INSTRUKCJA LABORATORIUM „Sporządzanie mieszanki gumowej

Politechnika Łódzka
Wydział Chemiczny
INSTRUKCJA LABORATORIUM
„Sporządzanie mieszanki gumowej” (Preparation of rubber
mixtures)
realizowanego w ramach Zadania nr 9
pn. „Doposażenie laboratorium pod nazwą Materiały i
nanomateriały polimerowe jako materiały inżynierskie”
Instrukcję opracowała:
dr Magdalena Lipioska
Łódź, 2009
ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź
www. ife.p.lodz.pl
tel. 042 278 45 31
042 638 38 26
Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1.
pn. „Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów
w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy
i wymagania gospodarki opartej na wiedzy”
SPIS TREŚCI
1.
CEL DWICZENIA (Aim of studies) .................................................................................................... 3
2.
WPROWADZENIE (Introduction) .................................................................................................... 3
3.
PRZEBIEG DWICZENIA (Procedure) ............................................................................................... 15
3.1.
Aparatura pomiarowa .............................................................................................................. 15
3.2.
Wykonanie dwiczenia ............................................................................................................... 17
4.
OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report) ................................................................................. 19
4.1.
Cel dwiczenia ............................................................................................................................. 19
4.2.
Metodyka pomiarów ................................................................................................................ 19
4.3.
Wyniki pomiarów...................................................................................................................... 19
4.4.
Opracowanie wyników pomiarów ........................................................................................... 19
4.5.
Wnioski...................................................................................................................................... 19
5.
LITERATURA (References)............................................................................................................. 19
6.
PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems) ......................................................................................... 20
7.
EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes) ................................................................................. 20
7.1.
Co student powinien wiedzied ................................................................................................. 20
7.2.
Co student powinien umied ...................................................................................................... 20
8.
TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)............................................................................ 20
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
2
1. CEL DWICZENIA (Aim of studies)
Celem dwiczenia pn. „Sporządzanie mieszanki gumowej’ realizowanego w ramach Zadania
nr 9 jest zapoznanie uczestników laboratorium z technologią procesu otrzymywania
wyrobów gumowych oraz przybliżenie zagadnieo związanych z doborem składników
mieszanki gumowej tak aby w rezultacie możliwe było otrzymanie wyrobu gumowego o
korzystnych właściwościach użytkowych na drodze wulkanizacji mieszanki w prasach
hydraulicznych. W trakcie dwiczenia studenci wykonają pod opieką prowadzącego
mieszankę gumową za pomocą walcarki, oznaczą dla niej optymalny czas wulkanizacji,
zwulkanizują sporządzoną mieszankę gumową w prasie hydraulicznej. Oznaczą odbojnośd
dla otrzymanego wyrobu gumowego.
2. WPROWADZENIE (Introduction)
2.1 Pojęcia podstawowe.
Pod pojęciem mieszanka gumowa (rubber mixture) rozumiemy materiał plastyczny
składający się z jednego lub więcej kauczuku z dodatkiem innych składników niezbędnych
do otrzymania gumy (wulkanizatu) o określonych właściwościach. Mieszanka gumowa jest
to układ wielofazowy jednorodny makroskopowo lecz niejednorodny mikroskopowo w
którym inne składniki są rozpuszczone lub zdyspergowane w matrycy elastomeru.
Wulkanizat (guma) (crosslinked rubber, cured rubber) jest to materiał otrzymany przez
usieciowanie (wulkanizację) kauczuku substancją sieciującą (na ogół 0,5 – 3% wag.) lub
pod działaniem promieni o wysokiej energii. Guma charakteryzuje się wysoką
elastycznością w szerokim zakresie temperatury.
Przedmieszka – zawiera częśd składników mieszanki gumowej (przedmieszki kauczuku z
sadzą, przyśpieszaczami, siarką, pigmentami lub innymi składnikami). Sporządzenie
przedmieszki umożliwia polepszenie warunków pracy (przygotowanie mieszanek bez
pylenia), lepszą dyspersję składników, uniknięcie podwulkanizowania.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
3
Podwulkanizowanie (scorching)- jest to nieznaczne usieciowanie kauczuku powodujące
powstanie nierozpuszczalnego żelu, lecz niedające produktu o właściwościach
charakterystycznych
dla
gumy.
