Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

13.2 A gumitechnológiák alapjai

13.2 A gumitechnológiák alapjai

A nyersgumi (kaucsuk) feldolgozása során több műveleten megy keresztül, míg a késztermék elkészül. Ezek a következők:

  • keverékkészítés

  • kalanderezés

  • extrudálás

  • oldás, itatás, kenés

  • konfekcionálás

  • vulkanizálás

A fenti technológiák közül a konfekcionálás, és kisebb mértékben a vulkanizálás is termékfüggő, vagyis megvalósítása (és gépi berendezése is) a gyártandó gumiterméktől függ. Itt említjük meg, hogy könyvünkben a latex– (vagy mártásos) gumitechnológiákkal nem foglalkozunk, ezek leírását az érdeklődő Olvasó a [13.1] irodalomban találja meg.

13.2.1 Keverékgyártás

A keverékkészítés az első lépés a gumi feldolgozása során; a művelet alatt fizikai és kémiai változások is lejátszódnak a gumiban. A keverékkészítéskor alakulnak ki a későbbi feldolgozási műveletekben nagyon fontos reológiai és feldolgozhatósági jellemzők.

A kaucsukot a gyárak bálában (egy ilyen tömb kb. 100–110 kg kaucsukot tartalmaz) kapják, ezt először kisebb darabokra vágják bálavágógépek segítségével. A bálavágógépek többnyire hidraulikus működtetésűek (egy bála felvágásához 300–1000 kN nyomóerő szükséges). A bálavágógépek lehetnek egy- vagy többkésesek; működésük megegyezik a hidraulikus prések működésével. A legelterjedtebb közepes méretű keverőgépek számára 15–20 kg az egy darabban beadagolható kaucsuk mennyisége.

A modern keverékgyártási technológiáknál gyakran alkalmazzák a többlépcsős keverést. Először mesterkeveréket állítanak elő, amelyet lap vagy granulátum formában tárolnak. Ezt a mesterkeveréket keverik azután össze a még hiányzó adalékanyagokkal. Napjainkban a teljes keverési folyamatot – a bálák tárolásától az adalékanyagok automatikus bemérésén keresztül a keverékeknek a feldolgozó gépekhez való eljuttatásáig – számítógépes rendszer felügyeli.

13.2.1.1 Hengerszékek

A kaucsukot az adalékanyagokkal korábban szinte kizárólag hengerszéken dolgozták fel. Ma már (főleg a nagyiparban) sokkal gyakoribb a zártkeverők (vagy más néven belsőkeverők) használata. A hengerszék alapelvét már a 6.2 fejezetben bemutattuk. Egy gumiipari hengerszék vázlatos szerkezeti felépítését a 13.3 ábrán, míg fotóját a 13.4 ábrán láthatjuk.

Hengerszék szerkezeti vázlata

13.3 ábra:Hengerszék szerkezeti vázlata [13.1]

Gumiipari hengerszék

13.4 ábra:Gumiipari hengerszék (450 mm átmérőjű, 1100 mm hosszú hengerek) [13.3]

A hengerszékeknek ma is fontos szerep jut, mint követő-berendezések a belső keverők után, vagy mint előkészítő, keverék-felmelegítő berendezések a kalanderek előtt. Szintén fontos szerepük van a természetes kaucsuk (NR) molekulatömegének beállításában, az ún. masztikálásban. (A természetes kaucsuk az optimálisnál nagyobb molekulatömegű polimer. A hosszú polimerláncokat mechanikai munkával, a kaucsuk „gyúrásával” tördelik rövidebb részekre. A folyamat elég bonyolult, a nyíráson kívül szerepe van benne a levegő oxigénjének és a hőmérsékletnek is.) Ma is hengerszéken állítják elő az egyébként nehezen kezelhető – pl. ragadós – gumikeverékeket.

A hengerszékek két egymással párhuzamos, vízszintes helyzetű hengerből állnak. A hengerek tengelyének csapágyazását acélöntvény keret tartja. A két henger eltérő fordulatszámmal forog egymással szemben.

A hengerek belül üregesek, itt oldható meg fűtésük vagy hűtésük. Az egyenletes felületi hőmérséklet biztosításához a hengerek falvastagságának is egyenletesnek kell lennie. Ellentétben a hőre lágyuló polimerek feldolgozásával, a hengereket csak ritkán kell fűteni (többnyire induláskor). A fűtést gőzzel, forróvízzel, vagy zárt rendszerű fűtőközeg áramoltatással oldják meg. A gőzfűtés hátránya, hogy a hőmérsékletet nem lehet szabályozni. Laboratóriumi méretű hengerszékeknél használnak jól szabályozható elektromos fűtést is.

A hengerek hűtése nagyon fontos, mivel a nagyviszkozitású kaucsuk keverékek feldolgozásakor sok hő keletkezik. Hűtésre legtöbbször vizet alkalmaznak.

A hengereket hajtóművön keresztül elektromotor hajtja meg. A két hengerhez kapcsolódó fogaskerekek fogszám viszonya határozza meg a frikciót (a két henger kerületi sebességének arányát). Nagyobb frikció fokozza a keverés, gyúrás hatékonyságát. Egyes üzemi hengerszékeknél két fogaskerék-párt használnak; az egyiknél szinkronban forognak a hengerek (nincs frikció), a másiknál eltérő a kerületi sebesség. A frikció mértéke a hengerszék típusától függően 1,05–3,5 között lehet.

Mindegyik hengerszéknél oldalt terelőlemezek vannak, amelyek megakadályozzák, hogy a keverék a hengerek közötti résből a csapágyazáshoz juthasson.

A hengerek közötti rés méretét mechanikusan vagy elektromotorral lehet változtatni. A hengerek túl nagy nyomás miatti sérülésének, törésének meg¬aka¬dályozására az állítócsavar fej részéhez egy adott nyomásnál elnyíródó tárcsát helyeznek. Amikor a hengerek közti nyomás nagyobb lesz a megengedettnél, a tárcsa elnyíródik, így a hengerek közti rés megnövekszik, a nyomás pedig lecsökken.

A hengerek alatt tálcát helyeznek el a lehulló anyagdarabok felfogására. A keverés kezdetén, amikor az anyagból még nem alakul ki palást, elég sok anyag lehullik. Ezt a hengerszéket üzemeltető munkás mindig visszajuttatja a hengerek közti résbe. Több próbálkozás is történt ennek a műveletnek az automatizálására (a keverék minősége nagymértékben függött a munkás odafigyelésétől), a legismertebb az un Stockblender, 13.5 ábra.

A Stockblender a hengerszék felett elhelyezkedő segéd hengerpárból, és két váltakozó irányú (alternáló) mozgást végző terelőgörgőből áll. A keverés elején az első hengeren palástot képeznek az anyagból, amelyet azután levágnak, és átvezetnek a Stockblender segédhengerei közti résen. A segédhenger hajtása biztosítja a palást mozgását. A palást a terelőgörgők alternáló mozgása miatt ide-oda „vándorol” a főhengerek közti rés hossza mentén, így jóval intenzívebben keveredik, és nincs szükség az operátor odafigyelésére sem. A módszer előnye még, hogy javul a keverék hűtése, nem ég be, és nem tud holt réteg kialakulni a hengerek felületén.

Hengerszék Stockblenderrel

13.5 ábra:Hengerszék Stockblenderrel [13.3]

A hengerek között lejátszódó áramlást a 7.6 ábra, a szakállképződést a 7.4 ábra mutatja be, míg a hengerek között ható erőket a (7.9) egyenlet szerint lehet meghatározni.

13.2.1.2 Zártkeverők

A gumigyárakban, különösen az autó abroncs gyártásban, a zártkeverők, vagy belső keverők, ld. 6.6 és 6.7 ábrák, szinte teljesen kiszorították a hengerszékeket. A zártkeverőkben a keverést forgó rotorok, gyúrókarok végzik. Előnyük az egyenletesebb keverékminőség és a nagyobb termelékenység. További előnyt jelent a zárt tér a port tartalmazó keverékeknél (a gumiiparban sok keverék aktív töltőanyaga a korom), és nem utolsó sorban a kisebb baleseti veszély. Beruházási és üzemeltetési költségeik is általában kedvezőbbek, mint a hengerszékeké. Egyedüli hátrányuk, hogy a hengerszéken elérhető adalékanyag diszpergálást nem mindig lehet velük megvalósítani.

