1 OBSAH 5. GUMÁRENSKÉ VÝROBNÍ PROCESY

Komentáře

Transkript

1 OBSAH 5. GUMÁRENSKÉ VÝROBNÍ PROCESY
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
1
OBSAH
5. GUMÁRENSKÉ VÝROBNÍ PROCESY ................................................................. 2
5.1 Míchání ............................................................................................................ 2
Dvouválec............................................................................................................ 3
Funkce……...................................................................................................... 3
Použití.............................................................................................................. 4
Postup.............................................................................................................. 4
Výkon a kvalita................................................................................................. 5
Vnitřní hnětič ....................................................................................................... 5
Dávka míchané směsi...................................................................................... 6
Míchání ............................................................................................................ 7
Podmínky míchání .......................................................................................... 9
Plastikace kaučuku ........................................................................................ 10
Průběh míchání.............................................................................................. 10
Postup míchání .............................................................................................. 11
Směs.............................................................................................................. 15
Kontinuální hnětič .............................................................................................. 15
5.2 Vytlačování .................................................................................................... 16
Šneky ................................................................................................................ 17
Nástroje ............................................................................................................. 18
Výtlačky ............................................................................................................. 19
Vulkanizace ....................................................................................................... 19
Smyková hlava............................................................................................... 20
Solná lázeň .................................................................................................... 20
UHF ............................................................................................................... 20
Fluidní lože .................................................................................................... 21
Horkovzdušný ohřev ...................................................................................... 21
Ionizační záření.............................................................................................. 21
Další způsoby ................................................................................................ 21
5.3 Válcování ....................................................................................................... 22
Kalandry ............................................................................................................ 22
Dvouválcové kalandry.................................................................................... 22
Tříválcové kalandry........................................................................................ 22
Čtyřválcové kalandry...................................................................................... 23
Rozdíly v tloušťce .......................................................................................... 23
Postup ............................................................................................................... 23
5.4 Lisování.......................................................................................................... 24
Lisování ve formě .............................................................................................. 25
Přetlačování ...................................................................................................... 26
Vstřikování......................................................................................................... 26
5.5 Konfekce ........................................................................................................ 27
5.6 Vulkanizace.................................................................................................... 27
Rychlost vulkanizace ......................................................................................... 28
Změna rozměrů ................................................................................................. 29
Provedení .......................................................................................................... 29
5.7 Problémy........................................................................................................ 30
5.8 Optimalizace .................................................................................................. 31
5.9 Souhrn ........................................................................................................... 31
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
2
5. GUMÁRENSKÉ VÝROBNÍ PROCESY
Nevulkanizované kaučuky, stejně jako z nich připravené kaučukové směsi, se
v průběhu zpracování chovají jako viskoelastické kapaliny. V procesu míchání jsou
ke kaučuku přidány různé přísady, chemikálie a plniva a vznikne nevulkanizovaná
kaučuková směs. Kaučuková směs během výrobních procesů zahrnujících tváření
dostane požadovaný tvar a při procesu vulkanizace přejde ve vysoce elastický
vulkanizát.
5.1 Míchání
Míchání je jeden z nejdůležitějších výrobních procesů gumárenské technologie,
protože následné zpracování směsí, vlastnosti výrobků a ekonomika výroby do
značné míry závisí na kvalitě směsí.
Vlastnosti vulkanizátů určuje nejen druh a množství složek ve směsi, ale i podmínky
zpracování. Míchání musí zajistit stejnoměrné rozložení jednotlivých složek v každém
(i velmi malém) objemu směsi.
Jsou však i směsi, u kterých se požadované vlastnosti dosáhnou jen při
nedokonalém (přesně definovaném) rozmíchání složek (např. vysoká elektrická
vodivost sazových směsí, odolnost proti oděru směsí z několika kaučuků, atd.).
Problém míchání gumárenských směsí je komplikován skutečností, že jednotlivé
složky směsí mají velmi rozdílné vlastnosti:
Kaučuky se za pokojové teploty chovají jako podchlazené kapaliny. V průběhu
míchání vykazují viskoelastické chování, jehož charakteristiky značně závisí na
teplotě.
Plniva jsou prášky, které po zamíchání do kaučuku významně ovlivní jeho tokové
chování. Během míchání se musí aglomeráty tvořené částicemi plniva rozpadnout
(tzv. dispergace). Vzniklé částice musí být zapracovány do kaučuku a rovnoměrně
rozděleny ve směsi (tzv. distribuce).
Změkčovadla jsou nejčastěji kapaliny nebo pasty. Při míchání je potřeba zajistit co
největší plochu dotyku mezi kaučukem a změkčovadlem, aby difuse změkčovadla do
kaučuku proběhla co nejrychleji. (Difuse následně probíhá v mikroskopickém měřítku
i v zamíchané kaučukové směsi, takže směs po zamíchání několik dní „zraje“).
Gumárenské chemikálie se dávkují v různé podobě (od prášků přes pasty až po
kapaliny). Také chemikálie je nutno v kaučukové směsi důkladně rozmíchat, což je
komplikováno tím, že se chemikálie do směsí přidávají v malých množstvích a jsou
často tepelně nestálé. I malý rozdíl v koncentraci chemikálií může přitom způsobit
velký rozdíl v kvalitě kaučukové směsi.
Míchání se provádí na různých zařízeních. Vždy se požaduje dosažení dostatečného
rozdělení složek ve směsi, dobré řízení teploty během míchání a zajištění co
nejkratší míchací doby.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
3
DVOUVÁLEC
Míchání kaučukových směsí je složitý úkol, který je ztížen tím, že mezi složkami
směsi jsou velké rozdíly ve viskozitě (např. kaučuk – olej – plnivo) a že při míchání je
nutno používat poměrně velkých smykových sil. Komplikaci míchání představuje také
požadavek, aby teplota směsi byla udržována v poměrně úzkém rozmezí. Historicky
první stroj, který byl schopen požadavky na míchání kaučukových směsí splnit, byl
dvouválec.
Míchání na dvouválci je nejstarší způsob přípravy kaučukových směsí, který se
používá již od vzniku gumárenského průmyslu. Příprava směsí je zde však relativně
pomalá a velikost míchané dávky je malá.
Funkce
Dvouválce sestávají ze dvou masivních horizontálních navzájem rovnoběžných
kovových válců, které se otáčejí proti sobě. K temperaci válců se používá voda nebo
pára. Vzdálenost mezi povrchy válců (tzv. štěrbina) a někdy i rychlosti válců jsou
stavitelné. Z bezpečnostních důvodů je nutno při ruční obsluze nesahat blízko
štěrbiny mezi válci a v případě nebezpečí dvouválec zastavit.
Směs zpracovávaná
na dvouválci
Směs opásaná
na jednom válci
Obr.: Schéma dvouválce
Při průchodu štěrbinou mezi válci dochází k míchání materiálu za vysokých
smykových rychlostí. Zadní válec se obvykle otáčí rychleji než přední válec, což dále
zvyšuje smyk ve zpracovávaném materiálu. Zpracovávaný materiál nejčastěji vytváří
pás na předním, pomalejším válci. Některé směsi (např. na bázi CR nebo EPDM)
mají snahu přecházet na zadní válec, což je možno zamezit nastavením vhodné
povrchové teploty nebo rychlosti jednotlivých válců.
Poměr rychlostí obou válců (tzv. frikční poměr) je nejčastěji dán konstrukcí dvouválce
(obvykle 1:1,05 až 1:1,2). S rostoucím frikčním poměrem roste energie disipovaná
v materiálu a tedy i teplota zpracovávané směsi.
Smyk při míchání na dvouválci lze řídit nastavením štěrbiny a někdy i nastavením
rychlostí válců (buď se zachováním frikčního poměru, nebo zcela nezávisle). Adhezi
k válcům a zpracovatelnost materiálu lze ovlivnit také nastavením teploty povrchu
válců.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
4
Smyk ve štěrbině mezi válci usnadňuje dispergaci přísad a nutí směs zůstat na
jednom z válců. Válce jsou obvykle chlazené, aby se udržela vysoká viskozita
materiálu během míchání. Zamíchaná kaučuková směs je nejčastěji s dvouválce
seřezávána kontinuálně ve formě pásku nebo ručně ve formě plachet.
Vzhledem k tomu, že smykové síly působí na dvouválci jen v relativně malém objemu
materiálu v oblasti štěrbiny, je možno při zpracování na dvouválci zajistit nižší teplotu
a tedy i vyšší viskozitu zpracovávané kaučukové směsi než při zpracování v hnětiči.
Použití
Dvouválce se v gumárenské technologii obvykle používají k:
- plastikaci kaučuků
- míchání směsí
- chlazení směsí
- předehřevu směsí.
Dvouválce se v současné době nejčastěji používají k rychlému ochlazení
kaučukových směsí po zamíchání v hnětiči a k jejich tváření do formy pásků nebo
plachet. Mimo to jsou dvouválce používány i k plastikaci kaučuků nebo k dodatečné
dispergaci plniv ve směsi.
Dvouválce se také dobře hodí k domíchávání vulkanizačních chemikálií při nízké
teplotě (tj. k dokončování směsí). Nevýhodou je, že přísady je nutno přimíchávat
ručně, takže domíchávání může trvat déle než míchací cyklus hnětiče.
Problém nestejného výkonu dvouválce a hnětiče se řeší tak, že při domíchávání na
dvouválci bývají za jedním hnětičem 2 až 4 dvouválce. Domíchávání se urychlí při
