välille. Sillat, olivatpa ne monosulfidi-, disulfidi- tai polysulfidi, lukitsevat ketjut kolmiulotteiseen verkkoon. Ennen vulkanointia ketjut liukuvat toistensa ohi jännityksen alaisena; vulkanoinnin jälkeen verkko venyy ja napsahtaa takaisin elastisesti. Siltojen lukumäärä, joka tunnetaan nimellä silloitustiheys, määrittää viimeisen osan kovuuden, moduulin ja kimmoisuuden.
Kiihdyttimet ja aktivaattorit tekevät kovettumisesta käytännöllistä
Yksin rikki reagoi niin hitaasti, että suora kuumennus tuottaa epätasaisia tuloksia. Käytännön yhdisteet käyttävät kiihdyttimiä (tiatsolit, sulfenamidit, tiuraamit, ditiokarbamaatit) ja aktivaattoreita, kuten sinkkioksidia ja steariinihappoa reaktion nopeuttamiseksi ja hallitsemiseksi. Edustava yleiskäyttöinen kovetuspakkaus sisältää 1,5-2,5 phr rikkiä, 0,5-1,5 phr kiihdytintä, 3,0-5,0 phr sinkkioksidia ja 1,0-2,0 phr steariinihappoa. Kiihdyttimen ja rikin välinen suhde määrää ristisidoksen tyypin: runsasrikkiset ja vähän kiihdyttivät järjestelmät muodostavat joustavia polysulfidisidoksia, joilla on erinomainen väsymisikä, kun taas vähärikkiset, korkean kiihdytin (EV) järjestelmät muodostavat lämpöstabiileja monosulfidisia sidoksia alhaisemmalla puristusvoimalla.
Monet kasvit yksinkertaistavat annostelua ja välttävät punnitusvirheet ostamalla esisekoitetut rikkikiihdytinpaketit sekoitustoimittajalta. Kovetuspakkauksen tasainen dispergointi parantaa suoraan kovettumisen sakeutta erästä toiseen.
Räätälöidyt rikkikiihdyttimien valmistajat, toimittajat Rikkikiihdyttimellä tarkoitetaan kumin vulkanointikiihdytintä. Kumin käsittelyn aikana rikki itse reagoi hitaasti kumin, s... Näytä tuote → | Rikkipitoisuus (phr) | Crosslink-hahmo | Kovuus / joustavuus | Tyypillisiä sovelluksia |
|---|---|---|---|
| 1,0-2,0 | Matalatiheys, polysulfidinen | Pehmeä, erittäin joustava | Kuminauhat, ohut levy |
| 2,0-3,5 | Keskitiheys | Tasapainotettu moduuli ja kimmoisuus | Tiivisteet, tiivisteet, letkut, valetut tavarat |
| 5,0-15 | Korkea tiheys | Kova mutta hieman joustava | Rullat, akkukotelot, kova kumi |
| 25-50 | Erittäin korkea tiheys | Jäykkä eboniitti | Eboniitti, eristävät osat |
Kuinka vulkanointi muuttaa kumin ominaisuuksia
Raakakumi vs. vulkanoitu kumi
Ero on dramaattinen. Raaka luonnonkumi on tahmeaa, pehmenee lämmetessään, kovettuu ja halkeilee kylmällä säällä ja virtaa jatkuvasti jatkuvassa kuormituksessa. Vulkanoitu kumi pysyy elastisena noin -40 - 100 °C luonnonkumilla, kestää paljon paremmin öljyjä ja liuottimia ja palaa alkuperäiseen muotoonsa toistuvan muodonmuutoksen jälkeen. Pelkästään vetolujuuden muutos on 5-10-kertainen parannus useimmissa yhdisteissä.
| Omaisuus | Raaka (kovettumaton) kumi | Vulkanoitu kumi |
|---|---|---|
| Vetolujuus | 1-3 MPa | 20-30 MPa (kumi), 25-40 MPa (täytetty) |
| Elastinen palautuminen | Huono, pysyvä virtaus | Erinomainen, lähes täydellinen toipuminen |
| Käyttäytyminen kuumennettaessa | Pehmenee, muuttuu tahmeammaksi | Stabiili kovettumislämpötilaan asti |
| Kylmä käytös | Kovettuu ja kiteytyy | Pysyy joustavana palveluvalikoimassa |
| Liuottimen ja öljyn kestävyys | Huono, korkea turvotus | Paljon parannettu, riippuu polymeeristä |
Miksi ristisidoksen tiheys on ratkaiseva tekijä?
