Каучук
Пластикация – технологическийпроцесс и само явление, в результате которого повышается пластичность каучука(легкость деформирования и способность сохранять форму после снятиядеформирующей нагрузки), снижается его вязкость и эластическое восстановление,а также влияет на физические свойства резиновых смесей и вулканизатов. Сповышением пластичности, облегчается формование, снижается вязкость растворакаучука (можно получить более концентрированные клеи при меньшем расходерастворителя), но в то же время ухудшаются механические свойства, сопротивлениеистиранию, увеличивается остаточная деформация. При изготовлении резиновыхсмесей надо использовать каучук с определенными пластическими свойствами, сучетом назначения резинового изделия. Первоначальное повышение пластичностикаучука происходит из-за разрушения глобулярной структуры в процессемеханической обработки, но если структура не является глобулярной, пластикацияобъясняется деструкцией макромолекул каучука и снижением его молекулярной массыпод действием механических напряжений и окислительных процессов. Разрывмакромолекул под действием механических напряжений возможен, если размер этихмакромолекул превышает некоторое минимальное значение, определяемое природой иструктурой полимера и скоростью деформации. Разрыв макромолекул каучука поддействием механических напряжений возможен, если размер этих макромолекулпревышает некоторое минимальное значение, определяемое природой и структуройполимера и скоростью деформации. Разрыву молекулярных цепей каучука примеханической обработке способствует образование физических «зацеплений» изахлестов (переплетений) макромолекул, число которых повышается с увеличениеммолекулярной массы полимера и его разветвленности. При использовании химическихпластификаторов увеличивается эффект пластикации, так как предотвращаютсярекомбинация радикалов и их взаимодействие с молекулами полимера. В качествеускорителей пластикации широкое применение находят некоторые ароматическиемеркаптаны и дисульфиды. Эффективным ускорителем пластикации являетсямеркаптобензтиазол. При использовании ускорителей пластикации увеличиваетсяскорость деструкции натурального каучука как при низких, так и при высокихтемпературах; наибольшую активность они проявляют при температуре выше 80 °С.На 100 масс.ч. каучука приходится 0,1—0,3 масс. ч. ускорителей пластикации.
Подготовка каучуков
Для механизации иавтоматизации дозировки каучуков, поступающих в виде кип, брикетов или рулонов,их гранулируют или режут на куски определенной формы и массы. Кипы или брикетызакристаллизовавшихся каучуков (натуральные, хлоропреновые каучуки (срегулярной структурой) при хранении кристаллизуются, что приводит к повышениюжесткости и, как следствие, затрудняет резку и дальнейшую переработку)разогревают до температуры 40-500С, иногда разрезая на куски, чтобы сократитьвремя прогрева до 10 – 24ч. Если количество потребляемого каучука небольшоедекристаллизацию проводят в распарочных камерах 5*6*5м, камеры которыхобогреваются горячим воздухом. Кипы натурального каучука прогревают либо приТ=700С в течение 35 – 50ч, либо при Т=500С летом 50ч, а зимой 72ч. Минусытакого способа заключаются в неравномерном прогреве каучука по массе, окисленииповерхности каучука, а плюсы – в простоте конструкции и обслуживания.
При большом потреблениикаучука, его декристаллизуют на специальных установках в поле токов высокойчастоты (высокочастотное электрическое поле с переменной частотой 20 – 75МГц).Эти установки бывают двух видов: непрерывного (состоят из несколькихпоследовательно расположенных камер, через которые по транспортеру движутсякипы каучука) и периодического действия (состоят из одной камеры). Степеньдекристаллизации каучука проверяют путем погружения в кипу металлической иглыпри постоянном давлении, если игла не может проколоть кипу за определенное время,то кипа поступает на повторную декристаллизацию.
Каучуки, разрезанные накуски, обычно декристаллизуют в распарочных камерах непрерывного действия,обогреваемых воздухом. (схема1)
/>
Схема 1.
Воздушная камеранепрерывного действия для декристаллизации НК
1— теплоизолирующие стенки камеры; 2—подвесной конвейер; 3 входной и выходной проемы для конвейера; 4 — натяжная станцияконвейера; 5, 7 — рольганги; 6 — вертикальные ножи для резки каучука; 8 —наружная ветвь конвейера; 9 — отборочный ленточный транспортер;10 — помещение для установки вентиляторов, создающих тепловуюзавесу.