použití vulkanizačních chemikálií ve formě předsměsi ve vhodném polymeru (např. v
EPM).
V současné době se v průmyslovém měřítku na dvouválci nejčastěji míchají barevné,
lepivé nebo velmi tvrdé kompletní kaučukové směsi. Citlivé směsi se míchají
v menších dávkách, aby se v průběhu míchání lépe zajistila požadovaná teplota.
Dvouválce slouží nyní také jako zásobovací zařízení k ohřívání dříve zamíchaných
směsí a k jejich plastikaci před následným zpracováním. Pokud byla směs delší dobu
skladována, domíchává se často i část vulkanizačního systému, který nebyl kvůli
nebezpečí navulkanizace během skladování do směsi přidán při její přípravě.
Další oblast použití dvouválců je příprava malých množství kompletních směsí (např.
v laboratoři). Míchání směsi zde může buď navázat na plastikaci kaučuku, nebo se
použije přímo míchatelný kaučuk.
Postup
Před mícháním s dalšími složkami musí mít kaučuky požadovanou viskozitu.
Syntetické kaučuky a některé typy NR umožňují přímé míchání. Většina typů NR
však musí být před mícháním plastikována působením smykových sil.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
5
Plastikace kaučuku na dvouválci se provádí buď při nízké teplotě válců (za plného
chlazení) bez přídavku plastikačních činidel, nebo za přítomnosti plastikačních činidel
při vyšších teplotách.
Do rozpracovaného kaučuku se na dvouválci obvykle nejprve přidávají
antidegradnty, pak pryskyřice, faktisy, barviva a plniva se změkčovadly. Plniva a oleje
jsou ke kaučuku přidávány po částech. Během pokračujícího dávkování plniva a
změkčovadel by měla být postupně zvětšována štěrbina mezi válci.
Vulkanizační systém se vždy přidává až na konci míchání (po kontrole teploty), aby
se předešlo navulkanizaci směsi. Nejprve se míchají urychlovače, síra se obvykle
přidává až na konci míchacího cyklu. Urychlovače i síra se dávkují v poměrně malém
množství a aby byly dobře rozmíchány, je nutno je při míchání rozdělit po celé délce
štěrbiny dvouválce. K dosažení vyšší homogenity se směs během míchání prořezává
zleva i zprava, kříží a obrací. Nakonec je hotová směs seřezána s dvouválce.
Výkon a kvalita
Výkon při přípravě kompletních směsí na dvouválci je nízký, protože typické doby
míchání leží mezi 20 a 40 min. a zamíchaná dávka jen zřídka překročí 200 kg. Na
dvouválci je však možno míchat i směsi, které není možno míchat v hnětiči, protože
příliš lepí na stěny (např. silikonový kaučuk).
Samovolné míchání ve směru osy válců je u dvouválců nedostatečné a musí být
zajištěno obsluhou. Kvalita směsí zamíchaných na dvouválci proto značně závisí na
činnosti obsluhy (např. na počtu prořezávání, křížení a na době přidávání přísad).
Činnost obsluhy vždy obsahuje těžko kontrolovatelné parametry, které ovlivňují
kvalitu směsi.
Zlepšit kvalitu směsí z dvouválce je možno použitím předem připravené předsměsi
kaučuku s přísadami. Rozdíly v kvalitě zamíchaných kaučukových směsí je možno
zmenšit také částečnou automatizací procesu míchání na dvouválci.
Pro přípravu většiny gumárenských směsí se používá tzv. vnitřní hnětič, který pracuje
diskontinuálně, i když následné procesy mohou být kontinuální. Kontinualizace za
vnitřním hnětičem se dosahuje pomocí zařízení, která umožňují vyrovnávání toku
materiálu (jako je např. dvouválec nebo vytlačovací stroj).
VNITŘNÍ HNĚTIČ
Jestliže válce rotující proti sobě mají tvar zajišťující příčný pohyb materiálu (takovým
válcům říkáme rotory), jsou uzavřeny v ocelové komoře s výpustí ve spodní části a
přidá se pohyblivý ocelový klát nad štěrbinou k řízení tlaku ve směsi, získá se vnitřní
hnětič, který míchá materiál i ve štěrbině mezi rotorem a stěnou komory. U některých
typů vnitřních hnětičů může být vzdálenost mezi rotory stavitelná (podobně jako u
dvouválců).
6
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
přítlačný klát
násypka
rotory
výpust
Obr.: Schéma vnitřního hnětiče
Vnitřní hnětič ve srovnání s dvouválcem míchá rychleji, čistěji (méně prachu),
potřebuje menší zastavěnou plochu a kvalita směsi méně závisí na činnosti obsluhy.
To jsou důvody, proč vnitřní hnětiče již nahradily dvouválce při většině míchacích
operací.
Používané vnitřní hnětiče mají v současné době různou velikost. Laboratorní hnětiče
obvykle míchají najednou okolo jednoho kilogramu směsi, zatímco provozní hnětiče
mohou najednou míchat někdy i více než 500 kg. Doba míchání ve vnitřním hnětiči je
poměrně krátká (nejčastěji od 2 do 10 min.).
Vnitřní hnětiče pracují s vyšším frikčním poměrem než je obvyklé u dvouválců.
Energie disipovaná v materiálu v důsledku viskosních ztrát při míchání je proto velmi
vysoká, což působí rychlý nárůst teploty materiálu během míchání.
Protože průběh míchání silně závisí na teplotě míchaného materiálu (nižší teplota
znamená vyšší viskozitu a vyšší smykové síly během míchání), musí být všechny
části hnětiče chlazeny vodou. Části hnětiče, které přicházejí do styku s míchanou
směsí, musí být také odolné proti oděru a korozi. Míchací komora hnětiče může mít
navrtané radiální otvory pro dávkování změkčovadel během míchání (bez zvednutí
přítlačného klátu).
Dávka míchané směsi
Intenzitu míchání ve vnitřním hnětiči může ovlivnit počet otáček rotorů a tlak
přítlačného klátu. Některé nové typy hnětičů mají možnost měnit v průběhu míchání
také vzdálenost mezi rotory. Intenzita míchání však závisí i na stupni zaplnění
komory hnětiče směsí (tj. na dávce míchané směsi).
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
7
Vnitřní hnětič (na rozdíl od dvouválce) má objem jednoznačně určený velikostí
míchací komory. Na základě objemu míchací komory, hustoty jednotlivých složek
směsi a tzv. plnícího faktoru je nutno správně zvolit celkovou hmotnost míchané
směsi. Plnící faktor je pro dané zařízení a danou směs empirická konstanta vždy
menší než 1. Klesá obvykle s rostoucím obsahem ztužujících plniv, s viskozitou
kaučuku, atd.
Určení optimální dávky dané směsi pro míchání na daném hnětiči je poměrně složitý
úkol, který vyžaduje značný objem experimentální práce. Výchozí dávka pro
následnou optimalizaci může být odhadnuta podle vztahu:
dávka (kg) = objem komory (l) x plnicí faktor x hustota směsi
Takže je-li např.objem komory 270 l, plnicí faktor 0,75 (tj. 75%) a hustota směsi 1, je
dávka = 270 x 0,75 x 1.0 = 202,5 kg
Pokud se přítlačný klát ve spodní poloze při míchání směsi na začátku míchání
nepohybuje, znamená to, že směs nezaplnila zcela komoru a dávka směsi je tedy
příliš malá.
Příliš velká dávka směsi má za následek, že se klát pohybuje celou dobu míchání.
Část materiálu pak zůstane při míchání v násypce hnětiče, což prodlužuje dobu
míchání a zhoršuje kvalitu zamíchané směsi.
Jeden z parametrů, který je možno při optimalizaci dávky směsi v hnětiči snadno
sledovat, je tedy doba od počátku míchání po úplné dosednutí přítlačného klátu.
Míchaná dávka směsi je považována za optimální, jestliže doba míchání potřebná
k dosažení potřebné kvality směsi je co nejkratší. Protože každá směs je jiná a každý
hnětič je jiný, lze optimální dávku pro míchání v daném hnětiči stanovit jen
experimentálně. Protože se v důsledku oděru stěn objem komory hnětiče postupně
zvyšuje, musí se časem postupně zvyšovat i dávka míchané směsi.
Míchání
K míchání dochází podle typu stroje buď hlavně mezi rotory (podobně jako u
dvouválce), nebo hlavně mezi rotory a stěnou míchací komory. Vysoká intenzita
míchání vyžaduje intenzivní chlazení míchané směsi a přesnou regulaci teploty. Při
příliš vysoké (nebo příliš nízké) teplotě kovových povrchů dochází při míchání ke
klouzání míchané směsi na stěně komory nebo na rotoru a tím ke snížení účinnosti
míchání.
Při dávkování jednotlivých složek směsi do hnětiče musí být určeny a dodržovány
maximální tolerance jejich hmotnosti. Z hlediska doby míchání a dosažení
požadované kvality směsi je důležitá nejen hmotnost, ale i postup dávkování
jednotlivých složek směsi.
8
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
Pro sírou vulkanizované nenasycené kaučuky je obvyklý míchací postup v hnětiči
podobný postupu na dvouválci, tj. nejprve se násypkou do hnětiče vhodí kaučuk, pak
se přidají ZnO + stearin a spustí se přítlačný klát.
Přítlačný klát se zvedne pro přidání každého dalšího materiálu a znovu spustí pro
zvýšení tlaku v míchací komoře. Jako další se do kaučuku dávkují plniva a
změkčovadla. Nakonec (krátce před vypuštěním směsi z hnětiče) se přidá urychlovač
a síťovadlo.
U některých směsí (obzvláště na bázi EPDM), kde směs změkne dříve než se stačí
dispergovat plniva, se používá také obrácený postup, kdy se do hnětiče nejprve
dávkují plniva, přísady a změkčovadla a pak teprve polymer.
Příklad: Jednostupňový míchací proces:
Čas [min.]
Obvyklý postup
(Side-Up)
Obrácený postup
(Upside-Down)
Dávkování
0
0,5
1,5
2,5
3,5
4,0
kaučuk, ZnO, stearin
½ plnivo
¼ plnivo, ½ změkčovadlo
¼ plnivo, ½ změkčovadlo
zbytek, urychlovač a síťovadlo
vypuštění pod 125°C
0
0,5
2,5
3,0
plnivo, změkčovadlo, ZnO, stearin
kaučuk
zbytek, síťovadlo a urychlovač
vypuštění pod 125°C
Modifikovaný Upside-Down
0
0,5
4,5
10,0
(pro velmi měkké směsi)
9/10 plnivo, 2/3 změkčovadlo,
ZnO, stearin
kaučuk
1/10 plnivo, 1/3 změkčovadlo,
vypuštění při 140°C
Jestliže se naopak směs špatně míchá protože je příliš tvrdá, může při míchání
pomoci např.:
- vyšší stupeň plastikace kaučuku před začátkem míchání směsi
- použití vyšší rychlosti míchání
- úprava míchané dávky
- změna doby míchání
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
-
9
jiný postup dávkování přísad
úprava směsi (např. přídavek změkčovadel)
Postup míchání musí být takový, aby byl dostatek času přidat všechny přísady dříve,
než se dosáhne teplota předepsaná pro vypuštění směsi. Rychlost vzestupu teploty
míchané směsi je možno ovlivnit úpravou:
- míchané dávky
- přítlaku klátu
- otáček rotorů
- průtoku chladicí vody.
Pokud je vzestup teploty při míchání příliš rychlý, může být použito i dvoustupňové
(nebo vícestupňové) míchání, při kterém se materiál z hnětiče po každém míchání
vypustí a ochladí. V posledním stupni se přimíchává jen urychlovač a stíťovadlo.
Podmínky míchání
V gumárenské výrobě je možno při míchání v hnětiči obvykle ovlivnit následující
parametry:
Parametry materiálu
Teplota a forma přidávaných surovin (především kaučuků).
Parametry hnětiče
- Teplota komory.
- Teplota rotorů.
- Otáčky rotorů.
- Přítlak směsi klátem.
Průběh míchacího procesu
- Postup přidávání složek směsi.
- Časový průběh otáček rotoru.
- Stupeň zaplnění komory hnětiče.
Rychlost otáčení rotorů je rozhodující parametr k ovlivnění kvality směsi.
Rostoucí tlak klátu zvyšuje efektivní zaplnění komory a zvyšuje proto intenzitu
míchání.
Postup přidávání složek směsi má na průběh míchání významný vliv. Např. při
přidání oleje těsně po přidání sazí se docílí lepší dispergace sazí než při současném
dávkování sazí a oleje. Prodleva mezi dávkováním obou složek však nesmí být příliš
dlouhá, protože míchaná směs může začít klouzat na stěně. Výhodné je proto
nastřikovat olej přímo do komory hnětiče tak, že při poklesu příkonu motoru se
přeruší dávkování oleje.
Moderní hnětiče nabízí pro řízení procesu míchání řadu integrálních kritérií, jako je
např.:
- čas
- teplota
- energie
- počet otáček rotoru při spuštěném klátu
Optimální řešení spočívá často v rozdělení míchacího procesu do několika kroků.
Každý krok je v případě potřeby možno řídit podle jiného kritéria.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
10
Plastikace kaučuku
U NR se na počátku míchání pro snížení viskozity a elasticity často používá tzv.
plastikace neboli lámání kaučuku (případně i jako samostatná výrobní operace).
V současné době jsou však nabízeny i NR s nižší viskozitou (např. SMR CV), které
lámání nepotřebují.
