Технические способы вулканизации резиновых изделий

Вулканизация является заключительным процессом при производстве разнообразных резиновых изделий. В процессе вулканизации уменьшается пластичность резиновых смесей и постепенно увеличивается эластичность вулканизата, улучшаются его физико-механические свойства, сильно возрастают прочность при растяжении, относительное удлинение, морозостойкость, теплостойкость, электрическое сопротивление, снижается способность вулканизатов набухать в органических растворителях и т.д. Для того чтобы свулканизировать сырые резиновые смеси, необходимо повысить их температуру до определенного значения и выдержать изделие при этой температуре в течение времени, достаточного для получения вулканизата с оптимальными техническими свойствами. Продолжительность нагревания при определенной температуре до оптимальной степени структурирования зависит от состава резиновой смеси. Быстрый прогрев заготовки до определенной степени структурирования зависит от состава резиновой смеси. Быстрый прогрев заготовки до определенной постоянной температуры возможен при ее очень малой толщине (до 1,5 мм). При вулканизации толстостенных изделий процесс проходит при непрерывном возрастании температуры во внутренних слоях, так как их прогрев, ввиду малой теплопроводности резиновой смеси, протекает медленно.

Характеристика теплоносителей

Наиболее часто вулканизацию формованных (или сборных) заготовок проводят в среде теплоносителя с постоянной температурой. Наиболее широко в качестве теплоносителей в резиновой промышленности используют насыщенный водяной пар, горячий воздух, перегретую воду под давлением, расплавы солей, твердые материалы, находящиеся в псевдоожиженном состоянии, и некоторые другие теплоносители.

Насыщенный водяной пар является одним из наиболее эффективных теплоносителей. Недостатком насыщенного водяного пара является невозможность существенно повышения температуры без повышения давления.

Отдача тепла горячим воздухом и перегретой водой происходит за счет снижения температуры теплоносителя. Чтобы сохранить их постоянными, необходимо создать эффективную принудительную циркуляцию перегретой воды и горячего воздуха путем установки специальных насосов для перегретой воды и вентиляторов для горячего воздуха. Перегретый пар в процессе теплообмена подобен горячему воздуха, если не охлаждается до температуры насыщения.

Вследствие небольших значений коэффициента теплоотдачи и количества переносимого тепла, горячий воздух является малоэффективным теплоносителем.

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.

Выбор режима 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.

Вулканизация в автоклавах

Вулканизацию резиновых изделий в паровой воздушной или в паро-воздушной средах обычно проводят в автоклавах под давлением. В некоторых случаях вулканизацию в автоклавах осуществляют в горячей (перегретой) воде, в среде азота или других газов. Наибольшее распространение получил способ вулканизации в паровой среде, как более дешевый и безопасный, при котором можно сравнительно легко управлять процессом.

Процесс вулканизации в автоклавах является периодическим и в тепловом отношении нестационарным. Обычно он включает несколько последовательных операций:

- загрузку аппарата и закрытие крышки4

- повышение давления и температуры в автоклаве (монотонное или ступенчатое);

- выдержку резиновых изделий при постоянной температуре;

- снижение давления в автоклаве;

- открытие крышки и разгрузку аппарата.

В некоторых случаях изделия охлаждают а автоклавах (до выгрузки).

Шприцованные и некоторые конфекционные изделия, обладающие достаточной каркасностью и не изменяющие свою форму в начальный период нагревания, когда процесс структурирования еще не начался, вулканизируют открытым способом. По этому способу можно вулканизировать изделия сложной конфигурации, собранные на колодках, формах или других основаниях (перчатки, клееную нелакированную обувь, рукава и другие изделия).

Для сохранения формы изделия, деформирующиеся в начальный период вулканизации под действием собственной тяжести (тонкостенные трубки), вулканизируют на противнях в слое талька.

При контакте изделий с влагой изменение их цвета, появление пятен и образование пор. Некоторые изделия перед вулканизацией обматывают полосами ткани, в редких случаях – прорезиненной тканью или даже тонкой резиновой пластиной (викелевка). Обмотка изделий производится с целью защиты их от непосредственного действия пара и главным образом предотвращения изменения формы изделия в начальный период вулканизации, когда резиновая смесь начинает размягчаться при нагревании. Кроме того, при обмотке изделие уплотняется.

Обычно в среде вакуума вулканизируют цветные резиновые изделия, изделия с ворсовой тканью и некоторые другие. Для проведения нормальной вулканизации в воздушной среде желательно применять активные ускорители, особенно выделяющие серу (тиурам, полисульфиды или смесь тиурама с производными тиазолов). Вулканизацию в среде горячего воздуха без давления проводят в различных термостатах, туннельных вулканизаторах и других аппаратах.

Вулканизация в прессах (формования вулканизация)

Для изготовления резиновых изделий сложной конфигурации с высокой плотностью и большой точностью широко используют формовой способ вулканизации в прессах. При этом способе вулканизации одновременно сочетают два процесса – формование методом компрессионного прессования (запрессовки) резиновой смеси в специальные пресс-формы (рис. 3) и последующую вулканизацию под давлением.

Рис. 3. Схема прессования при формовой вулканизации: 1, 3 – верхняя и нижняя полуформа; 2 - заготовка

Заполнение пресс-формы резиновой смесью происходит под давлением благодаря вязкотекучим свойствам смеси. Для улучшения текучести смесей их подогревают; резиновые смеси запрессовывать в нагретую форму. При этом следует учитывать, что в процессе прессования подвулканизация резиновой смеси не должна происходить до момента полного растекания смеси (до заполнения формы).