Liian vähän silloituksia ja osa käyttäytyy kuin heikko, alikovettunut tuote. Liikaa ja verkosta tulee niin jäykkä, että kumi mieluummin katkeaa kuin venyy. Tehokas yhdistelmärakenne tähtää käyttötarkoitukseen sopivaan ristisidostiheyteen: tärinänvaimennuskiinnikkeet vaativat erilaisen tasapainon kuin vetolastan terä, ja molemmat eroavat painotelasta. Ymmärtäminen kumimateriaalien ominaispiirteet helpottaa sen ymmärtämistä, miksi kovettumistaso on asetettu niin huolellisesti jokaisessa sovelluksessa.
Kovetusjärjestelmiin verrattuna
Kaikissa vulkanoinneissa ei käytetä samaa kemiaa. Lopullisen osan mekaaniset ja lämpövaatimukset määräävät, mikä järjestelmä valitaan.
| Kovetusjärjestelmä | Crosslink-tyyppi | Lämmönkestävyys | Kompressiosarja | Palautusriski | Tyypillisiä polymeerejä |
|---|---|---|---|---|---|
| Tavanomainen rikki (2,0-3,5 phr) | Polysulfidinen | Reilu | Hyvä | Kohtalainen tai korkea | NR, SBR, NBR |
| Puolitehokas (semi-EV) | Sekapoly/mono | Hyvä | Hyvä | Matalasta kohtalaiseen | Tiivisteet, valetut tavarat |
| Tehokas (EV) | Useimmiten monosulfidinen | Erinomainen | Erinomainen | Matala | Lämmönkestävät tiivisteet, tiivisteet |
| peroksidi | Hiili-hiili | Erinomainen | Erinomainen | Ei mitään | EPDM, silikoni, FKM, HNBR |
| Metallioksidi | Ioninen | Kohtalainen | Hyvä | Matala | Kloropreeni (CR) |
Kuinka valita hoitojärjestelmä
Dynaamiseen kuormitukseen tarkoitetut luonnonkumi- ja SBR-tuotteet, kuten renkaat, kiinnikkeet ja iskunvaimentimet, käyttävät yleensä tavanomaisia tai semi-EV-järjestelmiä väsymyksenkestävyyteen. Lämmönkestävät sovellukset, kuten moottoritilan tiivisteet, suosivat sähköautoja tai peroksidijärjestelmiä. Peroksidikovetettu EPDM ja silikoni tarjoavat alhaisimman puristussarjan, mutta peroksidityypin on vastattava polymeerin lämpöhistoriaa ja osan seinämän paksuutta.
Teolliset vulkanointilaitteet ja -menetelmät
Puristusmuovaus lämmitetyissä puristimissa
Muovattujen tavaroiden työhevonen on hydraulinen vulkanointipuristin. Käyttäjä asettaa esimuotoillun aihion kuumennettuun muottiin, sulkee puristimen ja pitää paineen yllä vaaditun kovettumisajan. Levyjen lämpötilat 150-180 °C ja puristuspaineet 15-25 MPa ovat tyypillisiä. Tyhjiöpuristimet vievät tämän askeleen pidemmälle tyhjentämällä ontelon ennen täydellistä puristamista, mikä estää ilman juuttumisen, rakkuloita ja monimutkaisten osien täyttämättömiä kulmia.
Teknisille osille, joilla on vaativat tiheys- ja pintavaatimukset, a tyhjiökuumapuristusvulkanointikone on ensisijainen tuotantovaihtoehto. Ilman poistaminen ennen kovettumista on erityisen arvokasta paksuille profiileille ja erittäin koville yhdisteille.
