Vulkanisert gummi Betydning: Hvordan svovelkryssbinding endrer rågummi

Vulkanisert gummi er rågummi som er kjemisk tverrbundet, vanligvis med svovel og varme, så dens lange polymerkjeder er bundet sammen til et tredimensjonalt nettverk. Det er hele meningen i én setning. Alt annet knyttet til uttrykket - svovelet, varmen, herdepressene, lukten av et fabrikkgulv - eksisterer for å produsere den eneste strukturelle endringen.

Den praktiske konsekvensen er lett å se. En gummistrikk går tilbake til sin opprinnelige form i stedet for å synke. Et dekkmønster overlever tusenvis av kilometer med slitasje. En O-ring tetter fortsatt etter år inne i et varmt motorrom. Ingen av disse atferdene finnes i råmaterialet. De vises først etter tverrbinding.

Hvis du kjøper sammensatte ingredienser, spesifiserer en herdepresse eller prøver å finne ut hvorfor et parti med forseglinger ble sprø, betyr definisjonen mindre enn hva den antyder for tallene på prosessarket ditt. Det er der resten av denne artikkelen går.

Hva ordet vulkanisert faktisk betyr

Begrepet kommer fra Vulcan, den romerske ildguden, og det ble brukt på gummi på 1840-tallet da Charles Goodyear oppdaget at oppvarming av rågummi med svovel forvandlet den fra en klebrig, temperaturfølsom gummi til et stabilt elastisk faststoff. Navnet ble sittende fast selv om ingen ildgud er involvert, og selv om moderne produksjon bruker mange tverrbindende kjemier som ikke inneholder svovel i det hele tatt.

Kjemisk er vulkanisering en tverrbindingsreaksjon. Rå naturgummi er en kjede av isoprenenheter, typisk titusenvis av dem, med en dobbeltbinding tilgjengelig omtrent hvert femte karbonatom. Under herding reagerer svovel ved noen av disse dobbeltbindingene og danner korte broer mellom nabokjeder. En typisk svovelbro er bare ett til åtte svovelatomer lang, mens selve kjedene er enormt lange. En tverrbinding for hvert par hundre karbonatomer er nok til å endre materialet fullstendig.

To ting er verdt å skille her. Vulkanisering er ikke et belegg, og det er ikke enkel blanding. Å tilsette svovel til en mølle og blande det inn i blandingen produserer uvulkanisert gummi som oppfører seg nesten nøyaktig som råmaterialet. Endringen skjer bare når varme utløser reaksjonen og nettverket faktisk dannes. Før det øyeblikket har du en plastmasse. Etter det har du et elastisk faststoff. Det er ingen mellomtilstand som varer.

Det er også verdt å vite at det samme ordet dekker peroksidherding, metalloksidherding, harpiksherding og stråleherding. Silikongummi, EPDM og fluorgummi kryssbindes ofte uten svovel. Når en leverandør sier at en del er vulkanisert, betyr de at nettverket eksisterer, ikke at det ble brukt svovel.

Hvorfor rågummi ikke kan gjøre jobben på egen hånd

Rågummi har nesten ingen nyttige tekniske egenskaper. Strekkstyrken ligger vanligvis et sted mellom 0,5 og 2 MPa, noe som omtrent kan sammenlignes med en stiv gel. Varm den opp over ca. 50 til 60 grader Celsius og den mykner dramatisk; avkjøl den under frysepunktet og den stivner og kan bli sprø. La en stripe av den stå under belastning ved romtemperatur, og den vil flyte permanent - det tekniske begrepet er kaldflyt, og det er grunnen til at uvulkanisert gummi lagres som flate ark eller pakket på ruller i stedet for å henges.

Slipp det i toluen eller bensin og det løser seg opp. Utsett den for sollys og oksygen, og den brytes raskt ned. Ingen av disse atferdene er defekter; de er ganske enkelt hva en ikke-tverrbundet polymer gjør. Kjedene glir forbi hverandre fordi ingenting holder dem på plass.