Podwulkanizowanie
może
wystąpid
podczas
przygotowywania mieszanki gumowej, kalandrowania, wytłaczania i innych operacji
technologicznych
oraz
podczas
przechowywania
mieszanki
w
podwyższonej
temperaturze. Podwulkanizowanie określa się za pomocą reometru oscylacyjnego lub
rotacyjnego.
2.2 Składniki mieszanek gumowych
Skład mieszanek gumowych w zależności od ich przeznaczenia jest następujący:
Składniki podstawowe (rys 1a)
Składniki specjalnego przeznaczenia (rys 1b)
Podstawowym składnikiem mieszanki gumowej oprócz elastomerów są substancje
wulkanizujące. Powszechnie stosowanym środkiem wulkanizującym jest siarka elementarna,
jak także substancje zawierające siarkę. Ostatnio do sieciowania stosuje się nadtlenki
organiczne czy też tlenki metali. Siarkę stosuje się w obecności przyspieszaczy wulkanizacji –
składników mieszanki gumowej przyśpieszających reakcje sieciowania i umożliwiających
przeprowadzenie jej w niższej temperaturze i przy niższym zużyciu siarki. Substancje te
stosowane są w ilościach 0.2-4% wagowych. W skład siarkowego zespołu sieciującego
wchodzą
także
aktywatory
wulkanizacji,
które
zwiększają
skutecznośd
działania
przyśpieszaczy. Do aktywatorów wulkanizacji zalicza się tlenki cynku i magnezu, kwasy
tłuszczowe (najczęściej kwas stearynowy). Oprócz wymienionych składników do mieszanek
gumowych dodaje się także substancje ułatwiające obróbkę i przygotowanie mieszanek gumowych.
Do takich substancji zaliczamy:
Dyspergatory składników mieszanek
Aktywatory zmiękczania kauczuku
Związki zwiększające kleistośd mieszanek
Materiały i substancje ułatwiające adhezję.
Przy projektowaniu składu mieszanki gumowej należy pamiętad, że większośd składników zmienia nie
tylko właściwości otrzymanych wulkanizatów, ale także wpływa także na zachowanie się mieszanek w
procesach przetwórczych.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
4
a) podstawowe składniki
mieszanek gumowych
b) składniki specjalnego
przeznaczenia
porofory (środki porotwórcze) substancje wydzielające gaz podczas
rozkładu w wyżej temperaturze i
powodujące powstanie porów i
zwiększenie objętości gumy podczas lub
po wulkanizacji
kauczuki,
polimery kauczukopodobne
zespół sieciujący:
* substancje wulkanizujące
* przyśpieszacze wulkanizacji
* aktywatory wulkanizacji
antypireny (opóźniacze palenia) substancje zmniejszające palnośd przez:
napełniacze - silnie rozdrobnione
substancje mineralne bądź organiczne
dodawane do mieszanki gumowej w celu
zapewnienia jej określonych właściwości
fizycznych i obniżenia kosztów.
plastyfikatory (zmiękczacze) substancje mało lotne dodawane do
mieszanki gumowej w celu
zwiekszenia plastyczności i ułatwienia
operacji przetwórczych oraz obniżenia
kosztów produkcji wyrobu,
szczególnie w przypadku znacznego
udziału napełniaczy w mieszance.
środki przeciwstarzeniowe
a) zwiększenie pojemności cieplnej
układu (tlenki żelaza, cynku, antymonu),
b) wytworzenie warstwy izolującej w
czasie palenia (borany, fosforany wapnia,
glinu, chlorowcowęglowodory,
c) pochłanianie wydzielanego się podczas
przemiany ciepła (uwodniony tlenek
glinu, węglany)
środki usztywniające
substancje obniżające aktywnośd
przyśpieszaczy w procesach
przetwórczych
substancje zapachowe,
farby, barwniki
środki grzybobójcze
środki pudrujące
Rys. 1: Podstawowe (a) i specjalnego przeznaczenia (b) składniki mieszanek gumowych.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
5
Podstawowym składnikiem każdej mieszanki gumowej jest kauczuk (naturalny, syntetyczny) lub
materiały kauczukopodobne. Zawartośd kauczuku w mieszankach gumowych mieści się w szerokim
zakresie 5-95%. Mieszanki zawierające tylko kauczuk i składniki niezbędne do wulkanizacji to tzw.
mieszanki nienapełnione.
