تامین کننده شتاب دهنده های گوگردی
لاستیک ولکانیزه چیست؟
لاستیک ولکانیز شده لاستیک طبیعی یا مصنوعی است که از نظر شیمیایی با گوگرد و گرما پردازش شده است، بنابراین زنجیره های پلیمری آن پیوندهای متقاطع دائمی ایجاد می کنند و یک ماده نرم، چسبنده و حساس به دما را به محصولی قوی، الاستیک و بادوام تبدیل می کنند. قبل از این درمان، لاستیک خام در هوای گرم نرم می شود، در سرما سفت می شود و ترک می خورد و تحت فشارهای مکرر شکل خود را از دست می دهد. پس از ولکانیزاسیون، همان ماده می تواند چندین برابر طول اولیه خود کشیده شود و به عقب باز شود، در برابر گرما، روغن و سایش مقاومت کند و ساختار خود را برای سالها حفظ کند. این تنها مرحله شیمیایی دلیلی است که لاستیک از یک ماده جدید به ستون فقرات لاستیک ها، مهر و موم ها، شیلنگ ها، کفش ها و هزاران جزء صنعتی که امروزه استفاده می شود، منتقل شده است.
از نظر عملی، ولکانیزاسیون یک واکنش درمانی است. یک ترکیب لاستیکی خام، مخلوط با گوگرد، شتاب دهنده ها، فعال کننده ها و پرکننده ها، تحت گرما و اغلب تحت فشار قرار می گیرد. با افزایش دما، اتم های گوگرد با ستون فقرات پلیمری لاستیک واکنش می دهند و زنجیره های مجاور را با پل های گوگردی کوتاه به هم می چسبانند. هنگامی که این شبکه از پل ها به طور کامل تشکیل شد، لاستیک را نمی توان ذوب کرد و به روش پلاستیکی تغییر شکل داد. حالت دائمی آن از یک ترکیب قابل قالبگیری به یک جامد ثابت و الاستیک تغییر کرده است.
مقیاس این صنعت قابل توجه است. مصرف جهانی لاستیک طبیعی در محدوده 14 تا 15 میلیون تن در سال است و اکثریت قریب به اتفاق این حجم از طریق نوعی ولکانیزاسیون گوگرد قبل از تبدیل شدن به یک قطعه نهایی می گذرد. (منبع: آمار تولید و مصرف گروه مطالعات بین المللی لاستیک) . لاستیک مصنوعی چندین میلیون تن به این رقم اضافه می کند که بیشتر آن نیز گوگرد پخته شده است. لاستیک بسیار کمی به مصرف کننده یا مهندس در حالت خام و بدون جوشش می رسد.
تاریخچه و کشف ولکانیزاسیون
لاستیک مدت ها قبل از اینکه به یک ماده مهندسی قابل اعتماد تبدیل شود برای تاجران اروپایی شناخته شده بود. کالاهای لاستیکی اولیه وارد شده از آمریکای جنوبی در دهه 1700 و اوایل دهه 1800 کنجکاوی جالبی بودند، اما در تغییر آب و هوا تقریباً بی فایده بودند. چکمهها و کتهای ساخته شده از لاستیک خام در گرمای تابستان نرم و بوی بدی پیدا میکردند، سپس در سرمای زمستان به شکل بلوکهای غیرقابل استفاده سفت میشدند. تولیدکنندگانی که سعی کردند تجارتی را با لاستیک خام ایجاد کنند، بارها شکست خوردند زیرا این ماده به سادگی نمی توانست خواص خود را حفظ کند.
کشف تصادفی 1839
چارلز گودیر، مخترع آمریکایی که با سرمایه محدود کار می کرد، سال ها با لاستیک و افزودنی های مختلف آزمایش کرد تا مشکل گرما و سرما را حل کند. در سال 1839، در حالی که با مخلوطی از لاستیک و گوگرد کار می کرد، به طور تصادفی نمونه ای را روی اجاق گاز داغ انداخت. نمونه به جای ذوب شدن مانند لاستیک خام، کمی روی سطح ذغال شد اما انعطاف پذیر ماند و چسبناک نشد. او بدون درک کامل شیمی، یک واکنش متقابل ایجاد کرده بود.
از کشف تا صنعت
گودیر این فرآیند را در سال 1844 به ثبت رساند. تقریباً در همان زمان در انگلستان، توماس هنکاک فرآیند مشابهی را به طور مستقل توسعه داد و مدت کوتاهی قبل از نهایی شدن پروندههای بینالمللی گودیر، یک حق اختراع بریتانیا را به دست آورد، که منجر به اختلاف طولانی بر سر اعتبار شد. نام ولکانیزاسیون توسط ویلیام بروکدون، دوست هنکاک، با اشاره به ولکان، خدای آتش رومی، پیشنهاد شد، زیرا گرما در واکنش مرکزی بود. ظرف چند دهه، لاستیک ولکانیزه شده از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به تولید در مقیاس بزرگ برای چکمهها، شلنگها، پوششهای پارچه ضدآب و در نهایت صنعت تایرهای پنوماتیکی تبدیل شد که بخش عمدهای از تقاضای لاستیک قرن بیستم را تعیین میکرد.
از آزمون و خطا تا شیمی کنترل شده
ولکانیزاسیون اولیه تنها به گوگرد متکی بود که برای ساعتهای زیادی در دمای بالا پخت میشد، با نتایج متناقض بین دستهها. معرفی شتابدهندههای آلی در اوایل دهه 1900 صنعت را بهطور چشمگیری تغییر داد و زمان پخت را از ساعتها به دقیقه کاهش داد و به ترکیبکنندهها کنترل بسیار بیشتری بر سختی نهایی، استحکام و مقاومت در برابر پیری لاستیک تمامشده داد. این تغییر از پخت آهسته و غیرقابل پیش بینی به پخت سریع و دقیقاً کنترل شده چیزی است که به تولید لاستیک اجازه می دهد تا به فرآیندهای تولید انبوه مورد استفاده امروزی تبدیل شود.
