Vulkaniseret gummi Betydning: Hvordan svovltværbinding ændrer rågummi

Vulkaniseret gummi er rågummi, der er blevet kemisk tværbundet, normalt med svovl og varme, så dets lange polymerkæder er bundet sammen til et tredimensionelt netværk. Det er hele meningen i én sætning. Alt andet knyttet til sætningen - svovlen, varmen, hærdningspresserne, lugten af ​​et fabriksgulv - eksisterer for at frembringe den enkelte strukturelle ændring.

Den praktiske konsekvens er let at se. Et gummibånd vender tilbage til sin oprindelige form i stedet for at hænge. Et dækmønster overlever tusindvis af kilometers slid. En O-ring tætner stadig efter år i et varmt motorrum. Ingen af ​​disse adfærd findes i råmaterialet. De vises kun efter tværbinding.

Hvis du køber sammensatte ingredienser, specificerer en hærdningspresse eller forsøger at finde ud af, hvorfor en batch af forseglinger blev sprøde, betyder definitionen mindre, end hvad den antyder for tallene på dit procesark. Det er der, resten af ​​denne artikel går.

Hvad ordet vulkaniseret faktisk betyder

Udtrykket stammer fra Vulcan, den romerske ildgud, og det blev anvendt på gummi i 1840'erne, da Charles Goodyear opdagede, at opvarmning af rågummi med svovl forvandlede det fra et klæbrigt, temperaturfølsomt gummi til et stabilt elastisk fast stof. Navnet holdt fast, selvom der ikke er en ildgud involveret, og selvom moderne produktion bruger mange tværbindende kemier, der slet ikke indeholder svovl.

Kemisk er vulkanisering en tværbindingsreaktion. Rå naturgummi er en kæde af isoprenenheder, typisk titusindvis af dem, med en dobbeltbinding tilgængelig omkring hvert femte kulstofatom. Under hærdning reagerer svovl ved nogle af disse dobbeltbindinger og danner korte broer mellem nabokæder. En typisk svovlbro er kun et til otte svovlatomer lang, mens selve kæderne er enormt lange. En tværbinding for hvert par hundrede kulstofatomer er nok til at ændre materialet fuldstændigt.

To ting er værd at adskille her. Vulkanisering er ikke en belægning, og det er ikke simpel blanding. Tilsætning af svovl til en mølle og blanding af det i blandingen producerer uvulkaniseret gummi, der opfører sig næsten nøjagtigt som råmaterialet. Ændringen sker kun, når varme udløser reaktionen, og netværket faktisk dannes. Før det øjeblik har du en plastikmasse. Efter det har du et elastisk faststof. Der er ingen mellemtilstand, der holder.

Det er også værd at vide, at det samme ord dækker over peroxidhærdning, metaloxidhærdning, harpikshærdning og strålehærdning. Silikonegummi, EPDM og fluorgummi tværbindes ofte uden svovl. Når en leverandør siger, at en del er vulkaniseret, betyder de, at netværket eksisterer, ikke at der blev brugt svovl.

Hvorfor rågummi ikke kan klare opgaven på egen hånd

Rågummi har næsten ingen nyttige tekniske egenskaber. Dens trækstyrke ligger typisk et sted mellem 0,5 og 2 MPa, hvilket nogenlunde kan sammenlignes med en stiv gel. Varm det op over omkring 50 til 60 grader Celsius, og det blødgøres dramatisk; afkøl den til under frysepunktet, og den stivner og kan blive skør. Efterlad en strimmel af det under belastning ved stuetemperatur, og det vil flyde permanent - det tekniske udtryk er koldt flow, og det er grunden til, at uvulkaniseret gummi opbevares som flade ark eller pakket på ruller i stedet for at hænge.

Smid det i toluen eller benzin, og det opløses. Udsæt det for sollys og ilt, og det nedbrydes hurtigt. Ingen af ​​disse adfærd er defekter; de er simpelthen, hvad en ikke-tværbundet polymer gør. Kæderne glider forbi hinanden, fordi intet holder dem på plads.