Mukautetut tyhjiökuumapuristuskoneiden valmistajat, toimittajat Tämä kone on vulkanointikone erilaisille kumi- ja muovituotteille. Siinä on ajoitusmuotin lukitus, automaattinen esi... Näytä tuote → Ruiskupuristus suuren volyymin tarkkuusosille
Ruiskupuristus plastisoi kumin ruuviyksikössä ja ruiskuttaa sen suljettuun, lämmitettyyn muottiin, jossa kovetus tapahtuu. Jaksoajat ovat lyhyempiä kuin puristusmuovaus, koska seos saavuttaa ontelon jo kuumennettuna. O-renkaat, liittimien tiivisteet ja pienet tarkkuustiivisteet valmistetaan yleisesti tällä tavalla. Kompromissi on korkeammat työkalu- ja konekustannukset, joten ruiskuvalu kannattaa, kun tuotantomäärät ovat riittävän suuria investoinnin kuolettamiseksi.
Autoklaavit ja hihnapuristimet suurille tuotteille
Telat, kumipäällysteiset säiliöt, kaapeliliitokset ja kuljetinhihnat eivät mahdu tavalliseen puristimeen. Nämä tuotteet kovettuvat autoklaaveissa paineistetussa höyryssä tai kuumassa ilmassa tai jatkuvalla hihnapuristimella ja rotokovella. Keskeinen etu on tasainen paine suurilla pinnoilla, mikä on kriittistä kumin ja kangas- tai metallialustojen välisen tarttumisen kannalta.
Suulakepuristettujen profiilien jatkuva kovettuminen
Autojen säälistat, tiivisteprofiilit, letkut ja johdot kovetetaan jatkuvasti, kun ne lähtevät suulakepuristimesta. Kolme päämenetelmää ovat kuumailmatunnelit, mikroaaltouunitunnelit ja suolakylpyt (LCM). Mikroaaltokovetus lämmittää profiilin tilavuudellisesti, mikä tekee siitä nopean paksuille poikkileikkauksille. Suolakylvyt tarjoavat erinomaisen lämmönsiirron, mutta osat on pestävä huolellisesti jälkeenpäin.
A kumin koekstruusio ja mikroaaltouunikovetuslinja yhdistää suulakepuristimen, mikroaaltouunin tunnelin, kuumailmaosan, jäähdytyskylvyn ja poiston yhdessä ohjatussa prosessissa, minkä vuoksi se on vakiovalinta korkeatehoiseen profiilituotantoon.
Mukautetun kumin koekstruusio- ja mikroaaltouunikovetuksen tuotantolinja Manufacturers, S Komposiittikumin jatkuvatoimisen mikroaaltovulkanoinnin tuotantolinjalla tutkitaan ympäristönsuojelutoimenpiteitä t... Näytä tuote → Prosessiparametrit ja kovettumiskäyrä
Reometrikäyrän lukeminen
Liikkuva reometri tallentaa kovettumisen tilan ajan kuluessa kiinteässä lämpötilassa. Kolmella numerolla on merkitystä tuotannossa: palamisaika (ts2), silloittumisen alku; tc90, aika saavuttaa 90 prosenttia täydestä kovettumisesta ja käytännön kovettumisaika; ja tasangon tai käänteisen kaltevuuden. Vakaa tasanne tarkoittaa, että tuote antaa anteeksi pienet aikavaihtelut; jyrkkä palautuskaltevuus tarkoittaa, että lämpötilan tiukka hallinta on kriittistä.
| Kumi | Tyypillinen muotin lämpötila | Kovettumisaika 2 mm laatalle | Keskeinen prosessihuoli |
|---|---|---|---|
| NR | 150-160 °C | 5-10 min | Palautus yli 170 °C:een |
| SBR | 150 - 165 °C | 6-12 min | Hitaampi kovettuminen, hyvä palovammaturva |
| EPDM | 160-180 °C | 8-15 min | Peroksidilla nopeammin |
| NBR | 150-170 °C | 5-12 min | Käytä EV:tä alhaisen kompression asettamiseen |
| CR (neopreeni) | 150 - 165 °C | 6-12 min | Palovammaherkkä, metallioksidikovettuva |
| Silikoni (VMQ) | 160-180 °C | 3-10 min | Nopeasti kovettuva, ohuet osat |
Lämmönsiirto ja osan paksuus
Kumi johtaa huonosti lämpöä, noin 0,15-0,25 W/(m·K), noin kymmenesosa teräksestä. Puristusmuotissa paksun osan keskikohta kovettuu täydellisesti ulkokuoren jälkeen. Alan käytäntö lisää noin 1-2 minuuttia kovettumisaikaa jokaista seinänpaksuuden lisämillimetriä kohden. Siksi paksut tuotteet käyttävät alhaisempia muottilämpötiloja välttääkseen pinnan ylikovettumisen, kun sisäpuoli on vielä alikovettunut.