Для вулканизации изделий в прессах под давлением применяют формы одноместные, а для мелких изделий многоместные. Размеры форм определяют по максимальному использованию поверхности их нагрева, а для удобства обращения с ними – по массе.

Для получения изделий высокого качества при вулканизации в формах необходимо поддерживать постоянный режим давления в прессе и температуры на поверхности плит.

Для получения изделий высокого качества в пресс-форму помещают заготовки резиновой смеси, выполненные таким образом, чтобы они не препятствовали вытеснению воздуха из полости формы при прессовании. Масса заготовок для обеспечения плотного заполнения формы должна быть на 3-8% больше массы получаемого готового изделия. В конструкции пресс-форм предусмотрены специальные канавки и пазы для вытеснения избытка резиновой смеси после заполнения полости формы. Для сложных резинотканевых и резинометаллических изделий заготовки включают текстильные элементы или металлическую арматуру. Сложные заготовки для сборных изделий, состоящих из нескольких деталей, по конфигурации должны быть близки к форме изделия. Если прессование совмещается с вулканизацией, заготовки помещают в нагретые формы, которые затем располагают на нагревательных плитах и прессуют.

Для улучшения заполнения объема пресс-формы при прессовании проводят повторные прессовки (подпрессовки), т.е. пресс слегка раскрывают, а затем снова сближают плиты. При подпрессовки из полости формы удаляют воздух, образовавшиеся летучие продукты и избыток резиновой смеси, что способствует улучшению качества изделий.

Для облегчения растекания смеси в форме во время прессования, а также для предотвращения при вулканизации изделия к форме, перед закладкой заготовок внутренние поверхности пресс-форм смазывают растворами или эмульсиями антиадгезиивов (растворы мыла, эмульсии силаксановых жидкостей и др.).

Для получения изделий точных размеров при конструировании форм необходимо учитывать степень усадки вулканизатов.

Полученные формовой вулканизацией изделия имеют на поверхности дефекты в виде заусенец и выпрессовок (облоя), появляющихся в местах разъема пресс-форм в результате несоответствия объема заготовки и полости формы и конструктивных недостатков форм.

Недостатками формовой вулканизации являются:

- высокая трудоемкость процесса;

- необходимость применения заготовок, масса которых превышает массу готового изделия, а следовательно, и вулканизационных отходов (выпрессовок);

- неравномерность вулканизации толстостенных изделий;

- необходимость дополнительной отделки изделий (обрезание заусенцев и выпрессовок).

Многие из этих недостатков становится возможным устранить при изготовлении резиновых изделий методом литья под давлением.

Вулканизация плоских длинномерных изделий.

Плоские изделия большой длины; транспортные ленты небольшой толщины, плоские приводные ремни, пластины, ковры, резиновый линолеум, некоторые прорезиненные ткани можно вулканизировать на барабанных вулканизаторах непрерывного действия. Вулканизация изделий производится на обогреваемом барабане.

Современные барабанные вулканизаторы позволяют проводить вулканизацию тонких плоских изделий со скоростью до 150 м/час. На барабанных вулканизаторах, имеющих на поверхности барабана специальные канавки, можно вулканизировать клиновые ремни.

Прорезиненные ткани с тонким слоем резиновой смеси, нанесенным на клеепромазочной машине, можно вулканизировать на барабанных вулканизаторах без прижимной ленты.

Прорезиненные ткани иногда вулканизируют в роликовых вулканизационных камерах, состоящих из двух или трех смежных камер, обогреваемых горячим воздухом. В первой камере меньшей длины происходит нагрев ткани до температуры вулканизации, что особенно необходимо для дублированных тканей, имеющих большую толщину при плохой теплопроводности резины и ткани. Во второй камере прорезиненную ткань вулканизируют при заданной температуре, а продолжительность нахождения ее в камере автоматически регулируют изменением скорости движения ткани. В третьей камере происходит охлаждение ткани перед свертыванием ее в рулон.

Непрерывная вулканизация шприцованных длинномерных резиновых изделий

При использовании непрерывных процессов шприцевания и вулканизации для изготовления длинномерных резиновых уплотнителей исключается необходимость межоперационного хранения и транспортирования полуфабрикатов между стадиями, становится возможным более экономно использовать тепловую энергию, исключить применение опудривающих материалов, а, следовательно, улучшить санитарные условия труда, а также внешний вид изделий.

Большинство непрерывных процессов осуществляется при атмосферном давлении. Для предотвращения порообразования в резинах при вулканизации резиновые смеси в процессе шприцевании подвергают вакуумированию в червячных машинах с вакуум-отсосом, кроме того в их состав вводят компоненты, химически связывающие влагу (расплавы солей - тонкодисперсный оксид кальция). Для проведения непрерывной вулканизации необходимо применять теплоносители, обеспечивающие эффективную теплоотдачу при повышенной температуре.

Существенным недостатком вулканизации в расплавах солей является деформация тонкостенных и полых профилей. Предотвратить искажение профилей можно при вулканизации шприцованных профилей в установках, в которых в качестве теплоносителя применяют взвешенные в нагретом воздушном потоке стеклянные шарики диаметром 0,15 – 0,25 мм или кварцевый песок с частицами размером 0,2-0,3 мм. Твердые частицы поддерживаются во взвешенном состоянии горячим воздухом, продуваемым с определенной скоростью через решетку.

В псевдоожиженном слое можно вулканизовать полые профили сложной конфигурации, а также получить пористые профили. Как греющие среду псевдоожиженный слой можно использовать в широком температурном интервале – практически до 250-300 ºС. Для предотвращения налипания частиц взвешенного теплоносителя на вулканизируемое изделий, заготовку после шприцевания обрабатывают антиадгезивом (например, суспензией талька).