علم پشت ولکانیزاسیون لاستیک
لاستیک خام از زنجیره های پلیمری بلند و درهم ساخته شده است که می توانند از روی یکدیگر بلغزند. به همین دلیل است که لاستیک بدون ولکانیز احساس چسبندگی می کند و در صورت کشیده شدن به طور دائم تغییر شکل می دهد. ولکانیزاسیون پل های گوگردی را که به عنوان پیوندهای متقاطع شناخته می شوند، بین زنجیره های پلیمری مجاور معرفی می کند. این پل ها زنجیره ها را در یک شبکه سه بعدی قفل می کنند. هنگامی که لاستیک کشیده می شود، زنجیرها صاف می شوند، اما پیوندهای متقاطع گوگردی پس از برداشته شدن نیرو، آنها را به جای خود باز می گرداند.
آنچه در سطح مولکولی تغییر می کند
- زنجیره های پلیمری منفرد به جای اینکه به سادگی با هم گره بخورند، از نظر شیمیایی به هم متصل می شوند.
- این ماده از حالت پلاستیکی و قابل قالب گیری به حالت کشسان و حفظ حافظه تغییر می کند.
- حلالیت در حلال های رایج به شدت کاهش می یابد زیرا شبکه دیگر نمی تواند از هم جدا شود.
- مقاومت در برابر اکسیداسیون و ترک خوردگی ازن به دلیل ساختار داخلی پایدارتر بهبود می یابد.
- رفتار انتقال شیشه تغییر می کند، به این معنی که لاستیک در یک پنجره دمای وسیع تر انعطاف پذیر می ماند.
- خزش، کشش دائمی آهسته تحت بار ثابت، به محض قفل شدن پیوندهای متقاطع در جای خود بسیار کاهش می یابد.
انواع سولفور کراس لینک
همه پل های گوگردی یکسان نیستند و نوع تشکیل شده تأثیر مستقیمی بر عملکرد دارد. پلهای تک سولفیدی حاوی یک اتم گوگرد است که دو زنجیره را به هم متصل میکند و پایدارترین پلها در برابر گرما و همچنین صلبترین آنها هستند. پل های دی سولفیدی و پلی سولفیدی حاوی دو یا چند اتم گوگرد در یک زنجیر هستند و به لاستیک انعطاف پذیری بیشتر و مقاومت در برابر خستگی بهتری می دهند، اگرچه نسبت به پیوندهای تک سولفیدی تا حدودی مقاومت حرارتی کمتری دارند. کامپوندرها نسبت شتابدهنده به گوگرد را مخصوصاً برای کنترل نوع پل تنظیم میکنند، زیرا دیواره جانبی تایر که میلیونها بار باید خم شود، نیازهای پل بسیار متفاوتی نسبت به یک جعبه باتری سفت دارد.
چگالی پیوند متقاطع و تأثیر آن بر خواص
تعداد پیوندهای متقاطع در واحد حجم لاستیک که به آن چگالی پیوند متقاطع گفته می شود، یکی از مهم ترین متغیرهایی است که یک کامپاندگر کنترل می کند. چگالی پایین اتصال متقابل باعث تولید لاستیک نرم و بسیار قابل انبساط با استحکام کششی کمتر می شود. چگالی اتصال متقاطع بالاتر باعث تولید لاستیک محکم تر با مدول بالاتر اما ازدیاد طول می شود. فراتر از یک نقطه خاص، افزودن پیوندهای عرضی بیشتر باعث توقف بهبود استحکام میشود و در عوض لاستیک را شکننده میکند، به همین دلیل است که هر فرمول به جای اینکه صرفاً آن را به حداکثر برساند، چگالی پیوند متقابل بهینه دارد.
چرا گوگرد در فرآیند ولکانیزاسیون مرکزی است؟
گوگرد همچنان پرمصرفترین عامل پخت در صنعت لاستیک است زیرا پیوندهای متقاطع قوی و انعطافپذیر را با هزینه قابل کنترل تشکیل میدهد. در طول حرارت دادن، اتم های گوگرد خود را در امتداد ستون فقرات پلیمری لاستیک می چسبانند و زنجیره های مجزا را به هم متصل می کنند. مقدار گوگرد استفاده شده مستقیماً میزان سختی یا نرمی محصول نهایی را کنترل می کند.
| محتوای گوگرد | مواد حاصل | استفاده معمولی |
|---|---|---|
| 0.5 تا 2 درصد | لاستیک نرم و بسیار انعطاف پذیر | نوارهای لاستیکی، واشر، لوله |
| 2 تا 8 درصد | لاستیک سفت و مقاوم در برابر سایش | آج لاستیک، تسمه نقاله، زیره کفش |
| 25 تا 35 درصد | مواد سفت و شکننده معروف به آبنیت | جعبه باتری، ساقه لوله، قالب گیری سخت |
گوگرد محلول در مقابل گوگرد نامحلول
فراتر از مقدار، شکل گوگرد نیز مهم است. ترکیبات لاستیکی معمولاً بین گوگرد نامحلول که در برابر شکوفه دادن به سطح قسمت نهایی مقاومت می کند و گوگرد محلول که سریعتر واکنش می دهد اما می تواند مهاجرت کند و در صورت مصرف بیش از حد یک لایه گرد و غباری ایجاد کند، انتخاب می کنند. گوگرد نامحلول به طور کلی برای بخش های ضخیم، دسته های اصلی که قبل از استفاده در انبار قرار می گیرند و محصولاتی که ظاهر سطح اهمیت دارد، مانند مهر و موم های قابل مشاهده یا کفش، ترجیح داده می شود. گوگرد محلول برای محصولات ساده و سریع که زمان نگهداری کوتاه است و کارایی هزینه در اولویت است همچنان محبوب است.
سیستم های اهداکننده گوگرد
برخی از فرمولاسیون ها از مواد شیمیایی دهنده گوگرد به جای یا در کنار گوگرد عنصری استفاده می کنند. این ترکیبات گوگرد را به تدریج در طول پخت آزاد می کنند و تمایل به تشکیل پل های تک سولفیدی کوتاه تر و پایدارتر در برابر حرارت دارند. سیستمهای اهداکننده گوگرد در محصولاتی که در معرض دمای بالا قرار میگیرند، مانند قطعات زیر کاپوت خودرو، رایج هستند، زیرا پیوندهای متقابل حاصل حتی پس از سالها چرخه حرارتی در برابر شکستن مقاومت میکنند.