Dette er grunden til, at sammensætningsstadiet eksisterer i første omgang. Før hærdning indeholder en blanding gummi, fyldstoffer som kønrøg, blødgørere, antioxidanter og selve hærdningssystemet. Fyldstoffet forbedrer styrke og hårdhed, men netværket er det, der låser alt på plads. Vores egne tekniske noter om gummimaterialers egenskaber og egenskaber dække, hvordan disse basispolymerer adskiller sig, før et hærdesystem tilsættes.

Springer du tværbindingen helt over, får du ikke en svagere gummidel. Du får en del, der ikke holder sine dimensioner i en uge.

Hvad fysisk ændrer sig efter vulkanisering

Når først netværket eksisterer, får materialet en hukommelse. Stræk det, og det vender tilbage. Komprimer det, og det genopretter sig. At genopretning ikke er en overfladeeffekt; det kommer fra tværbindingerne, der forhindrer permanent kædeglidning, mens segmenterne mellem tværbindingerne forbliver frie til at bevæge sig og rulles ud.

Flere ændringer kommer sammen:

• Styrken stiger med en størrelsesorden. En velformuleret naturgummiblanding når normalt 20 til 30 MPa trækstyrke og 400 til 700 procent forlængelse ved brud.
• Det nyttige temperaturvindue udvides. Almindelig svovlhærdet naturgummi virker behageligt op til omkring 70 grader Celsius, mens EPDM og silikoneforbindelser rækker langt ud over det.
• Opløsningsmiddelresistens vises. Materialet opløses ikke længere; den svulmer, og graden af ​​hævelse bliver et praktisk mål for, hvor tæt tværbundet delen er.
• Kompressionssættet forbedres. En vulkaniseret tætning holder sin form under belastning i stedet for at flyde væk fra tætningsfladen.
• Overfladeklæbning forsvinder. Hærdet gummi føles tørt og håndterer rent på automatiseret udstyr.

Læg mærke til, at hårdheden knap bevæger sig. Tværbinding handler ikke primært om stivhed; det handler om bedring. Du styrer hårdheden hovedsageligt gennem fyldstofbelastning, og du styrer elasticiteten og sætter gennem tværbindingstætheden. At forveksle disse to håndtag er en af ​​de mest almindelige formuleringsfejl.

Uhærdet versus vulkaniseret gummi side om side

Tabellen nedenfor opsummerer de forskelle, der betyder mest under evaluering og produktion. Værdier er typiske intervaller hentet fra standard gummiteknologi referencer som Maurice Mortons Gummi teknologi og generel blandingspraksis; nøjagtige tal afhænger af polymertype, fyldstoffyldning og hærdesystem.

Læs den første række grundigt. Et spring fra omkring 1 MPa til over 20 MPa er ikke en beskeden forbedring; det er en anden klasse materiale, opnået ved at tilsætte en brøkdel af en vægtprocent svovl.

Svovl, acceleratorer og hvad hvert tilsætningsstof gør

En kur med kun svovl er teknisk mulig, men den tager timer og giver dårlige egenskaber. Ægte forbindelser bruger et hærdningssystem af tre eller fire komponenter, der arbejder sammen.

Svovldosering afgør netværkstypen

Konventionelle systemer bruger omkring 1,5 til 3,0 dele pr. hundrede gummi. Halveffektive systemer falder til omkring 1,0 til 1,5 ph med mere accelerator, og effektive systemer går så lavt som 0,3 til 0,8 ph. Lavere svovl betyder kortere, mere termisk stabile tværbindinger, hvilket forbedrer varmeældningen, men kan reducere træthedslevetiden i dynamiske applikationer såsom motorophæng.

Acceleratorer indstiller uret

Acceleratorer ændrer ikke destinationen, kun hastigheden. En thiazol såsom MBT hærder moderat hurtigt med en kort svidningsforsinkelse. Et sulfenamid som CBS giver længere svidningstid og er arbejdshesten til tykke støbte dele, hvor flowet skal afsluttes, før reaktionen starter. Thiurams og dithiocarbamater er ekstremt hurtige og er normalt forbeholdt tynde profiler eller latex. At få speederen forkert er den mest almindelige årsag til for tidlig svidning i en sprøjtebeholder.

