Вулканизация резины своими руками: Вулканизация резины в домашних условиях

Вулканизация относится к особому процессу вулканизации каучука, включающему высокую температуру и добавление серы. Это химический процесс, при котором молекулы полимера соединяются с другими молекулами полимера атомными мостиками, состоящими из атомов серы. Конечным результатом является то, что упругие молекулы каучука становятся в большей или меньшей степени сшитыми. Это делает сыпучий материал более твердым, более прочным, а также более устойчивым к химическому воздействию. Он также делает поверхность материала более гладкой и предотвращает его прилипание к металлическим или пластиковым химическим катализаторам.

Этот сильно сшитый полимер имеет прочные ковалентные связи с сильными силами между цепями и поэтому является нерастворимым и неплавким термореактивным полимером.

Процесс назван в честь Вулкана, римского бога огня.

Из вулканизированной резины изготавливается широкий спектр изделий, включая хоккейные шайбы, шины, подошвы для обуви, шланги и многое другое.

Дополнительные рекомендуемые знания

Причина вулканизации

Неотвержденный натуральный каучук липкий и легко деформируется при нагревании и становится хрупким при охлаждении. В этом состоянии его нельзя использовать для изготовления изделий с хорошим уровнем эластичности (где упругость определяется как возможность вернуться к исходной форме после деформации). Причину неупругой деформации невулканизированной резины можно найти в химической природе: резина состоит из длинных полимерных цепей. Эти полимерные цепи могут двигаться независимо друг от друга, что приводит к необратимому изменению формы. В процессе вулканизации между полимерными цепями образуются поперечные связи, поэтому цепи больше не могут двигаться независимо друг от друга. В результате при приложении напряжения вулканизированная резина будет деформироваться, но после снятия напряжения резиновое изделие вернется к своей первоначальной форме.

Описание

Вулканизация, как правило, считается необратимым процессом (см. ниже), подобным другим термореактивным материалам, и должна сильно контрастировать с термопластическими процессами (процесс расплавления-замораживания), которые характеризуют поведение большинства современных полимеров. Эта необратимая реакция отверждения определяет отвержденные резиновые смеси как термореактивные материалы, которые не плавятся при нагревании, и ставит их вне класса термопластичных материалов (таких как полиэтилен и полипропилен). Это фундаментальное различие между каучуками и термопластами, которое определяет условия их применения в реальном мире, их стоимость и экономику их предложения и спроса.

Обычно фактическое химическое сшивание выполняется с помощью серы, но существуют и другие технологии, в том числе системы на основе перекиси. Комбинированный отвердитель в типичной резиновой смеси включает сам отвердитель (серу или перекись) вместе с ускорителями, активаторами, такими как оксид цинка и стеариновая кислота, и антидеградантами. Предотвращение преждевременного начала вулканизации достигается добавлением замедлителей. Антидеграданты используются для предотвращения разложения под воздействием тепла, кислорода и озона.

Вдоль молекулы каучука имеется ряд участков, привлекательных для атомов серы. Они называются центрами отверждения и обычно представляют собой участки с ненасыщенной углерод-углеродной связью, как в полиизопрене, основном материале натурального каучука, и в стирол-бутадиеновом каучуке (SBR), основном материале для легковых шин. Активные центры представляют собой аллильные атомы водорода; это означает, что они являются атомами водорода, соединенными с первым насыщенным атомом углерода, соединенным с двойной связью углерод-углерод.

Методы вулканизации

Существуют различные методы вулканизации. Экономически наиболее важный метод, то есть вулканизация шин, использует повышенное давление и температуру. Типичная температура вулканизации легковой шины составляет 10 минут при 170°С. Этот тип вулканизации является примером общего метода вулканизации, называемого компрессионным формованием. Резиновое изделие предназначено для принятия формы формы. Другие методы, например те, которые используются для изготовления дверных профилей для автомобилей, включают вулканизацию горячим воздухом или вулканизацию с микроволновым нагревом (оба непрерывные процессы).

Обзор и история

Хотя вулканизация является изобретением 19 века, история вулканизации каучука другими способами восходит к доисторическим временам. Название «ольмеки» означает «резиновые люди» на языке ацтеков.

Первое упоминание о каучуке в Европе относится к 1770 году, когда Эдвард Нэрн продавал кубики натурального каучука в своем магазине на Корнхилле, 20, Лондон. Кубики, предназначенные для ластика, продавались по невероятно высокой цене — 3 шиллинга за полдюймовый кубик.

В начале 19 века каучук был новым материалом, но не нашел широкого применения в промышленном мире. Его применяли сначала как ластики, а затем как медицинские приспособления для соединения трубок и для вдыхания лечебных газов. С открытием, что каучук растворяется в эфире, он нашел применение в водонепроницаемых покрытиях, особенно для обуви, и вскоре после этого очень популярным стало прорезиненное пальто Макинтош.

Тем не менее, большинство этих заявок были в малых объемах и материала хватило ненадолго. Причиной такого отсутствия серьезных применений был тот факт, что материал не был прочным, был липким, часто гнил и плохо пах, потому что оставался в неотвержденном состоянии.

