Lưu hóa là gì? Câu trả lời trực tiếp
Lưu hóa là quá trình hóa học chuyển đổi cao su thô dính, có thể chảy thành sản phẩm bền, đàn hồi, bền bằng cách tạo liên kết chéo giữa các chuỗi polymer. Đối với hầu hết các chất đàn hồi có mục đích chung, lưu huỳnh là tác nhân liên kết ngang và phản ứng được thúc đẩy bởi nhiệt, thời gian và áp suất . Quá trình này là không thể đảo ngược: một khi cao su được lưu hóa, nó không thể tan chảy hoặc định hình lại.
Phát hiện này được ghi nhận cho Charles Tốtyear vào năm 1839, khi ông vô tình làm rơi cao su tự nhiên đã xử lý lưu huỳnh vào bếp nóng và nhận thấy vật liệu này cứng lại mà không bị dính trở lại. Quan sát đó đã tạo ra ngành cao su hiện đại. Ngày nay, mọi sản phẩm cao su, từ vòng chữ O và ống mềm đến đế giày và băng tải, đều trải qua bước lưu hóa trước khi có thể thực hiện chức năng của mình.
Các sự kiện chính cần ghi nhớ:
- Liều lượng lưu huỳnh cho hàng hóa đúc dẻo thường là 1,0-3,5 phr (phần trăm cao su).
- Cao su tự nhiên lưu hóa đạt độ bền kéo 20-30 MPa trong hợp chất kẹo cao su và cao hơn với chất độn gia cố.
- Nhiệt độ xử lý dao động từ 140 đến 200 °C tùy thuộc vào loại polyme và hệ thống xử lý.
- Một bộ phận được lưu hóa đúng cách sẽ lấy lại hình dạng ban đầu sau khi biến dạng và không còn mềm khi đun nóng.
Hóa học đằng sau quá trình lưu hóa
Chuỗi cao su liên kết ngang lưu huỳnh như thế nào
Cao su tự nhiên và các polyme diene khác chứa các liên kết đôi trong khung chính của chúng. Ở nhiệt độ đóng rắn, các liên kết này mở ra và phản ứng với lưu huỳnh để tạo thành cầu nối lưu huỳnh giữa các chuỗi lân cận. Các cầu nối, dù là monosulfide, disulfide hay polysulfide, khóa các chuỗi thành một mạng ba chiều. Trước khi lưu hóa, các chuỗi trượt qua nhau dưới áp lực; sau khi lưu hóa, mạng sẽ giãn ra và co lại một cách đàn hồi. Số lượng cầu nối, được gọi là mật độ liên kết ngang, quyết định độ cứng, mô đun và khả năng phục hồi của phần cuối cùng.
Máy gia tốc và chất kích hoạt làm cho việc bảo dưỡng trở nên thiết thực
Riêng lưu huỳnh phản ứng chậm đến mức đun nóng trực tiếp cho kết quả không đồng đều. Các hợp chất thực tế dựa vào các chất xúc tiến (thiazole, sulfenamide, thiurams, dithiocarbamate) và các chất kích hoạt như oxit kẽm và axit stearic để tăng tốc độ và kiểm soát phản ứng. Một gói chữa bệnh đa năng đại diện chứa 1,5-2,5 phr lưu huỳnh, 0,5-1,5 phr chất tăng tốc, 3,0-5,0 phr oxit kẽm và 1,0-2,0 phr axit stearic. Tỷ lệ máy gia tốc trên lưu huỳnh xác định loại liên kết ngang: hệ thống có hàm lượng lưu huỳnh cao, máy gia tốc thấp hình thành liên kết polysulfidic linh hoạt với tuổi thọ mỏi tuyệt vời, trong khi hệ thống có hàm lượng lưu huỳnh thấp, máy gia tốc cao (EV) hình thành liên kết monosulfidic ổn định nhiệt với bộ nén thấp hơn.
