Единая технология производства резиновых изделий

Более ста лет она нацелена на удовлетворение требований автопрома к качеству шин и РТИ, ориентируясь на вулканизацию серой и усиление техуглеродом. преодолевая усиливающуюся конкуренцию органосилановой и литьевых технологий производства шин. Она начинается с приемки, складирования, хранения и транспортирования каучуков, ингредиентов и армирующих материалов, включает их предварительную подготовку - освобождение от тары, декристаллизацию и пластикацию некоторых каучуков до требуемого для переработки уровня технологических свойств. Малые количества НК декристаллизуют в распарочных камерах 5х5х5 м периодического действия горячим воздухом при 70 ^о С в течение 35-50 ч (неразрезанные кипы) и 10-24 ч (разрезанные кипы) или при 50 ^о С в течение 72 ч зимой и 50 ч летом. Кипы НК режут на вертикальных или горизонтальных машинах с гидравлическим приводом, на которые можно устанавливать многолучевые головки с радиально расположенными лезвиями. Большие объемы НК декристаллизуют в течение 25-50 мин в высокочастотном электрическом поле или горячим воздухом в распарочных камерах непрерывного действия.

Пластикация каучуков проводится с целью повышения их пластичности, снижения вязкости и эластического восстановления путем уменьшения их ММ под действием механических напряжений и окислительных процессов. Механическое воздействие на полимер приводит к превышению напряжений на отдельных участках макромолекул над прочностью связей между метиленовыми группами и их разрыву преимущественно в средине:

R-CH₂-CH₂-R → R-C^*H₂+C^*H₂-R.

По уравнению Оствальда-де Вила величина напряжений: τ =η _эф γ =Кγ ^m, где γ -скорость сдвига; η _эф –эффективная вязкость, зависящая от скорости сдвига (η _эф =Кγ ^m-1); К-константа; m=0, 2-0, 45 - индекс течения (отклонение течения каучуков от течения идеальной ньютоновской жидкости). Изменение вязкости от температуры обычно выражается зависимостью, подобной уравнению Аррениуса для определения скорости химических реакций: η =Ае ^U/RT, где U - энергия активации вязкого течения; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; А - константа. С ростом температуры уменьшаются эффективная вязкость и напряжения при переработке каучуков, которые снижают их деструкцию, а термоокисли-тельные процессы повышают ее. Два взаимно противоположные влияния на деструкцию усложняют температурную зависимость скорости пластикации, и минимальная деструкция НК на вальцах протекает при 80-115 ^о С:

Рис.2.1. Зависимость эффективности пластикации НК от температуры:

1-механическая пластикация; 2-термоокислительная пластикация.

Скорость пластикации зависит от природы полимера и значительно выше для изопреновых и хлоропреновых каучуков серного регулирования, чем для бутадиен-нитрильных. Ингибиторы окисления замедляют пластикацию, которая при высоких температурах и неизменном механизме процесса повышает степень окисления каучука и ухудшает эластические свойства резин. Акцепторы свободных радикалов (ускорители пластикации) стабилизируют образующиеся при деструкции макрорадикалы, не допуская их рекомбинацию и взаимодействие с другими макромолекулами:

Ка-Ка→ Ка^*+Ка^*; Ка^*+RSH→ КаН+RS^*; Ка^*+RS^*→ KaSR.

В количестве 0, 1-0, 3 мас.ч. на 100 мас.ч. НК они увеличивают скорость деструкции, проявляя наибольшую активность выше 80 ^о С. Ускорители серной вулканизации (меркаптобензтиазол, дибензтиазолилдисульфид, дифенилгуа-нидин) являются эффективными химическими пластификаторами НК и полихлоропренов серного регулирования (наирит СР и наирит КР). Выбор технического способа и оборудования для пластикации зависят от природы каучука и назначения резиновых изделий.

Термопластикация – уменьшение вязкости и увеличение пластичности некоторых каучуков в результате термоокислительной деструкции при повышенной температуре (120-140 ^о С) и давлении воздуха 0, 25-0, 30 МПа. Жесткий бутадиен-стирольный каучук в виде узких полосок на металлических противнях и помещают в автоклав. При термопластикации окислительная деструкция увеличивает содержание низкомолекулярных фракций и расширяет ММР каучука, что по сравнению с механической пластикацией ухудшает прочностные и эластические свойства резин.

Пластикация НК в червячных машинах является наиболее производительным непрерывным процессом для крупных предприятий. Пластикация при вращении червяка обусловлена сдвиговыми деформациями, возникающими в каучуке в осевом направлении, и силами трения каучука о стенки цилиндра и поверхность червяка. Напряжение сдвига зависит от вязкости каучука, температуры, скорости сдвига, зазора между червяком и стенками цилиндра, геометрии червяка и других факторов, а скорость сдвига – от диаметра и частоты вращения червяка. Потребляемая энергия за счет трения превращается в тепло, которое частично рассеивается, а в основном уносится охлаждающей водой и нагретым пластикатом. В цилиндре пластикатора с червяком диаметром 500-600 мм при частоте его вращения 22, 5 об/мин поддерживается температура 60-70 ^о С, а в головке – 105-115 ^о С. За один пропуск в присутствии ускорителя повышают пластичность НК до 0, 21-0, 30 (П-1), а повторный пропуск после охлаждения - до 0, 31-0, 40 (П-2).

Пластикация в закрытом резиносмесителе, имеющем меньшую поверхность охлаждения, проходит при более высоких напряжениях сдвига и теплообразованиях, чем в червячной машине. Температура пластиката при выгрузке из скоростного смесителя с полным объемом камеры 250 л достигает 140-180 ^о С. Пластикат П-1 получают в течение 8 мин обработки НК без ускорителя и 4-5 мин – с ускорителем пластикации. Пластикат П-2 может быть получен при двукратной обработке НК по 8 мин без ускорителя пластикации с промежуточным охлаждением или за 6-8 мин при однократной обработке с ускорителем пластикации. Хлоропреновый каучук пластицируют за 3-4 мин при 100 ^о С. В некоторых случаях пластикацию совмещают с приготовлением резиновых смесей. Пластикация на вальцах экономически целесообразна при малых масштабах производства и требует от рабочих осторожности. Необходимо, чтобы каучук был не замороженным (может вызвать поломку вальцов) и не влажным (ухудшается его захват валками).

