doc1 OBSAH 5. GUMÁRENSKÉ VÝROBNÍ PROCESY
download 
Stížnost 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 -
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 ...
- 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...
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...
Difúze a rozpustnost stabilizátorů v PP - A-Math-Net
Graf závislosti rozpustnosti Irganoxu 1076 na teplotě v isotaktickém PP homopolymeru
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 ...
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 ...
1 OBSAH 7. GUMÁRENSKÉ ZKOUŠKY
7.5 Výrobky .......................................................................................................... 95
7.6 Souhrn ...................................................................
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.
Ceník - ZKO Suchdol n/Odrou
HAPPY DOG SUPREME JUNIOR - revoluční 2-fázová výživa štěňat a mladých psů s jedinečným JUNIOR PLUS Concept-em