Nhiều nhà máy đơn giản hóa việc định lượng và tránh sai sót khi cân bằng cách mua gói máy gia tốc lưu huỳnh trộn sẵn từ một nhà cung cấp hỗn hợp. Sự phân tán nhất quán của gói xử lý trực tiếp cải thiện tính nhất quán của quá trình xử lý từ mẻ này sang mẻ khác.
Nhà sản xuất, nhà cung cấp máy gia tốc lưu huỳnh tùy chỉnh Máy gia tốc lưu huỳnh dùng để chỉ máy gia tốc lưu hóa cao su. Trong quá trình xử lý cao su, bản thân lưu huỳnh phản ứng chậm với cao su, ... Xem sản phẩm → | Hàm lượng lưu huỳnh (phr) | Ký tự liên kết chéo | Độ cứng / tính linh hoạt | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|
| 1,0-2,0 | Mật độ thấp, polysulfid | Mềm mại, có tính đàn hồi cao | Dây cao su, tấm mỏng |
| 2,0-3,5 | Mật độ trung bình | Mô đun cân bằng và độ đàn hồi | Con dấu, miếng đệm, ống mềm, hàng đúc |
| 5,0-15 | Mật độ cao | Cứng nhưng hơi đàn hồi | Con lăn, vỏ pin, cao su cứng |
| 25-50 | Mật độ rất cao | munit cứng | Ebonite, bộ phận cách điện |
Quá trình lưu hóa thay đổi tính chất cao su như thế nào
Cao su thô so với cao su lưu hóa
Sự khác biệt là kịch tính. Cao su tự nhiên thô có tính dính, mềm khi đun nóng, cứng lại và nứt khi thời tiết lạnh và chảy vĩnh viễn dưới tải trọng liên tục. Cao su lưu hóa có khả năng đàn hồi từ khoảng -40 đến 100 °C đối với cao su tự nhiên, chống dầu và dung môi tốt hơn nhiều và trở lại hình dạng ban đầu sau nhiều lần biến dạng. Chỉ riêng sự thay đổi độ bền kéo đã cải thiện gấp 5 đến 10 lần ở hầu hết các hợp chất.
| Tài sản | Cao su thô (chưa xử lý) | Cao su lưu hóa |
|---|---|---|
| Độ bền kéo | 1-3 MPa | 20-30 MPa (kẹo cao su), 25-40 MPa (đầy) |
| Phục hồi đàn hồi | Dòng chảy kém, liên tục | Phục hồi tuyệt vời, gần như hoàn toàn |
| Hành vi khi nóng lên | Làm mềm, trở nên dính hơn | Ổn định đến nhiệt độ đóng rắn |
| Hành vi lạnh lùng | Làm cứng và kết tinh | Vẫn linh hoạt trong phạm vi dịch vụ |
| Kháng dung môi và dầu | Độ sưng tấy cao, kém | Cải thiện nhiều, phụ thuộc vào polymer |
Tại sao mật độ liên kết chéo là yếu tố quyết định
Quá ít liên kết chéo và bộ phận này hoạt động giống như một sản phẩm yếu, chưa được bảo dưỡng. Quá nhiều và mạng trở nên cứng đến mức cao su bị đứt thay vì giãn ra. Thiết kế kết hợp hiệu quả nhắm đến mật độ liên kết chéo phù hợp với ứng dụng: giá đỡ chống rung yêu cầu độ cân bằng khác với lưỡi vắt và cả hai đều khác với con lăn in. Hiểu biết về tính chất đặc trưng của vật liệu cao su giúp dễ dàng hiểu được lý do mức độ xử lý được thiết lập cẩn thận cho mọi ứng dụng.