Принцип действия
Кипы НК рольгангом 7подаются к гидравлическим ножам вертикального типа, где режутся на 6 частей.Рольгангом 5, нарезанные куски НК подают на подвесной конвейер 2 (он расположенв несколько ярусов) и далее через входное отверстие в разогревательную камеру1. Разогретые куски проходят всю камеру (продолжительность прогрева зависит оттемпературы в камере и закристаллизованности каучука, например, НК при1000С 4-6ч) и сбрасываются на отборочный ленточный траспортер. НК режут навертикальных или вертикальных ножах с гидравлическим приводом, которые иногдаимеют многолучевые головки, на которых закреплено несколько радиальнорасположенных лезвий. Брикеты или рулоны синтетического каучука режут с помощьюдисковых ножей, которые имеют до 4-х дисковых устройств.
Технические способыпластикации каучука.
1. Термопластикациякаучуков.
Ее проводят приповышенной температуре и в присутствии кислорода. При правильном выбореоптимальных температуры и давления процессы деструкции могут преобладать надструктурированием. В основном, термопластикации подвергают жесткиевысокомолекулярные, нерегулярные каучуки (например бутадиен-стирольные). Процесспроводят в котлах при температуре 120 – 1400С и давлении 0,25 – 0,30МПа, гдекаучук раскладывается в виде тонких полосок на металлических противнях. Притермопластикации, в отличие от механической пластикации (разрыв наиболеедлинных молекул, преимущественно в средней части, без увеличениянизкомолекулярных фракций, сужение ММР, что приводит к повышению эластическихсвойств), происходит глубокое окисление и деструкция полимера, с увеличениемнизкомолекулярных фракций (из-за этого понижаются эластические и прочностныесвойства вулканизатов, поэтому они уступают вулканизатам на основе механическихпластикатов).
Пластикация в червячныхмашинах
Червячные машиныпредназначены для пластикации, гранулирования каучуков, приготовления резиновыхсмесей и их формования, являются наиболее производительным оборудованием дляпластикации натурального каучука и применяются на крупных предприятиях. Процессыв этих аппаратах непрерывные.
По конструкции этиаппараты подразделяют на одностадийные (с одним червяком) и двухстадийные (сдвумя червяками цилиндры, которых могут быть расположены друг над другом, надвух параллельных осях или последовательно на одной оси).
/>
Схема 2.
Продольный разрездвухстадийного пластикатора:
1 – головка; 2 –наконечник червяка; 3 – стальной стакан цилиндра; 4 – передний цилиндр; 5 –задний цилиндр; 6 – червяк; 7 – загрузочная воронка; 8 – упорный подшипник; 9 –трубка для подачи охлаждающей воды в корпус опорного подшипника; 10 – большаяприводная шестерня; 11 – труба для подачи пара или воды в полость червяка; 12 –роликовые опорные подшипники; 13 – станина; 14 – регулирующий винт механизмадля осевого перемещения цилиндров пластикатора; 15 – диск для осевогоперемещения цилиндров пластикатора; 16 – стойка выносного подшипника; 17 –выносной подшипник.
Принцип работы:
Червяк 6 двухстадийного пластикатора споследовательным расположением цилиндров на одной оси в зоне загрузки (заднийцилиндр5) имееттреугольную нарезку с большим шагом у первых витков, а в зоне пластикации(передний цилиндр 4) —нарезку в форменеравнобокой трапеции с переменным уменьшающимся шагом. Перемещая с помощьюдиска 15 и регулирующего винта 14 вдоль оси передний цилиндр вместе с головкой, можноизменять размер выходного отверстия для пластиката и одновременно толщинустенки трубчатой формы пластиката.
В головке 1расположен наконечник 2, который с помощью резьбового соединения закреплен в червяке, составляяпродолжение червяка и выполняя роль дорна. Наконечник, выходящий из головки,закрепляется в подшипнике 17 на стойке 16. Червяк вращается в роликовых опорных подшипниках 12. Осевые усилия, возникающие при работе червяка, воспринимаются упорным подшипником 8.
Вращение червякупередается от большой приводной шестерни 10, насаженной на вал червяка и находящейся в зацеплениис малой приводной шестерней, в свою очередь насаженной на выходной валредуктора, который присоединен к электродвигателю мощностью около 500 кВт.
В процессе работывнутренняя поверхность цилиндра изнашивается быстрее других деталей, поэтомувнутри цилиндров запрессовываются стальные стаканы 3, имеющие ребристуюповерхность, для более интенсивной обработки каучука. По мере износа стаканызаменяются.
Для поддержаниятемпературного режима пластикации основные детали машины охлаждают илинапревают. Так, во внутреннюю полость червяка непрерывно подают холодную илигорячую воду; отработанную воду отводят через внешнюю трубу. Полость наконечника 2, цилиндры 4 и 5, головку 1 и мундштук охлаждают или обогревают водой, подаваемойв рубашки. Такую же систему охлаждения имеет упорный подшипник 8.
