Вулканизация каучука

Вулканизация каучука – это высокотехнологичная процедура, при которой исходное сырье взаимодействует с определенным реагентом. В процессе ее проведения меняются свойства материала, что обеспечивает его широкое применение в производственной сфере. Результатом данного процесса является превращение пластичного материала (каучука) в резину путем сшивания молекул эластомера в пространственную сетку.

Процесс вулканизации каучука

Данный процесс представляет собой смешивание полимера с агентами, вызывающими реакцию сшивки. В зависимости от конечных требований к изделию, используются следующие вещества:

• Активаторы;
• Пластификаторы;
• Противостарители; 
• Замедлители или ускорители реакции. 

При такой обработке между линейными макромолекулами исходного сырья образуются поперечные связи, которые при достижении оптимума вулканизации обеспечивают лучшее сочетание эксплуатационных свойств готовой резиносодержащей продукции. 

Выделяют три этапа вулканизации:

• Индукция;
• Отверждение;
• Оптимальное состояние.

На первом этапе происходит начало создания сетчатой структуры. Если конечному изделию необходимо придать форму, это делают до нагревания. На стадии сшивки формируются соединения полимерных цепей. Их количество зависит от температуры, количества добавок и прочих факторов. Третья стадия характеризуется достижением заданных параметров. На данном этапе важно не допустить переотверждения.

Серная вулканизация

Вулканизация каучука общего назначения (изопреновый, бутадиеновый, полиизопрен) производится методом нагрева в формах. Исходный материал с серой подвергают обработке температурой +150°C…+160°C под заданным давлением. Атомы серы соединяются с макромолекулами каучука и образуют дисульфидные мостики, молекула становится трехмерной, появляется разветвленная сетчатая структура.

В зависимости от процентного соотношения добавленного вещества, свойства конечного материала различаются. Если количество серы в смеси не превышает 5%, на выходе получают мягкий, эластичный вулканизированный каучук. Благодаря поперечно-сшитой молекулярной сети, этот материал гораздо прочнее невулканизированного. Он также устойчив к воздействию ультрафиолета и перепадам температур. Широко используется в автомобильной промышленности, а также для производства рукавов, мячей, трубок и т.д. 

При добавлении более 30% серы образовывается твердый материал эбонит, обладающий отличными электроизоляционными свойствами, а также водо- и газонепроницаемостью. Его используют в производстве электроприборов, аккумуляторов, медицинской техники и др.

В смеси могут быть включены различные наполнители:

• Сажа;
• Карбонат кальция (мел);
• Силикат алюминия;
• Диоксид кремния и др. 

Процесс вулканизации каучука с серой обычно ускоряют путем добавления различных органических соединений. Без них реакция происходит медленно, что может негативно сказаться на механических свойствах будущих резиновых изделий. В качестве ускорителей чаще всего выступают тиурам или каптакс. Активатором служит окись цинка. При этом вулканизация может быть проведена при более низких температурах, и ее эффективность будет выше. Добавление указанных веществ также позволяет снизить количество серы, что положительно влияет на свойства резины в процессе ее состаривания. 

Методы вулканизации

Вулканизовать можно как натуральный, так и искусственный материал. Существует два способа вулканизации каучука – холодный и горячий.

В первом случае соединение элементов происходит без термической обработки. Холодный метод может быть выполнен с помощью полухлористой серы. В 2%-ном растворе на базе растворителя полимер находится от нескольких секунд (для изделий толщиной около 1 мм) до нескольких минут (для более толстостенных элементов). За это время заготовка насыщается веществом и приобретает требуемые физико-химические свойства. После завершения процедуры изделие обрабатывают водой.

Второй вариант холодной обработки – помещение заготовки в атмосферу, насыщенную оксидом серы. Далее вулканизируемый каучук переносится в камеру с сероводородом, где оставляется на 15-20 минут для завершения реакции. Это делает резину менее восприимчивой к деформации за счет создания новых полимерных цепей. 

Каучуки специального назначения обрабатывают синтетическими смолами или органическими перекисями. Реже используют радиационную вулканизацию. Такой метод используется для получения резины со специфическими свойствами, например, с высокой устойчивостью к воздействию химикатов.

При горячей обработке применяется несколько вариантов нагрева заготовок. Их помещают в специальные формы и нагреваемые до +150°C печи. Если в печи будет повышенное давление, процесс вулканизации пройдет быстрее и эффективнее. Далее изделия обрабатывают горячим водяным паром. Нагревание агрегатов для обработки обеспечивается не только электричеством или водой, но также и высокочастотным током или воздухом.

Свойства вулканизированного каучука

Вулканизированный каучук приобретает различные свойства, в зависимости от качества исходного сырья, выбранного способа обработки, процентного содержания серы и других факторов. Среди таких характеристик выделяют:

• Эластичность;
• Устойчивость к воздействию температур;
• Износостойкость;
• Твердость;
• Стойкость к озону;
• Повышенная прочность на разрыв;
• Маслостойкость;
• Устойчивость к бензину, растворителям;
• Газонепроницаемость;
• Водостойкость и проч.

Преимуществом обработки вулканизацией также считается ремонтопригодность изделий и возможность их переработки для повторного использования.

Современные тенденции процессов вулканизации

С развитием промышленности и автопрома в частности, повышается спрос на продукцию с вышеуказанными физико-химическими свойствами. Поэтому среди современных тенденций прослеживается применение различных ускорителей вулканизации. Они способны не только сократить время обработки каучуков, но и снизить его себестоимость и оптимизировать вспомогательные процессы, такие как формование заготовок.

В качестве ускорителей используют:

• Оксид свинца;
• Тиурамидсульфид;
• Ксантогенаты;
• Вещества на базе аммиака и т.д. 

Если обработка заготовки осуществляется водяным паром, активизировать процесс помогут щелочи (гидроксид кальция, оксид магния) или соли (карбонат натрия, тиокарбонат натрия).

Резина как конечный продукт вулканизации

Резина – это высокоэластичный прочный материал, состоящий из полимерной основы с добавлением различных веществ.

Свойства резиносодержащей продукции зависят от типа сырья, из которого она изготовлена. К примеру, резина из полимеров СКД, НД, СКС — непористая, монолитная и отличается хорошей износостойкостью. Изопреновые каучуки обеспечивают растяжимость изделия. Натуральный каучук в основе придает готовому материалу эластичность и маслостойкость, но он непригоден для эксплуатации в агрессивных средах. 

Производство резины предусматривает ряд этапов:

• Подготовка полуфабрикатов;
• Пластикация сырья;
• Каландрирование и раскрой листов;
• Вулканизация.

В процессе обработки каучуковой основы к ней добавляются различные компоненты. Кроме рассмотренной выше серы, ускорителей и активаторов, в состав соединения вводят антиокислители для замедления старения изделия. 

Для улучшения эксплуатационных характеристик применяют наполнители и пластификаторы. Последние упрощают обработку резины и снижают ее истираемость. 

Получаемая вулканизацией каучуков резина чаще всего используется в автомобильных покрышках и камерах. Для ее основы наиболее распространено применение полиизопрена и бутадиен-стирольных каучуков.

Для обеспечения требуемых свойств и характеристик, состав современной резины насчитывает около 20 компонентов. Главное преимущество этого материала заключается в сохранении эластичности, твердости и деформационной стойкости. Чтобы улучшить показатели прочности, резина может быть армирована техническим углеродом.

Крупными потребителями резиносодержащих изделий являются сельскохозяйственное машиностроение, производство кабельно-проводниковой продукции и промышленных товаров.