Hệ thống bảo dưỡng được so sánh
Không phải tất cả quá trình lưu hóa đều sử dụng cùng một loại hóa chất. Nhu cầu cơ học và nhiệt của bộ phận cuối cùng quyết định hệ thống nào được chọn.
| Hệ thống bảo dưỡng | Loại liên kết chéo | Khả năng chịu nhiệt | Bộ nén | Rủi ro đảo chiều | Polyme điển hình |
|---|---|---|---|---|---|
| Lưu huỳnh thông thường (2,0-3,5 phr) | Polysulfidic | Công bằng | Tốt | Trung bình đến cao | NR, SBR, NBR |
| Bán hiệu quả (bán EV) | Hỗn hợp poly/mono | Tốt | Tốt | Thấp đến trung bình | Con dấu, hàng đúc |
| Hiệu quả (EV) | Chủ yếu là monosulfid | Tuyệt vời | Tuyệt vời | Thấp | Phớt, miếng đệm chịu nhiệt |
| Peroxide | Cacbon-cacbon | Tuyệt vời | Tuyệt vời | không có | EPDM, silicone, FKM, HNBR |
| Oxit kim loại | ion | Trung bình | Tốt | Thấp | Cloropren (CR) |
Cách chọn hệ thống chữa bệnh
Các sản phẩm cao su tự nhiên và SBR dành cho tải động, chẳng hạn như lốp xe, giá đỡ và bộ giảm xóc, thường sử dụng hệ thống thông thường hoặc bán EV để chống mỏi. Các ứng dụng chịu nhiệt như đệm kín khoang động cơ ưu tiên hệ thống EV hoặc peroxide. EPDM và silicone được xử lý bằng peroxide có bộ nén thấp nhất, nhưng loại peroxide phải phù hợp với lịch sử nhiệt của polymer và độ dày thành của bộ phận.
Thiết bị và phương pháp lưu hóa công nghiệp
Đúc nén trong máy ép nóng
Công cụ chính cho các sản phẩm đúc là máy ép lưu hóa thủy lực. Người vận hành đặt phôi đã tạo hình sẵn vào khuôn đã được gia nhiệt, đóng máy ép và giữ áp suất trong thời gian xử lý cần thiết. Nhiệt độ tấm ép là 150-180 °C và áp suất kẹp là 15-25 MPa là điển hình. Máy ép chân không tiến thêm một bước nữa bằng cách loại bỏ khoang trước khi kẹp hoàn toàn, ngăn không khí lọt vào, phồng rộp và các góc không được trám trên các bộ phận phức tạp.
Đối với các bộ phận kỹ thuật có yêu cầu khắt khe về mật độ và bề mặt, máy lưu hóa ép nóng chân không là sự lựa chọn sản xuất ưa thích. Loại bỏ không khí trước khi xử lý đặc biệt có giá trị đối với các phần dày và hợp chất có độ cứng cao.
Nhà sản xuất, nhà cung cấp máy ép nóng chân không tùy chỉnh Máy này là máy lưu hóa cho các sản phẩm cao su và nhựa khác nhau. Nó có chức năng khóa khuôn thời gian, tự động... Xem sản phẩm → Ép phun cho các bộ phận có độ chính xác cao
Ép phun làm dẻo cao su trong một bộ phận trục vít và bơm nó vào một khuôn kín, được làm nóng, nơi diễn ra quá trình đóng rắn. Thời gian chu kỳ ngắn hơn so với đúc nén vì hợp chất tiếp cận khoang đã được làm nóng. Vòng chữ O, vòng đệm đầu nối và miếng đệm có độ chính xác nhỏ thường được sản xuất theo cách này. Sự đánh đổi là chi phí dụng cụ và máy móc cao hơn, do đó, việc ép phun sẽ mang lại lợi ích khi khối lượng sản xuất đủ lớn để khấu hao khoản đầu tư.