Aby se při plastikaci NR co nejvíce omezil vzrůst teploty, pracuje se při plném
chlazení komory hnětiče, v přítomnosti plastikačních chemikálií a při nižším stupni
zaplnění komory. Plastikace trvá obvykle 3 až 5 min. a závisí na požadovaném stupni
odbourání NR.
Po rozpracování kaučuku v míchací komoře se zvedne přítlačný klát a je možno začít
přidávat další přísady, jako jsou antioxidanty, ZnO a stearin. V dalším kroku lze přidat
plniva, olej, další složky vulkanizačního systému a nakonec síru.
Průběh míchání
Jak jsme se již zmínili, průběh míchání v hnětiči je možno sledovat podle doby
míchání, podle teploty míchané směsi, podle spotřebované elektrické energie
(ampérmetr, wattmetr) a případně i podle zvuku motoru.
Řízení průběhu míchání podle času (tj. podle doby míchání) je nejstarší způsob.
Nevýhodou je, že i když je doba míchání stejná, mohou např. rozdíly v materiálových
parametrech nebo v teplotě stěny komory vést k velmi rozdílným výsledkům míchání.
Měření teploty míchané směsi v komoře hnětiče je obtížné, protože ve směsi působí
velké smykové síly a tepelná čidla musí být proto robustní. Důsledkem je zpožděná
reakce tepelných čidel (často o 30 až 40 sekund), což je při krátkých míchacích
časech velmi mnoho.
Kvalita dispergace přísad jednoznačně závisí na měrné energii přivedené do směsi
v průběhu míchání. Měrná energie míchání je výhodné kritérium také např. při
odbourávání NR, protože existuje její korelace s viskozitou odbouraného kaučuku.
Ke sledování průběhu míchání se často užívá průběh závislost příkonu motoru na
čase, protože jednotlivé procesy míchání se na této závislosti projeví průběhem
charakteristickým pro každou míchanou směs (někdy se tento průběh kombinuje
ještě se závislostí polohy přítlačného klátu na čase).
Konec míchání (vypuštění směsi z hnětiče) se často určuje podle teploty směsi.
Celková doba míchání by měla s teplotou vypouštění korelovat. Vzhledem ke
zmíněným nepřesnostem při měření teploty některé provozy používají jako indikátor
pro vypuštění směsi hodnotu celkové míchací práce.
Směsi s vyšším obsahem ztužujících plniv mohou při míchání rychle dosáhnout
teplotu přes 150°C. Aby nedošlo k navulkanizaci sm ěsi již při míchání v hnětiči, je
nejprve připravena směs bez síry a urychlovačů - nazývaná směs z prvního stupně
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
11
nebo předsměs, která je vypuštěna z hnětiče a ochlazena. Ve druhém stupni jsou
pak přimíchány další aditiva včetně vulkanizačních přísad a směs z druhého stupně
je vypuštěna při teplotě blízké ke 100°C.
Směsi s vysokým obsahem plniva se lépe míchají, když se současně s plnivem přidá
i olej. Olej částečně spojí částice plniva, zvýší jejich soudržnost a zvýší tak smykové
síly ve vrstvě plniva. Směsi s nízkým obsahem ztužujících plniv se při míchání méně
zahřívají a mohou být případně míchány jen v jednom stupni.
Pro některé směsi je příliš vysoká i teplota míchání 150°C (nap ř. CR směsi se
vypouští už při teplotě pod 110°C). D ůvod je ten, že CR může částečně vulkanizovat
i bez přídavku vulkanizačních přísad.
Postup míchání
Zpracování přírodního kaučuku začíná obvykle předehřevem balíků NR v tzv. teplé
komoře (vyhřívaná místnost). Kaučuk je pak nasekán a plastikován v hnětiči.
Pastikace v hnětiči probíhá za plného chlazení a objem míchané dávky je o cca 10%
menší než při míchání kaučukové směsi. Teplota během plastikace by neměla
překročit 150 až 160°C a obvyklá doba míchání je 3 až 5 mi n. (podle požadovaného
stupně plastikace).
Při nižším stupni plastikace je NR schopen pojmout větší množství plniv a vulkanizát
má lepší dynamicko-mechanické vlastnosti. Z tohoto důvodu (stejně jako z důvodů
ekonomických) je nutno používat co nejkratší dobu plastikace. V současné době je
plastikace NR nejčastěji zařazena jako první krok míchání směsi.
V průběhu přípravy předsměsi jsou ve vnitřním hnětiči ke kaučuku přidána plniva,
změkčovadla a další chemikálie. Cílem přípravy předsměsi je dosáhnout co nejlepší
dispergece plniv a zajistit viskozitu směsi požadovanou pro další míchání bez
překročení předepsané maximální teploty.
Správné rozpracování plniva a správná dávka míchané předsměsi se obvykle projeví
„mlaskavými zvuky“ na konci míchání v hnětiči, přičemž přítlačný klát se pohybuje
těsně nad svou spodní polohou. Předsměs pak může být vypuštěna z hnětiče a
zchlazena.
Směsi kaučuků jsou mikroheterogenní a kontinuální fázi tvoří buď polymer přítomný
ve vyšší koncentraci nebo polymer s nižší viskozitou. Velikost oblastí dispersní fáze
závisí na charakteristikách polymerů, rozdílech ve viskozitě kaučuků a na způsobu
míchání.
K inverzi (tj. reverzi kontinuální a disperzní kaučukové fáze) dochází přes stadium
vzájemně se prostupujících sítí polymerů, často při poměru koncentrací kaučuků cca
50:50. Přesná oblast přechodu velmi závisí na viskozitě a typu kaučuků.
Účinný způsob, jak zajistit po zamíchání potřebné rozdělení plniva v kaučukových
fázích, je použít k přípravě směsi předem zamíchaných plněných kaučukových
předsměsí. Pokud jsou míchány kaučuky s rozdílnou rychlostí vulkanizace, je možno
použít i předsměsi, které obsahují různé koncentrace složek vulkanizačního systému.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
12
Práškové kaučuky mohou být míchány s konvenčními kaučuky obvyklým postupem.
Míchání práškových kaučuků navzájem je možno někdy provádět i v kontinuálních
hnětičích.
Při jednostupňovém míchání je směs ve vnitřním hnětiči zpracována jen jednou. Do
kaučukové směsi jsou přitom postupně přidány všechny potřebné složky včetně
vulkanizačního systému a vulkanizačního činidla. Po vypuštění z hnětiče je směs
zchlazena na dvouválci a rozřezána.
Tento způsob míchání se používá výjimečně, jen pro směsi, které se při míchání
příliš nezahřívají (omezení plynoucí z přítomnosti vulkanizačního systému).
Alternativní postup představuje přídavek vulkanizačního činidla na dvouválci po
vypuštění směsi z hnětiče, kdy směs domíchaná na dvouválci je pak zchlazena a
rozřezána.
Dvoustupňové míchání zahrnuje dvojnásobné zpracování v hnětiči. První stupeň
míchání zahrnuje přípravu plněné předsměsi, která je vypuštěna a zchlazena na
dvouválci. Předsměs je po odležení znovu vrácena do vnitřního hnětiče, kde je
přidán vulkanizační systém. Finální směs je pak znovu ochlazena na dvouválci a
rozřezána, aby byla připravena k dalšímu zpracování.
Tandemové míchání je varianta dvoustupňového míchání, při které je předsměs
z prvního stupně míchání vypuštěna přímo do druhého hnětiče. Druhý hnětič má
větší objem, aby cca během 2 min. zajistil zchlazení předsměsi na 105 až 110°C.
Zde je pak přimíchán vulkanizační systém, směs je vypuštěna na dvouválec,
zchlazena a rozřezána.
Při tandemovém míchání mohou být dva hnětiče uspořádány do speciální míchací
linky. První hnětič připraví plněnou předsměs, která je peletizována, ochlazena a
opatřena povrchovou vrstvou proti slepení.
Získané pelety jsou skladovány v několika zásobnících, kde jsou navzájem
promíchány. Ze zásobníků jsou pelety navažovány na dopravník spolu
s vulkanizačním systémem a dalšími chemikáliemi a dávkovány do druhého hnětiče,
kde se zamíchá finální směs. Finální směs je pak zchlazena na dvouválci a
rozřezána.
Hlavní nevýhodou tandemového míchání je ztráta výrobní kapacity obou hnětičů,
pokud jeden z nich nefunguje. Z tohoto důvodu se tandemové míchání v praxi příliš
nerozšířilo.
Třístupňové míchání se používá, pokud z nějakého důvodu není možno připravit
kvalitní předsměs s dobře dispergovaným plnivem hned v prvním kroku. V tomto
případě se přeruší míchání při dosažení určené maximální teploty (tj. dříve než se
dosáhne požadovaný stupeň disperze) a k zajištění potřebné disperze je použit další
stupeň míchání předsměsi.
Postupuje se tak, že se zchlazená předsměs znovu vrátí do vnitřního hnětiče a znovu
se míchá až po opětovné dosažení určené maximální teploty míchání. Směs je pak
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
13
znovu vypuštěna, zchlazena a rozřezána. Pokud se při druhém zpracování přesměsi
nepřidávají další přísady, nazývá se tento postup ´přepracování´. Když se další
přísady přidávají, nazývá se tento postup střední stupeň míchání.
Obrácený postup míchání se používá tehdy, když směs při běžném míchání změkne
dříve, než je dosaženo požadovaného stupně dispergace. Při obráceném postupu
jsou do hnětiče nejprve dávkována plniva, změkčovadla a pak bezprostředně
kaučuky.
Při tomto postupu bývají problémy s prašností a existuje i větší nebezpečí úniku
materiálu z hnětiče během míchání než při postupu, kdy je nejprve dávkován kaučuk.
Míchání směsi různými rychlostmi umožňuje optimalizovat míchací proces. Použití
vysokých rychlostí na počátku míchání vyvolá v míchaném materiálu vysoká
smyková napětí, která jsou velmi účinná jak při plastikaci NR, tak i při dispergaci
plniv.
Následné snížení rychlosti zpomalí vzestup teploty míchané směsi, takže dobu
míchání do dosažení maximální teploty míchání je možno prodloužit.
Obzvláště náročné na podmínky míchání jsou směsi plněné silikou, protože během
míchání zde musí proběhnout nejen dispergace a distribuce plniva, ale i silanizační
reakce (tj. reakce silanu s povrchem siliky). Nesmí však proběhnout reakce síťovací
(tj. reakce silanu s kaučukem).
U směsí se silikou je výhodné míchat nejprve při vysoké rychlosti k rychlé dispergaci
plniv, přísad a k dosažení zvýšené teploty potřebné ke zkrácení doby silanizační
reakce a pak míchat při snížené rychlosti, která umožňuje udržovat delší dobu téměř
konstantní teplotu směsi a zajistí dosažení vysokého stupně primární silanizační
reakce.
Při míchání finální směsi se k předsměsi kaučuku s plnivem přidávají složky
vulkanizačního systému. Finální směsi je možno míchat na dvouválci nebo ve
vnitřním hnětiči. V moderních provozech se finální směsi míchají v hětičích při nižších
rychlostech, aby se zpomalil ohřev materiálu a nedošlo k navulkanizaci směsi.
Míchací doby jsou u finální směsi krátké a teplota míchání obvykle nepřekročí 120°C.
(U směsi míchané za vyšších teplot může dojít také k vykvétání přísad, což má za
následek její sníženou konfekční lepivost.)
Zamíchání a dispergace složek vulkanizačního systému při přípravě finální směsi ve
vnitřním hnětiči obvykle nepředstavuje velký problém. Důležité je zde dosáhnout
dobré distribuce přísad a dlouhodobě udržet požadované vulkanizační charakteristiky
míchané směsi.
Finální směs je možno připravit i tak, že předsměs z vnitřního hnětiče je vypuštěna
na jeden dvouválec, kde je zchlazena a potom je převedena na druhý dvouválec, kde
se připraví finální směs, která je pak zchlazena a uložena před dalším zpracováním.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
14
Plněné předsměsi na bázi E-SBR mohou být vyráběny také dispergací plniva
ve vodě (případně i v přítomnosti oleje) a smícháním této disperze s kaučukovým
latexem. Získaná směs je vysrážena, usušena a zpracována do balíků.
Takto připravené plněné předsměsi mohou být snadno míchány jak na dvouválci tak i
ve vnitřním hnětiči a příprava finální směsi se značně zjednoduší. To přináší možnost
zvýšit kapacitu míchání a zlepšit ekonomiku míchání směsí. Hlavní výhody použití
těchto přesměsí jsou:
- zkrácení doby míchání
- zlepšení disperze plniv
- zvýšení kapacity míchání
- zpřesnění dávkování plniv a oleje ve směsi.
Použití takovýchto plněných předsměsí může vyhovět i zvýšeným požadavkům na
kvalitu směsí a kvalitu hotových výrobků. Protože plnivo je již na počátku míchání
částečně dispergováno v kaučuku, počáteční smykové síly při míchání v hnětiči jsou
vyšší a požadovaný stupeň disperze může být dosažen po kratší době míchání.
Z hlediska následných gumárenských zpracovatelských procesů jsou potřebné
