Pobierz - Katedra Technologii Polimerów

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW
PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH I GUMY
Lab 8. Wyznaczanie optimum wulkanizacji mieszanek kauczukowych na
reometrze Monsanto oraz analiza krzywych wulkametrycznych (s.118)
Cel ćwiczenia
Wyznaczenie kinetyki wulkanizacji mieszanek kauczukowych na reometrze 100S Monsanto
Wstęp
Wulkanizacja jest procesem technologicznym, polegającym ma przemianie mieszanki
kauczukowej (lub kauczuku) w gumę. Efektem tego jest przekształcenie o nienajlepszych
właściwościach mechanicznych mieszanki gumowej w materiał konstrukcyjny, o pożądanych
własnościach i kształcie. Otrzymana guma staję się wytrzymała oraz elastyczna i nie
wykazuje plastyczności. Do najważniejszych parametrów podczas omawianego procesu
należą: ciśnienie , temperatura, czas i sposób prowadzenia wulkanizacji Wynikiem
wulkanizacji jest powstawanie poprzecznych wiązań chemicznych między cząsteczkami
kauczuku
i powstawanie
trójwymiarowej
sieci przestrzennej.
Sieciowanie
można
przeprowadzić za pomocą substancji wulkanizujących oraz metodami fizycznymi np.
działanie promieniowania gamma i szybkich elektronów. Wulkanizacja kauczuku powoduje
rozszerzenie zakresu temperatur, w których elastomer posiada cenne właściwości fizyczne
takie jak: elastyczność, wytrzymałość na rozciąganie, odporność na ścieranie lub ciecze.
Zwulkanizowany kauczuk staje się mniej rozpuszczalny oraz pochłania mniej wilgoci. Czas
użytkowania materiału wydłuża się w porównaniu do substratu wyjściowego [1,2].
Etapy procesu wulkanizacji:
Początek wulkanizacji – początek wulkanizacji uważna się stan mieszanki, w którym
rozpoczyna się zmniejszanie szybkości płynięcia termoplastycznego.
Podwulkanizowanie (scorching)- jest to nieznaczne usieciowanie kauczuku powodujące
powstawanie nierozpuszczalnego żelu, lecz nie dające produktu o własnościach
charakterystycznych dla gumy. Podwulkanizowanie może wystąpić podczas
przygotowywania mieszanki gumowej, kalandrowania, wytłaczania i innych operacji
technologicznych oraz podczas przechowywania mieszanki w podwyższonej temperaturze.
Optimum wulkanizacji – wielkość ta określa takie warunki wulkanizacji ( czas i
temperaturę) w których uzyskuję się wulkanizat o najlepszych ( maksimum i minimum)
wybranych własnościach. W przypadku określenia optymalnego czasu wulkanizacji za
pomocą reometru oscylacyjnego taką własnością jest moduł przy ścinaniu. Czas ten (t90)
można wyznaczyć na krzywej reometrycznej jako 90% czasu, w którym uzyskuję się
maksimum modułu.
Przewulkanizowanie – po przekroczeniu czasu lub temperatury wulkanizacji przyjętych za
optymalne następuje zwykle pogorszenie własności wulkanizatu.
Plateau wulkanizacji – przy przedłużeniu czasu wulkanizacji poza optimum uzyskuje się
wulkanizat, którego własności zmieniają się w różnym stopniu.
Rewersja – terminem tym określa się przebiegający równocześnie z sieciowaniem rozpad
wiązań sieci. Z powodu równoczesności przebiegu tych dwóch konstrukcyjnych reakcji
trudno jest określić optimum wulkanizacji. Optimum wulkanizacji jest przesunięte w czasie,
mimo że izomeria usieciowania wykazuje maksimum. Rewersji podlegają łatwo kauczuki
zawierające siarkę i przyspieszacze tworzące wiązania poprzeczne wielosiarczkowe [3].
Wyznaczanie optimum wulkanizacji mieszanki kauczukowej.
Dawniej przebieg sieciowania śledzono dokonując analizy zmian stężenia substancji
sieciującej lub oznaczano gęstości powstającej sieci przestrzennej. Obecnie powszechnie
stosuje się w tym celu reometry mierzące i rejestrujące zmiany momentu obrotowego w
funkcji
czasu
dla
odpowiedniej
temperatury.
Na
podstawie
analizy krzywej
wulkametrycznej można wnioskować o właściwościach badanej mieszanki gumowej jak:
zdolności wypełniania formy (plastyczności), prędkości wulkanizacji lub zachowaniu
mieszanki
się
przy przewulkanizowaniu (rewersja albo cyklizacja).
Ponad to, za
pomocą
reometrów
można
wyznaczyć kinetykę wulkanizacji
mieszanek gumowych a na podstawie krzywej zmian momentu obrotowego w funkcji czasu
wulkanizacji (Rys.1) obliczyć:
a) przyrost momentu obrotowego ΔM
ΔM = MH - ML
gdzie:
MH – maksymalny moment skręcający rotora [dN]
ML – minimalny moment skręcający rotora [dN]
b) początkowy czas
wulkanizacji,
czyli
czas
po
którym próbka zwulkanizowała
w 10% (t0,1);
c) t50– czas podwulkanizacji (t0,5);
d) optymalny czas wulkanizacji τ0,9 [min], po którym moment skręcający rotora osiąga
wartość:
ΔM0,9 = 0,9 ΔM + ML
Rys. 1 Przykładowy przebieg krzywej wulkametrycznej [4].
Wyznaczanie optimum wulkanizacji mieszanki kauczukowej za pomocą aparatu 100S
Monsanto.
Aparat 100S Monsanto służy do wyznaczania optimum wulkanizacji na podstawie
krzywej wulkanizacji mieszanki gumowej zależności czasu wulkanizacji od momentu
obrotowego rejestrowanej przez komputer podczas pomiaru. Wulkanizacja próbki zachodzi
w komorze wulkanizacyjnej reometru w ściśle ustalonej i stałej temperaturze. Próbka
mieszanki gumowej w kształcie prostopadłościanu umieszczana jest pomiędzy dwa rotory
będące w kształcie dwóch tarcz w komorze reometru. Próbka jest poddawana ciągłemu
działaniu wysokiej temperatury i okresowo ulega deformacji przez naprzemienny ruch
obrotowy głowicy pomiarowej. Przykładową krzywą wulkanizacji zarejestrowaną przez
komputer podczas pomiaru pokazuje rys. 2.
Rys. 2 Przykładowa krzywa wulkametryczna z szerokim plateau zarejestrowana podczas
pomiaru aparatem 100S Monsanto.
Literatura:
[1] Praca zbiorowa: Technologia Chemiczna Organiczna, Tom II, Wydawnictwo Naukowe
PWN, Warszawa 1958
[2] Dogadkin B.A.: Chemia elastomerów, WNT, Warszawa, 1976
[3] White J.R., De S.K: Poradnik Technologa Gumy, Wyd. RAPRA TECHNOLOGY LTD.
[4] http://www.pb.p.lodz.pl/users/magdalena.maciejewska/download/379/