Skład mieszanki gumowej – receptę można zapisywad podając:
1) ilości poszczególnych składników w częściach wagowych na 100 części wagowych kauczuku,
2) zawartości kauczuku i składników w mieszance w % wagowych,
3) zawartości kauczuku i składników w mieszance w % objętościowych,
4) ilości wagowe i objętościowe składników mieszanki (w kilogramach, litrach) odpowiadające
pojemności użytkowej urządzenia, na którym przygotowuje się mieszankę (recepta robocza).
Każda recepta powinna mied swój numer lub symbol. Podaje się w niej również nazwę mieszanki, jej
gęstośd, barwę w stanie surowym i zwulkanizowanym, plastycznośd kauczuku i gotowej mieszanki,
twardośd wulkanizatu. Dane te są niezbędne dla kontroli jakości produkowanej mieszanki.
Kauczuk
100,0
Siarka
2-3.5
Przyśpieszacz
0,5-2
Tlenek cynku
5
Kwas stearynowy
1
Przeciwutleniacz
1
R
E
C
E
P
T
A
Rys 2: Skład mieszanki nienapełnionej z siarkowym zespołem sieciującym.
2.3 Substancje wulkanizujące istota działania
Siarka
Substancje wulkanizujące powodują powstawanie poprzecznych wiązao między łaocuchami
makrocząsteczek kauczuku. Podstawowymi substancjami wulkanizującymi nienasycone elastomery
są siarka lub substancje wydzielające siarkę w procesie wulkanizowania (donory siarki).
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
6
Siarka należy do substancji, które w stanie wolnym tworzą wiele odmian alotropowych o
ograniczonej odporności na zmiany temperatury. Cząsteczka siarki elementarnej jest
pierścieniem ośmioczłonowym. Najbardziej rozpowszechnioną, trwałą w temperaturze
pokojowej odmianą siarki jest odmiana
, rombowa. Występuje ona w postaci
przeźroczystych, żółtych kryształów układu rombowego (ośmiościany). Siarka romobowa
rozpuszczalna jest w disiarczku węgla i w kauczukach. Powolne chłodzenie roztopionej siarki
powoduje powstanie odmiany, siarki jednoskośnej występującej w postaci długich
ciemnożółtych igieł. Odmiana ta jest niestabilna, w temperaturze poniżej 96 C przechodzi
ona powoli w siarkę rombową. Siarka jednoskośna rozpuszcza się w kauczuku znacznie
wolniej niż siarka rombowa. Siarkę bezpostaciową (plastyczną), nierozpuszczalną otrzymuje
się przy szybkim ochłodzeniu siarki roztopionej zimną wodą. W miarę upływu czasu
przechodzi ona w siarkę rombową. Różne właściwości krystalicznych odmian siarki są
następstwem różnej budowy kryształów a nie różnej liczby atomów w cząsteczce. W skali
przemysłowej używa się niepylącej siarki olejowanej (5-20% oleju), która jest znacznie mniej
podatna na tworzenie mieszanin wybuchowych z powietrzem. Siarki spolimeryzowanej o
ograniczonej rozpuszczalności w kauczuku.
Obecnie wulkanizację kauczuku siarką przeprowadza się zwykle przy udziale przyśpieszaczy
organicznych i ich aktywatorów (klasyczny zespół sieciujący ). Wulkanizaty sieciowane samą
siarką ze względu na specyfikę swojej struktury, obecnośd w nich poprzecznych wiązao
wielosiarczkowych, nie odznaczają się stosunkowo dużą odpornością cieplną i są bardziej
wrażliwe na działanie utleniające. Przy dużej zawartości siarki następuje pogorszenie
właściwości dynamicznych wulkanizatów. Dokładne ustalenie ilości siarki w recepturze
zależne jest od żądanych właściwości mieszanek i wulkanizatów. W mieszankach zawartośd
siarki najczęściej nie przekracza 2-3,5%.
Nadtlenki organiczne i tlenki metali
Elastomery a zwłaszcza te niezawierające wiązao podwójnych takie jak: kauczuk etylenowopropylenowy EPM czy też uwodorniony kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy HNBR sieciuje
się także nadtlenkami organicznymi. Nadtlenki (peroxides) są to substancje wulkanizujące
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
7
kauczuki zawierające zarówno wiązania nienasycone jak i nasycone na skutek utworzenia
poprzecznych wiązao C-C na drodze reakcji rodnikowych. W praktyce przemysłowej używa
się nadtlenków zawierających w grupie nadtlenkowej trzeciorzędowe atomy węgla, gdyż
takie nadtlenki są najbardziej stabilne w czasie przechowywania, bezpieczne w operacjach
technologicznych
i wystarczająco
reaktywne
podczas wulkanizacji
w stosowanej
temperaturze.