kaučukové směsi, které mají stále stejnou viskozitu a disperzi sazí. Opakovaná
příprava směsí se stále stejnou kvalitou je velmi obtížná, protože při přípravě
kaučukových směsí působí mnoho proměnných, které je možno jen obtížně řídit.
Většina hnětičů není zatím dobře vybavena k řízení procesu míchání. V současné
době standardní metody řízení míchání v hnětiči obvykle zahrnují pouze otáčky
motoru, dobu míchání, míchací energii a teplotu směsi.
Vyvíjejí se však metody pro průběžné měření vlastností směsí, vyvíjí se i hardware a
software pro lepší řízení míchacího cyklu. Nové řídící programy obvykle zahrnují
ovládání pro:
- automatické navažování plniv, pigmentů a změkčovadel
- otvírání, zavírání plnicí násypky a ovládání zásobovacího pásu
- řízení teploty a chlazení stěn a rotorů
- dobu navažování kaučuku a plniv, pohybu přítlačného klátu
- míchací energii, teplotu směsi a dobu vypouštění směsi.
Řízení celého míchacího procesu je možno realizovat například tak, že se míchací
cyklus rozdělí na jednotlivé operace, kdy makroinstrukce odpovídající jednotlivým
operacím obsahují všechny mikroinstrukce potřebné k jejímu provedení.
Každou z operací je možno určit nastavením doby, energie nebo teploty. Tyto tři
parametry mohou být použity jednotlivě nebo navzájem kombinovány pomocí
operátorů „and“, „or“, nebo „if“ a mohou sloužit k nastavení podmínek přechodu
k následující operaci.
„And“ znamená, že je možno přejít k další operaci, jestliže jsou všechny takto
spojené parametry splněny, „or“ vyžaduje splnění alespoň jedné z podmínek a „if“
nejčastěji kombinuje teplotu s dalším parametrem,
např.:
125°C (teplota) „if“ >350 kWh (energi e).
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
15
I když je v uvedeném příkladu dosaženo energie míchání 350 kWh, systém přejde
k další operaci, až teplota dosáhne 125°C.
Směs
Vnitřní hnětič musí zajistit potřebný stupeň dispergace a distribuce složek ve směsi.
Po výstupu z hnětiče má zamíchaná kaučuková směs tvar kusů a musí být na
následujících zařízeních homogenizována, chlazena a její tvar musí být upraven
podle požadavků dalšího zpracování.
Zamíchaná směs je obvykle vypuštěna na dvouválec, odkud je kontinuálně
odebírána ve formě pásků. Za dvouválcem je často odtahovací a chladicí zařízení,
kterým prochází pásek směsi odtahovaný z dvouválce. Pásek zde probíhá přes vodní
lázeň, je opatřen separační vrstvou, zchlazen na pokojovou teplotu a po usušení je
nejčastěji poskládán na paletu, kde je skladován pro další použití.
U automatizovaných míchacích linek je stále častěji místo dvouválce používán
intenzivně chlazený vytlačovací stroj. Používá se zde buď peletizační hlava, nebo se
směs vytlačuje ve formě pásku, který následně prochází přes odtahovací a chladicí
zařízení. Pelety umožňují pneumatickou dopravu a automatické dávkování směsí do
zpracovatelských zařízení.
KONTINUÁLNÍ HNĚTIČ
Kontinuální míchání kaučukových směsí pomocí různých zařízení je velmi lákavý cíl.
Kontinuální míchání je dosud používáno jen v omezeném rozsahu, protože má řadu
problémů. Pro malý počet složek směsi a omezený sortiment (např. pro některé
směsi na kabely a podlahoviny) však může být kontinuální míchání výhodné již dnes.
Předpokládá se, že kontinuální míchání bude v budoucnu hrát stále významnější roli.
V současné době je však omezeně použitelné, protože většina kaučuků je nyní
dostupná buď ve formě balíků nebo v kouscích příliš velkých, než aby se daly pro
kontinuální hnětič použít.
Hlavními kandidáty pro zpracování v kontinuálním hnětiči jsou práškové kaučuky.
Zdá se tedy, že spolu s pokročilými kaučuky polymerovanými v plynné fázi
vyráběnými ve formě volně tekoucích prášků se otvírají i nové možnosti míchání
kaučukových směsí.
Kontinuální míchání gumárenských směsí je dosud v začátcích. Zařízení EVK
(Extruding, Venting, Kneading) jsou užívána převážně pro zpracování směsí na bázi
práškového EPDM kaučuku. Zařízení MVX (Mixing, Venting, Extruding) jsou
používána pro míchání směsí pro kabely a k výrobě směsí z granulovaného kaučuku
(testováno např. pro NR, SBR, IR, BR, CR a EPDM, i pro NBR a HNBR).
V současné době se práce v oblasti kontinuálního míchání kaučukových směsí
soustředí (podobně jako u míchání plastů) především do oblasti upravených
míchacích dvoušneků.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
16
Hlavní problém kontinuálního míchání u všech strojů je dosažení dobré dispergace a
distribuce všech složek směsi. Kontinuální hnětiče míchají najednou jen poměrně
malý objem směsi a všechny složky směsi musí být v tomto malém objemu přítomny
ve správné koncentraci.
Vzhledem k tomu, že kontinuální míchání probíhá v malých objemech je třeba, aby
zařízení bylo kontinuálně zásobováno dokonale předmíchaným materiálem, který je
přesně dávkován do míchacího stroje. To vyžaduje, aby všechny složky byly
k dispozici v částicové formě.
Při diskontinuálním míchání ve vnitřním hnětiči jsou jednotlivé dávky kaučukové
směsi míchány jak extenzivě (distribuce všech materiálů v celém objemu směsi) tak i
internzivně (zmenšování velikosti částic a následné změny rozložení materiálů).
Tento postup míchání je schopen zajistit homogenní rozmíchání i u složek
přidávaných do směsi v malých množstvích.
Kontinuální hnětiče zajišťují převážně jen intenzivní míchání a extenzivní míchání
musí být zajištěno již před vstupem do kontinuálního hnětiče, např. předmícháním
všech materiálů nebo použitím řady kontinuálních dávkovačů. Protože většina
gumárenských směsí obsahuje 7 až 20 složek, je předmíchání složek obvykle
nevyhnutelné.
5.2 Vytlačování
V gumárenské (stejně jako v plastikářské) technologii je vytlačování velmi významný
zpracovatelský proces. Základním cílem vytlačování je kontinuální tváření kaučukové
směsi do požadovaného tvaru. Šnek vtáhne směs do dutiny pouzdra šneku a tlačí ji
svým rotačním pohybem kupředu. Při kontinuálním pohybu vpřed se směs ohřívá
frikčním teplem vznikajícím ve směsi v důsledku smykových deformací. Na konci
šneku má směs vlastnosti, které umožňují její protlačení otvorem hubice a vytvoření
profilu požadovaného tvaru.
V gumárenské technologii slouží vytlačování např. k přípravě hadic, profilů, běhounů
pneumatik, k oplášťování kabelů a drátů a k přípravě předlisků pro další zpracování.
Větší stroje se používají např. k plastikaci kaučuků a k pasírování kaučukových
směsí. Šnekové jednotky slouží také ke vstřikování směsí do formy. Rozřezáním
výtlačku z kruhové hubice je možno kontinuálně vyrábět i ploché útvary jako jsou
např.desky. Pro některé gumárenské výrobky se užívá i koextruze.
Aby nedocházelo k navulkanizaci směsi, je nutno v gumárenské technologii
vytlačovat při nižších teplotách, než při jakých se obvykle vytlačují termoplasty.
Vytlačovací stroje pro kaučukové směsi se proto od standardních vytlačovacích
strojů pro plasty značně liší.
Podle principu je možno rozlišit šnekové a pístové vytlačovací stroje. Pístové
vytlačovací stroje se v současné době používají jen výjimečně. Tento princip (kdy je
materiál diskontinuálně vytlačován pomocí pístu) se dosud používá při přetlačování a
někdy při vstřikování kaučukových směsí.
17
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
Gumárenský šnekový vytlačovací stroj (extruder) je složen z kapalinou
temperovaného pouzdra šneku, ve kterém se otáčí temperovaný šnek. Pouzdro
šneku pomáhá při pohybu materiálu vpřed a umožňuje i částečné řízení teploty.
násypka
šnek
hubice
Obr.: Schéma šnekového vytlačovacího stroje
Na jednom konci pouzdra šneku je násypka (někdy opatřená podávacími válečky),
kudy se do šneku přivádí kaučuková směs. Na druhém konci je vytlačovací hlava,
která drží vytlačovací hubici. Hubicí se materiál vytlačuje a přitom získává
požadovaný tvar.
Důležitou konstrukční charakteristikou vytlačovacích strojů je poměr mezi délkou
šneku a jeho průměrem (L/D). Gumárenské vytlačovací stoje zásobované teplou
směsí (např. směsí předehřátou na dvouválci) potřebují jen nízké hodnoty L/D (např.
6:1), zatímco stroje zásobované studenou směsí (např. páskem směsi s palety)
potřebují větší hodnoty L/D (např.12:1). Poměr 12:1 je možno uvádět také jako 12 D.
Dnes jsou v gumárenské technologii používány vytlačovací stroje až se šneky 24 D.
Vývoj gumárenských vytlačovacích strojů směřuje od extruderů zásobovaných teplou
směsí k extruderům zásobovaných studenou směsí. Zatímco do extruderu
zásobovaného teplou směsí vstupuje materiál s relativně nízkou viskozitou, do
extruderu zásobovaného studenou směsí přichází směs, která má pokojovou teplotu
a viskozitu relativně vysokou.
Šnek v extruderu zásobovaném studenou směsí musí zajistit dostatečný přívod
energie, aby došlo k ohřevu, snížení viskozity a vzrůstu tlaku, které jsou nezbytné
k dopravě a protlačení materiálu hubicí nebo štěrbinou. Protože směs je na počátku
tvrdší a studenější, je potřeba větší délka šneku.
Ohřev a rozpracování materiálu v extruderu zásobovaném studenou směsí byly
původně závislé jen na tření materiálu v profilu šneku. Nové extrudery většinou
využívají i intenziví míchání v důsledku rozdělení a přesměrování toku kaučukové
směsi (např. použitím dvou šneků s různým stoupáním, což omezuje přehřívání
směsi a umožňuje použít vyšších rychlostí vytlačování).
ŠNEKY
Šneky gumárenských extruderů musí splňovat několik protichůdných požadavků:
- Teplota gumárenské směsi by se po délce šneku neměla příliš zvyšovat.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
-
18
Na konci šneku by směs měla být mechanicky i tepelně homogenní.
Výkon šneku by měl být co největší.
Viskozita kaučukových směsí je relativně vysoká. Materiál se podél stěny šnekového
kanálu smykem ohřívá a uprostřed kanálu se postupně vytváří jádro studeného
materiálu. Jednoduché řešení tohoto problému je použití směsi předehřáté na
dvouválci na 60 – 80°C. Tím se dosáhne:
- Snížení viskozity směsi zvýšením její teploty.
- Rozrušení částicové sítě vytvořené ve směsi částicemi plniva.
Hlavní nevýhoda tohoto řešení je nutnost použít dvouválec jako další zařízení.
Protože tradiční šneky špatně míchají, je možno použít šneky s míchací sekcí.
V gumárenské technologii se používají nejčastěji buď míchací kolíky na pouzdře
šneku, které sahají až ke dnu šnekového profilu (tzv. kolíkový vytlačovací stroj), nebo
proměnná hloubka šnekového kanálu a dutin v pouzdře šneku (tzv. Transfermix).
Míchací sekce se používají především u vytlačovacích strojů zásobovaných
studenou směsí.
Cílem zařazení míchací sekce je zajistit účinné míchání a homogenizaci kaučukové
směsi bez použití vysokých smykových rychlostí, které by mohly způsobit přehřátí a
případnou navulkanizaci směsi během vytlačování. Kolíkové vytlačovací stroje
umožňují zpracovávat i směsi s vysokou viskozitou Mooney.
Moderní gumárenské extrudery mohou být opatřeny otvorem v pouzdru šneku,
kterým se z kaučukové směsi odvádí těkavé podíly (tzv. vakuová zóna). Odplynění
kaučukových směsí je vzhledem k vyšší viskozitě materiálu obtížnější než odplynění
plastů. Evakuací se zajistí, že vytlačované kaučukové směsi je možno následně
vulkanizovat bez nebezpečí vzniku pórů.
Pro dosažení vyššího tlaku na konci vytlačovacího stroje se i v gumárenské
technologii začala používat zubová čerpadla, které přináší následující výhody:
- Protože tlak potřebný k překonání odporu vytlačovacího nástroje zajišťuje
zubové čerpadlo, může zásobovací šnek dávat jen poměrně malý tlak (cca 50
bar).
- Vzhledem k poměrně nízkému tlaku na konci šneku je vzrůst teploty podél
šneku malý.
- Zubové čerpadlo dávkuje převážně objemově. Dávkovaný objem je možno
řídit otáčkami a téměř nezávisí na protitlaku.
Extruder se zubovým čerpadlem je ovšem výrazně dražší a jeho použití nemusí být
pro všechny aplikace výhodné.
NÁSTROJE