Гранулирование каучуков и резиновых смесей для облегчения их дозирования проводят на специальных машинах - грануляторах червячноготипа путем продавливания при 70-150 ^о С через круглые отверстия перфорированной шайбы и срезания специальным ножом в виде гранул цилиндрической формы. Для охлаждения и предупреждения слипания при транспортировании и хранении гранулы обрызгивают в головке гранулятора водной каолиновой суспензией или раствором поверхностно-активных веществ. Помимо грануляторов производительностью от 600 до 700 кг/ч с червяками диаметром от 380 до 450 мм, поточные автоматические линии гранулирования включают устройства для охлаждения, сушки и хранения гранул, а также для подачи их на дозирование и загрузку в резиносмеситель.

Дозирование компонентов и приготовление резиновых смесей. Смешение в закрытом смесителе. Каландрование смесей, обкладка и промазка тканей. Шприцевание смесей. Червячные машины горячего и холодного питания.

Дозирование материалов производят с точностью до 3%. Самый простой способ – ручную развеску – применяют на мелких предприятиях. Системы автоматического дозирования применяют на предприятиях с ассортиментом не более 20-25 видов автомобильных шин не более 40-50 наименований постоянно расходуемых ингредиентов для них. Индивидуальная автоматическая системадозирования предусматривает установку бункеров и емкостей с автоматическими весами, дозаторами и транспортирующими механизмами у каждого резиносмесителя для всех поступающих в него материалов. Применение ее ограничено тем, что не удается установить около одного смесителя более 20-25 бункеров. Централизованный способ дозирования предусматривает установку на отдельном участке оборудования, общего для нескольких смесителей, не требует оснащения смесителей бункерами, весами и другим оборудованием и позволяет изготовлять много разных смесей с большим числом компонентов. Комбинированные полуавтоматические системы дозирования применяют на заводах с большим ассортиментом изделий, что позволяет взвешивать большие количества ингредиентов (техуглерод, мел, каолин – по 10-15 кг) автоматически у смесителя, а малые количества - на централизованных участках. Возможна автоматизированная подача ингредиентов к смесителям и загрузка. Каучуки, регенерат, ускорители и вулканизующие агенты, трудно развешивающиеся автоматически, взвешивает и загружает оператор.

Приготовление резиновых смесей - наиболее важный процесс технологии переработки эластомеров с целью достижения равномерного распределения ингредиентов в полимерной основе под действием сдвиговых напряжений. Смешение проводят до образования однородной массы, при этом полимерная основа должна быть в вязкотекучем состоянии и обладать пластическими свойствами, подобно вязким жидкостям.

Смешение на вальцах в современной технологии используют ограниченно – при малом объеме производства, большом ассортименте изделий, для приготовления уникальных смесей из каучуков специального назначения (акрилатные, СКТ, СКФ) и с волокнистыми наполнителями. Объем загрузки и режим смешения устанавливают в зависимости от состава смеси, свойств и физического состояния материалов. Температуру заднего валка поддерживают не выше 70-75 ^о С, а переднего –45-55 ^о С и контролируют игольчатой и лучковой термопарами. Каучуки и регенерат часто загружают при малом зазоре между валками и затем его увеличивают. При смешении ингредиенты внедряются в слой вращающегося запаса смеси, прилегающего к заднему валку, поэтому их концентрация больше в поверхностном слое смеси на переднем валке. Эффективность смешения повышают равномерное распределение компонентов по длине валка, частая подрезка смеси после их введения и загрузка небольших количеств сыпучих в виде паст и композиций. После введения ингредиентов смесь несколько раз подрезают, скатывают в рулон и подают в зазор перпендикулярно валкам.

Порядок введения компонентов при смешении на вальцах имеет большое значение. Сначала загружают и обрабатывают каучук, пока он не перестанет проскальзывать на валках. Если смесь содержит два каучука, то первым загружают более вязкий, к которому постепенно прибавляют более мягкий. Затем последовательно вводят жирные кислоты, ускорители и активаторы вулканизации. Для улучшения диспергирования техуглерод загружают отдельными порциями. Пластификаторы вводят после наполнителей, чтобы не снижать вязкости смеси и сдвиговых напряжений при ее деформации. При чрезмерном увеличении жесткости смеси и распорных усилий между валками пластификаторы добавляют после введения части наполнителей. Во избежание подвулканизации серу вводят в конце процесса смешения. Производительность вальцов П (кг/ч) зависит от единовременной загрузки V _о (м ²) и продолжительности смешения τ (мин): П=(60 V_оρ α)/τ, где ρ - плотность резиновой смеси (кг/м), α - коэффициент использования машинного времени, равный 0, 8-0, 9.

Смешение в закрытом резиносмесителе «Бенбери» с роторами овальной формы - высокопроизводительный периодический процесс. Рабочая камера смесителя состоит из двух неполных цилиндров 2, соединенных двумя боковинами с четырьмя опорными подшипниками для двух вращающихся навстречу друг другу роторов 3, оси которых строго параллельны. Каждый ротор имеет по два гребня винтообразной формы, один из которых более длинный с углом наклона 30 ^о, а короткий – 45 ^о. Винтовые линии гребней расположены так, чтобы возникающие в них осевые силы были направлены к середине камеры. Диаметры роторов по гребням на 3 мм меньше диаметра камеры, что создает между гребнем и стенкой камеры зазор δ =1, 5 мм, увеличивающийся при износе, что снижает эффективность работы. Не рекомендуется допускать увеличения зазора свыше 6 мм. Роторы имеют фрикцию 1: 1, 18 и зазор между гребнями 3 мм. Материалы загружают в камеру через окно воронки верхнего затвора 1, а смеси выгружают через нижний шарнирный затвор или скользящую дверцу.