A zártkeverők, ahogy nevük is mutatja, zárt és hűtéssel ellátott gyúrókamrából, és a benne forgó két rotorból állnak. A gyúrókamra metszete vízszintes helyzetű 8-asra hasonlít, 13.6 ábra.

A rotorok fordulatszáma a legtöbb konstrukciónál eltérő (frikció), de léteznek frikció nélküli zártkeverők is. Az iparban a 13.6 ábrán látható két eltérő rotorkonstrukció terjedt el. A rotorkonstrukciónak döntő szerepe van az elérhető keverési, diszpergálási hatékonyságban.

Zártkeverők metszetei

13.6 ábra:Zártkeverők metszetei [13.3] a) érintőleges (tangenciális) és b) egymásba hatoló elrendezés

A tangenciális rendszernél a rotorok „taréjos” kiképzésűek, általában eltérő sebességgel forognak. A rotorszárnyak által leírt körívek között állandó réstávolság van. A tangenciális rendszernél a következő fő áramlásokat lehet megkülönböztetni:

  • A rotorszárnyak és a kamra fala között van a legnagyobb nyírású zóna, itt a résáramlás alakul ki.

  • A rotorok közötti térben forgó áramlás jön létre. A por alakú adalékanyagok főként itt keverednek, diszpergálódnak el a polimerben. Ez az áramlás hasonló a hengerszékeknél, illetve kalandereknél kialakuló szakáll áramlási viszonyaihoz. (7.4 ábra)

  • A tengelyirányú vagy axiális áramlás a rotorok csavart felülete miatt alakul ki (hasonlóan az extrudereknél kialakuló áramláshoz, ld. 8. fejezet)

Az egymásba hatoló elrendezésnél a rotorok azonos fordulatszámmal forognak. A legnagyobb a nyírás a rotorok közötti résben, a diszpergálási, keveredési folyamatok itt játszódnak le. Ennél az elrendezésnél az anyag nagyobb hányada tartózkodik a nagynyírású zónában, mint a tangenciális elrendezésnél, ezért intenzívebb keveredést biztosít. A rotorok felülete nagyobb, ami jobb hűtést tesz lehetővé, ezáltal kb. 30–40 %-al gyorsabbá tehető a keverési folyamat.

A modern zártkeverőknél az anyag keverőtérbe juttatásához, és a keverés ideje alatt a kamra lezárásához pneumatikus működtetésű hengert használnak, 13.7 és 6.6.c ábra. A pneumatikus henger által kifejtett nyomás 2–12 bar közötti érték. A magasabb nyomás (6–12 bar) kifejtésére alkalmas keverőket nagynyomású, ill. nagy hatékonyságú keverőknek hívják.

Zártkeverő (Werner-Pfleiderer)

13.7 ábra:Zártkeverő (Werner-Pfleiderer)

A gyúrókamra belső felületét kopásálló anyagból készítik. A nagy hatékonyságú keverőknél a folyékony adalékanyagok (pl. lágyítók) keverőtérbe juttatásáról külön injektoros megoldással gondoskodnak.

A nagy erők közlésére alkalmas, belül üreges kiképzésű gyúrókarok, vagy rotorok, anyaga acélöntvény, amelynek felületét szintén kemény, kopásálló bevonattal látják el. (13.8 ábra). A rotorok átmérő/hossz (d/l) viszonya 1:1,4 és 1:1.7 között van.

A belsőkeverőket a teljes, illetve a hasznos térfogat alapján lehet osztályozni. Az üzemi berendezéseknél a teljes térfogat néhány litertől az 1 m3 gépóriásokig terjed. A hasznos térfogat kisebb a teljes térfogatnál (általában annak 70 %-a körüli); új keverék esetén kísérleti úton határozzák meg. Az optimális hasznos térfogat az a térfogat, amelynél a keverék tulajdonságai a többi paraméter változatlanul hagyása mellett a legjobbak.

Üreges kiképzésű gyúrókarok

13.8 ábra:Üreges kiképzésű gyúrókarok [13.3] a) permetező hűtés, b) körkörös (vagy spirál) hűtés

A rotorokat elektromotorok hajtják, sebességcsökkentő hajtóművön keresztül. A rotor kiképzésétől és sebességétől függően 8–12 kW motorteljesítmény szükséges minden liter hasznos térfogatra. Ez 2000 kW körüli motorteljesítmény igényt jelent pl. egy 450 l-es zártkeverőnél.

A rotorok gyúrókamra falán átvezetett tengelyénél jó zárást kell biztosítani, nehogy kenőolaj vagy zsír jusson a keverőtérbe. Erre különböző csúszógyűrűs megoldásokat alkalmaznak.

Ahogy korábban már említettük, a zártkeverőket intenzíven kell hűteni. A legmodernebb konstrukcióknál hűtőközeg csatornákat képeznek ki a kamra falában és a rotorban is, amelyben a hűtőközeg turbulensen áramlik, így megnő az egységnyi idő alatt elvonható hőmennyiség.

A teljes keverékkészítési idő meglehetősen rövid, 90–180 másodperc. Ez azt jelenti, hogy a komponenseket is a lehető leggyorsabban kell tudni beadagolni, valamint a kész keveréket is gyorsan kell tudni eltávolítani a keverőből.

A nagy tömegű keverékalkotókat (gumi, töltőanyagok, lágyító) általában automatikus, számítógép vezérlésű mérlegek adagolják a keverőbe. A vulkanizáláshoz szükséges kis tömegű adalékokat ma is gyakran manuálisan adagolják, de egyre jobban terjednek itt is az emberi tényezőt kiküszöbölő megoldások.

13.2.1.3 Folyamatos működésű keverők

Az elmúlt években több folyamatos keverőtípust is kifejlesztettek, azonban a feldolgozandó anyagok csak kevéssé alkalmasak a folyamatos feldolgozásra. A gumikeverékek nem ritkán 20, különböző megjelenési formájú alkotóelemet is tartalmaznak, ezeknek kellő pontosságú, folyamatos bevitele alig megoldható feladatot jelent. Speciális keverőcsigákkal mesterkeverékek folyamatos összekeverése viszont jól megoldható. Az egyik mesterkeverék kaucsukot és töltőanyagot tartalmaz, a másik mesterkeverék pedig kaucsukot és a többi segédanyagot.

Másik módszer szerint a kaucsuk és a töltőanyag felületén kötik meg a többi segédanyagot, vegyszert. A felületükön megfelelő mennyiségű segédanyagot tartalmazó kaucsukot és töltőanyagot juttatják a folyamatos keverőbe.

A folyamatos működésű keverők speciális kialakítású extruderek. A csiga geometriája a minél jobb diszpergálást, keverést szolgálja. Egyes típusoknál a henger fala sem sima, mint a hőre lágyuló polimerek feldolgozására használt extrudereknél, hanem menetes, mint a csiga. A menetek térfogata egymással ellentétesen változik, ezért igen intenzív keverő hatás érhető el (Transfermix, 13.9 ábra).

Werner-Pfleider gyártmányú Transfermix folyamatos keverőextruder vázlata

13.9 ábra:Werner-Pfleider gyártmányú Transfermix folyamatos keverőextruder vázlata 1) csiga, 2) henger, 3) adagológarat, 4) tengelykapcsoló, 5) hajtómű, 6) csigahűtés csatlakozója [13.1]

A kétcsigás extruderek keverési, diszpergálási hatékonysága általában jobb, mint az egycsigás változatoké. Ilyen kialakítású folyamatos keverőgépeket is kifejlesztettek, 13.10 ábra, ahol a csiga kialakítása a hagyományos extrudercsiga és a tangenciális rendszerű zártkeverő rotor kombinációja.