Dette er grunnen til at sammensetningsstadiet eksisterer i utgangspunktet. Før herding inneholder en blanding gummi, fyllstoffer som kjønrøk, myknere, antioksidanter og selve herdesystemet. Fyllstoffet forbedrer styrke og hardhet, men nettverket er det som låser alt på plass. Våre egne tekniske merknader om egenskaper og egenskaper til gummimaterialer dekke hvordan disse basispolymerene er forskjellige før noe herdesystem tilsettes.

Hvis du hopper over kryssbindingen helt, får du ikke en svakere gummidel. Du får en del som ikke holder målene på en uke.

Hva fysisk endres etter vulkanisering

Når nettverket eksisterer, får materialet et minne. Strekk den og den kommer tilbake. Komprimer den og den gjenoppretter seg. At utvinning ikke er en overflateeffekt; det kommer fra tverrkoblingene som forhindrer permanent kjedeglidning, mens segmentene mellom tverrkoblingene forblir frie til å bevege seg og vikles ut.

Flere endringer kommer sammen:

• Styrken stiger med en størrelsesorden. En velformulert naturgummiblanding når vanligvis 20 til 30 MPa strekkfasthet og 400 til 700 prosent forlengelse ved brudd.
• Det nyttige temperaturvinduet utvides. Vanlig svovelherdet naturgummi fungerer komfortabelt opp til omtrent 70 grader Celsius, mens EPDM og silikonblandinger strekker seg langt utover det.
• Løsemiddelmotstand vises. Materialet løses ikke lenger opp; den svulmer, og svellingsgraden blir et praktisk mål på hvor tett tverrbundet delen er.
• Kompresjonssettet forbedres. En vulkanisert tetning holder formen under belastning i stedet for å strømme bort fra tetningsflaten.
• Overflatens klebrighet forsvinner. Herdet gummi føles tørt og håndterer rent på automatisert utstyr.

Legg merke til at hardheten knapt beveger seg. Tverrbinding handler ikke først og fremst om stivhet; det handler om restitusjon. Du kontrollerer hardheten hovedsakelig gjennom fyllstoffbelastning, og du kontrollerer elastisiteten og setter gjennom tverrbindingstettheten. Å forveksle disse to spakene er en av de vanligste formuleringsfeilene.

Uherdet versus vulkanisert gummi side om side

Tabellen nedenfor oppsummerer forskjellene som betyr mest under evaluering og produksjon. Verdier er typiske områder hentet fra standard gummiteknologireferanser som Maurice Mortons Gummiteknologi og generell blandingspraksis; eksakte tall avhenger av polymertype, fyllstoffbelastning og herdesystem.

Les den første raden nøye. Et hopp fra rundt 1 MPa til over 20 MPa er ikke en beskjeden forbedring; det er en annen klasse materiale, oppnådd ved å tilsette en brøkdel av en vektprosent svovel.

Svovel, akseleratorer og hva hvert tilsetningsstoff gjør

En kur som kun inneholder svovel er teknisk mulig, men den tar timer og gir dårlige egenskaper. Ekte forbindelser bruker et herdesystem med tre eller fire komponenter som fungerer sammen.

Svoveldosering avgjør nettverkstypen

Konvensjonelle systemer bruker omtrent 1,5 til 3,0 deler per hundre gummi. Halveffektive systemer faller til omtrent 1,0 til 1,5 ph med mer akselerator, og effektive systemer går så lavt som 0,3 til 0,8 ph. Lavere svovel betyr kortere, mer termisk stabile tverrbindinger, noe som forbedrer varmealdring, men kan redusere utmattelseslevetiden i dynamiske applikasjoner som motorfester.

Akseleratorer stiller klokken

Akseleratorer endrer ikke destinasjonen, bare hastigheten. Et tiazol som MBT kurerer moderat raskt med en kort svieforsinkelse. Et sulfenamid som CBS gir lengre svietid og er arbeidshesten for tykke støpte deler der flyten må avsluttes før reaksjonen starter. Tiuramer og ditiokarbamater er ekstremt raske og er vanligvis reservert for tynne profiler eller lateks. Å få akseleratoren feil er den vanligste årsaken til for tidlig sviding i et injeksjonsrør.