Svovlacceleratorer til gummivulkanisering Svovlacceleratorer fremskynder gummivulkanisering, hvor svovl alene reagerer langsomt. De er relevante ved udvælgelse af acceleratorfamilier for at afbalancere hærdehastigheden mod svidningssikkerheden ved gummibearbejdning. Se produkt →

Hvis du afbalancerer hærdningshastighed mod svidningssikkerhed, er det praktiske udgangspunkt et diagram over acceleratorfamilier med deres typiske svidningstider ved din tøndetemperatur, ikke en prøve-og-fejlkørsel på produktionslinjen.

Aktivatorer og proceshjælpemidler, du ikke kan springe over

Acceleratorer er overraskende ineffektive i sig selv. De har brug for et metaloxid og en fedtsyre for at danne det opløselige kompleks, der faktisk fører svovlen ind i gummiet. Det par kaldes aktivatorsystemet, og at udelade det er en tavs måde at halvere din helbredelsesrate.

Zinkoxid er standardvalget, der normalt bruges ved 3 til 5 ph. Under omkring 2 pht bliver kuren mærkbart træg, og netværkskvaliteten lider. Over 5 phr er der kun lidt yderligere fordel, og overskydende zinkoxid bidrager til at blomstre på den færdige overflade. Partikelstørrelsen har også betydning; overfladebehandlede og nanokvaliteter spredes hurtigere i en kort blandingscyklus, hvilket ofte er den egentlige årsag til, at en forbindelse hærder ujævnt over en batch.

Aktiv zinkoxid til gummivulkanisering Aktiv zinkoxid giver lille partikelstørrelse og høj vulkaniseringsaktivitet. I gummiblandinger understøtter det hærdningsaktivering, og finere eller overfladebehandlede kvaliteter kan spredes hurtigere under korte blandingscyklusser. Se produkt →

Stearinsyre er den anden halvdel af parret, typisk ved 1 til 3 ph. Det opløseliggør zinken, så det kan deltage i reaktionen, og det fungerer også som et smøremiddel, der hjælper med at frigøre dele fra formen. For lidt og kurplateauerne tidligt; for meget, og det kan migrere til overfladen, hvilket forårsager dårlig vedhæftning i samstøbte eller limede samlinger.

Stearinsyre til gummiblanding Stearinsyre virker sammen med zinkoxid ved gummivulkanisering, typisk ved 1 til 3 phr, opløseliggør zink og hjælper med frigivelse af skimmelsvamp. Overskud kan migrere og skade vedhæftning i bundne samlinger. Se produkt →

Tilsammen koster zinkoxid og stearinsyre meget lidt pr. kilogram, men påvirker hærdningshastigheden, tværbindingsdensiteten, overfladens udseende og adhæsion. Når en batch opfører sig inkonsekvent, er det normalt hurtigere at kontrollere vægtnøjagtigheden af ​​disse to ingredienser end at undersøge polymeren igen.

At læse en vulkaniseringskurve som en produktionsleder

En rheometer-test med bevægelser producerer kurven, der fortæller dig, om en forbindelse er klar til produktion. Fire tal betyder mest.

• Minimumsmoment eller ML angiver viskositeten af ​​den uvulkaniserede forbindelse. En stigende ML over successive batches peger på svidning eller problemer med spredning af fyldstof.
• Maksimalt drejningsmoment, eller MH, afspejler tværbindingstæthed. Sammenlign MH mellem batches for at opdage doseringsfejl i hærdesystemet.
• Scorch time, skrevet ts2, er, hvor længe forbindelsen overlever ved testtemperatur, før drejningsmomentet begynder at stige. Dette er din praktiske grænse for tøndens opholdstid.
• Optimal hærdetid, skrevet t90, er når 90 procent af momentstigningen er sket. Produktionshærdningstider er normalt sat lidt over t90, ikke ved det.

Temperaturafhængigheden er stejl. Som en tommelfingerregel fordobler en hærdetemperatur med 10 grader celsius nogenlunde reaktionshastigheden, hvilket er grunden til, at en form ved 150 grader celsius, der hærder på otte minutter, kan slutte om fire ved 160. Den samme regel forklarer, hvorfor en tønde, der er lidt varm, kan svide materialet længe før cyklussen slutter.

Hold kurven for hver forbindelse i en genfindbar fil. Når en klage kommer atten måneder senere, er de originale MH- og t90-værdier den hurtigste måde at bevise, om forbindelsen ændrede sig, eller om processen gjorde det.