نقش شتاب دهنده ها در ولکانیزاسیون مدرن
گوگرد به تنهایی به آهستگی با لاستیک واکنش نشان می دهد و عملیات ولکانیزاسیون اولیه می تواند چندین ساعت در گرمای زیاد طول بکشد که باعث هدر رفتن انرژی و تخریب پلیمر می شود. شتاب دهنده ها افزودنی های شیمیایی هستند که واکنش اتصال متقابل گوگرد را تسریع می کنند، زمان پخت را کوتاه می کنند و اجازه می دهند دمای پخت کمتری را بدون از دست دادن قدرت انجام دهند. یک ترکیب لاستیکی مدرن معمولی به دلیل این مواد افزودنی در عرض چند دقیقه به جای چند ساعت پخته می شود.
خانواده های شتاب دهنده مشترک
- تیازول ها برای سرعت درمان متعادل و مقاومت خوب در برابر پیری ارزش دارند.
- سولفنامیدها، معروف به اثر تاخیری هستند که به کارخانه ها زمان بیشتری برای شکل دادن به لاستیک قبل از شروع عمل آوری می دهد.
- تیورام ها که خیلی سریع درمان می شوند و اغلب در کنار مقادیر کمی گوگرد یا به عنوان تنها عامل پخت در برخی فرمولاسیون ها استفاده می شوند.
- دی تیوکاربامات ها، برای واکنش بسیار سریع در دماهای پایین تر، رایج در فرآیندهای غوطه وری لاتکس، ارزشمند هستند.
- گوانیدین ها معمولاً به عنوان شتاب دهنده های ثانویه برای تقویت فعالیت یک شتاب دهنده اولیه به جای کار به تنهایی استفاده می شوند.
چرا انتخاب شتاب دهنده مهم است
انتخاب یک شتاب دهنده به ندرت فقط به سرعت مربوط می شود. یک شتاب دهنده سولفنامید ممکن است برای یک تایر بزرگ انتخاب شود، زیرا شروع تاخیری آن به کارخانه یک پنجره پردازش ایمن را قبل از شروع به خشک شدن لاستیک می دهد و از سوختن در هنگام اختلاط و اکستروژن جلوگیری می کند. یک تیورام ممکن است برای یک دستکش نازک انتخاب شود زیرا عملکرد سریع آن برای خط تولید سریع و مداوم مناسب است. سیستم شتاب دهنده، تقریباً بیش از هر عنصر دیگری، تعیین می کند که یک کارخانه چگونه تجهیزات خود را برنامه ریزی می کند و قطعات تکمیل شده از یک شیفت به شیفت دیگر چقدر سازگار هستند.
فعال کننده ها: شیمی حمایت کننده
شتاب دهنده ها معمولاً با فعال کننده هایی مانند اکسید روی و اسید استئاریک جفت می شوند. یونهای روی به شتابدهنده و گوگرد کمک میکنند تا به یک کمپلکس فعال تبدیل شوند، که سپس با زنجیره لاستیکی بسیار مؤثرتر از گوگرد که به تنهایی کار میکند واکنش نشان میدهد. بدون این سیستم فعالکننده، حتی یک شتابدهنده سریع هم ضعیف عمل میکند و باعث میشود لاستیک پختهشده نرم، چسبنده یا ناسازگار باشد. اکسید روی معمولاً حدود 3 تا 5 درصد از یک ترکیب لاستیکی استاندارد را از نظر وزنی تشکیل می دهد و آن را به یکی از مهم ترین مواد غیر پلیمری در دستور غذا تبدیل می کند.
دوز شتاب دهنده و ایمنی سوختگی
هر سیستم شتاب دهنده یک زمان سوختن دارد، پنجره در حین اختلاط و شکل دادن قبل از پخت به طور جدی شروع می شود. اگر یک کارخانه خیلی کند کار کند و ترکیب داخل مخلوط کن یا اکسترودر سوخته شود، دسته خراب می شود و نمی توان آن را تغییر شکل داد. کامپوندرها دوز شتابدهنده را در برابر سرعت اختلاط، دمای محیط و زمان ماندن تجهیزات متعادل میکنند تا حاشیه ایمنی کافی را حفظ کنند و در عین حال پس از رسیدن لاستیک به قالب یا اجاق، همچنان به طور موثر عمل کنند.
لاستیک طبیعی ولکانیزه در مقابل لاستیک مصنوعی
همه لاستیک ها به یک شکل درمان نمی شوند. لاستیک طبیعی که به صورت لاتکس از درخت Hevea brasiliensis برداشت می شود، دارای یک ستون فقرات شیمیایی است که به راحتی با گوگرد واکنش نشان می دهد، به همین دلیل است که ولکانیزاسیون کلاسیک گوگرد در اطراف آن ایجاد شده است. لاستیک های مصنوعی که از مونومرهای مشتق شده از نفت تولید می شوند، از نظر نحوه واکنش آنها به پخت گوگرد بسیار متفاوت است.
لاستیک استایرن بوتادین
لاستیک استایرن بوتادین، یکی از رایجترین لاستیکهای مصنوعی مورد استفاده در آج لاستیکها، با گوگرد به روشی تقریباً مشابه با لاستیک طبیعی پخت میشود، اگرچه معمولاً برای رسیدن به حالت پخت معادل به نسبتهای شتاب دهنده کمی متفاوت نیاز دارد.
لاستیک نیتریل
لاستیک نیتریل که به دلیل مقاومت در برابر روغن و سوخت در شیلنگها و مهر و مومها انتخاب میشود، با سیستمهای گوگردی نیز پخت میشود، اما اغلب با مخلوطهای شتابدهنده خاص جفت میشود تا واکنش کندتر ناشی از محتوای آکریلونیتریل آن را خنثی کند.
لاستیک مونومر اتیلن پروپیلن داین
لاستیک مونومر اتیلن پروپیلن دی ان که به طور گسترده در آب بندی هوای خودرو و غشاهای سقف استفاده می شود، به دلیل مقاومت فوق العاده آن در برابر ازن و هوازدگی، دارای مکان های واکنش پذیر بسیار کمتری در امتداد ستون فقرات خود نسبت به لاستیک طبیعی است. برای دستیابی به نرخ درمان قابل اجرا، به بارهای شتاب دهنده بالاتر و سیستم های اهداکننده گوگرد با دقت انتخاب شده نیاز دارد.