Máy hấp và máy ép đai cho các sản phẩm diện tích lớn
Con lăn, thùng lót cao su, khớp nối cáp và băng tải không thể vừa với máy ép tiêu chuẩn. Những sản phẩm này xử lý trong nồi hấp dưới áp suất hơi nước hoặc không khí nóng, hoặc trên máy ép đai và xử lý quay liên tục. Ưu điểm chính là áp suất đồng đều trên các bề mặt lớn, điều này rất quan trọng cho độ bám dính giữa cao su và vải hoặc nền kim loại.
Bảo dưỡng liên tục các cấu hình ép đùn
Dải thời tiết ô tô, cấu hình con dấu, ống mềm và dây được xử lý liên tục khi chúng rời khỏi máy đùn. Ba phương pháp chính là đường hầm không khí nóng, đường hầm vi sóng và tắm muối (LCM). Bảo dưỡng bằng vi sóng làm nóng biên dạng theo thể tích, giúp xử lý nhanh các mặt cắt dày. Tắm muối mang lại khả năng truyền nhiệt tuyệt vời nhưng các bộ phận phải được rửa kỹ sau đó.
A dây chuyền đồng đùn cao su và xử lý vi sóng kết hợp máy đùn, đường hầm vi sóng, bộ phận không khí nóng, bể làm mát và vận chuyển trong một quy trình được kiểm soát, đó là lý do tại sao nó là lựa chọn tiêu chuẩn để sản xuất biên dạng hiệu suất cao.
Dây chuyền sản xuất đồng đùn cao su và xử lý vi sóng tùy chỉnh Các nhà sản xuất, S Trong dây chuyền lưu hóa liên tục vi sóng cao su composite, việc nghiên cứu các biện pháp bảo vệ môi trường trong quá trình... Xem sản phẩm → Các thông số quy trình và đường cong chữa bệnh
Đọc đường cong lưu biến kế
Máy đo lưu biến khuôn chuyển động ghi lại trạng thái lưu hóa theo thời gian ở nhiệt độ cố định. Ba con số quan trọng trong sản xuất: thời gian cháy (ts2), thời điểm bắt đầu liên kết ngang; tc90, thời gian chữa khỏi hoàn toàn đạt 90% và thời gian chữa bệnh thực tế; và độ dốc cao nguyên hoặc đảo ngược. Một điểm ổn định có nghĩa là sản phẩm có thể chấp nhận được những thay đổi nhỏ về thời gian; độ dốc đảo ngược dốc có nghĩa là việc kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ là rất quan trọng.
| Cao su | Nhiệt độ khuôn điển hình | Thời gian xử lý cho tấm 2 mm | Mối quan tâm về quy trình chính |
|---|---|---|---|
| NR | 150-160°C | 5-10 phút | Đảo ngược trên 170 ° C |
| SBR | 150-165°C | 6-12 phút | Chữa chậm hơn, an toàn cháy xém tốt |
| EPDM | 160-180°C | 8-15 phút | Nhanh hơn với peroxide |
| NBR | 150-170°C | 5-12 phút | Sử dụng EV cho bộ nén thấp |
| CR (cao su tổng hợp) | 150-165°C | 6-12 phút | Chữa vết bỏng bằng oxit kim loại |
| Silicon (VMQ) | 160-180°C | 3-10 phút | Chữa nhanh, cắt mỏng |
Truyền nhiệt và độ dày phần
Cao su dẫn nhiệt kém, khoảng 0,15-0,25 W/(m·K), khoảng 1/10 thép. Trong khuôn nén, phần trung tâm của phần dày đạt đến độ lưu hóa hoàn toàn sau lớp da bên ngoài. Thực tế trong ngành tăng thêm khoảng 1-2 phút thời gian xử lý cho mỗi milimet độ dày thành. Đó là lý do tại sao các sản phẩm dày sử dụng nhiệt độ khuôn thấp hơn để tránh xử lý bề mặt quá mức trong khi bên trong vẫn chưa được xử lý.