Do sieciowania elastomerów można używad tlenków metali (rys 2.)
polietylen chlorosulfonowany
tlenki metali
kauczuki chloroprenowe
polimery, w których reaktywne grupy- głównie kwasowewprowadzane są w procesie polimeryzacji np.
karboksylowany kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy
XNBR
Rys 2: Zastosowanie tlenków metali do sieciowania elastomerów.
Największe znaczenie praktyczne mają tlenek cynku i tlenek magnezu stosowane
pojedynczo lub łącznie. Tlenki metali często stosuje się w połączeniu z innymi
substancjami kwasami organicznymi czy też przyśpieszaczami.
Przyspieszacze i inne środki wpływające na przebieg wulkanizacji.
Współcześnie do wulkanizacji stosuje się siarkę w obecności przyśpieszaczy i
aktywatorów. Przyspieszacze wulkanizacji są to substancje organiczne skracające czas
wulkanizacji wyrobu. A tym samym powodują kilkakrotny wzrost wydajności urządzeo
przy tym samym zużyciu energii. Wywierają decydujący wpływ na strukturę sieci
przestrzennej wulkanizatów a tym samym na ich właściwości fizyczne. Zmniejszenie
zawartości siarki i zastosowanie jej w zespole sieciującym razem z przyspieszaczem i
aktywatorem zmniejsza niebezpieczeostwo przewulkanizowania wyrobu, ogranicza
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
8
wykwitanie wolnej siarki na powierzchni wyrobu i umożliwia w niektórych przypadkach
obniżenie temperatury wulkanizacji co w rezultacie powoduje otrzymanie wulkanizatów o
znacznie lepszych właściwościach.
klasyfikacja przyspieszaczy
według zachowania się w
procesach technologicznych
(szybkości wulkanizacji)
ultraprzyspieszacze
przyspieszacze
o dużej i
średniej
aktywności
według klas związków
chemicznych
przyspieszacze
opóźnionego
działania,
działające
wolno
Rys 3: Klasyfikacja przyspieszaczy.
ditiokarbaminiany,
ksantogeniany,
tiuramy, tiazole,
sulfenamidy,
guanidyny,
tiomoczniki,
aldehydoaminy,
Mechanizm działania przyspieszaczy w czasie wulkanizacji zależy od ich budowy chemicznej.
W czasie wulkanizacji reagują one z siarką i kauczukiem, tworząc produkty pośrednie o
zwiększonym powinowactwie względem siebie, co prowadzi do utworzenia poprzecznych
wiązao siarkowych o różnej budowie modyfikujących strukturę i właściwości wulkanizatu.
Przyspieszacze
wpływają
na
strukturę
przestrzenną
wulkanizatu.
Rodzaj
wiązao
poprzecznych w wulkanizacie zależy od względnego udziału siarki i przyspieszacza oraz od
temperatury wulkanizacji. Z reguły wyższa temperatura wulkanizacji w połączeniu z większą
zawartością przyspieszacza powoduje zmniejszenie ilości wiązao wielosiarczkowych w
wulkanizacie. Niektóre przyspieszacze mogą byd także środkami wulkanizującymi (tiuramy,
przyspieszacze wielosiarczkowe) i w temperaturze wulkanizacji rozkładad się z wydzielaniem
siarki a tym samym wulkanizowad kauczuk bez użycia siarki elementarnej. Działanie
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
9
przyspieszaczy może byd synergiczne, w przypadku obecności w mieszance kilku
przyspieszaczy wiele z nich aktywuje się wzajemnie. Większośd przyspieszaczy stosowanych
w przemyśle gumowym z powodu swojej polarności źle dysperguje i rozpuszcza się w
elastomerach
węglowodorowych
stąd
wynika
koniecznośd
stosowania
substancji
ułatwiających dyspergowanie.
Aktywatory wulkanizacji i mechanizm ich działania
Większośd przyspieszaczy wulkanizacji dla optymalnego działania wymaga obecności
nieorganicznych lub organicznych aktywatorów. Aktywnośd większości przyspieszaczy
wzrasta z wprowadzeniem do mieszanki aktywatorów np. tlenku cynku, tlenku magnezu.
kwasu organicznego lub jego soli (kwas stearynowy, palmitynowy, laury nowy, stearynian
cynku). Działanie aktywatorów polega na tworzeniu kompleksu przyspieszacz-tlenek cynkukwas tłuszczowy rozpuszczalnego w kauczuku wzmacniając działanie przyspieszaczy.