Машина работает вследующей последовательности. Каучук в виде кип или кусков загружают в воронку7, имеющую пневматический толкатель. Нарезкой червяка в цилиндре 5 (первая зона пластикации) он захватывается иперемещается при значительном давлении к цилиндру 4.
Пластицированныйкаучук выходит из кольцевого зазора между наконечником и мундштуком в видетрубы диаметром 150— 200 мм с толщиной стенки 15—20 мм. На выходе трубкикаучука из мундштука установлен нож, разрезающий ее в продольном направлении.Благодаря такой конструкции подшипник 17 и стойка 16 не препятствуют выходу каучука. Полученную ленту подаютна охлаждающий транспортер и режут на куски. Толщину стенок трубы пластицированногокаучука можно регулировать изменением кольцевого зазора между головкой инаконечником.
Постоянствозаданного температурного режима в различных участках пластикатора обеспечиваетсяавтоматическими регуляторами температуры за счет регулирования подачиохлаждающей воды и греющего пара.
Пластикациякаучука в червячных пластикаторах обусловлена сдвиговыми деформациями,возникающими в каучуке в осевом направлении при вращении червяка, и силамитрения между каучуком и стенками цилиндра, каучуком и поверхностью червяка.Напряжение сдвига зависит от вязкости каучука, температуры, скорости сдвига,геометрии червяка, зазора между червяком и стенками цилиндра и других факторов.Скорость сдвига зависит от диаметра червяка и частоты его вращения. Вследствиетрения каучука о стенки камеры и о поверхность червяка, а также в результатевнутреннего трения происходит интенсивное нагревание каучука при пластикации.Практически вся потребляемая пластикатором энергия превращается в тепло,которое частично рассеивается в окружающую среду, а в основном уноситсяохлаждающей водой и нагретым пластицированным каучуком.
За один пропуск вприсутствии ускорителя пластикации получают пластикат П-1 с пластичностью0,21—0,30. Для повышения пластичности пластикат П-1 необходимо пропуститьвторично через пластикатор после его полного охлаждения. Полученный пластикатП-2 будет иметь пластичность 0,31—0,40.
Пластикация каучуков взакрытых резиносмесителях.
По сравнению счервячным пластикатором резиносмеситель имеет меньшую поверхность охлаждения, атеплообразование в нем более значительное. Процесс пластикации врезиносмесителях происходит в условиях термоокислительной деструкции,активированной механическим напряжением в камере 250л и частотой заднего ротора40об/мин, при выгрузке температура пластиката достигает 140 – 1800С. Иногда пластикациюкаучуков в скоростных смесителях совмещают с приготовлением резиновых смесей.
Пластикация каучука навальцах
При небольшом расходекаучуков их пластицируют на вальцах, схема которых представлена на схеме 3.Пластикацию на вальцах рационально проводить при малых масштабах производства.В начале процесса холодные каучуки обладают высокой эластичностью, и втягиваниеих в зазор между валками затруднительно, поэтому загрузку надо проводить малымипорциями и при малом зазоре между валками. Чем жестче каучук и чем ниже еготемпература, тем больше затрачивается механической энергии на его деформацию, итем больше нагревается каучук и валки. Чтобы получить пластикат однородногокачества применяют следующие приемы:
1) Непрерывнаяобработка каучука сначала при небольшом зазоре (1-3мм) в течение 10-15мин, азатем при зазоре 5-10мм в течение 10-15мин.
2) Дву- или трехкратнаяпластикация с охлаждением пластицируемой массы между последовательнымиоперациями.
3) «Размалывающая»пластикация – последовательные пропуски через тонкий зазор (1-3мм) споследующим охлаждением пластицируемой массы до 30 – 400С.
Наибольшее увеличениепластичности отмечается в первые 10мин, потом она изменяется крайне медленно,что видно из графика. Расход энергии, затрачиваемой на преодоление упругихдеформаций и на механическую деструкцию макромолекул каучука, зависит от объемамассы в рабочей зоне и давления в зазоре. Во время обработки каучука повышаетсяего температура, уменьшается вязкость и коэффициент трения, что приводит кснижению расходуемой энергии. Для получения более однородного пластиката надопроизводить его подрезку. При загрузке каучука на вальцы каучук не должен бытьзамороженным (это может вызвать поломку вальцев) и не влажным (ухудшаетсязахват каучука валками). Для получения смесей с высокой пластичностью каучукподвергают трехкратной пластикации. На вальцах производят пластикациюбутадиен-нитрильных каучуков, которые не удается пластицировать другимиметодами.