سیلیکون و سایر الاستومرهای تخصصی
برخی از الاستومرهای ویژه، از جمله لاستیک سیلیکونی، به هیچ وجه از ولکانیزاسیون گوگرد استفاده نمی کنند. در عوض، آنها به پخت پراکسید یا پخت افزودنی کاتالیزور پلاتین متکی هستند، که به جای پل های گوگردی، اتصالات عرضی کربن به کربن را تشکیل می دهد. این سیستم های جایگزین به طور خاص وجود دارند زیرا ستون فقرات پلیمری خاص یا در برابر واکنش های گوگرد مقاومت می کنند یا نیاز به درمان مناسب برای درجه حرارت شدید یا شرایط خلوص درجه پزشکی دارند که در آن بقایای گوگرد نامطلوب است.
انواع روشهای ولکانیزاسیون مورد استفاده در صنعت
همه محصولات لاستیکی به یک شکل درمان نمی شوند. شکل، ضخامت و استفاده مورد نظر از قطعه تعیین می کند که کدام روش ولکانیزاسیون انتخاب شود.
ولکانیزاسیون هوای گرم
قطعات در داخل کوره با استفاده از هوای گرم در گردش، معمولاً بین 140 تا 220 درجه سانتیگراد پخت می شوند. این روش برای پروفیل های اکسترود شده و نوارهای لاستیکی پیوسته مناسب است که در آن گرمایش یکنواخت و همه جانبه مورد نیاز است. نصب با هوای داغ هزینه نسبتاً پایینی دارد اما می تواند کندتر از پخت با بخار یا پرس باشد زیرا هوا گرما را با کارایی کمتری نسبت به بخار یا تماس مستقیم فلز منتقل می کند.
ولکانیزاسیون بخار
بخار تحت فشار انتقال حرارت سریع و یکنواخت را فراهم می کند و به طور گسترده برای کالاهای قالب گیری شده مانند مهر و موم، چکمه و شلنگ صنعتی استفاده می شود. رطوبت همچنین به جلوگیری از تخلخل سطح در بخش های ضخیم تر کمک می کند. اتوکلاوهای مورد استفاده برای پخت با بخار معمولاً بین 2 تا 6 بار فشار دارند که دمای عمل آوری مؤثر را بسیار بالاتر از آنچه بخار اتمسفر به تنهایی می تواند به دست آورد، افزایش می دهد.
ولکانیزاسیون فشاری یا فشرده
قالبهای فلزی گرم شده، ترکیب لاستیکی را فشرده میکنند تا به شکل همزمان درآیند. این روش بر تولید تایر، تولید تسمه نقاله و کالاهای لاستیکی قالبگیری شده که ابعاد دقیق آن اهمیت دارد، غالب است. از آنجایی که قالب به خودی خود منبع گرما است، عمل آوری پرس دقت ابعادی و پرداخت سطح عالی را به همراه دارد، اگرچه هزینه های ابزارآلات بالاتر از روش های فر یا اتوکلاو است.
ولکانیزاسیون سرد
در این روش به جای گوگرد و گرما از عوامل شیمیایی مانند مونوکلرید گوگرد در دمای اتاق استفاده می شود. عمدتاً برای ورقه های لاستیکی نازک، وصله های تعمیر و کالاهای غوطه ور در جایی که تجهیزات گرمایشی غیرعملی است، اختصاص دارد. پخت سرد سریع است و نیازی به انرژی ورودی برای گرمایش ندارد، اما به طور کلی یک شبکه اتصال متقابل نازکتر و یکنواختتر از سیستمهای گوگرد پخت شده با حرارت ایجاد میکند.
پخت مایکروویو و فرکانس فوق العاده بالا
برای پروفیل های لاستیکی پیوسته مانند درزگیر درها و کانال های پنجره، پیش گرمایش با مایکروویو همراه با پخت هوای داغ در کارخانه های جدید رایج شده است. انرژی مایکروویو به جای اتکا به انتقال حرارت سطحی، ترکیب لاستیک را از داخل گرم می کند، که این امر باعث تسریع عمل آوری برای بخش های ضخیم پیوسته و کاهش طول خط فر مورد نیاز در کف کارخانه می شود.
ولکانیزاسیون قالب گیری تزریقی
در قالبگیری تزریقی، ترکیب خام حرارت داده میشود و مستقیماً به داخل یک حفره بسته و گرم شده قالب تحت فشار بالا منتقل میشود، جایی که تقریباً بلافاصله عمل میکند. این روش برای قطعات با حجم بالا و هندسه پیچیده مانند گیره های خودرو و مهر و موم های دقیق کوچک مناسب است و زمان چرخه سریع و حداقل ضایعات مواد را در مقایسه با قالب گیری فشرده ارائه می دهد.
تجهیزات و ماشین آلات ولکانیزاسیون
تجهیزات مورد استفاده برای ولکانیزه کردن لاستیک تأثیر مستقیمی بر زمان چرخه، هزینه انرژی و قوام محصول دارد.
تجهیزات اختلاط
قبل از شروع عمل آوری، گوگرد، شتاب دهنده ها، فعال کننده ها و پرکننده ها باید با استفاده از یک میکسر داخلی یا آسیاب دو رول به طور یکنواخت در لاستیک خام مخلوط شوند. اختلاط ضعیف منجر به درمان ناسازگار در سراسر یک قسمت می شود، زیرا پاکت های لاستیکی با شتاب دهنده خیلی کم خشک می شوند در حالی که جیب های اطراف با مقدار زیاد زود می سوزند.
پرس های کیورینگ
پرس های کیورینگ هیدرولیک هم گرما و هم فشار را از طریق صفحات گرم شده با بخار الکتریکی یا بخار اعمال می کنند. پرسهای مدرن مجهز به کنترلکنندههای قابل برنامهریزی هستند که دما و زمان را دقیقاً ردیابی میکنند، و بسیاری اکنون دادهها را بهطور خودکار برای قابلیت ردیابی با کیفیت در طول دورههای تولید بزرگ ثبت میکنند.
اتوکلاوها
اتوکلاوها 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.