Dodatkowo obecnośd kwasów tłuszczowych sprzyja
lepszej dyspersji przyspieszaczy w
kauczuku.
Napełniacze i ich rola w mieszance gumowej.
Napełniacze (fillers) – są to ciała stałe, nieorganiczne lub organiczne odznaczające się
odpowiednim stopniem rozdrobnienia, na ogół trudno rozpuszczalne w wodzie, pozwalające
się łatwo i dosyd równomiernie rozprowadzid w uplastycznionym kauczuku podczas
mechanicznego mieszania.
Rolą napełniaczy w mieszance gumowej jest:
obniżenie kosztów wytwarzania wyrobu,
nadanie mieszankom gumowym odpowiednich właściwości przerobowych,
nadanie wulkanizatom odpowiednich właściwości fizycznych.
Ze względu na wpływ napełniaczy na właściwości mechaniczne wulkanizatów podzielono
napełniacze na:
napełniacze aktywne (wzmacniające) – poprawiają właściwości mechaniczne
wulkanizatów,
napełniacze półaktywne – nie podwyższają wytrzymałości na rozciąganie, ale
wpływają na zwiększenie modułu i twardośd wulkanizatów,
napełniacze bierne, nieaktywne.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
10
pochodzenie
organiczne napełniacze
naturalne:
mączka drzewna,
włókna celulozowe,
włókna lniane,
włókna sizalowe
postad w jakiej
występują
skład chemiczny
sadza
proszkowe
krzemiany,
glinokrzemiany
włókniste
tlenki
nieorganiczne:
skrawkowe
węglany
sadza, kreda, kaolin,
talk, mika, kwarc, krzemionka
siarczany
wstęgowe
syntetyczne:
włókna szklane, węglowe,
grafitowe, kulki szklane,
wollastanit, whiskery,
organiczne włókna
syntetyczne
proszki metali
arkuszowe
kuliste
włokna polimerów
naturalnych i
syntetycznych
Rys 4: Klasyfikacja napełniaczy ze względu na różne cechy.
Za parametry wpływające na działanie wzmacniające napełniaczy przyjmuje się:










wymiary cząstek oraz ich rozrzut,
wielkośd powierzchni właściwej,
strukturę napełniacza w ośrodku, czyli przestrzenne powiązanie cząstek,
naturę chemiczną i fizyczną powierzchni,
stan energetyczny powierzchni (tzn. energię powierzchniową)
rozkład centrów energetycznych,
strukturę krystalograficzną, defekty struktury,
stopieo dyspersji w ośrodku elastomerowym,
występowanie zanieczyszczeo,
rodzaj ośrodka elastomerowego.
Efekt wzmacniania elastomeru wywołują: sadza, krzemionka aktywna, uwodnione krzemiany
glinu i wapnia, kaolin, tlenek glinu.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
11
2.3 Sieciowanie elastomerów (wulkanizacja).
Sieciowanie kauczuku podczas wulkanizacji polega na łączeniu makrocząsteczek wiązaniami
chemicznymi i utworzeniu sieci przestrzennej (rys. 5) na skutek zastosowania substancji
sieciujących (sieciowanie chemiczne) lub promieniowania o dużej energii (sieciowanie
radiacyjne, fotochemiczne). Sieciowanie (rys. 6) może zachodzid w obrębie łaocuchów
(crosslinking) lub z udziałem ich kooców (endlinking).
Tworzenie się sieci
przestrzennej
(Network formation)
Węzły sieci
Crosslinks
Makrocząsteczki
Rubber molecules
Sx
siarka
Rys 5: Tworzenie się sieci przestrzennej podczas sieciowania za pomocą siarki.
a)
b)
c)
Rys 6.: Sieciowanie w obrębie łaocuchów (a) i z udziałem ich kooców (b, c).