Компоненты смешиваются в четырех зазорах между неподвижными стенками камеры и винтообразными по форме гребнями роторов, благодаря которым создается внешнее давление N _c, направленное по нормали на поверхность материала. Радиальная составляющая R оказывает давление на корпус через материал, окружная Р способствует ламинарному течению через зазоры, а осевая А вызывает местные турбулентные завихрения (перемещение материала к центру камеры), что улучшает диспергирование компонентов. При заполнении объема камеры на 53-65% гребни ротора несут избыточный (не прошедший через зазоры) материал к верхнему затвору, где потоки встречаются и создают давление, выталкивающее его в загрузочное окно. Предотвращают это пневматическим давлением на верхний затвор, которое и создает в этой зоне условия для эффективного перемешивания. В центральной части камеры материал перемещается движением гребней вниз и в зазорах между ними дополнительной обрабатывается. Осевые силы от гребней создают местные завихрения. Далее поток материала разделяется неподвижным гребнем 4, расположенным параллельно осям роторов и имеющим контуры цилиндрической поверхности камеры, на два потока, направленные в соответствующие корпуса камеры. В этой зоне в материале развиваются сдвиговые напряжения, усиливающиеся фрикцией между роторами. Таким образом, деформация каучука и соответственно смешение происходят во всем объеме материала и во всех частях камеры.

Проходные сечения в камере смесителя изменяются от 1, 5-4 мм между стенкой и гребнем ротора и до 240 мм между валками роторов. При объеме камеры 250 л и частоте вращения роторов 40 об/мин окружные скорости отдельных точек лопасти изменяются от 1, 2 до 0, 66 м/с. При больших изменениях скорости сдвига и интенсивности диспергирования ингредиентов в различных частях камеры наибольшего значения они достигают в зазоре между гребнем лопасти ротора и стенками камеры. Производительность резиносмесителя П (кг/час) определяется по уравнению: П=(60Vρ kα)/τ, где V-свободный объем камеры смесителя (дм ³); ρ -плотность смеси (кг/дм ³), k=0, 6 и α =0, 8 – коэффициенты заполнения камеры смесителя и использования машинного времени соответственно, τ -продолжительность цикла смешения (мин). Производительность повышают увеличением объема камеры и частоты вращения роторов, уменьшением продолжительности подготовительных операций и усовершенствованием его конструкции. Применяют резиносмесители со свободным объемом камеры 250 л и частотой вращения роторов 20 (тихоходные) и 40 (скоростные) об/мин, но могут быть с емкостью камеры 620 л и частотой вращения роторов до 32 об/мин. Производительность и качество смешения зависят также от размеров и геометрии поверхности роторов. Применение взамен двухлопастных четырехлопастных роторов позволяет увеличить производительность смесителей на 20% и снизить удельный расход энергии на 5-10%.

Вследствие рыхлости и малой объемной массы порошкообразных ингредиентов общий объем компонентов в начале цикла больше объема смесительной камеры, но уменьшается по мере смешения. Стремятся к тому, чтобы к концу цикла степень заполнения объема камеры составляла 60-80%, что определяется экспериментально и зависит от состава смеси и степени амортизации резиносмесителя. С увеличением зазора между гребнем лопасти ротора и стенкой камеры вследствие износа несколько увеличивают объем заполнения камеры. Свободное пространство необходимо для смешения, но чрезмерное уменьшение давления в камере при недостаточной загрузке приводит к увеличению продолжительности цикла из-за проскальзывания смеси. При большой загрузке возможно снижение однородности смеси, так как часть ингредиентов длительное время оказывается в горловине загрузочной воронки и не участвует в смешении. Для переработки бесформенных глыб готовой смеси под смесителем, установленным на эстакаде, ставят червячную машину с листовальной или гранулирующей головкой или вальцы, из которых она выходит в виде непрерывной полосы или гранул. Недостатком является высокая температура смеси, которая может привести к преждевременной вулканизации. Поэтому смеси на основе жестких каучуков и с активными наполнителями готовят в две и три стадии.

Одностадийное смешение проводят для низковязких каучуков и малоактивных наполнителей в смесителях с малой скоростью вращения роторов. В каучук вводят регенерат, противостарители, диспергаторы и другие мелкие ингредиенты, кроме серы и ускорителей. Так как наполнители с малой насыпной плотностью лучше диспергируются в вязкой среде, их загружают перед пластификаторами, часто несколькими порциями, слегка приподнимая трамбовку верхнего затвора. Жидкие пластификаторы вводят в конце смешения под давлением из форсунок, но для смесей на основе жестких каучуков можно вводить и перед наполнителями. При смешении верхний затвор должен быть опущен и находиться под давлением сжатого воздуха. Ингредиенты, трудно диспергирующиеся или в малых количествах, вводят в виде маточных смесей, паст или композиций с другими ингредиентами. Ускорители и серу добавляют на листовальных вальцах или вводят в резиносмеситель за 30 с до окончания цикла смешения, используя в этом случае червячную машину с листующей головкой. Иногда целесообразно для ускорения процесса смешения вводить в резиносмеситель «затравку» - кусок ранее приготовленной смеси без серы массой 1, 5-2 кг. Для каждого типа смеси технологи опытным путем совместно с работниками лаборатории разрабатывают индивидуальный режим смешения (табл.2.2) и определяют контрольные показатели качества вулканизатов готовой смеси.

