Leverancier van zwavelversnellers
Wat is gevulkaniseerd rubber
Gevulkaniseerd rubber is natuurlijk of synthetisch rubber dat chemisch is behandeld met zwavel en hitte, zodat de polymeerketens permanente verknopingen vormen, waardoor een zacht, kleverig, temperatuurgevoelig materiaal verandert in een sterk, elastisch en duurzaam product. Vóór deze behandeling wordt ruw rubber zachter bij warm weer, hard en barst het bij kou, en verliest het zijn vorm onder herhaalde belasting. Na vulkanisatie kan hetzelfde materiaal meerdere keren zijn oorspronkelijke lengte uitrekken en terugveren, hitte, olie en slijtage weerstaan en zijn structuur jarenlang behouden. Deze enkele chemische stap is de reden dat rubber van een nieuw materiaal terecht is gekomen in de ruggengraat van banden, afdichtingen, slangen, schoenen en duizenden industriële componenten die tegenwoordig worden gebruikt.
Praktisch gezien is vulkanisatie een uithardingsreactie. Een ruwe rubbercompound, gemengd met zwavel, versnellers, activatoren en vulstoffen, wordt onder hitte en vaak onder druk geplaatst. Naarmate de temperatuur stijgt, reageren de zwavelatomen met de polymeerruggengraat van het rubber en hechten ze aangrenzende ketens aan elkaar met korte zwavelbruggen. Zodra dit netwerk van bruggen volledig is gevormd, kan het rubber niet meer worden gesmolten en opnieuw worden gevormd zoals plastic dat wel kan. Het is permanent van toestand veranderd, van een vormbare verbinding in een vaste, elastische vaste stof.
De omvang van deze industrie is aanzienlijk. De mondiale consumptie van natuurlijk rubber ligt tussen de 14 en 15 miljoen ton per jaar, en het overgrote deel van dat volume ondergaat een of andere vorm van zwavelvulkanisatie voordat het een afgewerkt onderdeel wordt. (bron: productie- en consumptiestatistieken van de International Rubber Study Group) . Synthetisch rubber voegt daar enkele miljoenen tonnen aan toe, waarvan het grootste deel ook met zwavel is behandeld. Zeer weinig rubber bereikt een consument of ingenieur in ruwe, ongevulkaniseerde staat.
De geschiedenis en ontdekking van vulkanisatie
Rubber was al lang voordat het een betrouwbaar technisch materiaal werd bij Europese handelaren bekend. Vroege rubberproducten die in de 18e en vroege 19e eeuw uit Zuid-Amerika werden geïmporteerd, waren interessante curiosa, maar ze waren vrijwel nutteloos bij wisselend weer. Laarzen en jassen gemaakt van ruw rubber werden zacht en stinken in de zomerse hitte, en verstijfden vervolgens tot onbruikbare blokken tijdens de winterkou. Fabrikanten die probeerden een bedrijf op te bouwen rond ruw rubber faalden herhaaldelijk omdat het materiaal simpelweg zijn eigenschappen niet kon behouden.
De toevallige ontdekking van 1839
Charles Goodyear, een Amerikaanse uitvinder die met beperkte middelen werkte, experimenteerde jarenlang met rubber en verschillende additieven om het hitte- en kouprobleem op te lossen. In 1839 liet hij, terwijl hij met een mengsel van rubber en zwavel werkte, per ongeluk een monster op een hete kachel vallen. In plaats van te smelten als ruw rubber, verkoolde het monster enigszins aan het oppervlak, maar bleef het flexibel en werd het niet plakkerig. Hij had, zonder de chemie volledig te begrijpen, een verknopingsreactie op gang gebracht.