رئومترها و ابزارهای نظارت بر درمان
یک رئومتر قالب متحرک، گشتاور یک نمونه لاستیکی را هنگام پخت در داخل یک محفظه کوچک گرم شده اندازه میگیرد و منحنی را ترسیم میکند که زمان سوختن، سرعت پخت و نقطه پخت بهینه را نشان میدهد. این تکه تجهیزات آزمایشگاهی تقریباً تمام تصمیمات مربوط به برنامه درمان را که در کف کارخانه گرفته میشود راهنمایی میکند، زیرا نشان میدهد که چگونه یک ترکیب خاص قبل از تولید یک قطعه با اندازه کامل رفتار میکند.
تفاوت لاستیک ولکانیزه با لاستیک خام
| اموال | لاستیک خام | لاستیک ولکانیزه |
|---|---|---|
| خاصیت ارتجاعی | محدود است، شکل را به طور کامل بازیابی نمی کند | بالا، پس از کشش به شکل اولیه باز می گردد |
| پایداری دما | نرم در گرما، شکننده در سرما | پایدار در طیف وسیعی از دما |
| مقاومت در برابر حلال | به راحتی حل می شود یا متورم می شود | کمتر متورم می شود، در برابر حل شدن مقاومت می کند |
| ماندگاری | در اثر اصطکاک سریع فرسوده می شود | در برابر سایش و خم شدن مکرر مقاومت می کند |
| بو و چسبندگی | سطح چسبنده، بوی خام قوی | سطح خشک و پایدار با کاهش بو |
| حافظه شکل | ضعیف، به طور دائم تحت بار کشیده می شود | قوی، حتی پس از فشرده سازی طولانی مدت بهبود می یابد |
ویژگی های کلیدی و داده های عملکرد
کامپوندرها لاستیک پخته شده را با استفاده از مجموعه ای از اندازه گیری های استاندارد توصیف می کنند که نحوه عملکرد یک قطعه در سرویس را پیش بینی می کند.
- استحکام کششی نشان میدهد که لاستیک چه مقدار نیروی کششی میتواند قبل از پارگی متحمل شود، که معمولاً در مگا پاسکال بیان میشود.
- ازدیاد طول در هنگام شکست اندازه گیری میزان کشش لاستیک قبل از شکست، اغلب چند صد درصد طول اولیه آن برای ترکیبات با هدف عمومی است.
- سختی، که در مقیاس Shore A اندازهگیری میشود، نشان میدهد که سطح چقدر محکم است، از مهر و مومهای نرم در حدود 30 Shore A تا غلتکهای صنعتی سفت بالای 90 Shore A.
- مجموعه فشردهسازی چگونگی برگشت فنر لاستیک را پس از فشرده شدن برای مدت طولانی توصیف میکند، این رقم برای واشرها و حلقههای O که برای سالها فشرده میمانند، بسیار مهم است.
- مقاومت در برابر پارگی نشان میدهد که لاستیک چقدر در برابر بریدگی یا بریدگی که تحت استرس به یک شکاف کامل تبدیل میشود، مقاومت میکند، که برای محصولاتی که لبههای تیز یا خمش مکرر نزدیک لبه را میبینند مهم است.
- مقاومت در برابر سایش پیش بینی می کند که چه مقدار ماده سطحی در اثر مالش مکرر از بین می رود، که یک رقم کلیدی برای ترکیبات پوشش تسمه نقاله و آج لاستیک است.
- مقاومت در برابر پیری حرارت، میزان استحکام کششی و ازدیاد طول از دست رفته پس از قرار گرفتن طولانی مدت در دمای بالا را ردیابی می کند و سال ها خدمات را در چند روز آزمایش آزمایشگاهی شبیه سازی می کند.
چگونه انتخاب های فرمولاسیون این اعداد را تغییر می دهند
این ارقام بسته به سطح گوگرد، نوع شتابدهنده، محتوای پرکننده و زمانبندی درمان تغییر میکنند، به همین دلیل است که دو قطعه لاستیکی که به نظر یکسان هستند میتوانند در شرایط دنیای واقعی بسیار متفاوت عمل کنند. یک ترکیب آج لاستیک که با کربن سیاه بارگیری شده و تا چگالی اتصال متقابل متوسط خاموش شده است، مقاومت سایشی بالا اما کشیدگی متوسط را نشان می دهد، در حالی که یک ترکیب دستکش نرم که با شتاب دهنده سریع و محتوای گوگرد کم عمل می کند، ازدیاد طول بسیار بالا اما مقاومت پارگی نسبتاً پایینی را نشان می دهد. انتخاب تعادل مناسب از این خواص برای یک کاربرد معین، مهارت اصلی یک ترکیب کننده لاستیک است.
محدوده املاک معمولی بر اساس نوع محصول
| نوع محصول | سختی معمولی (ساحل A) | ازدیاد طول معمولی در زمان شکست |
|---|---|---|
| آب بندی حلقه های O | 60 تا 80 | 150 تا 300 درصد |
| ترکیب آج لاستیک | 55 تا 70 | 300 تا 500 درصد |
| سولینگ کفش | 45 تا 65 | 400 تا 600 درصد |
| غلتک های صنعتی | 80 تا 95 | 100 تا 250 درصد |
کاربردهای رایج لاستیک ولکانیزه
خواص به دست آمده از طریق ولکانیزاسیون توضیح می دهد که چرا این ماده در بسیاری از صنایع ظاهر می شود.
خودرو و حمل و نقل
لاستیکها، پایههای موتور، مهر و موم آب و هوا و لرزشگیرها همگی به مقاومت در برابر خستگی و انعطافپذیری که ولکانیزاسیون ایجاد میکند بستگی دارد. یک تایر خودروی سواری به تنهایی می تواند میلیون ها بار در طول عمر خود بدون از دست دادن شکل خود خم شود، و یک لاشه معمولی تایر ترکیبی از چندین ترکیب مختلف لاستیکی پخته شده با گوگرد متصل به لایه های تقویت کننده فولاد و پارچه است.
قطعات صنعتی و مکانیکی
تسمههای نقاله، تسمههای محرک، شیلنگها و غلتکها برای کنترل اصطکاک، فشار و نوسانات دما در کف کارخانهها به لاستیک ولکانیز شده متکی هستند. برای مثال، تسمههای نقاله معدن، باید در برابر سایش سایشی ثابت از سنگ معدن و سنگ مقاومت کنند و در عین حال به اندازه کافی انعطافپذیر باشند تا سالها به طور مداوم روی غلتکها حرکت کنند.