Двухстадийное смешение проводят в двух скоростных или скоростном (первая стадия) и тихоходном (вторая стадия) смесителях (табл.2.3). На первой стадии готовят маточную смесь из каучуков, наполнителей и пластификаторов. На последующих стадиях в тихоходных смесителях при коротких циклах смешения вводят ускорители и вулканизующие агенты. Обработка вязких смесей на второй стадии улучшает диспергирование ингредиентов. Процесс заканчивают при достижении определенной температуры в камере или по количеству израсходованной энергии на один цикл, а в скоростных смесителях - контролируют по температуре и продолжительности цикла, давлению сжатого воздуха в цилиндре верхнего и нижнего затворов и расходу охлаждающей воды.

хла Охлаждают резиновые смеси, чтобы избежать их подвулканизации и слипания при повышенной температуре. Обычно при охлаждении листы обрабатывают антиадгезивами. Загрузка листов срезанной с вальцов смеси в ванну с водой, содержащей антиадгезив, требует применения ручного труда и ухудшает санитарно-гигиенические условия. Более эффективен способ обрызгивания листов каолиновой суспензией или раствором поверхностно-активных веществ в специальной душевой камере с последующим обдувом воздухом на крючковом транспортере, который загружается и разгружается вручную. Существуют и автоматические установки, в которых лента смеси режется на куски, навешивается на роликовый транспортер, обрызгивается раствором антиадгезива, охлаждается и укладывается в кипы.

Очистку смесей для тонкостенных изделий от посторонних включений проводят в фильтр-машинах (стрейнерах), снабженных червяком с отношением длины нарезки к его диаметру 5, 5-6, которые отличаются от машин для шприцевания смесей конструкцией выпускной головки. Между решетчатыми дисками (шайбами) диаметром 1, 6-1, 8 наружного диаметра червяка, площадью отверстий 0, 4-0, 5 площади диска и диаметром одного отверстия 4-8 мм устанавливают металлическую сетку с числом отверстий от 1600 до 3600 на одном см ². Профильтрованную резиновую смесь срезают специальным ножом с механическим приводом. Для ускорения и облегчения смены загрязненной сетки головку фильтр-машины снабжают байонетным затвором. Электродвигатели червячных фильтр-машин на 10-15% мощнее электродвигателей червячных машин для шприцевания смесей.

Резиновые смеси являются основным видом полуфабрикатов для изготовления резиновых изделий и формуются методами каландрования, шприцевания, прессования и литья под давлением. Гладкие или профильные листы или прорезиненные ткани получают каландрованием и раскраивают на детали для сборки (конфекции) сложных изделий. Длинномерные профили получают шприцеванием (экструзией), а сложные заготовки - прессованием. Резиновые смеси наносятся на металлические и другие поверхности, из них готовят резиновый клей, пригодный для шпредингования тканей. Процессы формования широко совмещают с вулканизацией.

Каландрование - это процесс формования, при котором разогретую резиновую смесь пропускают через зазор между горизонтальными валками, вращающимися навстречу друг другу, при этом образуется бесконечная лента определенной ширины и толщины. Полимерный материал проходит через один зазор только один раз, поэтому для получения листа с гладкой поверхностью часто используют трех- или черырехвалковые каландры, имеющие соответственно два или три зазора. На каландрах получают листы с точностью по толщине до 0, 02 мм, а ширина их определяется рабочей длиной валка. Производительность (кг/ч) процесса каландрования: П=60δ Вυ ρ α, где δ -зазор между валками (м); В -ширина полотна (м); υ -скорость выхода материала (м/мин); ρ -плотность резиновой смеси (кг/м ³); α -коэффициент использования машинного времени. Рабочие скорости на каландре зависят от вида технологической операции и могут достигать 90 м/мин.

В зависимости от выполняемой операции каландры подразделяются на:

· листовальные – для формования смесей в виде гладких листов толщиной 0, 15-1, 2 мм или дублирования тонких листов;

· профильные – для выпуска смесей со сложным профилем сечения или с нанесением на лист рисунка (протекторные, подошвенные и др.);

· обкладочные – для нанесения смеси тонким слоем на ткань при одинаковых окружных скоростях и выпускающем зазоре;

· промазочные – для втирания резиновой смеси в нити ткани и переплетения между ними, при этом валки имеют фрикцию 1: 1, 4-1, 2;

· универсальные каландры с механизмами для изменения угловой скорости валков, способные работать с фрикцией и без нее. Определяющими параметрами каландров являются число валков (3-5), диаметр и длина их рабочей части и расположение валков – Г-, S- или W-образное. В обозначении каландра первое число соответствует числу валков, а второе и третье указывают диаметр и длину рабочей части валка в мм.

Распорные усилия, возникающие между валками каландра под действием упругих сил деформируемого материала, зависят от величины зазора и запаса смеси (рис.2.3 а), а также от вязкоупругих свойств смеси, скорости ее обработки и других факторов. Наибольшие распорные усилия возникают между первым и вторым валками каландра, на которых находится наибольший запас смеси. Прогиб валков вызывает утолщение средней части материала на 0, 1-0, 2 мм, которое можно частично компенсировать бомбировкой, т.е. приданием особой, бочкообразной формы их рабочим поверхностям. Чаще применяют более простую стандартную бомбировку (рис.2.3 б) - обработку обоих концов верхнего первого и нижнего третьего валков на конус, оставляя среднюю их часть и средний второй валок цилиндрическими. Более точное регулирование толщины листа по ширине достигается противодействием прогибу путем изгиба валков в обратном направлении, что достигается с помощью усилия от гидравлического цилиндра на второй подшипник на шейке вала, создающего изгибающий момент. Применяют также компенсацию прогиба валков перекрещиванием их главных осей. Иногда при высоких скоростях работы каландров с большой длиной валков применяют все три метода компенсации их прогиба. Калибр листа автоматически контролируют приборы, устанавленные на приемном транспортере или валке каландра и связанные с механизмом регулирования зазора. Температуру валков регулируют подачей внутрь ождающей воды или пара давлением 0, 3-0, 4 МПа.