Mechanizm sieciowania chemicznego (rys 7.) może byd zarówno rodnikowy, jonowy czy też
mieszany w zależności od budowy kauczuku i rodzaju zastosowanych substancji sieciujących.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
12
RO – OR
2 RO·
RO· + M
M·
M· + ·M
M
M-COOH + ZnO + HOOC-M
M-COO- Zn2+ -OOC-M + H2
M
a)
b)
Rys. 7: Sieciowanie nadtlenkowe według mechanizmu rodnikowego (a) i jonowe przy użyciu
jako substancji sieciującej tlenku cynku (b). M – makrocząsteczka
Sieciowanie kauczuku za pomocą siarki rozpoczyna się wtedy, gdy pierścieo ośmioczłonowy
siarki rozpada się na drodze rozpadu homolitycznego lub heterolitycznego na fragmenty
aktywne z powstaniem odpowiednio dwurodników lub jonów. Rozpad hemolityczny (na
rodniki – rys 8) zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury, powyżej 150°C lub pod
wpływem rodników R· tworzących się z kauczuku lub przyspieszacza wulkanizacji. Rodniki
zawierające osiem atomów siarki mogą rozpadad się na krótsze. Dalszy rozpad wymaga
mniej energii niż energia rozpadu pierścienia ośmioczłonowego.
S8 (pierścieo)
·S8·
·S8·
·Sx· + ·S8-x·
R· + S8 (pierścieo)
RS8·
RS8·
RSx· + S8-x·
Rys. 8: Rozpad homolityczny pierścienia S8.
Rodniki siarki reagują z makrocząsteczkami kauczuku w miejscu wiązao podwójnych lub z
innymi grupami aktywnymi w kauczuku (grupy -metylenowe). Szybkośd przyłączania siarki i
jej skutecznośd w reakcjach sieciowania zależy od budowy elastomeru.
Wyznaczenie optymalnego czasu wulkanizacji mieszanki gumowej.
Dawniej przebieg sieciowania śledzono dokonując analizy zmian stężenia substancji
sieciującej lub oznaczeo gęstości powstającej sieci przestrzennej. Obecnie powszechnie
stosuje się w tym celu reometry mierzące i rejestrujące zmiany momentu skręcającego w
funkcji czasu dla odpowiedniej temperatury. Za pomocą reometrów można wyznaczyd
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
13
kinetykę wulkanizacji mieszanek gumowych a na podstawie krzywej zmian momentu skręcającego w
funkcji czasu wulkanizacji (rys 9) obliczyd:
a) przyrost momentu obrotowego ΔM
ΔM = Mmax - Mmin
gdzie:
Mmax – maksymalny moment skręcający rotora *dNm+
Mmin – minimalny moment skręcający rotora *dNm+
b) optymalny czas wulkanizacji τ0,9 *s+, po którym moment skręcający rotora osiąga wartośd:
ΔM0,9 = 0,9 ΔM + Mmin
Rys. 9: Przebieg krzywej reometrycznej.
2.4 Oznaczanie odbojności (elastyczności) elastomerów.
Nazwa elastomery obejmuje związki wielkocząsteczkowe odznaczające się dużą elastycznością
(zdolnością do ulegania znacznym odkształceniom odwracalnym) w szerokim przedziale temperatury.
Ich giętkie, liniowe
makrocząsteczki o niezbyt dużych oddziaływaniach międzycząsteczkowych
charakteryzują się małą barierą rotacyjną stąd elastomery posiadają zdolnośd do szybkiego powrotu
elastycznego po deformacji.
Elastycznośd (odbojnośd) w znaczeniu technicznym jest to miara
zdolności gumy do odzyskania kształtu początkowego po odjęciu siły, która wywołała zmianę kształtu.
W praktyce elastycznośd gumy oznacza się metodą odbicia kulki metalowej od próbki, wykonując
pomiar wielkości energii odbicia w stosunku do energii przekazanej gumie przez uderzająca kulkę.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
14
Pomiar ten wykonywany jest też metodą Shoba, gdzie zasada pomiaru polega na uderzeniu próbki
obciążnikiem przymocowanym do wahadła. Elastycznośd wyrażona jest stosunkiem wysokości
odchylenia wahadła do wysokości jego spadku. Wartośd ta jest wyrażana w procentach.
Na elastycznośd elastomerów wpływ ma wiele czynników. Rośnie ona wraz ze wzrostem temperatury
i maleje wraz ze wzrostem twardości. Dodatek napełniaczy powodując wzrost twardości powoduje
zmniejszenie się elastyczności. Wpływ na elastycznośd ma także rodzaj zastosowanego kauczuku.
Najmniejszą elastycznością charakteryzują się wulkanizaty kauczuku polisiarczkowego, NBR
(butadienowo-akrylonitrylowego), a największą NR (kauczuk naturalny)m BR (kauczuk butadienowy),
CR (kauczuk chloroprenowy).