کالاهای مصرفی
کف کفش، کالاهای ورزشی و مهر و موم های خانگی از لاستیک ولکانیزه برای چسبندگی، راحتی و مقاومت در برابر خمش مکرر استفاده می کنند. توپهای ورزشی، دستگیرههای تجهیزات ورزشی، و نوارهای الاستیک، همگی به همان شیمی پیوند متقابل متکی هستند که برای اهداف سختی و کشیدگی بسیار متفاوت تنظیم شدهاند.
ساخت و ساز و زیرساخت
یاتاقان های پل، درزهای انبساط و غشاهای ضد آب از بخش های لاستیکی ولکانیزه ضخیم استفاده می کنند که برای دهه ها قرار گرفتن در فضای باز مهندسی شده اند. این قطعات با توجه بیشتر به مقاومت در برابر ازن و اشعه ماوراء بنفش فرموله شده اند، زیرا نمی توان آنها را به راحتی مانند یک محصول مصرفی کوچکتر جایگزین کرد.
تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی
لولهها، درپوشها و مهر و مومهای انعطافپذیر که در محیطهای پزشکی و آزمایشگاهی مورد استفاده قرار میگیرند، اغلب به لاستیک ولکانیزه شده متکی هستند که برای بی اثری شیمیایی و انعطافپذیری ثابت فرموله شده است، زیرا سختی ناسازگار در یک درپوش یا لوله میتواند نمونه مهر و موم شده یا خط سیال را به خطر بیندازد.
برنامه های کاربردی دریایی و دریایی
سیستمهای گلگیر در اسکلهها، کوپلینگهای شلنگ روی سکوهای دریایی، و مهر و مومها روی تجهیزات زیر آب به لاستیک جوشخوردهای وابسته هستند که میتواند در برابر قرار گرفتن در معرض دائمی آب شور، چرخه فشار، و بارگذاری ضربهای بدون از دست دادن خاصیت ارتجاعی خود مقاومت کند.
ملاحظات دما و زمان ولکانیزاسیون
دما و زمان درمان مستقیماً به هم مرتبط هستند. دماهای بالاتر زمان پخت را کوتاه میکند، اما میتواند خطر بازگشت را به همراه داشته باشد، شرایطی که در آن اتصالات متقابل گوگرد در اثر گرمای بیش از حد شروع به شکستن میکنند و لاستیک را نرمتر و ضعیفتر از حد مورد نظر میگذارند. دمای معمولی پخت گوگرد بین 140 تا 190 درجه سانتیگراد کاهش می یابد، با زمان پخت از چند دقیقه برای کالاهای نازک فرو رفته تا بیش از یک ساعت برای بلوک های قالب گیری ضخیم.
خواندن منحنی درمان
کارخانهها از رئومتر برای ترسیم چگونگی پخت یک ترکیب در طول زمان استفاده میکنند و نقطه پخت بهینه را شناسایی میکنند که در آن چگالی پیوند متقاطع قبل از شروع بازگشت به اوج خود میرسد. پخت از این نقطه انرژی را هدر میدهد و میتواند قسمت نهایی را تضعیف کند، در حالی که پخت قبل از این نقطه باعث میشود لاستیک خشک نشده و مستعد تغییر شکل دائمی شود. نمودار حاصل معمولاً از یک گشتاور شروع کم، از طریق یک افزایش تند با شتاب گرفتن اتصال متقابل بالا می رود، و سپس یا فلات یا، برای ترکیبات مستعد برگشت، کمی پس از اوج کاهش می یابد.
تنظیم برنامه درمان برای مقاطع ضخیم
قطعات لاستیکی ضخیم نیاز به توجه ویژه ای دارند زیرا گرما برای انتقال از سطح به مرکز زمان می برد. یک برنامه درمان که صرفاً برای دمای سطح تنظیم شده است، میتواند مرکز هندسی یک بلوک ضخیم را حتی پس از اینکه سطح کاملاً پخته به نظر میرسد، به طور قابلتوجهی کمتر خشک شود. مهندسان معمولاً از ترموکوپلهای تعبیهشده در مرکز قطعات نمونه اولیه ضخیم استفاده میکنند تا تأیید کنند که هسته برای مدت زمان کافی قبل از نهایی کردن برنامه پخت تولید به دمای لازم میرسد.
کنترل کیفیت و روش های تست
ولکانیزاسیون مداوم به آزمایش در هر مرحله بستگی دارد، نه فقط بررسی بصری قسمت تمام شده.
تست فیزیکی
آزمایش کشش استاندارد یک نمونه لاستیکی دمبلی شکل را می کشد تا زمانی که بشکند و مقاومت کششی و کشیدگی را ثبت می کند. تست سختی از یک طول سنج فشار داده شده روی سطح لاستیکی برای ثبت قرائت Shore A یا Shore D استفاده می کند. آزمایش مجموعه فشردهسازی، نمونه را برای مدت زمان ثابتی در دمای ثابت فشرده میکند، سپس اندازهگیری میکند که پس از رها شدن، چه مقدار از فنر برگشتی بازمیگردد.
تأیید وضعیت درمان
فراتر از منحنی رئومتر که قبل از تولید گرفته شده است، کارخانهها اغلب برشهای مقطعی را از قطعات تمامشده میبرند تا از نظر پخت ناهموار، حفرهها یا تخلخلهایی که در صورت تداخل هوای به دام افتاده یا رطوبت در عملآوری ایجاد میشود، بررسی کنند. آزمایشهای تورم، که در آن یک نمونه لاستیکی کوچک در یک حلال خیس میشود و افزایش حجم آن اندازهگیری میشود، یک نشانه غیرمستقیم اما قابل اعتماد از چگالی اتصال متقاطع ارائه میدهد.
شبیه سازی محیط زیست و پیری
محفظههای پیری تسریعشده، نمونههای لاستیک را در معرض حرارت بالا، ازن، یا اشعه ماوراء بنفش برای مدت زمان معینی قرار میدهند تا پیشبینی کنند که این ماده پس از سالها قرار گرفتن در معرض دنیای واقعی چگونه عمل میکند. قطعهای که ترکخوردگی بیش از حد یا افت شدید در استحکام کششی را پس از پیری سریع نشان میدهد، قبل از اینکه به تولید در مقیاس کامل برسد، علامتگذاری میشود.