Вклад Goodyear

В большинстве учебников указывается, что Чарльз Гудиер (1800–1860) изобрел вулканизацию каучука, используемую сегодня, путем добавления серы при сильном нагревании. В зависимости от того, что вы читаете, история Goodyear — это либо чистая удача, либо тщательное исследование. Гудьир настаивает на том, что это было второе, хотя многие свидетельства того времени указывают на первое.

Гудиер утверждал, что открыл вулканизацию в 1839 году, но не запатентовал изобретение до 15 июня 1844 года и не писал историю открытия до 1853 года в своей автобиографической книге Gum-Elastica . Между тем, Томас Хэнкок (1786-1865), ученый и инженер, запатентовал этот процесс в Великобритании 21 ноября 1843 года, за восемь недель до того, как Гудьир подал заявку на свой собственный британский патент.

Компания Goodyear Tire and Rubber Company приняла название Goodyear из-за своей деятельности в резиновой промышленности, но не имеет никаких других связей с Чарльзом Гудиером и его семьей.

Вот отчет Goodyear об изобретении, взятый из Gum-Elastica . Хотя книга является автобиографической, Гудиер решил написать ее от третьего лица, так что «изобретатель» и «он», упомянутые в тексте, на самом деле являются автором. Он описывает сцену на резиновом заводе, где работал его брат:

… Изобретатель провел несколько экспериментов, чтобы установить влияние тепла на то же самое соединение, которое разложилось в почтовых сумках и других предметах. Он был удивлен, обнаружив, что образец, небрежно соприкасавшийся с горячей печкой, обуглился, как кожа.

Далее Гудиер описывает, как он пытался привлечь внимание своего брата и других рабочих на заводе, которые были знакомы с поведением растворенного каучука, но они отклонили его обращение как недостойное их внимания, посчитав его одним из он обращался к ним со многими просьбами по поводу какого-то странного эксперимента. Гудьир утверждает, что пытался сказать им, что растворенный каучук обычно плавится при чрезмерном нагревании, но они все равно проигнорировали его.

Он сделал прямой вывод, что если бы процесс обугливания можно было остановить в нужном месте, он мог бы полностью лишить жевательную резинку ее естественной клейкости, что сделало бы ее лучше, чем нативная камедь. При дальнейшем испытании с нагреванием он еще больше убедился в правильности этого вывода, обнаружив, что индийский каучук не может быть расплавлен в кипящей сере ни при какой высокой температуре, а всегда обугливается. Он предпринял еще одну попытку нагревания аналогичной ткани перед открытым огнем. Последовал тот же эффект, что и обугливание жевательной резинки; но были дальнейшие и очень удовлетворительные признаки успеха в достижении желаемого результата, так как на краю обугленной части появилась линия или граница, которая не была обугленной, а полностью затвердевшей.

Далее Гудиер описывает, как он переехал в Уоберн, штат Массачусетс, и провел ряд систематических экспериментов, чтобы определить подходящие условия для отверждения резины.

… Убедившись с уверенностью, что он нашел объект своих поисков и многое другое, и что новое вещество было непроницаемым для холода и растворителем местной смолы, он почувствовал, что сполна расплатился за прошлое, и вполне равнодушен к грядущим испытаниям.

Гудиер так и не заработал на своем изобретении. Он заложил все имущество своей семьи, чтобы собрать деньги, но 1 июля 1860 года он умер с долгами более 200 000 долларов.

Более поздние разработки

Какова бы ни была истинная история, открытие реакции каучука с серой произвело революцию в использовании и применении каучука и изменило облик промышленного мира.

До того времени единственным способом герметизировать небольшой зазор между движущимися частями машины, например, между поршнем и его цилиндром в паровой машине, было использование кожи, пропитанной маслом. Это было приемлемо до умеренного давления, но выше определенного момента разработчикам машин приходилось идти на компромисс между дополнительным трением, возникающим при более плотной упаковке кожи, и большей утечкой драгоценного пара.

Вулканизированная резина стала идеальным решением. Вулканизированная резина позволила инженерам получить материал, которому можно было придать форму и форму с точными формами и размерами, который мог выдерживать умеренные и большие деформации под нагрузкой и быстро восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия нагрузки. Это, в сочетании с хорошей долговечностью и отсутствием липкости, является критическим требованием к эффективному герметизирующему материалу.

Хэнкоком и его коллегами были проведены дальнейшие эксперименты по обработке и приготовлению каучука, в основном в Великобритании. Это привело к более воспроизводимому и стабильному процессу.

Однако в 1905 году Джордж Энслагер обнаружил, что производное анилина, называемое тиокарбанилидом, способно ускорять действие серы на каучук, что приводит к значительному сокращению времени отверждения и снижению потребления энергии. Эта работа, хотя и гораздо менее известная, имеет почти такое же фундаментальное значение для развития каучуковой промышленности, как работа Гудьира в открытии лечения серой. Ускорители сделали процесс лечения более надежным и более воспроизводимым. Через год после своего открытия Энслагер нашел сотни потенциальных применений своей добавки.