Vulkaniseret, helbredt, tværbundet: Sortering af ordforrådet

I den daglige samtale er de tre ord udskiftelige, men de har lidt forskellig vægt i tekniske dokumenter.

• Tværbinding er den generelle kemiske betegnelse for sammenføjning af polymerkæder. Det gælder gummi, plastik, klæbemidler og geler.
• Hærdning er procestrinnet. På en fabrik betyder hærdning, at delen har brugt den nødvendige tid i pressen eller den kontinuerlige linje.
• Vulkanisering er det historiske og kommercielle navn for tværbinding af gummi, og det bruges selv til peroxid- og strålingssystemer, der ikke indeholder svovl.

En advarsel om ordlyden: en hærdet del er ikke automatisk en korrekt hærdet del. Underhærdet gummi føles blødt og udviser et højt kompressionssæt, mens overhærdet naturgummi kan vende tilbage og blive klistret og svagt. Begge fejl ligner materielle fejl for en kunde, og begge er procesfejl i virkeligheden.

Fejl, der dukker op på butiksgulvet

De fleste vulkaniseringsproblemer er ikke kemiproblemer. De er kontrolproblemer, og de gentager sig på tværs af fabrikker.

1. Forudsat at pressen har den indstillede temperatur. En plade, der læser 155 grader på controlleren, kan sidde ved 140 på overfladen efter en lang tomgangsperiode. Mål formhulrummet, ikke panelet.
2. Ignorerer termisk forsinkelse i tykke dele. En 20 mm sektion behøver langt længere end en 2 mm sektion ved samme pladetemperatur. Hærdningstiden skal skaleres med kvadratet på tykkelsen, ikke lineært.
3. Vejeaktivatorer efter volumen. Zinkoxid og stearinsyre doseres i små mængder, og scoop-baserede tilsætninger varierer med 20 procent eller mere mellem operatører.
4. Genbrug af trimmet blitz. Hærdet flash kan ikke genblandes til en frisk batch; det vil aldrig tværbinde igen og vil vise sig som permanente overfladedefekter.
5. Opbevaring af sammensat ark for længe før hærdning. Selv ved stuetemperatur flyder en svidnings-tilbøjelig forbindelse, og en batch, der er tilbage i løbet af en weekend, måske ikke flyde samme vej på mandag.

Hver af disse er billige at reparere og dyre at ignorere. En ugentlig temperaturundersøgelse og en kalibreret små-kemisk vejerutine eliminerer de fleste af dem.

Hvad dette betyder for udstyr og købsbeslutninger

Når først du accepterer, at vulkanisering er en tid-temperatur-tryk-reaktion, bliver valg af udstyr lettere at retfærdiggøre. En presse med ujævn pladetemperatur vil producere dele med forskellige hærdningstilstande på tværs af den samme form. Et doseringssystem, der ikke kan holde små-kemisk nøjagtighed, vil producere batches, der varierer i MH. En køletransportør, der løber for kort, vil lade tykke dele fortsætte med at hærde off-line, hvilket er lige så skadeligt som underhærdning.

For kontinuerlige profiler ændres beregningen igen. Mikrobølge- og varmluftsledninger hærder ved at føre ekstrudatet gennem en varmetunnel, så linjehastighed, profiltykkelse og sammensætningsreaktivitet skal matches. Saltbadelinjer håndterer tykke sektioner og komplekse geometrier, der ville synke i en varmlufttunnel. Valget mellem dem afhænger af snittykkelse og formstabilitet, ikke leverandørens præference.

Den samme logik gælder opstrøms. Præformer-nøjagtighed bestemmer, hvor ensartet emnevægten er, og emnevægt bestemmer, hvor konsekvent hulrummet fyldes. Silens ydeevne afgør, om fremmede partikler overlever ind i den færdige del. Disse er ikke adskilte emner fra vulkanisering; de er betingelserne, der får et kurskema til at fungere.

Hvis du vil have et udgangspunkt for at kortlægge en hærdningsproces på hardware, så browse det fulde udvalg af gummibearbejdningsudstyr og match maskinkategorien til det stadie, du kæmper med.

Ofte stillede spørgsmål om vulkaniseret gummi

Indeholder vulkaniseret gummi altid svovl?