Van ontdekking tot industrie
Goodyear patenteerde het proces in 1844. Rond dezelfde tijd ontwikkelde Thomas Hancock in Engeland zelfstandig een soortgelijk proces en verwierf hij een Brits patent kort voordat de internationale indieningen van Goodyear werden afgerond, wat leidde tot een lang geschil over krediet. De naam vulkanisatie zelf werd voorgesteld door William Brockedon, een vriend van Hancock, verwijzend naar Vulcan, de Romeinse god van het vuur, aangezien hitte centraal stond in de reactie. Binnen een paar decennia evolueerde gevulkaniseerd rubber van een laboratoriumnieuwsgierigheid naar grootschalige productie van laarzen, slangen, waterdichte textielcoatings en uiteindelijk de luchtbandenindustrie die een groot deel van de vraag naar rubber in de twintigste eeuw zou bepalen.
Van vallen en opstaan tot gecontroleerde chemie
De vroege vulkanisatie was uitsluitend gebaseerd op zwavel, dat vele uren bij hoge temperatuur werd uitgehard, met inconsistente resultaten tussen de batches. De introductie van organische versnellers aan het begin van de 20e eeuw veranderde de industrie dramatisch, waardoor de uithardingstijden van uren naar minuten werden teruggebracht en de compounders veel meer controle kregen over de uiteindelijke hardheid, sterkte en verouderingsbestendigheid van het voltooide rubber. Deze verschuiving van langzame, onvoorspelbare uitharding naar snelle, nauwkeurig gecontroleerde uitharding heeft ervoor gezorgd dat de rubberproductie kon worden opgeschaald naar de massaproductieprocessen die tegenwoordig worden gebruikt.
De wetenschap achter rubbervulcanisatie
Ruw rubber bestaat uit lange, verwarde polymeerketens die langs elkaar kunnen glijden. Dit is de reden waarom ongevulkaniseerd rubber plakkerig aanvoelt en permanent vervormt wanneer het wordt uitgerekt. Door vulkanisatie worden zwavelbruggen geïntroduceerd, ook wel cross-links genoemd, tussen aangrenzende polymeerketens. Deze bruggen verbinden de ketens tot een driedimensionaal netwerk. Wanneer het rubber wordt uitgerekt, worden de kettingen rechtgetrokken, maar de zwavelverbindingen trekken ze weer op hun plaats zodra de kracht is weggenomen.
Wat verandert er op moleculair niveau?
- Individuele polymeerketens raken chemisch verbonden in plaats van simpelweg met elkaar verweven.
- Het materiaal verschuift van een plastische, vormbare staat naar een elastische, geheugenhoudende staat.
- De oplosbaarheid in gangbare oplosmiddelen neemt sterk af omdat het netwerk niet meer uit elkaar kan worden getrokken.
- De weerstand tegen oxidatie en ozonscheuren verbetert dankzij de stabielere interne structuur.
- Het gedrag van de glasovergang verandert, wat betekent dat het rubber flexibel blijft over een breder temperatuurvenster.
- Kruip, het langzame permanente uitrekken onder constante belasting, wordt aanzienlijk verminderd zodra de dwarsverbindingen op hun plaats zijn vergrendeld.
Soorten zwavel-crosslinks
Niet alle zwavelbruggen zijn identiek en het gevormde type heeft een direct effect op de prestaties. Monosulfidische bruggen bevatten een enkel zwavelatoom dat twee ketens verbindt en zijn het meest hittestabiel, maar ook het meest stijf. Disulfidische en polysulfidische bruggen bevatten twee of meer zwavelatomen in een keten en geven het rubber meer flexibiliteit en betere weerstand tegen vermoeidheid, hoewel ze iets minder hittebestendig zijn dan monosulfidische schakels. Compounders passen de verhouding tussen gaspedaal en zwavel specifiek aan om te bepalen welk type brug domineert, omdat een zijwand van een band die miljoenen keren moet buigen, heel andere brugvereisten heeft dan een stijve batterijbehuizing.