Pha chế và chuẩn bị trước khi lưu hóa
Quá trình lưu hóa bắt đầu trong phòng pha chế. Nếu gói xử lý không đồng đều, máy ép không thể bù được. Ba bước chuẩn bị có tác động lớn đến chất lượng cuối cùng:
- Cân chính xác: sự thay đổi chỉ 0,1 phr trong lưu huỳnh có thể làm thay đổi tc90 vài phần trăm, vì vậy nên sử dụng cân kỹ thuật số và hệ thống trộn tự động.
- Trộn lần cuối ở trạng thái nguội: lưu huỳnh và chất xúc tiến được thêm vào trên máy nghiền hai trục hoặc trong đường trộn cuối cùng bên trong, thường ở dạng máy nhào áp lực , giữ ở nhiệt độ dưới nhiệt độ cháy.
- Loại bỏ chất gây ô nhiễm: nhiều loại cây chuyển hợp chất này qua một bộ lọc cao su thức ăn nóng được trang bị một tấm chắn mịn trước khi tạo hình trước, loại bỏ các chất kết tụ không phân tán và các chất lạ gây ra đường dòng và lỗ phun.
Việc tạo hình trước cũng đáng được quan tâm. Các phôi có trọng lượng và hình dạng nhất quán làm giảm sự biến đổi trong quá trình xử lý vì mọi khoang đều được lấp đầy theo cùng một cách, với cùng lịch sử nhiệt và cùng sự phân bổ áp suất.
Các khiếm khuyết lưu hóa phổ biến và cách tránh chúng
Ngay cả một hợp chất được thiết kế tốt cũng có thể tạo ra các bộ phận bị lỗi nếu quá trình lưu hóa không được kiểm soát. Các khuyết tật dưới đây chiếm phần lớn các phế phẩm trong quá trình đúc và ép đùn cao su:
- Thiêu đốt: liên kết chéo sớm trong máy trộn, máy tạo hình trước hoặc thùng phun. Nó xuất hiện dưới dạng các bề mặt gồ ghề, các đường gờ ngắn hoặc các cục cứng. Phòng ngừa: hạ nhiệt độ quy trình, thêm chất làm chậm cháy, rút ngắn thời gian dừng.
- Đang xử lý: các bộ phận mềm, yếu có độ nén cao. Phòng ngừa: xác minh nhiệt độ khuôn thực tế bằng đầu dò, kéo dài thời gian xử lý đến tc90 và kiểm tra lại công thức nếu sự cố lặp lại.
- Đảo ngược: cao su tự nhiên mất đi độ bền và khả năng đàn hồi khi giữ ở nhiệt độ cao quá lâu. Phòng ngừa: hạ nhiệt độ khuôn, chuyển sang hệ thống xử lý bán EV hoặc EV hoặc sử dụng polyme chống đảo ngược.
- Độ xốp và vết phồng rộp: khoảng trống bên trong do không khí bị mắc kẹt, độ ẩm hoặc các thành phần dễ bay hơi. Phòng ngừa: sử dụng máy ép chân không, làm khô tất cả các thành phần hỗn hợp và tạo khuôn một cách chính xác.
- Vết chảy và vết cắt ngắn: khoang không lấp đầy hoàn toàn, thường ở các cạnh mỏng. Phòng ngừa: tăng lưu lượng vật liệu, tăng áp suất ép hoặc kẹp, cải thiện hình dạng phôi và tăng tốc độ phun.
Câu hỏi thường gặp
Lưu hóa có giống như bảo dưỡng không?
Đúng. Trong ngành cao su, các từ này được sử dụng thay thế cho nhau. Nói đúng ra, lưu hóa ban đầu có nghĩa là liên kết ngang lưu huỳnh của cao su diene, nhưng thuật ngữ này hiện bao gồm bất kỳ phản ứng liên kết ngang nào chuyển đổi hợp chất cao su thành sản phẩm đàn hồi, bao gồm hệ thống peroxide và oxit kim loại.
Tất cả các loại cao su có thể được lưu hóa bằng lưu huỳnh?