عوامل هزینه و کارایی در ولکانیزاسیون
ولکانیزاسیون فقط یک تصمیم شیمیایی نیست، بلکه یک تصمیم اقتصادی نیز هست. زمان پخت مستقیماً تعیین میکند که یک پرس یا خط فر میتواند در هر شیفت چند قطعه تولید کند، بنابراین اصلاح حتی چند ثانیه بعد از چرخه پخت با حجم بالا میتواند به صرفهجویی معنادار در هزینه در طول یک سال کامل تولید تبدیل شود.
مصرف انرژی
گرم کردن پرس های پخت بزرگ، اتوکلاوها یا اجاق ها انرژی قابل توجهی مصرف می کند، به ویژه برای قطعات صنعتی ضخیم که به زمان پخت طولانی نیاز دارند. سیستمهای شتابدهنده سریعتر و برنامههای درمان بهینه، هم هزینه انرژی مستقیم و هم فرسودگی تجهیزات مرتبط با چرخههای طولانی و دمای بالا را کاهش میدهند.
بهره وری مواد
سوختن در حین اختلاط یا شکل دادن یک دسته کامل از لاستیک مرکب را از بین می برد، زیرا یک توده نیمه پخته شده به طور کلی نمی تواند دوباره کار شود. انتخاب دقیق شتاب دهنده و کنترل فرآیند، نرخ ضایعات را کاهش می دهد، که در مقیاس بیشتر از آن چیزی است که ممکن است در یک دسته کوچک به نظر برسد.
سرمایه گذاری ابزارآلات و تجهیزات
قالبگیری فشردهسازی و تزریقی به ابزار دقیق فلزی نیاز دارد که نشاندهنده هزینه اولیه قابل توجهی است، در حالی که پخت با هوای گرم و پخت اتوکلاو به ابزارهای تخصصی کمتری نیاز دارد، اما اغلب چرخههای آهستهتری دارند. تولیدکنندگان هنگام انتخاب روش ولکانیزاسیون مناسب برای خط تولید جدید، حجم تولید را در مقابل هزینه ابزار اندازه گیری می کنند.
مشکلات رایج و نحوه اجتناب از آنها
سولفور بلوم
گوگرد اضافی که واکنش نشان نداده است می تواند به سطح مهاجرت کند و یک لایه گچی باقی بماند. این با استفاده از گریدهای نامحلول گوگرد و نگه داشتن بار گوگرد در سطحی که ترکیب می تواند به طور کامل در طول پخت به خود جذب کند، کاهش می یابد.
سوزاننده
پخت زودرس در هنگام اختلاط یا ذخیره سازی که به عنوان سوختگی شناخته می شود، دسته را حتی قبل از اینکه به قالب برسد خراب می کند. شتاب دهنده های تاخیری و دمای اختلاط کنترل شده به جلوگیری از این امر کمک می کند.
بازگشت
گرمای بیش از حد در حین پخت می تواند پیوندهای متقاطع را پس از تشکیل شکسته و لاستیک را نرم کند. کنترل دقیق دما و زمان پخت، با هدایت دادههای رئومتر، این موضوع را کنترل میکند.
درمان ناهموار در مقاطع ضخیم
گرما برای رسیدن به مرکز قطعات لاستیکی ضخیم بیشتر طول می کشد، که می تواند در حالی که سطح کاملاً پخته شده است، هسته را تحت عمل قرار دهد. گرمایش مرحلهای و طراحی قالب تنظیم شده به این امر کمک میکند.
تخلخل و گاز به دام افتاده
رطوبت یا هوای محبوس شده در ترکیب می تواند در حین گرم شدن منبسط شود و حفره های کوچکی در داخل قسمت پخته شده ایجاد کند و در داخل آن را ضعیف کند حتی اگر سطح قابل قبول به نظر برسد. اختلاط مناسب تحت خلاء یا هواگیری کنترل شده در طول قالب گیری این خطر را کاهش می دهد.
رسوب قالب
تجمع باقی مانده در داخل یک قالب پخت در چرخه های مکرر می تواند باعث ایجاد نقص در سطح و چسبیدن قطعات بعدی شود. برنامه های منظم تمیز کردن قالب و استفاده از عوامل آزاد کننده داخلی یا خارجی به حفظ کیفیت قطعه در طول دوره های طولانی تولید کمک می کند.
ملاحظات پایداری و پایان زندگی
از آنجا که اتصالات متقابل گوگرد از نظر شیمیایی دائمی هستند، لاستیک ولکانیزه شده را نمی توان به سادگی دوباره ذوب کرد و به روشی که ترموپلاستیک می تواند اصلاح کرد. این امر، پایان عمر را به یک چالش مهندسی و زیست محیطی واقعی برای صنعتی تبدیل می کند که سالانه ده ها میلیون تن کالاهای لاستیکی پخته شده تولید می کند.
رویکردهای بازیافت
متداولترین مسیر بازیافت، از لاستیک استفاده میشود، که به وضوح از لاستیکهای قدیمی استفاده میشود. این ماده حیات دومی در روکش زمین بازی، مسیرهای دویدن، آسفالت لاستیکی، و تشک های قالبی می یابد، جایی که ساختار پیوند متقابل اصلی به جای اینکه در سطح شیمیایی معکوس شود، به سادگی به ذرات کوچکتر شکسته می شود.
ولکان زدایی
فرآیندهای پیشرفته تر، با استفاده از گرما، برش مکانیکی، مایکروویو یا عوامل شیمیایی برای شکستن انتخابی پیوندهای متقابل گوگرد در حالی که ستون فقرات پلیمری زیرین را تا حد زیادی دست نخورده باقی میگذارند، ولکانیزاسیون واقعی را انجام میدهند. لاستیک ولکانیز شده حاصل را می توان دوباره با ترکیبات جدید ترکیب کرد، اگرچه معمولاً نمی تواند به طور کامل جایگزین لاستیک بکر در کاربردهای با کارایی بالا مانند آج تایر بدون کاهش قابل اندازه گیری خواص شود.
بازیابی انرژی
در جاهایی که بازیافت مکانیکی عملی نیست، لاستیک ولکانیز شده استفاده میشود که معمولاً لاستیکهای ضایعاتی است، گاهی اوقات به عنوان منبع سوخت در کورههای سیمان و سایر فرآیندهای صنعتی با دمای بالا پردازش میشود و ارزش انرژی را از موادی که در غیر این صورت به محل دفن زباله میرفت بازیابی میکند.