Svovelakseleratorer for gummivulkanisering Svovelakseleratorer fremskynder gummivulkanisering, der svovel alene reagerer sakte. De er relevante ved valg av akseleratorfamilier for å balansere herdehastighet mot sviesikkerhet i gummibearbeiding. Se produkt →

Hvis du balanserer herdehastighet mot sviesikkerhet, er det praktiske utgangspunktet et diagram over akseleratorfamilier med deres typiske svietider ved tønnetemperaturen din, ikke en prøving-og-feilkjøring på produksjonslinjen.

Aktivatorer og prosesshjelpemidler du ikke kan hoppe over

Akseleratorer er overraskende ineffektive alene. De trenger et metalloksid og en fettsyre for å danne det løselige komplekset som faktisk frakter svovelet inn i gummien. Det paret kalles aktivatorsystemet, og å utelate det er en stille måte å halvere kureringshastigheten.

Sinkoksid er standardvalget, vanligvis brukt ved 3 til 5 ph. Under ca. 2 phr blir kuren merkbart treg og nettverkskvaliteten lider. Over 5 phr er det liten nytte, og overflødig sinkoksid bidrar til blomstring på den ferdige overflaten. Partikkelstørrelse har også betydning; overflatebehandlede og nanokvaliteter spres raskere i en kort blandesyklus, som ofte er den virkelige grunnen til at en blanding herder ujevnt over en batch.

Aktiv sinkoksid for gummivulkanisering Aktivt sinkoksid gir liten partikkelstørrelse og høy vulkaniseringsaktivitet. I gummiblandinger støtter det herdeaktivering, og finere eller overflatebehandlede kvaliteter kan spre seg raskere under korte blandesykluser. Se produkt →

Stearinsyre er den andre halvdelen av paret, typisk ved 1 til 3 ph. Den løser opp sinken slik at den kan delta i reaksjonen, og den fungerer også som et smøremiddel som hjelper til med å frigjøre deler fra formen. For lite og kurplatåene tidlig; for mye, og det kan migrere til overflaten, noe som forårsaker dårlig vedheft i sammenstøpte eller limte sammenstillinger.

Stearinsyre for gummiblanding Stearinsyre virker sammen med sinkoksid i gummivulkanisering, typisk ved 1 til 3 phr, oppløseliggjør sink og hjelper til med muggfrigjøring. Overskudd kan migrere og skade vedheft i limte sammenstillinger. Se produkt →

Til sammen koster sinkoksyd og stearinsyre svært lite per kilo, men påvirker herdehastighet, tverrbindingstetthet, overflateutseende og vedheft. Når en batch oppfører seg inkonsekvent, er det vanligvis raskere å kontrollere vektnøyaktigheten til disse to ingrediensene enn å undersøke polymeren på nytt.

Lese en vulkaniseringskurve som en produksjonsleder

En reometertest med bevegelsesform produserer kurven som forteller deg om en forbindelse er klar for produksjon. Fire tall betyr mest.

• Minimum dreiemoment, eller ML, indikerer viskositeten til den uvulkaniserte forbindelsen. En stigende ML over påfølgende partier peker på svie eller problemer med spredning av fyllstoff.
• Maksimalt dreiemoment, eller MH, reflekterer tverrbindingstettheten. Sammenlign MH mellom batcher for å oppdage doseringsfeil i herdesystemet.
• Brenntid, skrevet ts2, er hvor lenge forbindelsen overlever ved testtemperatur før dreiemomentet begynner å stige. Dette er din praktiske grense for oppholdstid for tønner.
• Optimal herdetid, skrevet t90, er når 90 prosent av momentøkningen har skjedd. Herdetiden for produksjon er normalt satt litt over t90, ikke på den.

Temperaturavhengigheten er stor. Som en tommelfingerregel vil en heving av herdetemperaturen med 10 grader celsius omtrent doble reaksjonshastigheten, og det er derfor en form ved 150 grader celsius som herder på åtte minutter kan avsluttes på fire ved 160. Den samme regelen forklarer hvorfor et fat som går litt varmt kan svi av materialet lenge før syklusen er ferdig.

Hold kurven for hver forbindelse i en gjenfinnbar fil. Når en klage kommer atten måneder senere, er de opprinnelige MH- og t90-verdiene den raskeste måten å bevise om forbindelsen endret seg eller prosessen gjorde.