Вспомогательные приспособления - это транспортеры для подачи разогретой смеси к каландру, приспособления для дублирования и накатки листов, ножи для обрезания кромок и разрезания заготовок на полосы, определяющие не только скорость процесса, но и качество полуфабриката. Для прорезинивания корда и тканей каландры агрегируют с сушильными барабанами, компенсаторами, ширительными и закаточными устройствами, для безуточного корда применяют шпулярники, а при обработке волокон под растягивающей нагрузкой – пропиточные агрегаты. Профильные каландры снабжают съемными валками или «скорлупами», ножами для обрезания боковых кромок, приемными роликовыми усадочными и весовыми транспортерами для контроля равномерности калибра и охладительными ваннами. Для предотвращения подвулканизации, деформации и слипания листы и прорезиненные ткани охлаждают на транспортере, охлаждающих барабанах или в ваннах с антиадгезивами и закатывают на полые валики из жести, алюминия или дерева. Для снятия напряжения (каландрового эффекта) и обеспечения равномерности усадки их пропускают также через нагретые барабаны, плиты или камеры-туннели. Закаточные устройства устанавливают на станине каландра, если резиновые смеси далее дублируют, или после вспомогательного транспортера с регулируемой скоростью. Так как при накатке диаметр валика постепенно растет, закаточные приспособления снабжают фрикционами – устройствами, позволяющими сохранить постоянную окружную скорость накатки. Сохранение гладкой поверхности листов достигается закатыванием их без ткани, а во избежание слипания по выходе из каландра их опудривают тальком, мелом, стеаратом цинка, крахмалом, или покрывают раствором шеллака или мыла. Во избежание комкования мел и тальк просушивают и просеивают.

Питание каландров осуществляют подогретой пластичной смесью. Жесткие смеси предварительно пропускают без разогрева через рифленые вальцы и только затем подают на гладкие (сначала подогревательные, затем питательные) вальцы и далее в виде ленты или небольших рулонов (при ручном питании) - на каландр. Число агрегируемых с каландром подогревательных вальцов зависит от количества и свойств смеси. Равномерность толщины каландрованных листов зависит от постоянства пластичности и температуры поступающей смеси и равномерности ее подачи. Наилучший способ питания каландра - автоматическая непрерывная загрузка смесью в виде ленты, которая срезается ножом, установленным на конце переднего валка питательных вальцов, и подается транспортером. В зоне загрузки устанавливают ограничительные стрелки из износостойкого мягкого материала, не оставляющего следов на валке и легко очищающегося (дерево, алюминий или его сплав), чтобы избежать попадания смеси между валками и станиной каландра. Поэтому ширину каландрованных листов делают на 6-10 см меньше длины валков. Кроме того, с краев листа срезают кромки шириной 4-10 см, толщина которых отличается от установленного калибра листа. Для получения смеси в виде узких полос устанавливают несколько ножей, аналогичных ножам для обрезания кромок.

Обкладку тканей проводят на трехвалковом каландре с одной стороны за один пропуск, а с двух сторон – за два пропуска или на четырехвалковом каландре в зазоры между первым и вторым и между третьим и четвертым валками. Накладка смеси на ткань происходит в зазоре между вторым и третьим валками. Для предварительной подпрессовки смеси к ткани на уровне третьего валка устанавливают прижимной валик. Обкладку начинают с пропуска через калибровочный зазор бесформенной резиновой смеси, далее полученный тонкий лист смеси направляют в прессующий зазор между валками, куда подают и ткань. Качество дублирования зависит от равномерности нанесения смеси на ткань и прочности их сцепления, толщины резинового листа и прессующего усилия. Обкладку ведут со скоростью до 90 м/мин, при этом смесь должна иметь низкую вязкость для улучшения проникновения ее в ткань, хорошую адгезию к ткани и плохую – к валкам каландра. Кордные линии с двумя трехвалковыми (3-710-1800) или одним четырехвалковым каландром (4-710-1800), обеспечивающие точность калибра 0, 2 мм, включают в себя его пропитку с вытяжкой и сушкой, термообработку с зонами вытяжки и нормализации и обрезинивание с предварительной сушкой и последующим охлаждением.

Промазку тканей (обрезинивание) ведут на трехвалковых каландрах в интервале температур 60-110 ^о С, а смесь наносят более тонким слоем и вынуждают глубже проникать в структуру ткани за счет эффекта втирания фрикцией (до 1: 1, 5), чем при обкладке. Для этого применяют резиновые смеси с высокой адгезией к металлу и текстилю и низкими значениями когезионной прочности и вязкости. Редкоуточные ткани (шинный корд), промазке не подвергают. Смесь должна прочно удерживаться на среднем валке и не переходить на ткань при контакте с ней в зазоре каландра. Качество промазки зависит от умения поддержать минимальныйзапас смеси между верхним и средним валками. Увеличение запаса приводит к подвулканизации смеси и неравномерности промазывания ткани. При двухсторонней промазке ткань пропускают через каландр два раза, последовательно промазывая одну и другую сторону.

Явлениеанизотропии при каландровании смесей (ориентационный или каландровый эффект) проявляется в различии их механических свойств в направлении каландрования и параллельно валкам. При этом прочность при растяжении выше в первом направлении, а относительное удлинение – во втором. Каландровый эффект уменьшается с ростом температуры, увеличением толщины листа и снижением скорости каландрования, но не устраняется нагреванием для смесей с частицами наполнителя пластинчатого или игольчатого строения (тальк, углекислая магнезия, природный барит, каолин и короткие волокна). Такие смеси применяют для получения особо жестких резин, плохо растягивающихся в одном направлении.

Прокладочные ткани применяют для предохранения каландрованных листов или полотен прорезиненных тканей от слипания. Они пропитаны различными составами, которые увеличивают их прочность и срок службы, облегчают процесс закатки и раскатки, При периодической чистке тканей щетками и пылесосами удаляют опудривающие материалы, следы серы, накапливающиеся в результате ее миграции из резиновых смесей, и другие загрязнения. Кроме того, прокладочные ткани проглаживают.