13.2.1.4 Keverősorok

A nagyobb gumigyárakban a keverősorok működtetése nagymértékben automatizált, számítógéppel vezérelt folyamat. Az anyagok tárolása, bemérése (a kaucsuk és a nagyon kis mennyiségben alkalmazott vulkanizálási segédanyagok kivételével) automatizált. A keverősorok egyes berendezéseinek összehangolt működtetése a keverékgyártás megbízhatóságának egyik alapfeltétele. A 13.11 ábrán számítógéppel (és mikroprocesszorokkal) vezérelt teljes keverőüzem vázlata látható.

Farrel FCM kétcsigás folyamatos keverő működési elve

13.10 ábra:Farrel FCM kétcsigás folyamatos keverő működési elve [13.1]

Számítógép vezérlésű keverőüzem vázlata

13.11 ábra:Számítógép vezérlésű keverőüzem vázlata [13.3] 1) rendszervezérlő számítógép (PKS=Prozess Kontrol System), 2) képernyő és adatbeviteli egység, 3) és 4) adat – és műveletkiíró printerek, 5) nagy hatékonyságú belső keverő vezérlőpultja, 6) tárolótartályok (silók), 7) kaucsuk, korom, lágyító és egyéb adalékok bemérése, 8) bemérés-vezérlő, 9) nagy hatékonyságú belső keverő, 10) lemezhúzó (Roller-die) extruder, 11) hűtő, lehúzó, daraboló és rakodó berendezések

13.2.2 Kalanderezés

Kalanderezéssel gumilemezeket és gumival bevont textiltermékeket állítanak elő. A gumiipari kalanderezés berendezései és műveletei hasonlítanak a hőre lágyuló polimerek kalanderezésénél megismertekhez (ld. 7.fejezet), azonban néhány különbségre fel kell hívni a figyelmet. Az egyik legfontosabb különbség, hogy a gumitermékeket lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten kell feldolgozni a „beégés” (idő előtti térhálósodás) veszélye miatt. Alacsony hőmérsékleten a polimerek viszkozitása nagyobb, ezért a gumiipari kalandereknél még nagyobb erőhatásokra lehet számítani, mint a hőre lágyuló polimerek feldolgozásánál, ami megfelelően masszív gépkialakítást igényel.

A kalanderek „melegetetésű” berendezések, ezért a keverő és a kalander között egy, nagyteljesítményű kalandereknél kettő, vagy három hengerszéket helyeznek el. A kalander egyenletesebben etethető két vagy három keskenyebb és vékonyabb, mint egyetlen széles és vastag keverékcsíkkal.

Hengerszékeken kívül extrudereket is alkalmaznak a kalanderek etetésére. Az extruderes etetés előnye, hogy jobban automatizálható, szabályozható, és kisebb a munkaerő-szükséglete. A hengerszékről vagy extruderről szállítószalag viszi a gumicsíkot a kalanderhez. Külön berendezéssel gondoskodnak arról, hogy a kalander rés teljes hosszában egyenletes legyen a betáplált anyag mennyisége.

13.2.2.1 Lemezhúzás

Lemezhúzásra 3 vagy 4 hengeres kalandereket használnak a gumiiparban. A kalanderhengerekről lekerülő lemezt hűtik, és a menetek összetapadásának megakadályozása céljából polietilén fóliával vagy textil kísérőszövettel együtt tekercselik fel, illetve „porolják” (cink-sztearát port szórnak rá). A kalanderezett lemezek vastagsága 0.1–2 mm közötti lehet, vastagabb lemezeket nem lehet pórusmentesen előállítani. A 13.12 ábrán három hengeres lemezhúzó kalandersor látható.

Három hengeres lemezhúzó kalander

13.12 ábra:Három hengeres lemezhúzó kalander [13.1] 1) I-kalander, 2) hűtődobok, 3) feltekerceslés, 4) kísérőszövet (fólia)

A kalander hőmérséklete és a hengerek sebességaránya (a frikció) az a két paraméter, amelyet az operátor változtatni tud. A gumikeverékek nem mindig követik a polimereknél megismert kalanderezési törvényszerűségeket, pl. nem mennek át a melegebb hengerre. Az ilyen, ún. hidegen tapadó keverékek kalanderezésénél a frikciót lehet megnövelni, vagy csökkenő hőprogramot kell alkalmazni.

Jó minőségű, hólyagmentes, 2 mm-nél vastagabb lemezeket dublírozással, kettőzéssel állítanak elő. Dublírozásnál a korábban előállított és feltekercselt lemezt az újonnan kalanderezett lemezzel összepréselik, „összevasalják”, 13.13 ábra.

Dublírozás

13.13 ábra:Dublírozás [13.1] 1) korábban készült lemez, 2) kalander a 3) dublírhengerrel, 4) hűtődobok, 5) és 6) feltekercselés kísérőszövettel

13.2.2.2 Szövetfelpréselés

A szövettel erősített gumitermékek igen elterjedtek, pl. a gumiabroncs¬gyártásban, hevederek előállításánál. A szövet egyik, vagy mindkét oldalára préselhetnek fel gumiréteget. Kétoldalas felpréselés 3 hengeres kalanderrel csak két lépésben oldható meg, 4 hengeressel egy lépésben is, 13.14 ábra.

Szövetfelpréselés 3 és 4 hengeres kalanderen

13.14 ábra:Szövetfelpréselés 3 és 4 hengeres kalanderen [13.1]

Szövetfelpréselő kalandersor vázlatos elrendezése látható a 13.15 ábrán. A kalander előtt a szövetleeresztő és a végtelenítő prés található. A kalander folyamatos működéséhez a kifutó szövet-véget a következő tekercs kezdetével össze kell kapcsolni, ezt a célt szolgálja a végtelenítő prés. A végtelenítés műveleti ideje alatt a szövet folyamatos kalanderbe jutásáról a kompenzátor gondoskodik. A szövet előmelegítés után, kellő mértékben előfeszítve jut el a kalanderre, ahol gumiréteggel vonják be. A gumírozott szövetet hűtik és feltekercselik.

Kétoldalas szövetfelpréselő kalandersor

13.15 ábra:Kétoldalas szövetfelpréselő kalandersor [13.1] 1) szövetleeresztő, 2) végtelenítő prés, 3), 9) szövettovábbító, 4) kompenzátor, 5) szövet előmelegítő dobok, 6) feszítésszabályozás, 7) Z-kalander 8) hűtődobok, 10) feltekercselés, 11) etetőheveder, 12) nyomóhenger

A gépjárműabroncs gyártásnál (acél radiál abroncsok) szükséges acélkordra is gumiréteget kell felvinni. A lényeges különbség a szövet és az acélkord között, hogy a szövetnél vetülékszálak tartják egyben az anyagot, míg az acélkordnál egyenként megvezetett szálakat vezetnek a kalander hengerei közé. A felpréselés után a gumiréteg tartja egyben az acélkordszálakat. A 13.16 ábrán négyhengeres kalanderrel kivitelezett acélkordfelpréselő sor vázlata látható.

Acélkord felpréselő sor

13.16 ábra:Acélkord felpréselő sor [13.1] 1) orsóállvány, 2) feszítőgörgők, 3) végtelenítőprés, 4) szálvezető henger, 5) kalander, 6) vastagságmérő, 7) feszítésmérő, 8) hűtődobok, 9), 11) továbbítómű, 10) kompenzátor, 12) húzó és megfogó egység, 13) vágó berendezés, 14) feltekercselő (kísérő szövet leeresztővel), 15) etetőszalag

13.2.3 Gumitermékek extrudálása

Extrudálással egyrészt lemezeket, csöveket és egyéb profilokat állítanak elő; másrészt kábelek, tömlők bevonására is ezt az eljárást használják. A gumiipari extruderek konstrukciója több ponton is eltér a polimerfeldolgozásnál használatos extruderekétől. Az eltérések fő oka, hogy a gumi nem olvad meg, csak meglágyul, és a gumikeveréket lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten lehet csak feldolgozni a beégés veszélye miatt.