Vzhledem k mnoha různým druhům vytlačovaných výrobků existuje i řada rozdílných
vytlačovacích nástrojů. V gumárenské technologii jsou nejdůležitější vytlačovací
hlavy bez přechodové a náběhové zóny, kde je do proudu materiálu vložena pouze
vytlačovací šablona.
Z hlediska zpracovatele je toto řešení výhodné, protože výroba vytlačovacích šablon
je většinou levná. Pro složitější vytlačované profily však může být příprava
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
19
vytlačovací šablony komplikovaná, protože vzhledem ke složitému tokovému chování
kaučukových směsí probíhá převážně na základě zkušeností (tj. bez použití
výpočetní techniky).
Pro výrobu vytlačovaných plošných útvarů (např. střešních fólií, dopravních pásů a
běhounů) existuje řada speciálních vytlačovacích hlav, které jsou svými výrobky
schopny konkurovat technologii válcování.
Jedná se především o jednoválcovou vytlačovací hlavu, která má proti horní (snadno
vyměnitelné) liště požadovaného tvaru umístěn poháněný temperovaný válec.
V důsledku dopravního účinku válce stačí nižší tlak na konci šneku¸ snižuje se nárůst
teploty podél šneku a zvyšuje se výkon extruderu. Další zvýšení výkonu při snížení
tlaku na hlavě lze dosáhnout použitím dvou válců proti sobě (roller head). O tomto
uspořádání se zmíníme v kapitole „válcování“.
Při vytlačování kaučukových směsí jsou obvykle požadavky na kvalitu směsi vyšší
než při válcování a lisování. Pro zvýšení kvality lze při přípravě kaučukové směsi
použít extruder s hlavou opatřenou speciálním sítem (Streiner), který ze směsi
odstraní nečistoty a nerozpracované větší agregáty plniv a kaučuků, působící potíže
při dalším zpracování (např. při vytlačování profilů).
VÝTLAČKY
Po výstupu z extruderu se může výtlaček délkově zkrátit a narůst v průřezu. Tento
jev se nazývá narůstání za hubicí a závisí jak na rozložení smykových rychlostí
v hlavě a hubici, tak i na viskoelastických vlastnostech zpracovávané směsi.
V praxi může být narůstání za hubicí dosti složité, takže nástroj musí být při zajíždění
nového profilu často i několikrát upraven, než se dosáhne požadovaného tvaru
výtlačku. Snížit narůstání je možno úpravou složení směsi (např. přídavkem faktisu
nebo zpracovatelských přísad) nebo zvýšením teploty.
Při vytlačování velmi měkkých směsí může někdy docházet k deformaci výtlačků
během ohřevu před vulkanizací. Tuto vadu je možno odstranit použitím částečně
síťovaných typů kaučuku (nabízeny jsou např. NR, SBR, NBR a CR).
VULKANIZACE
Vytlačené kaučukové směsi se používají buď jako polotovary pro konfekci (např. při
výrobě pneumatik), nebo se vulkanizují na hotové výrobky (příklad: hadice a profily).
Dříve byly extrudáty většinou vulkanizovány diskontinuálně v autoklávu. V současné
době se stále častěji za extruderem zařazuje kontinuální vulkanizace.
Z hlediska ohřevu extrudátu je možno při kontinuální vulkanizaci rozlišit dva kroky:
1) Ohřev směsi na vulkanizační teplotu (která může někdy být i vyšší než
180°C).
2) Udržování materiálu na vulkanizační teplotě po dobu vulkanizace
(vulkanizační dráhy mohou být až cca 40 m dlouhé).
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
20
Smyková hlava
Velmi intenzivní ohřev kaučukové směsi na konci extruderu může zajistit použití tzv.
smykové hlavy, ve které je materiál protlačován kolem rychle rotujícího trnu. K růstu
teploty zde dochází v důsledku disipace smykové energie. Vysoká teplota na výstupu
ze smykové hlavy má následující výhody:
- Protože regulací otáček trnu lze nastavit podmínky tak, aby směs při výstupu
ze smykové hlavy měla vulkanizační teplotu, je možno zkrátit délku následné
vulkanizační dráhy (o cca 20% proti solné lázni a o cca 30% proti kombinaci
UHF + horký vzduch) a snížit tak spotřebu energie.
- Vytlačovaný materiál je při výstupu ze smykové hlavy již částečně
navulaknizovaný, takže se extrudát v průběhu vulkanizace méně deformuje
(viskozita prošla minimem, které se objevuje při ohřevu materiálu na počátku
vulkanizace, již při ohřevu ve smykové hlavě).
- Na rozdíl od UHF je možno pomocí smykové hlavy efektivně ohřívat i
nepolární směsi.
Nevýhodou smykové hlavy je hlavně:
- Vyšší požadovaná přesnost regulace teploty směsi před vstupem do smykové
hlavy.
- Vyšší požadavky na stálost kvality kaučukové směsi než u jiných způsobů
vulkanizace.
- Vyšší zatížení a snížení výkonu extruderu v důsledku vyššího tlaku na vstupu
od smykové hlavy.
- Ohřev smykovou hlavou v každém případě potřebuje následné zařízení
k udržení vulkanizační teploty (např. horký vzduch nebo solnou lázeň).
Solná lázeň
V solné lázni označované také LCM postup (Liquid Curing Medium) je extrudát
intenzivně ohříván průchodem lázní s horkým kapalným médiem (roztavená sůl).
Solnou lázeň obvykle tvoří směs KNO3 (53%) + NaNO2 (40%) + NaNO3 (7%)
s teplotou tání 145 až 150°C. Vulkaniza ční teploty mohou být poměrně vysoké
(obvykle 210 až 240°C) a vulkaniza ční časy pro tenkostěnné výrobky krátké. Čím je
výtlaček tlustší, tím potřebuje delší dobu na prohřátí v solné lázni, takže pro
vulkanizaci tlustostěnných výrobků může být výhodnější UHF postup.
Výhodou solné lázně je velmi dobrý přestup tepla z lázně do výrobku a vulkanizace v
nepřítomnosti vzduchu (významné především pro peroxidickou vulkanizaci).
Nevýhodou je vysoká hustota roztavené soli (cca 1,9 g/cm3), která vyžaduje relativně
velkou sílu k ponoření výtlačku (při ponoření může dojít k deformaci během
vulkanizace). Významné jsou i problémy se zasolenou chladicí vodou.
UHF
K mikrovlnnému ohřevu (UHF) extrudátu se využívá střídavého elektrického pole
s frekvencí 2 450 MHz, která vyžaduje k ohřevu dipólovou polarizaci. Kaučuková
směs pro vulkanizaci UHF musí proto být polární. Do směsi z nepolárního kaučuku
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
21
se musí přidat polární kaučuk nebo jiné polární přísady. Hlavní výhodou UHF ohřevu
je urychlení vulkanizace tlustostěnných výrobků.
Fluidní lože
Při vulkanizaci ve fluidním loži je teplo na extrudát přenášeno vyhřátými skleněnými
kuličkami (balotinou) udržovanými ve vznosu. Přesup tepla do kaučukové směsi je
intenzivnější než při ohřevu horkým vzduchem, ale ne tak intenzivní jako v solné
lázni. Problém představují jak ulpívající kuličky na povrchu vulkanizátu, tak i zanášení
povrchu skleněných kuliček přísadami kaučukové směsi.
Horkovzdušný ohřev
Horkovzdušný ohřev je poměrně pomalý, protože koeficient přestupu tepla ze
vzduchu do kaučukové směsi je nízký. Zařízení potřebná pro vulkanizaci extrudátů
pouze pomocí horkovzdušného ohřevu by proto byla dlouhá.
Časté jsou kombinace smyková hlava/horký vzduch, nebo UHF/horký vzduch, kde
horkovzdušný ohřev zajišťuje pouze udržení vulkanizační teploty. K urychlení
počátku ohřevu při horkovzdušném ohřevu může být použit i turbulentní horký
vzduch s teplotou 400 až 600°C, nebo intraoh řev. (Při intenzivním ohřevu se na
povrchu výtlačku rychle vytvoří tenká vrstva vulkanizátu.)
Ionizační záření
Ionizační záření (nejčastěji proud elektronů s energií >0,5 MeV) vytváří v kaučukové
směsi volné radikály podobně jako rozpad peroxidů. Volné radikály působí sesíťování
kaučukových řetězců. K vulkanizaci ionizačním zářením dochází i bez přítomnosti
vulkanizačních činidel. K urychlení vulkanizace se obvykle používají aktivátory
podobné jako pro peroxidickou vulkanizaci. Výhodná je hlavně vysoká odolnost
tohoto typu vulkanizátů proti stárnutí, nevýhodná je vysoká investiční náročnost a
nerovnoměrná hustota sítě, která závisí na rozdělení intenzity ionizačního záření.
Další způsoby
Kontinuální vulkanizace v parní trubce (CV – vulkanizace) se používá většinou jen
pro kabely (protože obsahují nosný kovový drát, který brání nežádoucím deformacím
kaučukové směsi během vulkanizace). Při dostatečně vysokém tlaku páry (a tím i
dostatečně vysoké teplotě vulkanizace) jsou vulkanizační doby poměrně krátké.
Pro výrobky většího průřezu (např. kabely nebo hadice) se často používala
diskontinuální vulkanizace v olověném plášti. Hadice byly před vulkanizací
vytlačovány na trn, který bránil deformacím během vulkanizace. Na kaučukovou
směs na trnu nebo elektrickém vodiči byla následně nanesena vrstva olova. Výtlačky
v olověném plášti byly navinuty na velkých bubnech a vulkanizovány v autoklávu.
V menším rozsahu jsou pro některé aplikace používány i další způsoby vulkanizace
extrudátů (např. vulkanizace silany).
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
22
5.3 Válcování
Válcování se v gumárenské technologii používá k přípravě přesně dimenzovaných
plošných útvarů různé tloušťky, k pogumování technických textilií a k nanášení vrstev
kaučukové směsi na textil.
KALANDRY
Kalandry mívají 2 až 4 válce v různém uspořádání, s možností přesného nastavení
štěrbiny a frikce mezi jednotlivými válci. (U moderních kalandrů má každý válec
vlastní pohon.) Při válcování gumárenských směsí musí být kvůli nebezpečí
navulkanizace používány nižší teploty než při válcování plastů. Z tohoto důvodu jsou
síly mezi válci vysoké a provedení gumárenských kalandrů musí být velmi robustní.
Dvouválcové kalandry
Použitím dvouválců v gumárenské technologii jsme se již zabývali v rámci míchání,
dokončování, chlazení a předehřívání kaučukových směsí.
Zatímco povrch válců míchacích dvouválců není kvůli lepšímu míchání obvykle zcela
hladký, jsou válce všech kalandrů broušené a leštěné.
Dvouválcové kalandry se hodí k tažení pásů kaučukové směsi a mohou být použity
např. ve výrobě podrážek obuvi nebo ve výrobě podlahovin. Vzhledem k nižší kvalitě
povrchu výrobků se však používají jen výjimečně. Spíše výjimkou je i použití
dvouválcových kalandrů v kombinaci s válcovou hlavou (roller head), kde dvouválec
slouží k leštění a tloušťkové kalibraci pásu vystupujícího z ploché hlavy vytlačovacího
stroje.
Tříválcové kalandry
dávkování
Obr.: Schéma tříválce
odtah
Tříválcové kalandry mohou být použity pro všechny běžné účely s výjimkou
oboustranného pogumování tkanin. Tříválce se většinou používají k tažení pásů o
tloušťce cca 0,3 až 1 mm a k jednostrannému pogumování tkanin. Dva tříválce
v tandemovém uspořádání někdy nahrazují čtyřválec, protože toto řešení umožňuje i
oboustranné pogumování kordových tkanin.
23
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
Čtyřválcové kalandry
Čtyřválcové kalandry jsou v současné době v gumárenském průmyslu
pravděpodobně nejčastější, protože mají univerzální použití. Nejstarší čtyřválce byly
tvaru I, v dnešní době se však z důvodů jednoduššího zásobování kaučukovou
směsí používá častěji tvar F nebo L. Oblíbené jsou také čtyřválce typu Z.
tvar I
tvar F
tvar L
tvar Z
Obr.: Schéma čtyřválců
Jak tříválce tak i čtyřválce mohou být použity také jako profilové kalandry, kde
poslední štěrbina má požadovaný tvar profilu.
Rozdíly v tloušťce
Ke snížení rozdílů v tloušťce válcované směsi podél osy válců způsobených ohybem
válců mohou být válce bombírované (tj. průměr válců uprostřed je větší než na
okrajích). Nevýhodou je, že bombírování nelze přizpůsobit ani vlastnostem
kaučukové směsi, ani podmínkám použití kalandru. Bombírování válců dělá problémy
zejména při frikcionaci textilu kaučukovou směsí a při dublování vrstev směsi.
Rovnoměrnost štěrbiny mezi posledními válci lze dosáhnout také křížením (tj.
vybočením os) válců. Jiný postup k ovlivnění tvaru štěrbiny mezi válci je tzv. „rollbending“, kdy se použije přídavná síla na konci válců. Hodnoty obou těchto veličin
lze podle potřeby nastavit. Při nastavení je třeba počítat s tím, že také při válcování
dochází k narůstání materiálů za štěrbinou.
POSTUP
Kalandry jsou zásobovány směsí o vhodné teplotě. Ve výrobních linkách bývá
kaučuková směs často převáděna z hnětiče na ohřívací dvouválec. Z dvouválce je