Шприцевание (экструзия) - это процесс непрерывного формования заготовок заданного профиля путем продавливания разогретой резиновой смеси под давлением с помощью вращающегося червяка через профилирующее отверстие головки шприц-машины. Благодаря простоте управления и надежности в работе шприц-машины комплектуют в агрегаты и создают автоматизированные поточные линии производства протекторов, автомобильных камер, трубок и шлангов

При шприцевании из двух машин в одну головку получают профили из смесей разного состава

По длине нарезной части червяка выделяют зоны питания (приемную), сжатия и пластикации (рабочую) и давления (выпускную). В зоне питания материал из загрузочной воронки машины захватывается нарезкой червяка, перемещается вдоль цилиндра и уплотняется в результате сопротивления головки и вследствие постепенного уменьшения объема винтовой канавки. В зоне сжатия и пластикации идет перемешивание, а в зоне давления червяк выполняет функцию винтового насоса.

Червячные машины в зависимости от отношения длины нарезной части к наружному диаметру червяка подразделяют на машины теплого (МЧТ) и холодного (МЧХ) питания. Первые имеют отношение L _ч/ D _ч =3, 5-4 при D _ч =160-400 мм и L _ч/ D _ч =5-10 при D _ч =32-120 мм, а вторые - L _ч/ D _ч =10-16 при D _ч =63, 90 и 125 мм. В машине холодного питания лента резиновой смеси подается непрерывно в загрузочное отверстие, подвергается интенсивным сдвиговым деформациям, нагревается и размягчается. При использовании МХТ появляется возможность отказаться от подогревательных вальцов, упростить их обслуживание, автоматизировать процесс питания, обеспечить получение заготовок высокого качества и постоянных размеров, улучшить условия разогревания и обеспечить постоянство теплового режима шприцевания. Для уменьшения тепловыделений в них увеличивают глубину нарезки червяка, а на самом червяке наносят дополнительную нарезку. Выпускают также машины с вакуумотсосом - МЧТВ и МЧХВ. Червячные машины холодного питания с вакуумотсосом применяют для изготовления беспористых профильных изделий, вулканизуемых при атмосферном давлении, а также для дегазации смесей. В зоне вакуумирования таких машин нарезку червяка делают более глубокой или при низкой глубине нарезки увеличивают шаг резьбы, иногда увеличивают диаметр червяка. Заполнение зоны вакуумирования резиновой смесью уменьшают до 50% с помощью разделительного кольца, которое ограничивает ее поступление из загрузочной зоны и служит затвором, а вакуум-насос помогает поддерживать в ней остаточное давление порядка 23 кПа. Профилирование резиновых смесей происходит в формующих головках разнообразных конструкций, состоящих из мундштука и дорна. Мундштук предназначен для придания резиновой смеси определенной формы, а дорн – для получения внутренней полости в заготовке. При Т-образной или косой форме головки смесь поступает под углом к оси дорна, что позволяет наносить ее на специальные дорны при производстве рукавов или в виде резиновой оболочки на провода при производстве кабелей.

Производительность червячной машины можно рассчитать по степени заполнения объема канавки червяка, но она трудно определяется, т.к. зависит от состава смеси, ее реологических свойств, конструкции головки и червяка, скорости шприцевания и других факторов. Поэтому часто ее рассчитывают по массе выпускаемой заготовки: П=60VG, где V - скорость выхода заготовки из головки (м/мин); G - масса 1 м заготовки (кг). Скорость шприцевания в зависимости от профиля заготовки и требований к ее качеству может изменяться от 3 до 30 м/мин. При установке питательных вальцов производительность машины при той же скорости червяка повышается на 15% по сравнению с ручным питанием.

Регулирование и контроль процесса шприцевания осуществляют с целью выпуска заготовок резиновых смесей строго определенного профиля. При шприцевании в профилирующих отверстиях головки развиваются высокие напряжения сдвига, изменяющие форму заготовки (увеличивают в сечении и сокращают в длине), что называется усадкой по длине. Усадка определяется высокоэластической составляющей общей деформации смеси и существенно зависит от ее состава. Для уменьшения усадки необходимо повысить температуру смеси, увеличить длину профилирующего отверстия и снизить скорость шприцевания, например, путем введения компонентов, повышающих ее адгезию к металлу (битумов и смол). С повышением скорости шприцевания и уменьшением толщины заготовок увеличивается также каландровый эффект. Гладкость поверхности резиновой заготовки во многом зависит от формы внутренней полости мундштука, выступы на ней и острые углы затрудняют прохождение смеси и поэтому нежелательны, а выходное отверстие должно плавно суживаться. В МЧТ питающую смесь нагревают до 40-80 ^о С и регулируют температуру трех зон, а в МЧХ – пяти зон: питания, сжатия, пластикации, вакуумирования и нагнетания (в головке - в пределах 80-140 ^о С). Для питания МХТ резиновые смеси подают при температуре окружающей среды (18-23 ^о С), что значительно облегчает регулирование температурного режима процесса шприцевания.

Вулканизация резиновых изделий. Полуэффективные и эффективные вулканизующие системы. Технические способы осуществления процесса. Непрерывные способы вулканизации длинномерных изделий.

Вулканизация - завершающий процесс в технологии резиновых изделий, соединяющий макромолекулы каучука химическими поперечными связями в единую пространственную сетку. В результате этого пластичная резиновая смесь становится высокоэластичной резиной. При вулканизации свойства смеси изменяются по характерным кинетическим кривым, имеющим часто максимумы или минимумы, которые на разных кривых не всегда совпадают. Наименьшая продолжительность вулканизации, за которую достигаются оптимальные показатели основных физико-механических свойств резины, называется оптимумом вулканизации (рис.2.6). Продолжительность периода вулканизации, в течение которого сохраняются оптимальные показатели, носит название плато вулканизации. С замедлением структрурирования усиление роли побочных процессов (циклизация, модификация, и окислительная деструкция полимерных цепей и перегруппировка образовавшихся связей) может привести к нежелательному ухудшению свойств вулканизата - реверсии. Одним из факторов, влияющих на производительность труда при производстве изделий, является скорость вулканизации, а зависимость ее от температуры выражают температурным коэффициентом вулканизации К₁₀, который колеблется от 1, 8 до 2, 5.