انتخاب ترکیب لاستیکی ولکانیزه مناسب
انتخاب یک ترکیب برای یک کاربرد جدید به جای بهینهسازی یک ویژگی مجزا، شامل وزن کردن چندین متغیر با یکدیگر است.
- محدوده دمای عملیاتی قطعه تمام شده به طور منظم در سرویس تجربه می کند.
- قرار گرفتن در معرض روغنها، سوختها، حلالها یا ازن که میتواند یک نوع لاستیکی نامناسب را در طول زمان تخریب کند.
- سختی و انعطاف پذیری مورد نیاز برای عملکرد مکانیکی که قطعه باید انجام دهد.
- طول عمر مورد انتظار و میزان از دست دادن دارایی از طریق کهنه شدن قبل از جایگزینی قابل تحمل است.
- حجم تولید، که بر اینکه آیا قالبگیری فشاری، قالبگیری تزریقی یا پخت اکستروژن پیوسته تأثیر میگذارد، منطقیتر اقتصادی است.
مهندسان و ترکیبکنندگان معمولاً از طریق این عوامل با هم کار میکنند، اغلب از یک پلیمر پایه شناختهشده مانند لاستیک طبیعی، لاستیک استایرن بوتادین، لاستیک نیتریل، یا لاستیک مونومر اتیلن پروپیلن دی ان شروع میکنند، سپس سطح گوگرد، بسته شتابدهنده و سیستم پرکننده را تا زمانی که خواص پخت با الزامات کاربرد مشخصشده در بالا مطابقت داشته باشد، تنظیم میکنند.
سوالات متداول
آیا لاستیک ولکانیزه شده مانند لاستیک طبیعی است
خیر. لاستیک طبیعی ماده خامی است که از درختان لاستیک برداشت می شود. لاستیک ولکانیز شده همان لاستیک خام یا معادل مصنوعی است که پس از عملیات شیمیایی با گوگرد و حرارت برای به دست آوردن خاصیت ارتجاعی و ماندگاری انجام می شود.
آیا می توان لاستیک ولکانیزه شده را بازیافت کرد
پس از پخت، اتصالات متقاطع گوگرد باعث می شود لاستیک ذوب مجدد یا تغییر شکل مانند پلاستیک دشوار شود. بازیافت معمولاً شامل آسیاب کردن آن به لاستیک خردهای برای استفاده در کفپوش، زمینهای بازی و افزودنیهای آسفالت یا فرآیندهای ولکانیزاسیون است که تا حدی پیوندهای متقابل را برای استفاده مجدد میشکنند.
چرا بوی لاستیک ولکانیزه شده با لاستیک خام متفاوت است؟
واکنش گوگرد، همراه با شتاب دهنده ها و سایر افزودنی های مورد استفاده در طول ترکیب، شیمی سطح مواد را تغییر می دهد، که بوی قوی لاتکس معمولی لاستیک خام و فرآوری نشده را کاهش می دهد.
فرآیند ولکانیزاسیون چقدر طول می کشد؟
زمان پخت بسته به ضخامت قطعه، دما و سیستم شتابدهنده مورد استفاده متفاوت است، از کمتر از یک دقیقه برای محصولات لاتکس نازک تا بیش از یک ساعت برای بلوکهای صنعتی قالبگیری شده بزرگ.
آیا گوگرد بیشتر همیشه به معنای لاستیک قوی تر است؟
نه لزوما. سطوح کم گوگرد لاستیک نرم و بسیار الاستیک تولید می کند، سطوح متوسط لاستیک سخت و مقاوم در برابر سایش را تولید می کند و سطوح بسیار بالای گوگرد ماده ای سخت و شکننده به نام آبنیت تولید می کند. مقدار مناسب کاملاً به استفاده مورد نظر از قطعه تمام شده بستگی دارد.
آیا برای هر محصول لاستیکی ولکانیزه شتاب دهنده مورد نیاز است؟
بیشتر ترکیبات مدرن از شتاب دهنده استفاده می کنند زیرا زمان پخت را کوتاه می کنند، هزینه انرژی را کاهش می دهند و قوام را بهبود می بخشند. برخی از درمانهای آهسته و تخصصی هنوز به تنهایی به گوگرد متکی هستند، اما این در تولید در مقیاس بزرگ بسیار کمتر رایج است.
چه اتفاقی می افتد اگر لاستیک کمتر پخته یا بیش از حد پخته شود
لاستیک خشک شده نرم، چسبنده و مستعد کشش دائمی است، در حالی که لاستیک بیش از حد خشک شده می تواند شکننده شود یا در موارد برگشت، به طور غیرمنتظره ای به دلیل خرابی پیوند متقابل نرم شود. هر دو شرایط عمر مفید قطعه تمام شده را کوتاه می کند.
آیا همه لاستیک ها برای ولکانیزاسیون به گوگرد نیاز دارند؟
خیر. برخی از الاستومرهای ویژه مانند لاستیک سیلیکونی به جای گوگرد از طریق سیستم های کاتالیزور پراکسید یا پلاتین پخته می شوند و انواع مختلفی از پیوندهای متقابل را تشکیل می دهند که مناسب ساختار پلیمری خاص خود هستند.
چرا برخی از قطعات لاستیکی حتی از همان پلیمر پایه سخت تر از سایرین احساس می کنند؟
سختی در قسمت نهایی عمدتاً از سطح گوگرد، چگالی پیوند متقاطع و بارگذاری پرکننده مورد استفاده در ترکیب خاص ناشی میشود، نه از پلیمر پایه به تنهایی. دو محصول ساخته شده از لاستیک شروع یکسان می توانند بسته به نحوه فرمولاسیون و پخت، سختی بسیار متفاوتی داشته باشند.
چگونه می توانم بفهمم که یک محصول لاستیکی به درستی ولکانیزه شده است؟
لاستیک که به درستی ولکانیزه شده است باید به جای چسبندگی احساس خشکی داشته باشد، پس از کشیده شدن یا فشرده شدن به سرعت به شکل اولیه خود بازگردد و بوی خام لاستیک باقی بماند. سختی ناسازگار در همان قسمت یا سطحی که در شرایط عادی چسبنده می ماند می تواند نشان دهنده یک درمان ناقص یا ناهموار باشد.