A gumi meglágyításához szükséges hőenergia túlnyomó részét az extruder csigája szolgáltatja, a viszkózus anyagban hővé alakuló mechanikai munka révén (ld. adiabatikus üzemmód, 8.17 ábra, 208. old.). Az extruder hengerét a gumiiparban legtöbbször elégséges forró vízzel fűteni.

A gumiipari extrudereket gumicsíkokkal etetik (eltérően a műanyagipari extruderektől, ahol az extruder etetése granulátummal, vagy ritkábban porral történik). Melegetetésnél hengerszéken előállított gumicsíkot, hidegetetésnél szobahőmérsékletű, puhítatlan, csíkokra vágott keveréket használnak az extruder etetésére. A két megoldáshoz eltérő konstrukciójú extruderek tartoznak.

A gumiipari extrudercsiga geometriai kialakítása is eltér a polimer¬feldolgozásnál használttól. A csiga kompresszióviszonya 1:1,1 és 1:1,4 közötti, ami jóval kisebb a műanyagiparban elterjedt 1:4 kompresszióviszonynál (az extrudercsiga geometriáját ld. a 8. fejezetben). A gumiipari extrudercsiga L/D viszonya is kisebb (főleg a melegetetésű extrudereknél), a csigák „zömökebbek” a műanyagfeldolgozásban használatos társaiknál. Melegetetésű extrudereknél az L/D arány 3:1 és 6:1 közötti érték, hidegetetésű extrudereknél elérheti a 20:1 arányt is.

A melegetetésű extruderek csigái többnyire kétbekezdésűek, ezzel elkerülhető az egy bekezdésű, nagy menetmélységű csigáknál gyakran fellépő lüktető anyagáram. A hidegetetésű extrudereknél használják a korábban bemutatott Transfermix (13.9 ábra) csigakonstrukciót, de a legelterjedtebb a Maillefer csiga (ld. 8. fejezet). A Maillefer konstrukció előnyei:

  • alacsony hőmérsékleten is nagy a szállítóteljesítménye,

  • alacsony és magas fordulatszámon is jó a diszpergáló (keverő) képessége,

  • nem érzékeny a keverékminőség váltásra,

  • öntisztuló.

Az utóbbi néhány évtizedben a hideg- és melegetetésű extruderek versengésében többször megfordult a trend; napjainkban úgy tűnik, a különleges konstrukciójú hidegetetésű extruderek iránt nő leginkább az érdeklődés, még a korábban a melegetetésű változatot preferáló gumiabroncs-gyártás területén is. Ennek egyik legjelentősebb képviselője a QSM-extruder, 13.17 és 13.18 ábrák.

A QSM a német Querstrom-Mischer = keresztáramú keverő rövidítése, a csigacsatornában kialakuló áramlási viszonyokra utal. A QSM (vagy Stift) extruder hengerében a csigamenetek közé tüskék nyúlnak, amelyek megtörik az áramlást, ezzel igen jó diszperziót, keveredést hoznak létre, és a hőmérsékletkülönbségek kiegyenlítődését is elősegítik (diszperzív és disztributív keverés).

QSM-extruder csiga és henger kialakítása

13.17 ábra:QSM-extruder csiga és henger kialakítása [13.1]

Gumiabroncs gyártásnál használt QSM extruder

13.18 ábra:Gumiabroncs gyártásnál használt QSM extruder [13.3]

A polimerfeldolgozásnál is találkoztunk vákuumozható csigákkal. A gumifeldolgozásnál a vákuum extrudereknek nagy jelentőségük van a folyamatos, nyomás nélküli vulkanizálás miatt. A folyamatos vulkanizálás termelékeny módszer, de a keverékben mindig jelen levő levegő és nedvesség pórusossá teheti a gumiterméket. A gumikeverékekből, azok nagyobb viszkozitása miatt, nehezebb eltávolítani a gáznemű anyagokat, mint a polimerekből. Tökéletes gáz eltávolítás csak akkor érhető el, ha a csiga vákuumzónájában az anyag folyamatosan leválik a csigáról, így állandóan új és új felület képződik a gumikeverékből. Ez a folyamatosan megújuló felület csak egy szűk hőmérsékleti sávban tartható fenn, ezért az ilyen extrudereknél a szokásosnál jóval pontosabban kell tudni szabályozni a henger és a csiga hőmérsékletét, különösen a vákuum-zónában.

A gumiextrudálás szerszámai hasonlóak a polimerfeldolgozásnál használatosakhoz, bár van néhány különleges kialakítású, csak itt elterjedt konstrukció is, pl. a kéthengeres kalanderrel egybeépített Roller-Head berendezés, 13.19 ábra. A szerszámot általában nem szükséges fűteni (kivéve az indulást, amikor gázlánggal előmelegítik).

Roller-Head extruder

13.19 ábra:Roller-Head extruder [13.1] 1) hidegetetésű extruder, 2) kéthengeres kalander, 3) kalander hajtás

13.2.4 Oldás, itatás, kenés

13.2.4.1 Oldás

A kaucsukok oldása, és az oldat szövetitatásra, szövetkenésre, illetve mártott termékek készítésére való felhasználása az iparilag alkalmazott első műveletek közé tartozik. Oldásra először terpentint, napjainkban pedig benzint használnak. A benzol jobban oldja a kaucsukot, de erősen mérgező hatása miatt csak ott alkalmazzák, ahol feltétlenül szükséges, mert valamelyik komponens nem oldódik benzinben. Klórozott szénhidrogének is jól oldják a természetes és mesterséges kaucsukokat, de ezek is mérgezőek. Akkor használják őket, ha az oldat nem lehet éghető. Benzinben nem oldódó szintetikus kaucsukok oldására gyakran használnak ketonokat, észtereket, valamint alkoholokat.

Napjainkban a gyárak egészségügyi és környezetvédelmi okok miatt igyekeznek a szerves oldószerek használatát minimálisra csökkenteni. Helyettük vizes diszperziókat, latexeket használnak.

A feldolgozhatóság szempontjából fontos a kaucsuk molekulatömegének helyes beállítása. Kis molekulatömegű kaucsuk oldata hígfolyós, nagy molekulatömegűé túlzottan viszkózus, kevéssé duzzadt részecskéket is tartalmazhat.

A kaucsukkeverékek oldását forgólapátos, vagy Z-karú oldógépekben végzik, 13.20 ábra. A keveréket előtte hengerszéken kb. 3 mm vastag lemezzé kihúzzák, és a lemezdarabokat melegen helyezik az oldógépbe. A meleg keverék gyorsabban, és kevesebb erőfelvétellel oldódik. Az oldógépbe először csak az oldószer 1/5-ét, 1/3-át teszik bele, hogy kezdetben intenzív gyúrást lehessen megvalósítani. A keverést addig kell folytatni, míg az anyag homogén, csomómentes nem lesz. Az oldószer többi részét ezután kis adagokban keverik hozzá ehhez a masszához.

Z-karú oldógép

13.20 ábra:Z-karú oldógép [13.3]

Az oldat koncentrációját a felhasználás határozza meg, általában 10–40 % közötti értékeket szokásos előállítani. Felhasználás előtt a kész oldatot lezárt edényben pihentetik, vagy vákuum alá helyezik, hogy a belekevert levegő eltávozhasson (buborékmentes legyen).

13.2.4.2 Itatás

Az itatást (impregnálás) ma a gumi-textil tapadás javítására használják. Korábban ezzel a technológiával indult a természetes kaucsuk ipari felhasználása (esőkabátot gyártottak így). Impregnálással csak nagyon kis mennyiségű gumi vihető fel, a textil tömegének maximum 15 %-a, ezért az itatást legtöbbször kalanderezés, ritkábban kenés követi.