Так родилась наука об ускорителях и замедлителях. Ускоритель ускоряет реакцию отверждения, а замедлитель замедляет ее. В следующем столетии различные химики разработали другие ускорители, так называемые ультраускорители, которые делают реакцию очень быстрой и используются для производства большинства современных резиновых изделий.

Девулканизация

Резиновая промышленность занимается исследованиями девулканизации каучука в течение многих лет. Основная трудность при переработке каучука заключается в девулканизации каучука без ущерба для его желаемых свойств. Процесс девулканизации включает обработку каучука в гранулированной форме теплом и/или смягчающими агентами с целью восстановления его эластичных свойств, чтобы каучук можно было использовать повторно. Несколько экспериментальных процессов достигли разной степени успеха в лаборатории, но были менее успешными при масштабировании до уровня коммерческого производства. Кроме того, разные процессы приводят к разным уровням девулканизации: например, использование очень мелкого гранулята и процесс, производящий девулканизацию поверхности, даст продукт с некоторыми желаемыми качествами непереработанного каучука.

Процесс переработки резины начинается со сбора и измельчения выброшенных шин. Это превращает резину в гранулированный материал, а все стальные и армирующие волокна удаляются. После вторичного измельчения полученный резиновый порошок готов к повторному производству продукта. Однако производственные применения, в которых можно использовать этот инертный материал, ограничиваются теми, которые не требуют его вулканизации.

В процессе переработки каучука девулканизация начинается с отделения молекул серы от молекул каучука, что способствует образованию новых поперечных связей. Были разработаны два основных процесса переработки каучука: процесс с модифицированным маслом и процесс вода-масло . При каждом из этих процессов к регенерированному резиновому порошку добавляют масло и регенерирующий агент, который подвергается длительному (5-12 часов) воздействию высокой температуры и давления в специальном оборудовании, а также требует обширной механической постобработки. Регенерированный каучук, полученный в результате этих процессов, имеет измененные свойства и непригоден для использования во многих продуктах, включая шины. Как правило, эти различные процессы девулканизации не приводили к значительной девулканизации, не позволяли достичь стабильного качества или были непомерно дорогими.

В середине 1990-х годов исследователи Гуанчжоуского научно-исследовательского института повторного использования ресурсов в Китае запатентовали метод регенерации и девулканизации переработанной резины. Их технология, известная как AMR Process , предназначена для производства нового полимера с постоянными свойствами, близкими к свойствам натурального и синтетического каучука, и при значительно более низкой потенциальной стоимости.

Процесс AMR использует молекулярные характеристики порошка вулканизированной резины в сочетании с использованием активатора, модификатора и ускорителя, гомогенно реагирующих с частицами каучука. Химическая реакция, происходящая в процессе смешивания, способствует разъединению молекул серы, что позволяет воссоздать характеристики натурального или синтетического каучука. Смесь химических добавок добавляется в переработанный резиновый порошок в смесителе примерно на пять минут, после чего порошок проходит процесс охлаждения и затем готов к упаковке. Сторонники процесса также утверждают, что процесс не выделяет токсинов, побочных продуктов или загрязняющих веществ. Затем реактивированный каучук может быть смешан и обработан для удовлетворения конкретных требований.

В настоящее время компания Landstar Rubber, обладающая североамериканской лицензией на процесс AMR , построила завод по переработке каучука и исследовательскую лабораторию/лабораторию контроля качества в Колумбусе, штат Огайо. Завод выполняет производственные циклы на демонстрационной основе или на небольших коммерческих уровнях. Переработанный каучук с завода в Огайо в настоящее время тестируется в независимой лаборатории для определения его физических и химических свойств.

Независимо от того, будет ли успешным процесс AMR , рынок нового сырого каучука или его эквивалента остается огромным: только в Северной Америке ежегодно используется более 10 миллиардов фунтов (около 4,5 миллионов тонн). Автомобильная промышленность потребляет примерно 79% нового каучука и 57% синтетического каучука. На сегодняшний день переработанный каучук не используется в качестве замены нового или синтетического каучука в значительных количествах, в основном из-за того, что желаемые свойства не были достигнуты. Использованные шины являются наиболее заметными отходами производства резины; по оценкам, только в Северной Америке ежегодно образуется около 300 миллионов утильных шин, причем более половины из них добавляется к и без того огромным запасам. Подсчитано, что менее 10% отходов резины повторно используется в любом новом продукте. Кроме того, Соединенные Штаты, Европейский союз, Восточная Европа, Латинская Америка, Япония и Ближний Восток совместно производят около одного миллиарда шин в год, при этом предполагаемые накопления составляют три миллиарда в Европе и шесть миллиардов в Северной Америке. 9 Д. Хослер, С. Л. Беркетт и М. Дж. Тарканян (1999). «Доисторические полимеры: обработка каучука в древней Мезоамерике». Наука 284 : 1988 – 1991. PMID 10373117. be-x-old:Вулканізацыя