teplá směs odebírána ve formě pásku, který je po magnetické kontrole na obsah
kovů rozváděn dopravníkem po celé šířce zásobovací štěrbiny kalandru. Po opuštění
poslední štěrbiny mezi válci musí být pás oříznut na požadovanou šíři. Ořezané
okraje pásu jsou vraceny na ohřívací dvouválec.
Lepši kontrolu teploty směsi před vstupem do kalandru je možno dosáhnout použitím
vytlačovacího stroje s válcovou hlavou. Protože výtlaček neobsahuje vzduchové
bubliny a válcová hlava nemá roličku, lze v tomto uspořádání přímo válcovat i tlustší
plošné útvary (např. až do tloušťky 20 mm).
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
24
Pro rovnoměrnost tloušťky válcovaného pásu je důležitá i přesná regulace teploty
podél osy válců. Přiváděná směs, stejně jako povrch jednotlivých válců, musejí mít
správně nastavené teploty (pro každou směs jiné).
Mimo teplotu mají na válcování velký vliv i vlastnosti kaučukové směsi. Kolmo na
směr válcování má pás válcované směsi po výstupu z kalandru jiné vlastnosti než ve
směru válcování (tzv. „kalandrovací efekt“). Směs s vyšší elasticitou má vyšší tzv.
„memory effect“.
Válcované pásy s velmi hladkým povrchem je možno získat z dobře plastikovaného
NR, při použití málo aktivních plniv, při dostatečném stupni měkčení, při přídavku
vhodných zpracovatelských přísad, speciálních faktisů nebo předsíťovaných
kaučuků.
Tloušťka vystupujícího pásu je obvykle měřena β-zářičem nebo laserovým zařízením.
Po opuštění kalandru je pás kaučukové směsi buď ochlazen na odtahovém a
chladicím zařízení s větším počtem válců, opatřen separací (nebo proložen PE fólií)
a navinut, nebo kontinuálně vulkanizován.
Aby materiál neobsahoval bubliny uzavřeného vzduchu, je často výhodné potřebnou
tloušťku získat vrstvením (dublováním) několika tenčích plošných útvarů. Při vrstvení
se využívá lepivost kalandrovaných pásů kaučukových směsí.
Protože značná část gumárenských výrobků je vyztužená textilem, představuje
důležité použití kalandrů také gumování textilu. Pro gumování textilu se používají
velmi měkké a lepivé kaučukové směsi.
Před nanášením kaučukové směsi musí být tkanina nejprve upravena, předehřáta a
usušena. Na válcích může být tkanina jednostranně nebo oboustranně nánosována.
Při frikcionaci je obvodová rychlost válce, který vtírá kaučukovou směs do tkaniny, o
cca 30 až 50% vyšší než rychlost pohybu tkaniny.
Vulkanizace válcovaných pásů kaučukových směsí a pogumovaného textilu většinou
probíhá beztlakově v horkovzdušných komorách při teplotě 160 – 170°C. P ři nízkém
tlaku je možno kontinuálně vulkanizovat (a případně i dublovat) mezi ocelovým
pásem a ocelovým bubnem vyhřátým až na cca 190°C (tzv. bubnový lis).
5.4 Lisování
Lisování je diskontinuální proces, při kterém se vulkanizace kaučukové směsi
provádí teplem ve formě. V průběhu vulkanizace získává gumárenský výrobek
současně konečný tvar. Délka výrobního cyklu při lisování závisí hlavně na kinetice
vulkanizace a na průběhu ohřevu kaučukové směsi (velký vliv na průběh ohřevu má
především tloušťka stěny výrobku).
25
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
LISOVÁNÍ VE FORMĚ
Compression Moulding (CM)
Části formy předehřáté na vulkanizační teplotu mají dutinu odpovídající
požadovanému tvaru výrobku. Dutina formy může mít různou velikost a forma může
obsahovat jednu nebo více dutin. Tlak ve formě je během vulkanizace vyvozován
lisem nebo membránou.
dutina formy
Obr.: Schéma uzavřené formy
Po otevření formy je do dutiny vložena nevulkanizovaná kaučuková směs (tzv.
předlisek). Po uzavření formy musí směs dutinu zcela vyplnit. Kaučuková směs musí
být proto dávkována v přebytku, který při zalisování odchází přes přetokové kanálky.
Po uzavření formy získá kaučuková směs konečný tvar a proběhne její vulkanizace.
Pokud směs v průběhu lisování nevyplní zcela formu, je výrobek vadný. Pomoci
může změna tvaru nebo zvýšení hmotnosti předlisku, případně změna viskozity
kaučukové směsi (viskozita příliš nízká → nevytlačí se všechen vzduch, viskozita
příliš vysoká → materiál nevyplní celou formu).
Odvzdušnění formy lze zlepšit několikanásobným otevřením a uzavřením formy
během lisování. Na hotovém výrobku lze případně zjistit místo uzavírání vzduchu a
v tomto místě do formy navrtat odvzdušňovací otvor malého průměru.
Při lisování mohou vznikat problémy také v důsledku vysoké tepelné roztažnosti a
nízké tepelné vodivosti kaučukové směsi ve srovnání s kovovou formou.
Protože viskozita kaučukové směsi klesá s rostoucí teplotou a roste s pokračující
vulkanizací, je tok materiálu během vulkanizace v lisovací formě velmi složitý.
Pohyb materiálu ve formě v průběhu lisování závisí složitým způsobem i na tvaru,
uložení a hmotnosti předlisku. V případě potřeby může být směs vložena do formy i
v několika kusech.
Po vulkanizaci, vyjmutí z formy a ochlazení se výrobek smrští, takže forma musí být
vždy poněkud větší (nejčastěji o cca 1,5%) než jsou požadované rozměry výrobku.
S rostoucím obsahem plniv v kaučukové směsi obvykle smrštění výrobků klesá.
Lisování ve formě je poměrně jednoduché a je výhodné především pro malé série
(cca od 50 po několik tisíc výrobků ročně). Ohřev materiálu probíhá pouze vedením
tepla od stěny formy, což vede k delším výrobním cyklům. Předlisky se proto někdy
před vložením do formy předehřívají horkým vzduchem nebo pomocí UHF.
26
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
Pro různé výrobky (jako jsou např. pneumatiky, podlahoviny, dopravní pásy a
podrážky obuvi) existují různé speciální lisy. Vulkanizační lisy jsou většinou ohřívány
vodní parou. Pro vyšší teploty se častěji používá elektrický ohřev.
PŘETLAČOVÁNÍ
Transfer Moulding (TM)
píst
kaučuková směs
Obr.: Schéma přetlačování
Hlavní rozdíl proti lisování ve formě spočívá v tom, že kaučuková směs je při
přetlačování vtlačována pomocí pístu do uzavřené formy vstřikovacími kanálky. Tím
jsou lépe definovány tokové poměry směsi ve formě. Protože je forma v době vstřiku
již uzavřená, je možno také přesněji nastavit použité množství materiálu.
Smyk ve směsi při toku přetlačovacími kanálky směs poněkud ohřívá a snižuje tak
její viskozitu. Kaučuková směs s nižší viskozitou snadněji vyplňuje dutinu formy a
zvýšená teplota směsi urychluje vulkanizaci. Při přetlačování také odpadá složité
vkládání předlisků do formy (ovšem za cenu složitější formy).
VSTŘIKOVÁNÍ
Injection Moulding (IM)
Při vstřikování je kaučuková směs před přetlačením do dutiny formy zplastikována
šnekovým vytlačovacím strojem. V gumárenské technologii se často používá krátký
šnek a zásobování páskem předehřáté kaučukové směsi. Vzhledem k požadovaným
nízkým teplotám zplastikované směsi na konci šneku jsou šnekové agregáty obvykle
temperovány vodou.
Kaučuková směs může být vstřikována do formy pomocí dopředného pohybu šneku
nebo pomocí pístu. Vysoká vstřikovací rychlost působí velký disipační ohřev směsi
ve vstřikovacích kanálcích (vyšší teplota → nižší viskozita + kratší vulkanizační doba
+ menší objemové změny při ohřevu na vulkanizační teplotu).
Díky vyšším teplotám vstříknutého materiálu je možno při vstřikování dosáhnout
poměrně krátkých pracovních cyklů. Tato výhoda se projeví především u výrobků
s větší tloušťkou stěny.
Změnu teploty kaučukové směsi při vstříknutí do formy je možno odhadnout pomocí
tzv. vstřikovací práce (integrál hydraulické práce po vstřikovací dráze):
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
FA = AS
∫
PS δ S
27
,
kde AS je průměr hydraulického pístu, PS je hydraulický tlak a δS je vstřikovací dráha.
Protože průběh vstřikovacího tlaku je obvykle možno řídit, lze tímto způsobem
ovlivnit teplotu kaučukové směsi po vstříknutí do formy.
Teplota formy při vstřikování je často vyšší než při lisování a přetlačování a je
výrazně vyšší než teplota kaučukové směsi ve šneku. Po vstříknutí je obvykle teplota
kaučukové směsi tak vysoká, že vulkanizace začne probíhat hned po zaplnění formy,
což umožňuje výrazné zkrácení výrobního cyklu.
Hlavní výhody vstřikování ve srovnání s lisováním ve formě jsou:
- V závislosti na geometrii výrobku, na směsi a na použitém zařízení se doba
vulkanizace při vstřikování zkrátí o 70 – 90%.
- Menší rozdíly v teplotě vulkanizované směsi dávají menší rozdíly ve stupni
vulkanizace a rovnoměrnější vlastnosti především u tlustostěnných výrobků.
- Množství odpadu (při lisování ve formě průměrně 10 – 40%) je při vstřikování
podstatně nižší (5 – 10%).
- Při vstřikování není potřeba otvírat formu kvůli odvzdušnění a jsou větší
možnosti automatizace celého lisovacího cyklu.
Hlavní nevýhody vstřikování:
- Vysoké investice do strojů i nástrojů.
- Nelze najednou zpracovat tak velké objemy směsi jako při lisování.
- Mnohé výrobky vyžadující konfekci (např. pneumatiky) není možno vyrábět
vstřikováním.
Celkově: Při vstřikování vznikají menší přetoky a je menší nebezpečí uzavírání
vzduchu než při lisování ve formě. Cena formy pro vstřikování je obvykle vyšší, ale
proces je možno značně automatizovat, takže se vstřikování hodí především pro
větší série vysoce kvalitních výrobků.
5.5 Konfekce
Polotovary připravené z kaučukových směsí se často při operaci zvané konfekce
před vulkanizací sestavují ve složitější útvary. Metody konfekce se pro různé výrobky
(např. pneumatiky, hadice, dopravní pásy) značně liší.
Pro úspěšnou konfekci je vždy požadován určitý stupeň konfekční lepivosti směsí,
která zaručí dostatečnou pevnost spojů v polotovaru. Směsi z NR obvykle z tohoto
hlediska nečiní problémy. U směsí se syntetickým kaučukem je možno konfekční
lepivost zvýšit přídavkem pryskyřice nebo oleje. Povrch směsí před lepením je také
možno očistit pomocí rozpouštědel nebo lepivost zvýšit pomocí kaučukového
roztoku.
5.6 Vulkanizace
Při vulkanizaci dochází ke vzniku příčných vazeb mezi řetězci kaučukových molekul
a tím k přechodu částečně plastické nevulkanizované kaučukové směsi v rozměrově
28
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
stálý elastický materiál (vulkanizát). Některé metody vulkanizace byly uvedeny již
v předchozích odstavcích. Nyní se zaměříme na některé obecné poznatky.
Kaučukové směsi jsou poměrně špatný vodič tepla. Nestejné teploty v různých
místech materiálu v průběhu vulkanizace působí rozdíly v rychlosti vulkanizace.
Rozdíly v dosaženém stupni vulkanizace v různých místech hotových výrobků jsou
pak důvodem anizotropie v jejich vlastnostech.
RYCHLOST VULKANIZACE
Protože teplotní závislost rychlosti vulkanizace je pro každou kaučukovou směs
poněkud jiná, používá se často teplotní závislost vyjádřená Arrheniovou rovnicí, tj.
r = A exp (- E / R T)
,
kde
r je rychlost vulkanizace, A je tzv. preexponenciální faktor, E je aktivační energie, R
je univerzální plynová konstanta a T je absolutní teplota.
Aktivační energie E v Arrheniově rovnici umožňuje exaktní vyjádření teplotní
závislosti vulkanizační rychlosti, které se dá využít i ve výrobní praxi.
Z ekonomických důvodů je snaha používat co nejvyšší vulkanizační teploty, aby se
zajistily co nejkratší vulkanizační časy. Výše vulkanizační teploty je často omezena
požadavkem, aby kaučuková směs zůstala tekutá až do úplného vyplnění formy.
Teplotou vulkanizace jsou určeny také rozměrové změny během chladnutí a tím i
geometrie hotového výrobku.
Protože mechanické vlastnosti vulkanizátů závisí na vulkanizační teplotě (např.
strukturní pevnost s rostoucí teplotou vulkanizace klesá), existuje obvykle optimální
teplota vulkanizace, kterou není rozumné překročit. Příliš vysoká vulkanizační teplota
vede často i ke vzniku porézního výrobku. Vyšší teploty vulkanizace jsou použitelné
především u směsí, u kterých nedochází snadno k reverzi.
Další omezení výše vulkanizační teploty plyne z tloušťky stěny (doba ohřevu musí
zaručit vulkanizaci v celém průřezu stěny tlustších výrobků). Pro tlustostěnné výrobky