Itatásnál a szövetet belemerítik az általában kis viszkozitású gumioldatba. Azért használnak híg, kis viszkozitású oldatot, mert az be tud hatolni a textil elemi szálai közé is. A behatolt gumi összeragasztja, merevíti az elemi szálakat. Nagy moduluszú textíliáknál ez a merevítő hatás gátolhatja a feldolgozhatóságot, ezért ilyenkor csökkentik az itatás mélységét. Ezt a szövet megfeszítésével, vagy vízzel történő előitatással tudják elérni. Teljes átitatást használnak az egymást koptató szálakból álló szöveteknél, mint pl. az üvegszövet, illetve ha jó gáz- vagy folyadékzárás a cél.

A kordszövetek impregnálása ma főleg vizes diszperziókkal történik. A korszerű itató-berendezéseknek alkalmasnak kell lenniük a különféle textíliák impregnálására. A pamutszövet például alig igényel feszítést itatás és szárítás közben, a viszkózselyem azonban igen. A poliamid, aramid és poliészter szálakat magas hőmérsékleten nyújtani és hőrögzíteni kell.

Az univerzális impregnáló berendezéseket két káddal és két, többzónás hőkezelőegységgel készítik, így a megfelelő műveleti sorrend kialakítható, és gyakorlatilag minden textilféleség itatására alkalmasak, 13.21 ábra.

Z-karú oldógép

13.21 ábra:Univerzális itató és hőrögzítő berendezés [13.1] 1) végtelenítőprés, 2) szövettároló, 3) feszítőberendezés, 4) itatókád, 5) ötzónás szárító és hőkezelő egység, 6) továbbító és feltekercselő hengerek (triocanter)

Az impregnáló berendezések nagy helyigényű gépek, hosszúságuk elérheti a 70, magasságuk a 20 métert. Az impregnálás sebessége 30–60 m/perc, de léteznek 120 m/perc sebességű típusok is. Ezeket a nagy kapacitású gépeket számos mellék-üzemrész szolgálja ki: latexdiszperziót előállító üzem, fűtőanyagállomás, szövettekercs szállító és emelő gépek, stb.

13.2.4.3 Kenés

A szövetek egy-, vagy kétoldalú gumizását a kalanderezésen kívül kenéssel lehet megoldani. A kenésnél alkalmazott gumioldatok, illetve vizes diszperziók koncentrációja és viszkozitása nagyobb, mint az impregnálásnál használt, ezért több anyagot lehet felvinni. Kenést korábban azért használtak, mert kalanderezéssel nem tudtak kellően vékony gumiréteget felvinni a szövetre. A kalanderek fejlődésével egyre vékonyabb gumiréteget lehet felvinni, így ma kenést csak speciális, nagyon vékony, vagy kényes gumizásnál alkalmaznak.

A kenőgépek oldatfelhordó, oldószer elpárologtató, gumizandó szövet, illetve kísérőfólia le és feltekercselő részegységekből épülnek fel, 13.22 ábra. A szövet feszítéséről itt is gondoskodni kell. Oldatfelhordásra gyakran használják az ábrán is bemutatott kenőkéses megoldást. A kenőkés és a szövet távolsága állítható, a kenőkés élét az egyenletes rétegvastagság elérése céljából a hengerrel összecsiszolják.

Vízszintes kenőgép

13.22 ábra:Vízszintes kenőgép [13.1] 1) letekercselő, 2) feltekercselő, 3) kísérőfólia vagy szövet, 4) alátámasztó henger, 5) kenőkés, 6) határolópofa, 7) fűtött asztal, 8) hajtódob

A kenőgépek fontos tartozéka a statikus elektromosságot elvezető berendezés. A gumizott szövetek tekercselésénél dörzs (súrlódási) elektrosztatikus feltöltődés alakul ki. A sztatikus töltés szikrázást, így tűz és robbanásveszélyt jelent. A töltés elvezetésére rézdrótot, illetve rézdrótból készült keféket alkalmaznak. Csökkenti a feltöltődést a levegő nedvesítése is. Újabban β-sugárzó levegőionizátorokat is használnak.

Kenés előtt a szövetet előkészítik: a lazán feltekercselt, vagy hajtogatott végben beérkező szövetet áttekercselik, a szövethibákat bejelölik, a nedves szövetet szárítják. A szövet egyenletes feszítése fontos szempont, mert a kenőgépen az egyenetlenül feszített szövet hasasodhat, gyűrődhet. A szövet nem tartalmazhat gumimérgeket (Cu, Mn, Fe), mert ezek az ionok a gumi gyors öregedését okozzák.

A kenőgép sebességét és a kés magasságát (vagyis a rétegvastagságot) úgy állítják be, hogy a felhordott gumiréteg a szárítóasztal végéig megszáradjon. Ha a száradás jóval a szárítóasztal vége előtt következik be, a sebesség vagy a rétegvastagság növelhető. Vastagabb gumiréteget adott gép esetén többszöri kenéssel lehet kialakítani.

Mindkét oldalán kent szövetet az összeragadás megakadályozása miatt kísérőszövettel (futószövet), vagy fóliával együtt kell feltekercselni. A futószövet sűrű szövésű, többnyire beragadásgátló anyaggal is átitatott szövet.

Az elpárologtatott oldószert a gazdaságosság és a környezetvédelem miatt visszanyerik. A szárítóasztal feletti zárt elpárologtatótérből az oldószergőzöket levegőárammal viszik az adszorpciós berendezésbe, ahol aktív szén vagy szilikagél szemcsék kötik meg a szerves oldószer gőzét. A nagy fajlagos felületű adszorbens anyagok (600–1200 g/m2) kis oldószerkoncentrációk (2–3 g/m3) esetén is működnek, így a levegőben a szerves oldószer koncentrációja a robbanási határkoncentráció alatt tartható. Az adszorberek szakaszosan működnek. Amikor az egyik berendezés telítődött, átkapcsolnak egy másikra. A telítődött adszorbenst regenerálják: általában vízgőzzel ellenáramban kihajtják belőle a szerves oldószert, majd a gőz-oldószer elegyet kondenzáltatják, és a kicsapott folyadékot tartályban gyűjtik össze, ahol a víz elválik a szerves oldószertől. Vízben oldódó szerves oldószerek (alkoholok, ketonok, észterek) esetén az oldószer visszanyerésére még egy desztillációs lépés is szükséges. A regenerált adszorbenst meleg levegővel kiszárítják; ezután a berendezés ismét átkapcsolható telítésre.

13.2.5 Vulkanizálás

Vulkanizálás során a gumit alkotó makromolekulákat keresztkötések segítségével térhálós szerkezetűvé alakítjuk. A keresztkötéseket a vulkanizálószerek hozzák létre. A természetes– és a kettőskötéseket tartalmazó mesterséges– kaucsukok vulkanizálására leggyakrabban ként (S), illetve kéntartalmú vulkanizáló szereket alkalmaznak. Kettőskötéseket nem tartalmazó mesterséges kaucsukokat kénnel nem lehet vulkanizálni. Az ilyen anyagok térhálósítására peroxidokat, vagy egyéb speciális térhálósító szereket alkalmaznak (pl. szilikonkaucsukok vulkanizálása szilikongumivá). A 13.23 ábrán a kaucsuk, a ritka térhálós elasztomerek és a sűrű térhálós (duromer) keménygumi szerkezetének vázlata, a 13.24 ábrán pedig a kénes vulkanizálásnál kialakuló keresztkötés típusok láthatók.

A vulkanizáció, a térhálósítás teszi a gumit a technika számára különlegesen fontos polimer szerkezeti anyaggá. Itt kell megemlítenünk a korom, mint aktív társítóanyag szerepét. Rendkívül nagy fajlagos felületével, kémiailag is kötődő karakterével, stabilizáló hatásával a korom a modern gumiipar legfontosabb adalékanyagává vált.