Không. Cao su Diene có liên kết đôi, chẳng hạn như cao su tự nhiên, SBR, NBR, EPDM và butyl, phản ứng tốt với quá trình xử lý bằng lưu huỳnh. Cao su không có các liên kết đôi đó, bao gồm silicone (VMQ), nhiều loại cao su huỳnh quang (FKM), EPM và một số hợp chất HNBR, cần có hệ thống xử lý peroxide hoặc đặc biệt.
Nhiệt độ nào là cần thiết cho quá trình lưu hóa?
Bảo dưỡng công nghiệp thường ở nhiệt độ từ 140 đến 200°C. Hầu hết các sản phẩm đúc đều xử lý ở nhiệt độ 150-180°C. Nhiệt độ cao hơn rút ngắn thời gian chu kỳ nhưng làm tăng nguy cơ cháy xém và đảo ngược. Các sản phẩm dày được xử lý ở nhiệt độ thấp hơn vì cao su dẫn nhiệt chậm.
Quá trình lưu hóa mất bao lâu?
Một miếng đệm đúc mỏng có thể đông cứng trong 3-8 phút ở 160°C. Vòng bi hoặc con lăn dày có thể mất 30-60 phút hoặc lâu hơn. Dây chuyền vi sóng liên tục xử lý các cấu hình ép đùn trong 1-5 phút và xử lý bằng nồi hấp đối với các con lăn lớn có thể chạy trong vài giờ.
Điều gì xảy ra nếu cao su bị lưu hóa quá mức?
Quá trình xử lý làm tăng độ cứng và giảm độ giãn dài. Trong cao su tự nhiên, nhiệt độ kéo dài có thể phá vỡ các liên kết ngang polysulfidic, gây ra hiện tượng đảo ngược, khiến bề mặt trở nên mềm và dính. Do đó, thời gian xử lý sản xuất được đặt ở mức tc90, thời gian để đạt được 90% xử lý hoàn toàn, thay vì ở trạng thái xử lý tối đa tuyệt đối.
Cao su lưu hóa có thể được tái chế?
Cao su lưu hóa là chất nhiệt rắn nên không thể nấu chảy lại và đúc lại như nhựa nhiệt dẻo. Nó có thể được nghiền thành cao su vụn để làm sàn, bề mặt sân chơi và các sản phẩm tái chế đúc khuôn. Quá trình khử lưu hóa tồn tại nhưng chưa mang tính kinh tế trên quy mô công nghiệp rộng rãi.
Kết luận: Lưu hóa là trái tim của sản xuất cao su
Lưu hóa là bước biến hợp chất polymer thành vật liệu kỹ thuật có độ bền, độ đàn hồi và độ bền có thể dự đoán được. Việc lựa chọn hệ thống xử lý, phương pháp đúc hoặc ép đùn và các thông số quy trình sẽ xác định cả chất lượng của bộ phận và chi phí để sản xuất nó.
Đối với các nhà quản lý sản xuất và kỹ sư quy trình, con đường trực tiếp nhất để giảm thiểu phế phẩm và giảm chi phí trên mỗi bộ phận là kiểm soát đường cong xử lý trên mỗi lô, kiểm tra nhiệt độ khuôn thường xuyên và giữ cho hợp chất không bị nhiễm bẩn. Một gói bảo dưỡng được thiết kế tốt, được đo bằng máy đo lưu biến và khớp với máy ép phải hoặc dây chuyền liên tục, sẽ cho cùng một kết quả từ mẻ này đến mẻ khác.
Các nhà cung cấp cung cấp cả hóa chất và máy móc, từ máy gia tốc đến máy ép xử lý và dây chuyền vi sóng, đơn giản hóa đáng kể việc tích hợp này. Bắt đầu với một công thức đã được thử nghiệm và thiết bị sản xuất phù hợp sẽ loại bỏ hầu hết các phỏng đoán trong quá trình lưu hóa.