Vulkanisert, kurert, kryssbundet: Sortering av ordforrådet

I den daglige samtalen er de tre ordene utskiftbare, men de har litt forskjellig vekt i tekniske dokumenter.

• Tverrbinding er den generelle kjemiske betegnelsen for sammenføyning av polymerkjeder. Det gjelder gummi, plast, lim og geler.
• Herding er prosesstrinnet. I en fabrikk betyr herding at delen har brukt den nødvendige tiden i pressen eller den kontinuerlige linjen.
• Vulkanisering er det historiske og kommersielle navnet på tverrbinding av gummi, og det brukes til og med for peroksid- og strålingssystemer som ikke inneholder svovel.

En advarsel om ordlyden: en herdet del er ikke automatisk en korrekt herdet del. Underherdet gummi føles mykt og har et høyt kompresjonssett, mens overherdet naturgummi kan gå tilbake og bli klissete og svak. Begge feilene ser ut som materielle feil for en kunde, og begge er prosessfeil i virkeligheten.

Feil som dukker opp i butikketasjen

De fleste vulkaniseringsproblemer er ikke kjemiproblemer. De er kontrollproblemer, og de gjentar seg på tvers av fabrikker.

1. Forutsatt at pressen har innstilt temperatur. En plate som leser 155 grader på kontrolleren kan sitte på 140 på overflaten etter en lang inaktiv periode. Mål formhulen, ikke panelet.
2. Ignorerer termisk etterslep i tykke deler. En 20 mm seksjon trenger mye lenger enn en 2 mm seksjon ved samme platetemperatur. Herdetiden skal skaleres med kvadratet på tykkelsen, ikke lineært.
3. Veieaktivatorer etter volum. Sinkoksid og stearinsyre doseres i små mengder, og scoop-baserte tilsetninger varierer med 20 prosent eller mer mellom operatører.
4. Gjenbruk av trimmet blits. Herdet blits kan ikke blandes på nytt til en ny batch; den vil aldri kryssbinde igjen og vil vise seg som permanente overflatedefekter.
5. Lagring av sammensatt ark for lenge før herding. Selv ved romtemperatur kan det hende at en svidningsutsatt blanding driver, og en batch som er igjen over en helg ikke flyter på samme måte på mandag.

Hver av disse er billig å fikse og dyr å ignorere. En ukentlig temperaturundersøkelse og en kalibrert veiing med små kjemiske stoffer eliminerer de fleste av dem.

Hva dette betyr for utstyr og kjøpsbeslutninger

Når du aksepterer at vulkanisering er en tid-temperatur-trykkreaksjon, blir utstyrsvalg lettere å rettferdiggjøre. En presse med ujevn platetemperatur vil produsere deler med forskjellige herdetilstander over samme form. Et doseringssystem som ikke kan holde liten kjemisk nøyaktighet vil produsere partier som varierer i MH. En kjøletransportør som går for kort vil la tykke deler fortsette å herde off-line, noe som er like skadelig som underherding.

For kontinuerlige profiler endres beregningen igjen. Mikrobølge- og varmluftsledninger herder ved å føre ekstrudatet gjennom en varmetunnel, så linjehastighet, profiltykkelse og sammensetningsreaktivitet må matches. Saltbadlinjer håndterer tykke seksjoner og komplekse geometrier som vil synke i en varmluftstunnel. Valget mellom dem kommer ned til snitttykkelse og formstabilitet, ikke leverandørens preferanser.

Den samme logikken gjelder oppstrøms. Preformer-nøyaktigheten bestemmer hvor konsistent emnevekten er, og emnevekten bestemmer hvor konsekvent hulrommet fylles. Silens ytelse avgjør om fremmede partikler overlever inn i den ferdige delen. Dette er ikke separate temaer fra vulkanisering; de er forholdene som gjør at en kurplan fungerer.

Hvis du vil ha et utgangspunkt for å kartlegge en herdeprosess på maskinvare, bla hele utvalg av gummibehandlingsutstyr og match maskinkategorien til scenen du sliter med.

Ofte stilte spørsmål om vulkanisert gummi

Inneholder vulkanisert gummi alltid svovel?