Рис.2.6. Периоды кинетики вулканизации резиновой смеси:

1-индукционный; 2-главный; 3-реверсия.

При высокотемпературной вулканизации (выше 160^оС) для уменьшения реверсии применяют «полуэффективные» и «эффективные» вулканизующие системы. В первых системах содержание серы снижают до 1 мас.ч. или часть ее заменяют донорами серы, а во вторых - серу уменьшают до 0, 5 мас.ч. при соответствующем увеличении содержания основного ускорителя, чаще сульфенамидного, или полностью заменяют ее донорами серы:

Наименее склонны к подвулканизации смеси с дитиодиморфолином, из которых получают теплостойкие резины с высокими прочностными и динамическими свойствами. В качестве теплоносителя наиболее широко используют насыщенный водяной пар, горячий воздух, перегретую воду под давлением, расплавы солей и твердые материалы в псевдоожиженном состоянии. Из-за небольших значений коэффициента теплоотдачи (табл.2.4) и количества переносимого тепла горячий воздух наименее эффективен. Насыщенный водяной пар наиболее эффективен, но не позволяет повышать температуру без повышения давления, так как они взаимосвязаны:

Давление, МПа: 0, 103 0, 146 0, 202 0, 275 0, 368 0, 400 0, 485 0, 630 1, 022 1, 586

Температура, ^о С: 100 110 120 130 140 143 150 160 180 200.

Выбор режима вулканизации диктуется влиянием на этот процесс основных технологических факторов – среды, температуры и давления, а также с учетом того, что температуры на поверхности и в центре вулканизуемого изделия неодинаковы. Если продолжительность процесса будет выбрана для обеспечения заданной степени структурирования в центре изделия, то поверхностные слои, особенно при эффективной теплопередаче, окажутся сильно перевулканизованными. Чем выше температура вулканизации и больше толщина изделия, тем больше перевулканизация у поверхности. Для уменьшения неоднородности свойств толстостенные изделия не вулканизуют при очень высокой температуре. Структурирование в центре изделия продолжается некоторое время и после окончания нагревания за счет поглощенного тепла. Поэтому не следует в процессе нагревания добиваться полной вулканизации заготовки по всей толщине. Для уменьшения неоднородности прогревания следует проводить ступенчатый нагрев или предварительный подогрев резиновой смеси. В многослойных изделиях резиновые смеси для внутренних деталей должны вулканизоваться быстрее. Вулканизацию заготовок проводят под давлением в аппаратах различной конструкции, в некоторых случаях ее совмещают с формованием.

Вулканизация в автоклавах проводится под избыточным давлением в паровой среде, реже в воздушной или паровоздушной среде, а в некоторых случаях – в среде перегретой воды, азота или других газов. Автоклавы различаются размерами и расположением главной оси (горизонтальные и вертикальные), конструкцией стенок (одностенные и двухстенные), типом затвора крышки (с болтовым или байонетным) и способом обогрева (с электрообогревательными секциями, паровой рубашкой, змеевиком или принудительной циркуляцией теплоносителя). Они выпускаются с внутренним диаметром от 800 до 3600 мм и длиной до 22 м на внутреннее давление 0, 6 и 1, 25 МПа. Периодический процесс вулканизации в автоклаве включает операции: загрузка и закрытие крышки, повышение давления и температуры (монотонное или ступенчатое), выдержка изделий при постоянной температуре, снижение давления, открытие крышки и разгрузка. В некоторых случаях изделия перед выгрузкой из автоклава охлаждают. Шприцеванные изделия, обладающие высокой каркасностью и не изменяющие свою форму в начальный период нагревания, когда процесс структурирования еще не начался, вулканизуют открытым способом. Цветные резиновые изделия и изделия с ворсистой тканью, на свойства которых отрицательно влияет насыщенный пар, вулканизуют в воздушной среде, чаще с активными ускорителями и донорами серы или свинцовыми и цинковыми солями дитиокарбаминовых кислот. Вулканизацию в среде горячего воздуха без давления проводят в различных термостатах или туннельных вулканизаторах. Термостаты широко применяют для второй стадии вулканизации изделий на основе силоксановых и фторкаучуков при температуре 200-250 ^о С.

Вулканизацию в прессах (формовую вулканизацию) используют для изготовления резиновых изделий сложной конфигурации, при этом сочетают два процесса – формование методом компрессионного прессования смеси в пресс-формы (рис.2.7) и вулканизацию под давлением. По конструкции пресс-формы бывают одноместные и многоместные (для мелких изделий), размеры определяются требованием максимального использования поверхности нагрева и ограничиваются массой (для удобства обращения с ними). Материалом для пресс-форм служат стали различных марок, в особо ответственных случаях – легированные стали, а для изделий, формующихся без больших усилий, - легкоплавкие металлы (алюминий, сплавы сурьмы). Масса заготовок должна быть на 3-8% больше массы изделия, а в конструкции формы предусмотрены канавки и пазы для вытеснения избытка смеси. Для резинотканевых или резинометаллических изделий заготовки включают текстильные элементы или металлическую арматуру. Сложные заготовки из нескольких деталей приближают по конфигурации к форме изделия, а внутренние поверхности полуформ смазывают раствором или эмульсией антиадгезива. Заготовки помещают в нагретые на плитах формы и прессуют. Разность размеров формы и изделия, обусловленная различиями в температурных коэффициентах их расширения, называют степенью усадки, которая не может быть более 3%, что учитывают при конструировании форм.