Kaucsuk (térhálósítatlan gumi) és vulkanizált, térhálósított gumi szerkezete

13.23 ábra:Kaucsuk (térhálósítatlan gumi) és vulkanizált, térhálósított gumi szerkezete [13.3]

Keresztkötések a gumiban

13.24 ábra:Keresztkötések a gumiban 1) monoszulfid, 2) diszulfid, 3) poliszulfid (X≥3), 4) vicinális szerkezet, 5) szén-szén kötés, 6) gyűrűs kén-szerkezet, 7) kén lánc, 8) tiol csoport, 9) gyorsító vegyület maradványa [13.3]

A gumitermékek készítésénél a vulkanizálás az utolsó technológiai lépés. Ez adja meg a gyártmány végső alakját, és határozza meg annak fizikai-mechanikai tulajdonságait. A vulkanizálást úgy kell beállítani, hogy a lehető legrövidebb idő alatt a termék igénybevételének megfelelő térhálós szerkezet alakuljon ki. A vulkanizáció foka (térhálóssági fok, térhálósűrűség) függ az alkalmazott vulkanizálószer mennyiségétől, típusától (aktivitásától) és a vulkanizálási időtől. A töltőanyagnak vagy a lágyítónak ugyancsak nagy hatása (esetenként a térhálósűrűségnél is nagyobb) van a gumitermék végső tulajdonságaira.

A vulkanizálási reakció minden részletében még ma sem teljesen tisztázott, bonyolult ionos és gyökös mechanizmusú reakciók sorozata. A kaucsuk keverék térhálósodása a vulkanizálási görbével jellemezhető, 13.25 ábra. Méréstechnikai és gyakorlati szempontból is előnyösebb a relatív térhálósodási fok használata, mint az abszolút térhálósűrűség ismerete. Ez a jelzőszám minden gumikeveréknél 0 és 1 (vagy 0 % és 100 %) között változik. Sok esetben elegendő a teljes görbe helyett néhány jellemző pontjának megadása.

Vulkanizálási görbe

13.25 ábra:Vulkanizálási görbe: Nyírómodulusz – vulkanizálási idő összefüggés [13.1]

A vulkanizálási görbe jellegzetes szakaszai:

  • Indukciós szakasz (t0–t0,1): A keverék még jól alakítható, a térhálósodás kismértékű, még elhanyagolható.

  • Beégési pont, beégési idő (t0,1: Ez után az időpont után a keverék már nem formázható, nem veszi fel a szerszám alakját: a térhálósodás megindult.

  • Térhálósodási szakasz (t0,1–t0,9): Ez után az időpont után a keverék már nem formázható, nem veszi fel a szerszám alakját: a térhálósodás megindult.

  • Porozitási határnak nevezzük azt az időpontot, ahol a nyomást megszüntetve már nem képződik pórus. Értéke t0,2–t0,3.

  • Plató: A térhálósodás befejeződött, a fizikai-mechanikai tulajdonságok már csak nagyon kis mértékben változnak. A plató után a térhálósodási reakció helyett a lebomlási reakciók (degradáció) erősödnek fel.

  • Utótérhálósodás és reverzió: A plató után felerősödő mellékreakciók miatt a természetes kaucsukok lágyulnak (a gumit alkotó makromolekulák bomlása, reverziója miatt), míg egyes szintetikus kaucsuk típusok tovább keményednek, utótérhálósodnak.

A vulkanizálás folyamatát (az ún. bruttó kinetikát) a következő, n-ed rendű reakciósebességi egyenlettel lehet matematikailag közelíteni:

13.1. egyenlet -


ahol:

x: térhálósodás mértéke a t időpontban

a: térhálósodás maximális értéke

t0: indukciós periódus hossza

k: (bruttó) reakciósebességi állandó

n: reakció rendűsége

13.2.5.1 A vulkanizálást befolyásoló tényezők

A vulkanizálási folyamatot befolyásoló tényezőket két nagy csoportba sorolhatjuk:

  • kémiai tényezők: vulkanizálórendszer (vulkanizálószer, kéndonorok, gyorsítók, aktivátorok, késleltetők (retarderek), koágensek, promotorok),

  • fizikai tényezők: hőmérséklet, idő, nyomás, nedvesség.

A kémiai tényezők igen sokrétűek, részletes ismertetésük messze túlmutat e könyv keretein. Rövid áttekintésként annyit érdemes megemlíteni, hogy a kénes vulkanizálásnál (elemi) ként önmagában ma már nem alkalmaznak, mert lassú, nehezen kézbentartható, és magas hőmérsékletet igényel.

Az elemi kén mellett mindig megtalálható a különböző gyorsító vegyületek valamelyike, esetleg kombinációjuk. A gyorsítók kémiailag több mint tíz vegyületcsoportba sorolhatók, és mindegyik csoportban számos vegyület található. Csak néhány fontosabb csoportot megemlítve: merkapto vegyületek, tiurám vegyületek, ditiokarbamátok, aminok.

Az aktivátorok a gyorsítók működését segítik. Szervetlen és szerves vegyületek is lehetnek aktivátorok, a szervetlen típus legjelentősebb képviselője a cink-oxid (ZnO).

A térhálósodási reakció túl gyors beindulása (a rövid indukciós periódus) megnehezíti a gumikeverékek feldolgozását, ezért a receptúrákban gyakran megtalálhatók a retarderek. Ezek az anyagok késleltetik a térhálósodási reakció erőteljes beindulását. A legtöbb retarder két vegyületcsoportból kerül ki: aromás szekunder aminok nitrozó vegyületei, illetve szerves savak (benzoesav, szalicilsav, ftálsavanhidrid).

Koágenseket elsősorban telített szénláncú (szintetikus) kaucsukok peroxidos vulkanizálásnál alkalmaznak. Növelik a gyökkoncentrációt, elősegítik a vulkanizálószer bomlását. Szintén a kevés kettős kötést tartalmazó mesterséges elasztomerek vulkanizálásánál alkalmazzák a promotorokat. Az ilyen keverékeknél nem tud erős kötés kialakulni a töltőanyag (főleg korom) és a kaucsuk között. A promotorok (nitrozo vegyületek) a korom és kaucsuk közti kötések erősségét növelik. (Tulajdonképpen nem a térhálósodást elősegítő vegyületekről van szó, de a gumitermék mechanikai tulajdonságait igen erősen befolyásolja a jó tapadás a kaucsuk és a töltőanyag között.)

A fizikai tényezők közül a hőmérsékletemelés hatására, a kémiai reakcióknál ismert van’t Hoff szabály szerint, kb. 10 fokonként megduplázódik a reakció sebessége. Képletben kifejezve:

13.2. egyenlet -


ahol W a reakció sebessége, ΔT a hőmérsékletváltozás. A szabály szerint tehát 20 °C hőmérsékletemelkedés megnégyszerezi, 30 °C emelkedés megnyolcszorozza a reakció sebességét. Ez a szabály csak közelítőleg érvénye, a megfigyelések szerint a hőmérsékleti koefficiens nem pontosan kettő, hanem a keverék minőségétől függően 1,7–2,5 között változhat.

A térhálósodási reakció sebességének tágabb hőmérséklettartományban való leírására napjainkban egyre inkább terjed az Arrhenius egyenlet használata, amely a (13.1) egyenletben szereplő k (bruttó) reakciósebességi állandó hőmérsékletfüggését adja meg (ld. (2.24) kifejezés) :

13.3. egyenlet -


itt A a preexponenciális tényező (vagy más néven frekvencia faktor), E a reakció aktiválási energiája, R az egyetemes gázállandó és T az (abszolút) hőmérséklet.

A fenti megfontolások és összefüggések izoterm körülményekre érvényesek, vagyis olyan térhálósítási reakciókra, ahol a folyamat során a hőmérséklet állandó. A gumikeverék azonban különböző nagyságú és időtartamú hőhatásoknak van kitéve, amíg a nyerskeverékből a kész, vulkanizált termék elkészül. Ezek alatt a hőhatások alatt a gumi részlegesen vulkanizálódik. A hőhatások a technológiai folyamat során együttesen alakítják ki a termék végső térhálós szerkezetét. Ezen idő–hőmérséklet hatások összességét hőtörténetnek nevezik. A gyakorlatban a beégési pontig (13.23 ábra) fellépő idő-hőmérséklet hatások jelentősek; ezek adják meg a keverék feldolgozhatósági biztonságát. A végtermék tulajdonságait a teljes hőtörténet befolyásolja. Ez az előzőeken kívül magában foglalja a felmelegítési, a vulkanizálási és a lehűlési hőtörténetet is.