Nei. Svovelherding dominerer for naturgummi, SBR og nitrilgummi, men peroksidsystemer er vanlige for EPDM og silikon, og metalloksider som sinkoksid og magnesiumoksid tverrbindende kloroprengummi. Strålingsherding bruker ingen kjemiske midler i det hele tatt. Den definerende egenskapen er det tverrbundne nettverket, ikke tilstedeværelsen av svovel.

Kan vulkanisering angres?

Ikke på noen måte som gjenoppretter den originale rågummien. Oppvarming av herdet naturgummi lenge nok forårsaker reversering - nettverket brytes ned og materialet blir klebrig og svakt - men resultatet er nedbrutt gummi, ikke brukbart råmateriale. Dette er grunnen til at herdet skrap males og selges som fyllstoff i stedet for reprosessert som sammensatt.

Hvor lang tid tar vulkanisering?

Det varierer fra under ett minutt til flere timer. Tynne sprøytestøpte deler i effektive systemer kan herde på 30 til 60 sekunder ved 170 til 180 grader Celsius. Tykke pressstøpte blokker kan trenge 30 minutter eller mer. Kontinuerlige ekstruderingslinjer balanserer tunnellengde mot linjehastighet i stedet for å kjøre en fast tidssyklus.

Hvorfor lukter uherdet gummi annerledes enn herdet gummi?

Lukten kommer i stor grad fra flyktige blandingsingredienser og fra reaksjonsbiprodukter som frigjøres under herding. Mange akseleratorer brytes ned under reaksjonen og genererer små mengder aminer eller andre flyktige stoffer, som er grunnen til at nyherdede deler vanligvis ventileres eller etterherdes før pakking.

Hvordan kan jeg vite om en del er fullstendig herdet?

Den pålitelige metoden er en reometerkurve på forbindelsen pluss en løsningsmiddelsvelletest på den ferdige delen. Feltindikatorer inkluderer kompresjonssett, hardhetsdrift etter aldring og overflateklistring. En del som føles litt myk og tar et permanent sett etter 24 timer under kompresjon er vanligvis underherdet, ikke underfylt.

Betyr høyere svovelinnhold en sterkere gummi?

Bare opp til et punkt, og ikke på den måten folk flest forventer. Økende svovel øker tverrbindingstettheten, noe som øker modulen og reduserer forlengelsen. Skyv den langt nok og materialet blir sprøtt, med dårlig utmattelsesmotstand. For dynamiske deler varer et semi-effektivt system med lavere svovel og høyere akselerator ofte ut en konvensjonell høysvovelforbindelse.

Er vulkanisert gummi det samme som silikongummi?

Nei. Silikongummi er en annen polymerfamilie, bygget på en silisium-oksygen-ryggrad i stedet for en karbonkjede, og den er normalt tverrbundet med peroksid eller platinakatalysert tilsetning i stedet for svovel. Silikon er også vulkanisert i vid forstand, men dets temperaturområde og kjemiske oppførsel er helt annerledes.

Hva får en herdet del til å gå tilbake?

Reversjon skjer hovedsakelig i naturgummi når den holdes ved herdetemperatur for lenge eller herdes ved for høy temperatur. Polysulfidiske tverrbindinger brytes og omorganiseres til sykliske strukturer som ikke bidrar til nettverket, slik at materialet mykner. Bytte til et halveffektivt eller effektivt system, eller senke herdetemperaturen med en lengre syklus, er standardmiddelet.

For å oppsummere: vulkanisert gummi betyr gummi hvis polymerkjeder er kjemisk sammenføyd til et nettverk. Dette nettverket er det som konverterer en myk, klebrig, temperaturfølsom tyggegummi til et materiale som bærer last, tetter trykk og gjenoppretter formen.

Alt praktisk følger av det. Svoveldoseringen setter nettverkstypen. Gasspedalen setter hastigheten. Sinkoksid og stearinsyre avgjør om reaksjonen i det hele tatt går effektivt. Pressen, tunnelen, kjøleledningen og preformeren avgjør om hver del i partiet får samme behandling. Få de fire tingene på linje og materialet gjør akkurat det definisjonen lover.