/>
Схема3. Схема устройства вальцов
1— трансмиссионные роликовыеподшипники;2, 14 — правая и левая станины; 3 — коммуникацииохлаждения; 4— кожух передаточных шестерен; 5 — передаточныешестерни;. 6— электродвигатель механизма регулирования зазора; 7, 9 —правая и левая траверсы; 8 — трос механизма аварийного останова; 10 —приводные шестерни (большая и малая); 11 — кожух предохранительный; 12 —циферблат указателя зазора; 13 — валковые подшипники; 15 — фундаментнаяплита; 16— трансмиссионный приводной вал; 17, 18 — передний к задний валки; 19 —поддон.
Вальцы состоят издвух литых станин, установленных на фундаментной плите. В станины вмонтированына роликовых подшипниках два полых валка из кокильного чугуна, вращающиеся сразной частотой. Рабочая поверхность валков отбелена на глубину 8—15 мм.Подшипники переднего валка могут перемещаться в направляющих станинах припомощи механизма для регулирования зазора, приводимого в движение отиндивидуальных электродвигателей через двухступенчатые редукторы или вручнуюмаховичком. Подшипники заднего валка закреплены неподвижно. Под регулирующимизазор нажимными винтами установлены предохранительные шайбы, которые приперегрузке вальцов срезаются, чем предотвращается поломка валков и другихдеталей. При срезании предохранительной шайбы зазор значительно увеличивается.Для контроля за зазором со стороны работающего имеются специальные указатели, адля ограничения раздвижения валков на расстояние, превышающее максимальнодопустимое, — концевые выключатели приводного электродвигателя. На концахрабочих поверхностей валков установлены ограничительные раздвижные стрелки препятствующиесползанию обрабатываемого материала за пределы рабочей поверхности. Зазорымежду валками и стрелками должны быть минимальными. Стрелки изготовляют измягкого материала, чтобы не поцарапать рабочую поверхность валка. Под валкамипомещают выдвижной противень для сбора просыпающихся материалов с рабочей поверхности.Температурный режим на валках поддерживают с помощью системы водяногоохлаждения (температура воды 4—25 °С) путем орошения внутренних поверхностейвалков. Для поддержания необходимой эффективности охлаждения внутренниеповерхности валков должны содержаться в чистоте.
Смазку валковыхподшипников производят централизованно под давлением. Нижние части приводных ифрикционных шестерен, а также червячных пар погружены в масляные ванны.
Безопасностьработы вальцов обеспечивается автоматическим аварийным устройством, выключающимэлектродвигатель и включающим торможение, причем пробег валков с моментавыключения не превышает оборота переднего валка. Дистанционное и автоматическоеуправление приводным электродвигателем и механизмом регулирования зазорапроизводится с помощью магнитных станций и панелей управления.
Современныеустановки вальцов оснащают различными приборами контроля технологическогопроцесса: регистрирующими и указывающими приборами для замера температурвходящей и отработанной охлаждающей воды, рабочих поверхностей валков ирезиновой смеси, валковых подшипников и др.; приборами для контроля давленияводы; приборами централизованной смазки; расходомерами для воды,электроэнергии; приборами, контролирующими зазор между валками.
В зазоре междувалками и перед ними (в крутящемся запасе) вследствие деформации слоев каучукас разной скоростью возникают большие напряжения сдвига, приводящие к деструкциимакромолекул. Благодаря тому что область, в которой происходят сдвиговыедеформации, невелика, а поверхность охлаждения валков большая, процесс можнопроводить при невысокой температуре, в условиях, когда происходит механическаяпластикация. При этом виде пластикации обычно не применяют химическихпластификаторов.
пластикациякаучук декристаллизация червячный
Гранулированиекаучуков и резиновых смесей
Для облегчениядозирования натурального и синтетических каучуков их гранулируют с помощьюспециальных машин (грануляторов). Наиболее широко применяют грануляторычервячного типа (схема 4).
/>
Схема 4. Грануляторчервячного типа
1 — станина; 2 — упорныйподшипник; 3— большая приводная шестерня; 4 — хвостовая часть червяка; 5 — сальниковоеуплотнение; 6— роликовый подшипник; 7 —труба; 8 — загрузочная воронка; 9 — рабочий цилиндр; 10 —пневматический цилиндр; 11— резательные ножи; 12 — кожух для приемагранул; 13 —редуктор; 14— ременная передача; 15 — электродвигатель; 16 — приводноеустройство; 17 —головка; 18 — полый вращающийся вал; 19 — неподвижный вал; 20 —перфорированная шайба; 21 — сменная насадка; 22 — сменная гильза; 23 —червяк.