se obvykle postupuje tak, že se nejprve získá vulkanizační optimum na vzorcích
určité tloušťky a pak se pro vulkanizaci výrobku přidá navíc 1min./1mm na prohřátí
směsi. Prodloužení vulkanizační doby ovšem často vede k převulkanizaci a k reverzi
na povrchu výrobku.
Čím větší je tloušťka výrobku, tím se musí použít nižší teplota a delší doba
vulkanizace. Stupeň vulkanizace je možno na hotových výrobcích zkontrolovat
například na základě měření jejich elastických vlastností (bez poškození výrobků).
Dílce velkých rozměrů, které budou pracovat za dynamických podmínek, musí být
dostatečně a rovnoměrně zvulkanizovány. K dosažení rovnoměrného stupně
vulkanizace je zde možno použít:
- Zvyšování tepoty formy v několika krocích.
- Konfekci výrobků z různě urychlených směsí.
- Předehřev předlisku na středně vysokou teplotu.
- Vysokofrekvenční předehřev předlisku.
29
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
ZMĚNA ROZMĚRŮ
Po vyjmutí vulkanizovaných výrobků z formy dochází během chladnutí ke změně
rozměrů (k jejich srážení), které je přibližně rovno:
S = ∆T . ∆A . K
,
kde
∆T je rozdíl mezi vulkanizační teplotu a pokojovou teplotou,
∆A je rozdíl mezi koeficientem teplotní roztažnosti kaučuku a formy
K je objemový zlomek kaučuků a dalších organických látek v %.
PROVEDENÍ
Většina konfekcionovaných výrobků, stejně jako některé vytlačované polotovary a
válcované plošné útvary, se vulkanizují volně (např. za tlaku v autoklávu). Volnou
vulkanizaci je obvykle možno rozdělit na dobu předehřevu, dobu vulkanizace a dobu
chlazení. Protože přestup tepla v soustavě plyn-směs při volné vulkanizaci je
pomalejší než přestup pevná látka-směs ve formách, může v průběhu volné
vulkanizace dojít k deformaci výrobků. Tyto deformace lze omezit pomocí různých
protiopatření.
Vulkanizace v horkém vzduchu může probíhat za tlaku v autoklávu, nebo bez tlaku
v horkovzdušných sušárnách. Nevýhodou je zde přítomnost kyslíku, který již během
vulkanizace může způsobit částečnou degradaci vulkanizátu. Teploty vulkanizace
v horkém vzduchu jsou proto omezené.
Vulkanizace v páře dává vzhledem k lepšímu přestupu tepla kratší vulkanizační časy
než vulkanizace v horkém vzduchu. Vzhledem k nepřítomnosti kyslíku je také možno
použít vyšší vulkanizační teploty. Nejlepší přestup tepla je v nasycené páře.
Nevýhodou nasycené páry je závislost teploty vulkanizace na tlaku páry a vznik
velkého množství kondenzátu. Nezávislou regulaci tlaku a teploty umožňuje
kombinace pára/vzduch.
Ve speciálních případech (např. vulkanizace peroxidem) se používá atmosféra CO2
nebo N2 buď samotných (s jiným zdrojem tepla), nebo v kombinaci s vodní párou (ke
zvýšení tlaku a snížení porosity výrobků).
Vulkanizace ve vodě má vysoké přestupy tepla a může být použita i pro velké dílce.
Při vulkanizaci ve vodě za atmosférického tlaku je maximální teplota cca 100°C.
Vzhledem k nízké vulkanizační teplotě probíhá vulkanizace pomalu. Vyšší teplotu je
možno dosáhnout jen za zvýšeného tlaku.
Tenké výrobky lze vulkanizovat za pokojové teploty chloridem sirným (S2Cl2).
Odolnost proti stárnutí takto vulkanizovaných výrobků je však velmi špatná, takže se
tento postup používá jen výjimečně. Při vulkanizaci vystýlek nádrží nebo vulkanizaci
střešních fólií se také někdy vulkanizuje za pokojové teploty. Používá se speciálních
kaučukových směsí s ultraurychlovači (tzv. samovulkanizace).
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
30
5.7 Problémy
Gumárenské výrobky by měly být skladovány při teplotách do 25°C v místech bez
přímého slunečního záření. Větší výrobky by neměly být skládány ve vrstvách, aby
při skladování nepůsobilo ve výrobcích trvalé napětí, které by mohlo vést k trvalé
deformaci a k ozonovému stárnutí.
Nedostatečné řízení kvality kaučukových směsí a podmínek zpracování může
způsobit různé problémy v gumárenské výrobně. Výsledkem je pak především vyšší
procento odpadu, zvýšený počet zmetků a snížení produktivity. Některé příklady
problémů podle jednotlivých výrobních operací:
Míchání
-
pomalé míchání
špatná disperze plniv
vyšší viskozita směsi
špatná kvalita směsi
Zpracování na dvouválci
-
nedostatečná adheze k válcům
rozdíly v tloušťce
lepení na válce
adheze na zadní válec
Vytlačování
-
povrchové nerovnosti
vzhledové vady
velké smrštění
vysoké narůstání za hubicí
nízká rychlost vytlačování
navulkanizace
Válcování
-
díry a propadliny
velké smrštění
špatné rozměry (šířka, tloušťka)
uzavřené vzduchy
lepení na válce
navulkanizace
špatná penetrace textilu
Skladování a manipulace
-
navulkanizace
nízká pevnost za syrova
slepené vrstvy
Lisování a vstřikování
-
vzhledové vady
nedolisky
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
-
31
nesprávné rozměry
špatná tvrdost
póry a bubliny
lepení na formu
špinění formy
nedostatečné odvzdušnění
Vulkanizace
-
vzhledové vady
smrštění
vyšší lepivost
5.8 Optimalizace
K analýze procesů a k jejich optimalizaci, stejně jako k zajišťování kvality výrobků, se
v gumárenském průmyslu používají i metody statistického plánování experimentů,
kterými jsme se podrobněji zabývali v rámci optimalizace gumárenských směsí.
Pokud je třeba ve složitém systému s mnoha proměnnými získat pomocí pokusů
závislost mezi vstupními a výstupními hodnotami, může statistické plánování
experimentů takovou závislost poskytnout. Nejčastěji se jako cíle plánovaných
experimentů stanoví:
- Určení vstupních veličin, které významně ovlivňují veličiny výstupní.
- Určení veličin, které stabilizují chování systému.
- Určení optimálního nastavení veličin.
Výsledky statisticky plánovaných experimentů se mohou znázornit jako vrstevnicové
diagramy, které zachycují závislost mezi hodnotami nezávisle proměnných a
sledovanými vlastnostmi. Modely ze statisticky plánovaných experimentů umožňují
také použít různé algoritmy pro nalezení optimálního řešení.
Plánované experimenty jsou však jak časově tak i finančně náročné a je proto nutno
pro každý případ zvážit, nakolik jsou pro řešení daného problému vhodné. K nalezení
optimálního řešení je někdy výhodnější použít přímo některé z optimalizačních metod
(např. simplexovou metodu) a statisticky plánovaným experimentům se tak vyhnout.
5.9 Souhrn
V procesu míchání jsou ke kaučuku přidány přísady, chemikálie a plniva a vznikne
nevulkanizovaná kaučuková směs. Kaučuková směs během výrobních procesů
zahrnujících tváření dostane požadovaný tvar a při procesu vulkanizace přejde ve
vysoce elastický vulkanizát.
Míchání patří k nejdůležitějším výrobním procesům gumárenské technologie, protože
následné zpracování směsí, vlastnosti výrobků a ekonomika výroby značně závisí na
kvalitě směsí.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
32
Míchání se provádí na různých zařízeních. Vždy se požaduje dosažení dostatečného
rozmíchání složek ve směsi, dobré řízení teploty během míchání a zajištění co
nejkratší míchací doby.
Míchání na dvouválci je nejstarší způsob přípravy kaučukových směsí. Příprava
směsí je zde poměrně pomalá a velikost míchané dávky je relativně malá. Vzhledem
k tomu, že smykové síly zde působí jen v oblasti štěrbiny, je možno na dvouválci
zajistit nižší teplotu kaučukové směsi než při míchání v hnětiči.
Dvouválce se v současné době nejčastěji používají k rychlému ochlazení směsí po
zamíchání v hnětiči a ke tváření směsí do formy pásků nebo plachet. Mimo to jsou
dvouválce v gumárenské výrobě běžně používány i k plastikaci kaučuků,
k dodatečné dispergaci plniv ve směsi a k domíchávání vulkanizačních chemikálií při
nízké teplotě (tj. k dokončování kaučukových směsí).
Pro přípravu většiny gumárenských směsí se používá vnitřní hnětič. Vnitřní hnětič ve
srovnání s dvouválcem míchá rychleji, čistěji (méně prachu), potřebuje menší
zastavěnou plochu a kvalita směsí méně závisí na činnosti obsluhy. To jsou důvody,
proč vnitřní hnětiče již v gumárenském průmyslu nahradily dvouválce při většině
míchacích operací.
Měrný výkon disipovaný v míchaném materiálu v důsledku viskosních ztrát je
v hnětiči daleko vyšší než je obvyklé u dvouválců, což působí rychlý růst teploty
materiálu během míchání.
Vnitřní hnětič (na rozdíl od dvouválce) má objem daný velikostí míchací komory.
Určení optimální dávky dané směsi a postupu míchání na daném hnětiči je proto
poměrně složitý úkol.
Po rozpracování kaučuku je možno do hnětiče přidat další přísady jako jsou např.
antioxidanty, ZnO a stearin. V dalším kroku lze přidat plniva, olej, další složky
vulkanizačního systému a nakonec síru (postup pro směsi vulkanizované sírou).
Průběh míchání v hnětiči lze řídit podle doby míchání, podle teploty míchané směsi,
podle spotřebované elektrické energie a případně i podle zvuku motoru.
Konec míchání (vypuštění směsi z hnětiče) se často určuje podle teploty směsi.
Některé provozy používají jako indikátor pro vypuštění směsi hodnotu celkové
míchací práce.
Kontinuální míchání kaučukových směsí je dosud používáno v omezeném rozsahu,
protože má řadu problémů (např. kontinuální dávkování plniv a chemikálií). Pro malý
počet složek směsi a omezený sortiment však může být kontinuální míchání
výhodné.
Základním cílem procesu vytlačování je kontinuální tváření kaučukové směsi do
požadovaného tvaru. Šnek vtáhne směs do dutiny pouzdra šneku a tlačí ji kupředu.
Na konci šneku má směs vlastnosti, které umožňují její protlačení otvorem hubice a
vytvoření profilu požadovaného tvaru.
Jiří Maláč: „Gumárenská technologie“ – 5. Procesy
33
V gumárenské technologii slouží vytlačování např. k přípravě hadic, profilů, běhounů
pneumatik, k oplášťování kabelů a drátů a k přípravě předlisků pro další zpracování.
Větší stroje se používají např. k plastikaci kaučuků a k čištění (tzv. pasírování)
kaučukových směsí. Šnekové jednotky slouží také ke vstřikování směsí do formy.
Rozřezáním výtlačku z kruhové hubice je možno kontinuálně vyrábět i ploché útvary
jako jsou např. desky. Pro některé gumárenské výrobky se užívá i koextruze.
Vytlačené kaučukové směsi se používají buď jako polotovary pro konfekci (např. při
výrobě pneumatik), nebo se vulkanizují na hotové výrobky (příklad: hadice a profily).
Dříve byly extrudáty většinou vulkanizovány diskontinuálně v autoklávu. V současné
době se stále častěji za extruderem zařazuje kontinuální vulkanizace.
Válcování se v gumárenské technologii používá k přípravě přesně dimenzovaných
plošných útvarů dané tloušťky, k pogumování technických textilií a k nanášení vrstev
kaučukové směsi na textil.
Gumárenské kalandry mívají 2 až 4 válce v různém uspořádání. Při válcování
gumárenských směsí musí být používány nižší teploty než při válcování plastů.
Vulkanizace válcovaných pásů kaučukových směsí a pogumovaného textilu většinou
probíhá beztlakově v horkovzdušných komorách nebo při nízkém tlaku mezi
ocelovým pásem a vyhřátým ocelovým bubnem (tzv. bubnový lis).
Lisování je diskontinuální proces, při kterém se vulkanizace kaučukové směsi
provádí teplem ve formě. Pod pojem lisování se v gumárenské technologii obvykle
rozumí lisování ve formě, přetlačování a vstřikování.
V průběhu vulkanizace ve formě získává gumárenský výrobek současně konečný
tvar. Délka výrobního cyklu zde závisí hlavně na průběhu ohřevu kaučukové směsi a
na kinetice vulkanizace (velký vliv má především tloušťka stěny výrobku).
Polotovary připravené z kaučukových směsí se často před vulkanizací při operaci
zvané konfekce sestavují ve složitější útvary. Metody konfekce se pro různé výrobky
(např. pneumatiky, hadice, dopravní pásy) značně liší.
Při vulkanizaci dochází k přechodu částečně plastické nevulkanizované kaučukové
směsi v rozměrově stálý elastický vulkanizát. Nestejné teploty v různých místech
materiálu v průběhu vulkanizace jsou jedním z důvodů anizotropie vlastností
hotových výrobků.