A vulkanizálási folyamatot a hőtörténeten (idő és hőmérséklet együttes hatása) kívül a nyomás is befolyásolja. A reakció sebességét néhányszor tíz MPa nyomásváltozásig ugyan nyomásfüggetlennek tekinthetjük, a keverékben jelenlévő levegő, illó anyagok, és főleg a nedvesség azonban a vulkanizált terméket nyomás alkalmazása nélkül pórusossá tehetik. Egyszerű számolással belátható, hogy 100 g, 1 % nedvességtartalmú keverékben a vulkanizálás hőmérsékletén 1,5 dm3 porozitás (vízgőz) képződik. A pórusképződés megszüntethető, ha a külső nyomást a vízgőz adott hőmérsékleten mérhető tenziója fölé emeljük.

A porozitási veszély ellenére egy sor technológiánál nyomás nélküli vulkanizálást szükséges alkalmazni. Ekkor a gőzök és gázok lekötésére különleges adalékanyagokat használnak, pl. égetett meszet (CaO), ólomoxidot (PbO), illetve lehetővé teszik a gázok és gőzök eltávozását a keverékből (vákuumextruder).

13.2.5.2 A vulkanizálás hatása a gumi tulajdonságaira

A vulkanizálás a kaucsuk térhálósítását jelenti, a térhálót alkotó kötések mennyisége és minősége jelentősen befolyásolja a keletkező gumi fizikai-mechanikai és egyéb tulajdonságait. Amíg a keresztkötések nem kötik össze a kaucsuk makromolekuláit, az anyagban deformáció hatására ébredő feszültség alacsony, és nullához tart. A vulkanizált gumiban ébredő feszültség a keresztkötések számával növekszik. A térhálósűrűség és a feszültség között a következő összefüggés írható fel:

13.4. egyenlet -


itt ρ a gumi sűrűsége, R az egyetemes gázállandó, T az abszolút hőmérséklet, A0 minta deformáció előtti keresztmetszete, ε a deformáció (nyújtás), Mc pedig két térhálópont közötti molekulalánc átlagos molekulatömege, amelynek reciproka a térhálósűrűségnek felel meg. Minél sűrűbb a térháló, annál rövidebbek a két térhálópont közötti molekulaszakaszok, annál kisebb az átlagos molekulatömegük. A fenti képlet segítségével a térhálósűrűség a mérhető feszültség-nyúlás összefüggésből meghatározható, mégpedig a kaucsuk molekula kémiai összetétele és a térhálótípus (13.24 ábra) ismerete nélkül.

A gumi keménysége a feszültséghez hasonlóan függ a térhálósűrűségtől. A gumi húzószilárdsága már nem követi ezt az összefüggést, egy optimális értékig növekszik, majd tovább növekvő térhálósűrűség hatására csökkenni kezd (ún. túltérhálósítás, „overcuring”).

A gumi szakadási nyúlása növekvő térhálósűrűséggel csökken, magas térhálósűrűségnél (ebonit) egészen alacsony értéket mutat.

A hasadási ellenállása kissé alulvulkanizált állapotban maximális. Túlvulkanizált gumiknál a hasadási ellenállás rohamosan csökken.

A gumirugalmasság (entrópia rugalmasság) a szegmensmozgások (mikro-Brown mozgás, ld. [13.7] 15. fejezete) következménye. A rugalmasság a térhálósűrűség növekedésével egy maximális értékig nő (több keresztkötés = nagyobb visszatérítő erő), majd ismét csökken, ugyanis nagy térhálósűrűségnél az anyag merevebbé válik, mert a szegmensmozgások erősen lecsökkennek. A túlvulkanizált gumiban (pl. keménygumi, ebonit) az energiarugalmas deformáció válik dominánssá. A rugalmassági moduluszt a következő összefüggéssel lehet leírni:

13.5. egyenlet -


itt a jelölések megegyeznek a 13.4 egyenlet jelöléseivel, ε1, ε2, ε3 a három koordináta irányában mért deformációt jelenti.

A rugalmas visszaalakulás sosem éri el a 100 %-ot (ellenkező esetben létrejönne az elsőfajú örökmozgó). A molekulák súrlódása miatt mindig lesz energiaveszteség, vagyis a deformációs energia egy része hővé alakul. A nagyrugalmas elasztomerekben az energiaveszteség kicsi, és ciklikus terhelésüknél csak kevés hő képződik.

A gumik alacsony hőmérsékleten mutatott viselkedését (rugalmasságát, hajlékonyságát) az üvegesedési hőmérsékletük (Tg) határozza meg. Az üvegesedési hőmérsékletnél megszűnik a szegmensmozgás, tehát az entrópia– vagy gumirugalmas viselkedés is. Az elasztomerek tehát legfeljebb a Tg-jükig viselkednek gumiszerűen. A rugalmassági moduluszhoz hasonlóan a Tg is a térhálósűrűség függvényében optimumot (itt az optimum minimumot jelent!) mutató tulajdonság.

A duzzadás nagyon érzékeny a gumi és az oldószer kémiai összetételére, és csak kisebb mértékben a gumi térhálósűrűségére. Duzzadáson itt azt a jelenséget értjük, amikor egy térhálós polimert jó oldószerébe helyezünk. (ld. [13.7] 6. fejezete). A nem térhálós polimer ilyenkor oldatba megy, a térhálós azonban nem, csak több-kevesebb oldószert vesz fel, és megduzzad. Minél több keresztkötés van a térhálós polimerben, annál kisebb a megfigyelhető duzzadása. A térhálósűrűség és az egyensúlyi duzzadás között a Flory-Rehner egyenlet teremt kapcsolatot [13.3]:

13.6. egyenlet -


itt V2 a duzzadt térhálóban levő gumi térfogathányada, V1 az oldószer moltérfogata, V2 a polimer fajtérfogata, γ a Huggins oldhatósági paraméter, M a polimer molekulatömege térhálósítás előtt, és Mc a két térhálópont közötti molekulaszakasz móltömege.

A gázáteresztőképesség is csak kis mértékben függ a térhálósűrűségtől, és sokkal erősebben a kaucsuk kémiai összetételétől, valamint a töltőanyag mennyiségétől és minőségétől. Növekvő térhálósűrűség hatására (a kialakuló kölcsönhatások miatt) kismértékben csökken a gázok diffúziója.

13.2.5.3 Vulkanizálási eljárások és berendezések

A vulkanizálási eljárásokat különféle szempontok szerint lehet csoportosítani:

Az alkalmazott nyomás alapján

  • nyomás nélküli

  • nyomás alatti

Az alkalmazott hőmérséklet alapján

  • hideg vulkanizálás szobahőmérsékleten

  • meleg vulkanizálás magas hőmérsékleten

A fűtés módja szerint

  • közvetlen (direkt)

  • közvetett (indirekt)

A fűtőközeg szerint

  • gőz

  • gáz (levegő, nitrogén)

  • folyadék (víz, sóolvadék, glicerin, olvadt fém, stb)

  • fluid ágyas

  • sugárzásos (infravörös, mikrohullámú nagyfrekvenciás elektromágneses)

A folyamat megvalósítása szerint

  • szakaszos

  • folyamatos

Meleg eljárásnál a kívánt reakciósebességet a megfelelő hőmérséklet biztosítja (13.2, 13.3 egyenletek). A meleg eljárások fűtőközegei gáz, gőz és folyadék halmazállapotúak. A gázokat csak direkt fűtésre használják, legelterjedtebb a nyomás nélküli vagy túlnyomásos meleg levegő. Gőzt (általában telített vízgőzt) direkt és indirekt fűtésre is alkalmaznak. A folyékony hőhordozók közül legelterjedtebb a víz, amely direkt és indirekt fűtésre egyaránt alkalmas. Sóolvadékot és fluidágyat csak direkt fűtésre használnak.