На станине 1 установлен рабочий цилиндр 9, внутри которого запрессована гильза 22 из износостойкой стали. В цилиндре есть загрузочное отверстие и рубашкадля подачи холодной или горячей воды. В рабочей зоне червяк 23 имеет однозаходную нарезку с переменным шагом (притакой нарезке червяка обеспечиваются хороший захват материала в загрузочнойзоне и меньшее тепловыделение в рабочей зоне).
Отношение длинырабочей части червяка к диаметру равно 3,5, его витки имеют закаленнуюповерхность гребней или специальную наплавку из твердых сплавов. На концечервяка установлена сменная насадка 21, обеспечивающая равномерную подачукаучука (или резиновой смеси) под давлением на перфорированную пластину.Насадка имеет двухзаходную нарезку с большим углом подъема винтовой линии.Зазор между насадкой червяка и перфорированной пластиной составляет 1,5—2 мм.
Для охлаждения вовнутреннюю полость червяка по трубе 7 подается холодная вода. Хвостовая часть 4, расположенная в заднем цилиндре, установлена нарадиальных роликовых подшипниках 6 и снабжена упорным подшипником 2. На хвостовую часть червяка насажена большая приводная шестерня3, которая входитв зацепление с шестерней редуктора привода машины. Частота вращения червяка взависимости от размера машины 20—30 об/мин.
Над загрузочнымотверстием рабочего цилиндра устанавливается воронка 8 с пневматическим толкателем, которыйпредназначен для обеспечения равномерной подачи каучука и предотвращенияскольжения его по червяку, что повышает коэффициент полезного действия машины.Работа толкателя автоматизирована.
На конце цилиндрамашины при помощи байонетного затвора закрепляется головка, в корпусе головки,являющемся продолжением затвора, установлен неподвижный вал 19, на который насажен полый вращающийся вал 18. Вал 18 приводится во вращение от мотора 15 через шкив и редуктор 16, связанные последовательно друг с другом ременнымипередачами14.
На конце пологовала18, обращенного кперфорированной пластине 20, закреплена оправка с четырьмя стальными ножами11. Зазор междуножами и шайбой составляет 0,4—0,5 мм.
При продавливаниичерез отверстия перфорированной шайбы 20 каучук срезается ножами 11. Размер гранул зависит отчастоты вращения ножей, которая может изменяться с помощью гидравлическогоредуктора13.
Температуравыходящих гранул каучука 70—150 °С. Для охлаждения и предупреждения слипаниягранулы при последующем их транспортировании и хранении обрызгивают воднойкаолиновой суспензией, влага из которой затем испаряется. Обрызгивание гранулпроизводится в головке 17 гранулятора. Гранулирование натурального каучука можно совместить спластикацией. В червячных машинах для гранулирования каучуков применяют червякидиаметром от 380 до 450 мм. Производительность их соответственно составляет от600 до 700 кг/ч.
Поточныеавтоматические линии для гранулирования каучуков помимо грануляторов включаютустройства для охлаждения, сушки, транспортирования и хранения гранул, а такжедля подачи их на ленточный транспортер для дозирования и загрузки в резиносмеситель.
Транспортированиегранул осуществляют ленточными транспортерами, элеваторами и пневмотранспортом.
Гранулы хранят всекционных составных бункерах, состоящих из нескольких секций, каждая изкоторых имеет свое днище. Секции бункера заполняются автоматически в следующейпоследовательности: при выгрузке из нижней секции сигнализатор ее уровня даетимпульс соленоидному клапану, который затем подает сжатый воздух впневматические цилиндры расположенной выше секции. Поршни цилиндров выдвигаютднище, и гранулы каучука пересыпаются в опорожненную секцию. Последующие секциисрабатывают аналогично. В процессе работы гранулы пересыпаются из одной секциив другую.
Применениебункеров такой сложной конструкции объясняется необходимостью предупрежденияслипания гранул под действием собственного веса.
Взамен ленточныхтранспортеров для сушки гранул и секционных бункеров для их хранения используютнаклонные вращающиеся барабаны, в которых происходит меньшее слипание гранул.Барабаны имеют продольно направленные изогнутые ребра для захвата и подъемагранул, а также винтообразные ребра для продольного передвижения гранул.Наиболее распространены барабанные бункера диаметром 1,8 м и длиной 9 м.
Каучуки ирезиновые смеси целесообразно гранулировать на тех предприятиях, гдеиспользуется небольшой ассортимент каучуков и резиновых смесей при большихобъемах производства, например в шинной промышленности.