Обробка каучуку та виробництво гуми
Пластикація.Одна з найважливіших властивостей каучуку – пластичність – використовується у виробництві гумових виробів. Щоб змішати каучук з іншими інгредієнтами гумової суміші, його потрібно спочатку пом'якшити, або пластицювати шляхом механічної або термічної обробки. Цей процес називається пластикацією каучуку. Відкриття Т.Хенкоком у 1820 р. можливості пластикації каучуку мало величезне значення для гумової промисловості. Його пластикатор складався із шипованого ротора, що обертається в шипованому підлогою циліндрі; цей пристрій мав ручний привід. У сучасній гумовій промисловості використовуються три типи подібних машин до введення інших компонентів гумової суміші в каучук. Це – каучукотерка, змішувач Бенбері та пластикатор Гордона.
Використання грануляторів – машин, які розрізають каучук на маленькі гранули або пластинки однакових розмірів та форми, – полегшує операції з дозування та управління процесом обробки каучуку. каучук подається в гранулятор після виходу із пластикатора. Гранули, що виходять, змішуються з вуглецевою сажею і маслами в змішувачі Бенбері, утворюючи маткову суміш, яка також гранулюється. Після обробки в змішувачі Бенбері проводиться змішування з вулканізуючими речовинами, сіркою та прискорювачами вулканізації.
Приготування гумової суміші.Хімічна сполука тільки з каучуку та сірки мала б обмежене практичне застосування. Щоб покращити фізичні властивості каучуку та зробити його більш придатним для експлуатації у різних застосуваннях, необхідно модифікувати його властивості шляхом додавання інших речовин. Усі речовини, які змішуються з каучуком перед вулканізацією, включаючи сірку, називаються інгредієнтами гумової суміші. Вони викликають якхімічні, і фізичні зміни у каучуку. Їх призначення – модифікувати твердість, міцність і ударну в'язкість і збільшити стійкість до стирання, масел, кисню, хімічних розчинників, тепла та розтріскування. Для виготовлення гум різних застосувань використовують різні склади.
Прискорювачі та активатори.Деякі хімічно активні речовини, які називаються прискорювачами, при використанні разом із сіркою зменшують час вулканізації та покращують фізичні властивості каучуку. Прикладами неорганічних прискорювачів є свинцеві білила, свинцевий глет (монооксид свинцю), вапно та магнезія (оксид магнію). Органічні прискорювачі набагато активніші і є важливою частиною майже будь-якої гумової суміші. Вони вводяться в суміш відносно малої частці: зазвичай буває достатньо від 0,5 до 1,0 частини на 100 частин каучуку. Більшість прискорювачів повністю виявляють свою ефективність у присутності активаторів, таких, як окис цинку, а для деяких потрібна органічна кислота, наприклад, стеаринова. Тому сучасні рецептури гумових сумішей зазвичай включають окис цинку та стеаринову кислоту.
Пом'якшувачі та пластифікатори.Пом'якшувачі та пластифікатори зазвичай використовуються для скорочення часу приготування гумової суміші та зниження температури процесу. Вони також сприяють диспергування інгредієнтів суміші, викликаючи набухання або розчинення каучуку. Типовими пом'якшувачами є парафінове та рослинні олії, воски, олеїнова та стеаринова кислоти, хвойна смола, кам'яновугільна смола та каніфоль.
Зміцнюючі наповнювачі.Деякі речовини посилюють каучук, надаючи йому міцність і опір зносу. Вони називаються зміцнювальними наповнювачами. Вуглецева (газова) сажа в тонко подрібненій формі - найбільшпоширений зміцнювальний наповнювач; вона відносно дешева і є однією з найефективніших речовин такого роду. Протекторна гума автомобільної шини містить приблизно 45 частин вуглецевої сажі на 100 частин каучуку.
Іншими широко використовуваними зміцнюючими наповнювачами є окис цинку, магнію карбонат, кремнезем, карбонат кальцію і деякі глини, проте всі вони менш ефективні, ніж газова сажа.
Наповнювачі.На зорі каучукової промисловості ще до появи автомобіля деякі речовини додавалися до каучуку для здешевлення одержуваних з нього продуктів. Зміцнення ще мало великого значення, і такі речовини просто служили збільшення обсягу і маси гуми. Їх називають наповнювачами чи інертними інгредієнтами гумової суміші. Поширеними наповнювачами є барити, крейда, деякі глини та діатоміт.
Антиоксиданти.Використання антиоксидантів для збереження потрібних властивостей гумових виробів у процесі їх старіння та експлуатації почалося після Другої світової війни. Як і прискорювачі вулканізації, антиоксиданти – складні органічні сполуки, які при концентрації 1–2 частини на 100 частин каучуку перешкоджають зростанню жорсткості та крихкості гуми. Вплив повітря, озону, тепла та світла – основна причина старіння гуми. Деякі антиоксиданти також захищають гуму від пошкодження при згинанні та нагріванні.