3 PRZEBIEG DWICZENIA (Procedure)
W trakcie dwiczenia pod opieką prowadzącego dwiczenia i personelu przeszkolonego do obsługi
walcarki laboratoryjnej sporządzona zostanie mieszanka gumowa. Wyznaczony zostanie optymalny
czas wulkanizacji mieszanki gumowej. Dla zwulkanizowanego wyrobu (piłka kauczukowa) oznaczona
zostanie odbojnośd.
3.1.
Aparatura pomiarowa
Mieszanki gumowe sporządzone będą za pomocą walcarki laboratoryjnej (rys. 10) o wymiarach
walców D = 200 mm, L = 450 mm, w temperaturze około 27-37 C. Sporządzanie mieszanek będzie
odbywało się przy szybkości obrotowej przedniego walca Vp = 20 obr/min, przy frykcji f = 1,1.
Rys . 10 Walcarki laboratoryjne służące do sporządzania mieszanek gumowych
Optymalny czas wulkanizacji sporządzonej mieszanki gumowej wyznaczony zostanie na
podstawie pomiarów reometrycznych za pomocą wulkametru z oscylującym rotorem typu WG-02
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
15
(produkcji ZACH METALCHEM) (rys. 11) w temperaturze 160˚oC. Metoda pomiaru polega na pomiarze
wielkości momentu skręcającego w funkcji czasu wulkanizacji, przy odkształceniu ścinającym próbki
wywołanym oscylacją rotora ze stałą częstotliwością, amplitudą i w stałej temperaturze (kąt oscylacji
wynosi 3º, a częstotliwośd oscylacji 1,7±0,1 Hz.)
.
Rys. 11 Wulkametr z oscylującym rotorem typu WG-02
Mieszanka gumowa zostanie zwulkanizowana w formie stalowej (rys. 12), umieszczonej między
ogrzewanymi elektrycznie półkami prasy hydraulicznej (rys. 13). Temperatura wulkanizacji wynosi
160 C, a ciśnienie na półkach prasy około 15 MPa. Czas wulkanizacji mieszanek zgodny będzie z
otrzymanymi z pomiarów reometrycznych wartościami optymalnego czasu wulkanizacji τ0,9 [s].
Rys. 12: Forma stalowa używana do wulkanizacji mieszanki gumowej otrzymanej podczas
dwiczenia.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
16
(a)
(b)
Rys. 13: Prasa hydrauliczna do wulkanizacji mieszanek gumowych (a),mieszanka gumowa i
zwulkanizowany wyrób gumowy (piłka kauczukowa) (b).
Pomiar odbojności odbywa się metodą odbicia kauczukowej kulki od metalowego krążka na
stanowisku pomiarowym (rys. 14) składającym się ze szklanej tuby, w której umieszcza się
piłkę kauczukową i ruchem swobodnym opuszcza ją się na metalowy krążek. Za pomocą
kamery odczytuje się maksymalną wysokośd na którą odbije się piłka kauczukowa od podłoża
metalowego.
Rys 14. Stanowisko do pomiaru odbojności.
3.2.
Wykonanie dwiczenia
Sporządzenie mieszanki gumowej
a) Odważyd składniki mieszanki gumowej na wadze laboratoryjnej zgodnie z receptą
zamieszczoną w tabeli 1.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
17
Tabela 1: Skład mieszanki gumowej.
Składnik
Skład mieszanki *cz. wag.+
Kauczuk naturalny
100
Siarka mielona
2
Przyspieszacz CBS
2
Tlenek cynku
5
Stearyna
1
Kreda
30
Przeciwutleniacz Polnox N
1
b) Mieszanka gumowa zostanie wykonana za pomocą walcarki laboratoryjnej przez personel
odpowiednio do tego celu przeszkolony. Czas wstępnego uplastyczniania kauczuku będzie
wynosił około 5-8 minut, po czym dodawane będą pozostałe składniki. Całkowity czas
przygotowania kompozycji (zależny od składu) dla podanej recepty nie przekracza 15-20
minut. Z mieszanki wyciągnięta zostanie płyta o grubości około 6-8 mm.
Oznaczenie optymalnego czasu wulkanizacji
c) Przeprowadzid pomiar właściwości reometrycznych w 160°C za pomocą reometru WG-02
zgodnie z zaleceniami prowadzącego. W tym celu umieścid wycięty wcześniej krążek z
mieszanki gumowej w komorze pomiarowej reometru (rys 14). Pod opieką prowadzącego
zamknąd komorę pomiarową i uruchomid pomiar zmian modułu skręcającego w funkcji czasu
wulkanizacji. Z otrzymanej krzywej reometrycznej wyznaczyd optymalny czas wulkanizacji
mieszanki gumowej.