Yhdistäminen ja valmistelu ennen vulkanointia
Vulkanointi alkaa sekoitushuoneesta. Jos kovetuspakkaus on epätasainen, puristin ei pysty kompensoimaan. Kolmella valmisteluvaiheella on suuri vaikutus lopulliseen laatuun:
- Tarkka punnitus: vain 0,1 phr rikin vaihtelu voi muuttaa tc90:tä useita prosentteja, joten digitaalisia vaakoja ja automaattisia annostusjärjestelmiä suositellaan.
- Viileä loppusekoitus: rikki ja kiihdyttimet lisätään kaksitelamyllyssä tai lopullisessa sisäisessä sekoittimessa, tyypillisesti paineistettu vaivauskone , pidetään polttolämpötilan alapuolella.
- Epäpuhtauksien poisto: monet kasvit kuljettavat yhdisteen a kuumasyöttöinen kumisuodatin varustettu hienolla seulalla ennen esimuotoilua, joka poistaa hajaantuneet agglomeraatit ja vieraat aineet, jotka aiheuttavat virtauslinjoja ja puhallusreikiä.
Myös esimuotoilu ansaitsee huomiota. Tasaisen painon ja muodon omaavat aihiot vähentävät kovettumisen vaihtelua, koska jokainen ontelo täyttyy samalla tavalla, samalla lämpöhistorialla ja samalla painejakaumalla.
Yleiset vulkanointivirheet ja niiden välttäminen
Jopa hyvin suunniteltu seos voi tuottaa viallisia osia, jos vulkanointia ei valvota. Alla olevat viat aiheuttavat suurimman osan kumin muovauksessa ja suulakepuristuksessa käytettävistä hylkeistä:
- Palaminen: ennenaikainen silloittuminen sekoittimessa, esimuodostimessa tai ruiskutussylinterissä. Se näkyy karkeina pinnoina, lyhyinä listoina tai kovina kokkareina. Ennaltaehkäisy: alenna prosessin lämpötilaa, lisää palamisen estoaineita, lyhennä viipymisaikaa.
- Alikovetuma: pehmeät, heikot osat korkealla puristussarjalla. Ennaltaehkäisy: tarkista todellinen muotin lämpötila anturin avulla, pidennä kovettumisaikaa tc90:een ja tarkista resepti uudelleen, jos ongelma toistuu.
- Reversio: luonnonkumi menettää lujuutensa ja kimmoisuutensa, kun sitä pidetään liian pitkään korkeassa lämpötilassa. Ennaltaehkäisy: alenna muotin lämpötilaa, vaihda puoli-EV- tai EV-kovetusjärjestelmiin tai käytä reversionkestävää polymeeriä.
- Huokoisuus ja rakkuloita: sisäisiä tyhjiä ilmaa, kosteutta tai haihtuvia ainesosia. Ennaltaehkäisy: käytä tyhjiöpuristinta, kuivaa kaikki seostusaineet ja tee aihiot tarkasti.
- Virtausjäljet ja lyhyet laukaukset: onkalo ei täyty kokonaan, usein ohuilla reunoilla. Ennaltaehkäisy: lisää materiaalivirtausta, nosta ruiskutus- tai puristuspainetta, paranna esimuotin muotoa ja nopeuttaa ruiskutusta.
Usein kysytyt kysymykset
Onko vulkanointi sama kuin kovettaminen?