Podobné dokumenty

LED SVÍTILNA č ís lo -

LED SVÍTILNA č ís lo - jakousi osu celého koncertu. Stejně syté a jisté byly i zpěvy, jejichž textům nechyběla myšlenka ani zvláštní obraty a obrazy. Bezděčně jsem si při jejich vystoupení vzpomněl na staré brněnské Ser ...

Více

- PRECHEZA as

- PRECHEZA as se o fotokatalytický proces a u něj stejně jako u procesů fotochemických platí, že poměr vložené energie světelným zdrojem k energii skutečně využité k požadované reakci je poměrně nízký. Je tak tř...

Více

Výrobní program ByaS s.r.o.

Výrobní program ByaS s.r.o. s ostatními členy celé skupiny. Odborná pracoviště skupiny ByaS jsou vybavena moderní počítačovou technikou a softwarem (AutoCAD Mechanical 2009, AutoCAD Inventor 2009, AutoCAD CADKOM, ArchiCAD), p...

Více

Difúze a rozpustnost stabilizátorů v PP - A-Math-Net

Difúze a rozpustnost stabilizátorů v PP - A-Math-Net Graf závislosti rozpustnosti Irganoxu 1076 na teplotě v isotaktickém PP homopolymeru

Více

ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA

ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA k letu v trvání 1 hod. Mělo se jednat o dva lety po okruhu a let do prostoru. Pilot byl přítomen již při dotankování benzinu do letadla po předchozím letu a letadlo řádně převzal. O tom, že poletí ...

Více

Pryž

Pryž • účelem upravit zpracovatelnost kaučuku • intenzivním hnětením kaučuku dochází ke snižování jeho střední mol.hmotnosti na hodnotu, která umožňuje rychlé vmíchání přísad a výrobu homogenní směsi s ...

Více

1 OBSAH 7. GUMÁRENSKÉ ZKOUŠKY

1 OBSAH 7. GUMÁRENSKÉ ZKOUŠKY 7.5 Výrobky .......................................................................................................... 95 7.6 Souhrn ...................................................................

Více

1 OBSAH 3. PŘÍSADY A CHEMIKÁLIE.....................................................

1 OBSAH 3. PŘÍSADY A CHEMIKÁLIE..................................................... oblast použití gumárenských výrobků. V této kapitole se budeme zabývat jednotlivými druhy přísad a chemikálií a budeme diskutovat jejich vliv na vlastnosti a chování kaučukových směsí a vulkanizátů.

Více

Ceník - ZKO Suchdol n/Odrou

Ceník - ZKO Suchdol n/Odrou HAPPY DOG SUPREME JUNIOR - revoluční 2-fázová výživa štěňat a mladých psů s jedinečným JUNIOR PLUS Concept-em

Více