Пігменти.Зміцнювальні та інертні наповнювачі та інші інгредієнти гумової суміші часто називають пігментами, хоча використовуються і справжні пігменти, які надають колір гумовим виробам. Оксиди цинку та титану, сульфід цинку та літопон застосовуються як білі пігменти. Жовтий крон, залізоокисний пігмент, сульфід сурми, ультрамарин та лампова сажа використовуються длянадання виробам різних колірних відтінків.
Каландрування.Після того як сирий каучук пластикований і змішаний з інгредієнтами гумової суміші, він піддається подальшій обробці перед вулканізацією, щоб надати йому форми кінцевого виробу. Тип обробки залежить від галузі застосування гумового виробу. На цій стадії процесу широко використовуються каландрування та екструзія.
Каландри є машинами, призначеними для розкочування гумової суміші в листи або промазання нею тканин. Стандартний каландр зазвичай складається з трьох горизонтальних валів, розташованих один над одним, хоча для деяких видів робіт використовуються четирехвальні і пятівальні каландри. Порожнисті каландрові вали мають довжину до 2,5 м і діаметр до 0,8 м. До валів підводяться пара та холодна вода, щоб контролювати температуру, вибір та підтримка якої мають вирішальне значення для отримання якісного виробу з постійною товщиною та гладкою поверхнею. Сусідні вали обертаються в протилежних напрямках, причому частота обертання кожного валу та відстань між валами точно контролюються. На каландрі виконуються нанесення покриття на тканини, промазування тканин і розкочування гумової суміші в листи.
Екструзія.Екструдер застосовується для формування труб, шлангів, протекторів шин, камер пневматичних шин, ущільнювальних прокладок для автомобілів та інших виробів. Він складається із сталевого циліндричного корпусу, з сорочкою для нагрівання або охолодження. Щільно прилеглий до корпусу шнек подає невулканізовану гумову суміш, попередньо нагріту на вальцях, через корпус до головки, в яку вставляється змінний інструмент, що формує, що визначає форму виробу. Виріб, що виходить з голівки, зазвичай охолоджується струменем води. Камерипневматичні шини виходять з екструдера у вигляді безперервної трубки, яка потім розрізається на частини потрібної довжини. Багато виробів, наприклад прокладки ущільнювачів і невеликі трубки, виходять з екструдера в остаточній формі, а потім вулканізуються. Інші вироби, наприклад, протектори шин, виходять з екструдера у вигляді прямих заготовок, які згодом накладаються на корпус шини і привулканізовуються до нього, змінюючи свою початкову форму.
Вулканізація.Далі необхідно вулканізувати заготівлю, щоб отримати готовий виріб, придатний для експлуатації. Вулканізація проводиться декількома способами. Багато виробів надається остаточна форма тільки на стадії вулканізації, коли укладена в металеві форми гумова суміш піддається впливу температури і тиску. Автомобільні шини після збирання на барабані формуються до потрібного розміру і потім вулканізуються в сталевих рифлених формах. Форми встановлюються одна на одну у вертикальному вулканізаційному автоклаві, і замкнутий нагрівач запускається пара. У невулканізовану заготовку шини вставляється пневмомішок тієї ж форми, що камера шини. По гнучким мідним трубкам у нього запускаються повітря, пара, гаряча вода окремо чи поєднанні друг з одним; ці службовці передачі тиску текучие середовища розсувають каркас шини, змушуючи каучук втікати у фасонні поглиблення форми. У сучасній практиці технологи прагнуть збільшення числа шин, вулканізованих в окремих вулканізаторах, званих прес-формами. Ці литі прес-форми мають порожнисті стінки, що забезпечують внутрішню циркуляцію пари, гарячої води та повітря, які підводять тепло до заготівлі. В даний час прес-форми автоматично відкриваються.
Були розроблені автоматизовані вулканізаційні преси,які вставляють в заготівлю шини варильну камеру, вулканізують шину і видаляють варильну камеру з готової шини. Варильна камера є складовою вулканізаційного преса. Камери шин вулканізуються у подібних прес-формах, що мають гладку поверхню. Середній час вулканізації однієї камери становить близько 7 хв при 155 С. При менших температурах час вулканізації зростає.
Багато виробів меншого розміру вулканізуються у металевих прес-формах, які розміщуються між паралельними плитами гідравлічного пресу. Плити преса всередині порожнисті, щоб забезпечити доступ пари для нагрівання без безпосереднього контакту з виробом. Виріб отримує тепло лише через металеву прес-форму.
Багато виробів вулканізуються нагріванням у повітрі чи вуглекислому газі. Прогумована тканина, одяг, плащі та гумове взуття вулканізуються у такий спосіб. Процес зазвичай проводиться у великих горизонтальних вулканізаторах із паровою сорочкою. Гумові суміші, що вулканізуються сухим теплом, зазвичай містять меншу добавку сірки, щоб виключити вихід частини сірки на поверхню виробу. Для зменшення часу вулканізації, яке, як правило, більше, ніж при вулканізації відкритою парою або під пресом, використовуються речовини-прискорювачі.