Wulkanizacja mieszanki gumowej.
d) Odważyd około 20g mieszanki gumowej. Umieścid odważoną ilośd mieszanki w gnieździe
formy wulkanizacyjnej (rys 12). Zwulkanizowad za pomocą prasy wulkanizacyjnej w czasie
wyznaczonym z pomiarów reometrycznych.
Oznaczenie odbojności.
e) Uprzednio zwulkanizowaną piłeczkę kauczukową umieścid w szklanej tubie, a następnie
ruchem swobodnym puścid. Za pomocą kamery odczytad maksymalną wysokośd na jaką
odbije się piłeczka od podłoża.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
18
3 OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)
4.1.
Cel dwiczenia
Opis celu dwiczenia
4.2.
Metodyka pomiarów
Charakterystyka obiektu badao, opis stosowanej metodyki oraz warunki prowadzenia pomiarów.
4.3.
Wyniki pomiarów
W sprawozdaniu umieścid wyliczone z krzywej reometrycznej parametry takie jak: moment
minimalny, moment maksymalny, przyrost momentu obrotowego podczas sieciowania,
optymalny czas wulkanizacji
0,9.
Zamieścid wyniki pomiarów odbojności: Hśr - maksymalną
wysokośd odbicia.
4.4.
Opracowanie wyników pomiarów
Z otrzymanej krzywej reometrycznej odczytad wartośd momentu minimalnego (dNm) i
momentu maksymalnego (dNm). Obliczyd przyrost momentu obrotowego podczas
sieciowania M i moment optymalny zgodnie z: ΔM = Mmax - Mmin, ΔM0,9 = 0,9 ΔM + Mmin
Odczytad z krzywej wartośd czasu (optymalny czas wulkanizacji)
dla której wartośd momentu
przyjmuje wartośd ΔM0,9.
Wyliczyd wartośd średnią Hśr z otrzymanych wyników pomiarów maksymalnej wysokości odbicia dla
zwulkanizowanej piłeczki kauczukowej.
4.5.
Wnioski
4 LITERATURA (References)
[1] pod redakcją Sadhan K. De, White Jim R., przekład z języka angielskiego Instytut
Przemysłu Gumowego „Stomil” „Poradnik technologa gumy”, wydanie polskie Instytut
Przemysłu Gumowego „Stomil”, Piastów, 2003r.
[2] Wypych George „Handbook of fillers” 2nd edition, ChemTec Publishing, Toronto 1999r.
[3] Hewitt Norman „Compounding precipitated silica in elastomers”, Wiliam Andrew
Publishing, Norwich N.Y., USA 2007r.
*4+ Praca zbiorowa pod edycją Gent Alan N., „Engineering with Rubber – How to design
rubber components” Hanser Publishers, Munich, 2001r.
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
19
*5+ Dick John S. „How to improve rubber compounds – 1500 experimental ideas for problem
solving”, Hanser Publishers, Munich, 2004r.
5 PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)
Jakie są podstawowe składniki mieszanek gumowych?
Co oprócz składników podstawowych dodaje się do mieszanek gumowych?
Dlaczego powszechnie do wulkanizacji stosuje się dodatek przyśpieszaczy?
Co wpływa na działanie wzmacniające napełniaczy w ośrodku polimerowym?
6
7.1.
EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)
Co student powinien wiedzied
- określid wpływ poszczególnych składników mieszanki gumowej na jej właściwości
przetwórcze oraz na właściwości gotowego wyrobu
- opisad metodę otrzymywania wyrobu gumowego od etapu sporządzania
mieszanki gumowej za pomocą walcarki do wulkanizacji gotowego wyrobu.
7.2.
Co student powinien umied
- wykonad pomiar właściwości reometrycznych.
- wyliczyd parametry określające przebieg sieciowania mieszanki gumowej
- wykonad pomiar odbojności
7
TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)
Pogotowie ratunkowe: 999
Straż pożarna: 998
Policja: 997
Straż miejska: 986
Pogotowie ciepłownicze: 993
Pogotowie energetyczne: 991
Pogotowie gazowe:992
Pogotowie wodociągowe:994
Numer alarmowy z telefonu komórkowego: 112
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
20
Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach
Zadania nr 9
21