Вулканизационные прессы выпускаются различной конструкции с размерами плит от 250х250 мм до 1800х2000 мм и различным числом этажей, с гидравлическим, гидромеханическим и рычажно-механическим приводом, с паровым или электрическим обогревом плит. Например, гидравлический четырехэтажный пресс с размером плит 600х600 мм, прессующим усилием 1, 6 мН (160 тс) и паровым обогревом обозначают 160-600П4, при электрическом обогреве плит П заменяют на Э. Гидравлический пресс состоит из цилиндра, внутри которого перемещается плунжер с установленным на нем подъемным рабочим столом, и траверс, связанных между собой двумя или несколькими рамами или круглыми колоннами. Неподвижная нагревательная плита крепится к верхней траверсе, подвижная – на подъемном рабочем столе. Для подъема плит пресса до соприкосновения с верхними плоскостями пресс-форм в цилиндр подают гидравлическую жидкость (воду или масло) под низким давлением (2-5 МПа), а при вулканизации создают и поддерживают высокое давление прессования (12-20 МПа). Для получения резиновых изделий высокого качества необходимо поддерживать постоянный режим давления в прессе и температуры на поверхности плит. К недостаткам прессов с паровым обогревом можно отнести очень низкий (около 5%) тепловой коэффициент полезного действия, снижение температуры и ухудшение равномерности обогрева плит из-за образования накипи в каналах плит, а также необходимость сильного повышения давления пара в тепловой сети для проведения вулканизации при повышенных (160-220 ^о С) температурах. Недостатком прессов с электрообогревом является также длительный период нагревания плит и большой разброс температуры по поверхности плит.

Производительность вулканизационных прессов зависит от числа форм и гнезд в форме, времени вулканизации и времени перезарядки форм при извлечении из них готовых изделий и закладки новых заготовок. При повышенных температурах и интенсифицированных режимах вулканизации время перезарядки становится основным показателем повышения производительности пресса. Для этого формы устанавливают на выдвижных плитах, раскрывают специальными гидравлическими или магнитными разъемниками, смазывают пульверизаторами, а изделия снимают с сердечников и надевают новые заготовки на них с помощью пневматических устройств. При таком оснащении прессов появляется возможность полностью автоматизировать процесс формовой вулканизации. Для производства резиновых изделий в больших масштабах применяют специальные вулканизационные аппараты. Недостатками формовой вулканизации являются высокая трудоемкость процесса, неоднородность свойств толстостенных изделий, необходимость дополнительной отделки изделий (обрезание заусениц и выпрессовок) и применения заготовок, превышающих по массе готовые изделия, что увеличивает вулканизационные отходы. Многие из этих недостатков устраняются при изготовлении изделий методом литья под давлением.

Вулканизация плоских длинномерных изделий – транспортерных лент, плоских приводных ремней, пластин, ковров, резинового линолеума и некоторых прорезиненных тканей проводится на обогреваемом барабане вулканизаторов непрерывного действия. Прессующее усилие создается бесконечной лентой высокой прочности и большой гибкости с помощью натяжного ролика и гидравлического цилиндра, которые обеспечивают между лентой и барабаном давление порядка 1, 0 МПа. Так как ленты испытывают значительные растягивающие напряжения, их изготавливают из гибких стальных листов толщиной 0, 8-2, 0 мм или из стальной проволочной или тросовой сетки, обложенные с двух сторон теплостойкой резиной. Производительность вулканизаторов зависит от времени вулканизации изделия, температуры и диаметра барабана. Современные вулканизаторы оснащены барабанами с диаметром от 300 до 2000 мм, с гладкой или рифленой (для нанесения тиснения) поверхностью, которые обогреваются насыщенным паром или системой электрообогрева и позволяют вуланизовать тонкие изделия со скоростью до 150 м/час. На поверхности барабана могут быть канавки для вулканизации клиновых ремней, а ткани с тонким слоем смеси, нанесенной на клеепромазочной машине, вулканизуют без прижимной ленты. Для увеличения производительности таких машин устанавливают последовательно несколько барабанов так, чтобы угол обхвата каждого барабана тканью был максимальным. Прорезиненные ткани иногда вулканизуют также в роликовых камерах, обогреваемых горячим воздухом. В первой камере меньшей длины ткань нагревается до температуры вулканизации, во второй – продолжительность ее нахождения автоматически регулируют изменением скорости движения, а в третьей камере ткань охлаждается перед свертыванием в рулон.

Непрерывная вулканизация шприцованных длинномерных резиновых уплотнителей, объединенная с непрерывным процессом их шприцевания, позволяет исключить межоперационное хранение и транспортирование полуфабрикатов и опудривающие материалы. При этом уменьшается расход энергии, улучшаются внешний вид изделий и санитарные условия труда. Поскольку в этом случае трудно обеспечить вулканизацию при повышенных давлениях, смеси вакуумируют при шприцевании в червячных машинах с вакуум-отсосом, а в их состав вводят конпоненты, химически связывающие влагу, например, тонкодисперсный оксид кальция. Непрерывные процессы проводят при атмосферном давлении и применяют теплоносители с эффективной теплоотдачей. К ним относится расплав солей - нитратов натрия и калия с нитритом натрия (53% KNO ₃ +7% NaNO ₃ +40% NaNO ₂), имеющий температуру плавления около 142 ^о C, теплостойкий до 450 ^о С и хорошо растворимый в воде, который получают в ванне с помощью электронагревателей. При температуре расплава 180-250 ^о С получают шприцованные профили со скоростью до 10-15 м/мин. Недостаток вулканизации - деформацию тонкостенных и полых профилей – устраняют путем замены расплава солей взвешенными в нагретом воздушном потоке стеклянными шариками (баллотиней) диаметром 0, 15-0, 25 мм или кварцевым песком с частицами размером 0, 2-0, 3 мм.