Kyllä. Kumiteollisuudessa sanoja käytetään vaihtokelpoisesti. Tarkkaan ottaen vulkanointi tarkoitti alun perin dieenikumien rikkisilloitusta, mutta nyt termi kattaa kaikki silloitusreaktiot, jotka muuttavat kumiyhdisteen elastiseksi tuotteeksi, mukaan lukien peroksidi- ja metallioksidijärjestelmät.
Voidaanko kaikki kumit vulkanoida rikillä?
Ei. Kaksoissidoksella varustetut dieenikumit, kuten luonnonkumi, SBR, NBR, EPDM ja butyyli, reagoivat hyvin rikkikovettumiseen. Kumit, joissa ei ole näitä kaksoissidoksia, mukaan lukien silikoni (VMQ), monet fluorikumilaadut (FKM), EPM ja jotkut HNBR-yhdisteet, vaativat peroksidi- tai erikoiskovetusjärjestelmiä.
Mitä lämpötilaa tarvitaan vulkanointiin?
Teollinen kovetus on tyypillisesti 140-200 °C. Useimmat muovatut tuotteet kovettuvat 150-180 °C:ssa. Korkeammat lämpötilat lyhentävät syklin aikaa, mutta lisäävät palamisen ja palautumisen riskiä. Paksut tuotteet kovettuvat alemmissa lämpötiloissa, koska kumi johtaa lämpöä hitaasti.
Kuinka kauan vulkanointi kestää?
Ohut muotoiltu tiiviste voi kovettua 3-8 minuutissa 160 °C:ssa. Paksu laakeri tai rulla voi kestää 30-60 minuuttia tai kauemmin. Jatkuvat mikroaaltolinjat kovettavat ekstrudoidut profiilit 1-5 minuutissa, ja suurten telojen autoklaavikovetus voi kestää useita tunteja.
Mitä tapahtuu, jos kumi on ylivulkanoitu?
Ylikovettuminen lisää kovuutta ja vähentää venymistä. Luonnonkumissa pitkäaikainen lämpö voi rikkoa polysulfidisia ristisidoksia aiheuttaen palautumisen, jolloin pinnasta tulee pehmeä ja tahmea. Tuotannon kovettumisajaksi asetetaan siksi tc90, aika, jolloin saavutetaan 90 prosenttia täydellisestä kovettumisesta, eikä absoluuttiseen maksimikovetustilaan.
Voidaanko vulkanoitua kumia kierrättää?
Vulkanoitu kumi on lämpökovettuvaa, joten sitä ei voi sulattaa ja muovata uudelleen kuten kestomuovia. Se voidaan jauhaa kumimurskaksi lattioiden, leikkikenttien pintojen ja muovattujen kierrätystuotteiden valmistukseen. Devulkanointiprosesseja on olemassa, mutta ne eivät ole vielä taloudellisia laajassa teollisessa mittakaavassa.
Johtopäätös: Vulkanointi on kuminvalmistuksen sydän
Vulkanointi on vaihe, joka muuttaa polymeeriseoksen tekniseksi materiaaliksi, jonka lujuus, kimmoisuus ja kestävyys ovat ennustettavissa. Kovetusjärjestelmän, muovaus- tai ekstruusiomenetelmän ja prosessiparametrien valinta määrää sekä osan laadun että sen valmistuskustannukset.
Tuotantopäälliköille ja prosessiinsinööreille suorin tapa vähentää hylkyjä ja alempia osakustannuksia on valvoa jokaisen erän kovettumiskäyrää, tarkistaa muotin lämpötilat säännöllisesti ja pitää seos puhtaana. Hyvin suunniteltu kovetuspakkaus reometrillä mitattuna ja oikealla puristimella tai jatkuvalla viivalla sovitettuna antaa saman tuloksen erän jälkeen.
Toimittajat, jotka tarjoavat sekä kemiaa että koneita, kiihdytinistä kovetuspuristimiin ja mikroaaltouunilinjoihin, yksinkertaistavat tätä integrointia huomattavasti. Testatusta reseptistä ja oikeista tuotantolaitteista aloittaminen poistaa suurimman osan arvailusta vulkanoinnista.