Nej. Svovlhærdning dominerer for naturgummi, SBR og nitrilgummi, men peroxidsystemer er almindelige for EPDM og silikone, og metaloxider som zinkoxid og magnesiumoxid tværbinder chloroprengummi. Strålingshærdning bruger overhovedet ingen kemiske midler. Det afgørende træk er det tværbundne netværk, ikke tilstedeværelsen af ​​svovl.

Kan vulkanisering fortrydes?

Ikke på nogen måde, der genopretter det originale rågummi. Opvarmning af hærdet naturgummi længe nok forårsager reversion - netværket bryder sammen, og materialet bliver klistret og svagt - men resultatet er nedbrudt gummi, ikke brugbart råmateriale. Dette er grunden til, at hærdet skrot formales og sælges som fyldstof i stedet for oparbejdet som sammensat.

Hvor lang tid tager vulkaniseringen?

Det spænder fra under et minut til flere timer. Tynde sprøjtestøbte dele i effektive systemer kan hærde på 30 til 60 sekunder ved 170 til 180 grader Celsius. Tykke kompressionsstøbte blokke kan have brug for 30 minutter eller mere. Kontinuerlige ekstruderingslinjer afbalancerer tunnellængde mod linjehastighed i stedet for at køre en fast tidscyklus.

Hvorfor lugter uhærdet gummi anderledes end hærdet gummi?

Lugten kommer hovedsageligt fra flygtige blandingsingredienser og fra reaktionsbiprodukter, der frigives under hærdning. Mange acceleratorer nedbrydes under reaktionen og genererer små mængder af aminer eller andre flygtige stoffer, hvorfor friskhærdede dele normalt ventileres eller efterhærdes før pakning.

Hvordan kan jeg se, om en del er fuldstændig hærdet?

Den pålidelige metode er en rheometerkurve på forbindelsen plus en opløsningsmiddel-svulmetest på den færdige del. Feltindikatorer inkluderer kompressionssæt, hårdhedsdrift efter ældning og overfladeklæbning. En del, der føles let blød og tager et permanent sæt efter 24 timer under kompression, er normalt underhærdet, ikke underfyldt.

Betyder højere svovlindhold en stærkere gummi?

Kun op til et punkt, og ikke på den måde, de fleste forventer. Forøgelse af svovl øger tværbindingstætheden, hvilket øger modul og reducerer forlængelse. Skub det langt nok, og materialet bliver skørt, med dårlig udmattelsesbestandighed. For dynamiske dele holder et semi-effektivt system med lavere svovlindhold og højere accelerator ofte længere end en konventionel blanding med højt svovlindhold.

Er vulkaniseret gummi det samme som silikonegummi?

Nej. Silikonegummi er en anden polymerfamilie, bygget på en silicium-iltrygrad i stedet for en kulstofkæde, og den er normalt tværbundet med peroxid eller platinkatalyseret tilsætning i stedet for svovl. Silikone er også vulkaniseret i bred forstand, men dets temperaturområde og kemiske adfærd er helt anderledes.

Hvad får en hærdet del til at vende tilbage?

Reversion sker hovedsageligt i naturgummi, når det holdes ved hærdetemperatur for længe eller hærdes ved for høj temperatur. Polysulfidiske tværbindinger bryder og omarrangeres i cykliske strukturer, der ikke bidrager til netværket, så materialet blødgøres. At skifte til et semi-effektivt eller effektivt system eller sænke hærdetemperaturen med en længere cyklus er standardmidlet.

For at opsummere det: vulkaniseret gummi betyder gummi, hvis polymerkæder er blevet kemisk forbundet til et netværk. Det netværk er det, der omdanner en blød, klæbrig, temperaturfølsom tyggegummi til et materiale, der bærer belastning, forsegler tryk og genvinder sin form.

Alt det praktiske følger deraf. Svovldoseringen bestemmer netværkstypen. Speederen indstiller hastigheden. Zinkoxid og stearinsyre afgør, om reaktionen overhovedet forløber effektivt. Pressen, tunnelen, køleledningen og præformeren afgør, om hver del i partiet får den samme behandling. Få de fire ting afstemt, og materialet gør præcis, hvad definitionen lover.