Szakaszos eljárások

A szakaszos vulkanizálásnál vulkanizáló kazánokat (autokláv), vulkanizáló kazánpréseket (autokláv + hidraulikus prés) és vulkanizáló préseket használnak.

Nyomás alatti vulkanizáláshoz használatos vulkanizáló kazán vázlatos elrendezése látható a 13.26 ábrán. Ezek a kazánok nyomásálló hengeres tartályok, az anyagmozgatás céljából többnyire síneket tartalmaznak. Gőzfűtésen kívül gáz (meleg levegő) is alkalmazható fűtőközegként (nyomás alatti vagy nyomás nélküli változat is lehetséges).

Vulkanizáló kazán

13.26 ábra:Vulkanizáló kazán [13.1] 1) gőz bevezetés, 2) gőz kivezetés, 3), kondenzedény, 4), manométer, 5) hőmérő, 6) biztosítószelep, 7) zárófedél

A kazánok egyik, vagy mindkét oldalon nyithatók. A kazánok felfűtése a vulkanizált terméktől függően történik. Vékonyfalú termékeknél gyorsabban, vastagfalúaknál lassabban fűtik fel a kazánt. A meleglevegős vulkanizálás hátránya, hogy a térhálósodási reakciókkal párhuzamosan, velük szinte vetekedve, oxidációs (öregedési, degradációs) reakciók is futnak. Gőzfűtésnél ezek az oxidációs folyamatok az oxigénhiány miatt háttérbe szorulnak, sokkal kisebb értékűek. A gőzfűtés előnye még a meleg levegővel szemben a sokkal jobb hőátadási tényező is.

Kazánt alkalmaznak kábelek, tömlők, cipőtalpak, gumicsizmák, tornacipők vulkanizálására. Tartálybevonatokat is lehet ezzel a módszerrel készíteni, ha a tartály befér a vulkanizálókazánba.

A kazánprések a kazánok és a prések előnyös tulajdonságait egyesítik. A 13.27 ábrán gépjárműabroncsok vulkanizálására szolgáló kazánprés látható. Itt a kazán alsó részéhez csatlakozik a hidraulikus prés dugattyúja. Hátrányuk a nehézkes töltés és ürítés.

Fűtőközegként telített vízgőzt használnak, ami jó hőátadást biztosít. Gumiabroncson kívül nagyméretű formacikkeket vulkanizálnak ezzel a módszerrel.

Vulkanizáló préskazán

13.27 ábra:Vulkanizáló préskazán [13.1] 1) présasztal, 2) présforma, 3) fűtőtömlő, 4) abroncs, 5) belső fűtés vezetéke, 6) gőzbevezetés

Formacikkek, abroncsok, hevederek vulkanizálására legelterjedtebb megoldás a vulkanizálóprések használata. Itt a termék alakját a formaüreg alakítja ki, a préslapok a nyomást közvetlenül a termékre gyakorolják. A prés formaüregébe helyezett keverék a forma zárása során megfolyik, és kitölti a szerszám üregét. A keverék összetételét úgy kell kialakítani, hogy az anyag szétfolyása alatt a vulkanizálás még ne induljon be (késleltetett vulkanizálórendszer). A prés fűtése történhet gőzzel (korábban ez volt a legáltalánosabb), vagy elektromos árammal.

Egyes, hosszú vulkanizációs idejű keverékeket két lépésben vulkanizálnak, a préskapacitás jobb kihasználása miatt. Először a vulkanizálóprésben kialakul a termék alakja, és a vulkanizálást addig folytatják, míg a térhálósodás meghaladja a porozitási határt. Ezután a termék vulkanizálását forró levegővel, vagy gőzzel tovább folytatják.

Folyamatos eljárások

Folyamatos vulkanizálást főleg extrudált termékeknél alkalmaznak, mint pl. kábelek, profilszalagok, hevederek, lemezek, tömlők, csövek, illetve kalanderezett szöveteknél. Előnye a „végtelen” hosszúság és a túlvulkanizálás kiküszöbölése. Folyamatos vulkanizálást nyomás nélkül és nyomás alatt is végezhetnek, 13.1 táblázat.

13.1. táblázat - Folyamatos vulkanizálási eljárások [13.1]

Nyomás nélkül:Nyomás alatt:
folyadékfürdőfolyadékfürdő
forró levegőlevegő, N2 gáz, gőz
UHF + forró levegődobvulkanizáló
infravörös sugárzás 
β, γ sugárzás 
fluidágy 

Nyomás nélküli eljárások

A folyadékfürdős eljárást (LCM= Liquid Curing Method) főleg profilszalagok vulkanizálására használják. Az extruder szerszámot elhagyó terméket forró folyadékot tartalmazó kádon vezetik keresztül, ahol az térhálósodik. A kádban magas forráspontú folyadékokat, alacsony olvadáspontú fémet vagy sóolvadékot használnak.

A forró levegős eljárásnál a terméket hosszú alagúton keresztül vezetik, amelynek mérete a 100 m-t is meghaladhatja. A berendezésben a levegőt cirkuláltatják. Hátránya a korábban említett okok miatt a levegő jelenléte.

Nagyfrekvenciás előmelegítés (UHF=Ultra High Frequency) után a forró levegős rész hossza 20 m körüli lehet. Az UHF előmelegítést kombinálhatják infravörös sugárzásos fűtéssel is. A különböző országokban az UHF frekvenciájára különböző tartományokat engedélyeztek.

A fluidágyas vulkanizálás elve hasonló a folyadékfürdős megoldáshoz, csak itt folyadék helyett lebegő szilárd anyag a hőközlő közeg.

Az ionizáló (β, γ) sugárzás más mechanizmussal térhálósít, mint az eddig megismert kenes vulkanizálási módszerek. Ionizáló sugárzással telített polimerláncoknál is kialakíthatók keresztkötések (pl. térhálós polietilén).

Nyomás alatti eljárások

A nyomás alatti folyamatos vulkanizálásnál a legnagyobb probléma a termék be- és kilépésénél a tömítettség megoldása. Extrudálás után csak a kilépést kell megoldani, mert a belépési tömítést az extruder nyomása biztosítja. A nyomás alatti vulkanizálás gépészeti megoldásai különböző hosszúságú csövek, amelyek elrendezése lehet vízszintes vagy függőleges. A hőközlés különböző módokon oldható meg.

A folyadékfürdős berendezéseknél (PLCV = Pressurized Liquid Continuous Vulcanisation) itt is hasonló fűtőközeget alkalmaznak, mint a nyomás nélküli változatnál. A nyomás 10–12 bar sóolvadékoknál, más folyadéknál nagyobb is lehet.

Gőzcsőkazán és nagynyomású gázcsőkazán esetén gőz, illetve forró N2 gáz a hőközlő közeg. Gőzzel kb. 220 °C, gázzal akár 350 °C is elérhető. Leggyakrabban kábelek vulkanizálásrára használják, a sebesség 200–500 m/perc is lehet.

Az előző megoldásoktól eltérő konstrukciót használnak széles szalagok, lemezek, padlók, bevont szövetek folyamatos, nyomás alatti vulkanizálására, 13.28 ábra.

Forgódobos vulkanizáló berendezés

13.28 ábra:Forgódobos vulkanizáló berendezés [13.1] 1) hevederfeszítő, 2) vulkanizálódob, 3) feszítőszalag, 4) szalagfeszítő dob

Ez a forgódobos vulkanizáló (rotocure) berendezés. A berendezés fő eleme a fűthető vulkanizáló henger, amelyet fémszalag, vagy heveder vesz körül kb. kerületének 2/3 részén. A vulkanizálandó termék a fémszalag és a dob között halad át a készüléken. Vastagabb termékek vulkanizálásánál (5 mm felett) a szorító acélszalagot infra sugárzókkal fűtik az egyenletesebb hőeloszlás miatt.