Cross-Link-dichtheid en het effect ervan op eigenschappen
Het aantal verknopingen per volume-eenheid rubber, ook wel verknopingsdichtheid genoemd, is een van de belangrijkste variabelen die een menger controleert. Lage verknopingsdichtheid produceert zacht, zeer rekbaar rubber met een lagere treksterkte. Een hogere verknopingsdichtheid produceert steviger rubber met een hogere modulus maar verminderde rek. Voorbij een bepaald punt zorgt het toevoegen van meer verknopingen ervoor dat de sterkte niet meer wordt verbeterd, maar wordt het rubber bros. Daarom heeft elke formulering een optimale verknopingsdichtheid in plaats van deze eenvoudigweg te maximaliseren.
Waarom zwavel centraal staat in het vulkanisatieproces
Zwavel blijft het meest gebruikte verhardingsmiddel in de rubberindustrie omdat het sterke, flexibele verknopingen vormt tegen beheersbare kosten. Tijdens het verwarmen hechten zwavelatomen zich aan de polymeerruggengraat van het rubber en overbruggen afzonderlijke ketens met elkaar. De hoeveelheid gebruikte zwavel bepaalt rechtstreeks hoe hard of zacht het eindproduct aanvoelt.
| Zwavelgehalte | Resulterend materiaal | Typisch gebruik |
|---|---|---|
| 0,5 tot 2 procent | Zacht, zeer flexibel rubber | Elastiekjes, pakkingen, slangen |
| 2 tot 8 procent | Stevig, slijtvast rubber | Bandenloopvlakken, transportbanden, schoenzolen |
| 25 tot 35 procent | Stijf, broos materiaal dat bekend staat als eboniet | Batterijbehuizingen, pijpstelen, harde lijstwerk |
Oplosbare zwavel versus onoplosbare zwavel
Naast de kwantiteit is ook de vorm van zwavel van belang. Rubbercompounders kiezen gewoonlijk tussen onoplosbare zwavel, die bestand is tegen uitbloeien op het oppervlak van het voltooide onderdeel, en oplosbare zwavel, die sneller reageert maar kan migreren en bij een overdosis een stoffige film achterlaat. Onoplosbare zwavel heeft over het algemeen de voorkeur voor dikke secties, masterbatches die vóór gebruik worden opgeslagen en producten waarbij het uiterlijk van het oppervlak belangrijk is, zoals zichtbare afdichtingen of schoenen. Oplosbare zwavel blijft populair voor eenvoudige producten met een snelle doorlooptijd waarbij de opslagtijd kort is en kostenefficiëntie de prioriteit heeft.
Zwaveldonorsystemen
Sommige formuleringen gebruiken zwaveldonorchemicaliën in plaats van of naast elementaire zwavel. Deze verbindingen geven geleidelijk zwavel af tijdens het uitharden en hebben de neiging kortere, hittestabielere monosulfidische bruggen te vormen. Zwaveldonorsystemen komen veel voor in producten die langdurige blootstelling aan hoge temperaturen zullen ondergaan, zoals auto-onderdelen onder de motorkap, omdat de resulterende verknopingen zelfs na jaren van hittecyclus niet kapot gaan.
De rol van versnellers bij moderne vulkanisatie
Zwavel alleen reageert langzaam met rubber, en vroege vulkanisatieruns kunnen bij hoge temperaturen enkele uren duren, waardoor energie wordt verspild en het polymeer wordt afgebroken. Versnellers zijn chemische additieven die de zwavelverknopingsreactie versnellen, de uithardingstijd verkorten en lagere uithardingstemperaturen mogelijk maken zonder dat dit ten koste gaat van de sterkte. Een typisch modern rubbermengsel hardt dankzij deze additieven binnen enkele minuten uit in plaats van uren.
Gemeenschappelijke versnellerfamilies
- Thiazolen, gewaardeerd om een evenwichtige uithardingssnelheid en goede weerstand tegen veroudering.
- Sulfenamiden staan bekend om hun vertraagde werking, waardoor fabrieken meer tijd krijgen om het rubber te vormen voordat het uitharden begint.
- Thiurams, die zeer snel uitharden en vaak worden gebruikt naast kleine hoeveelheden zwavel of als enige verharder in sommige formuleringen.
- Dithiocarbamaten, gewaardeerd om hun extreem snelle reactie bij lagere temperaturen, gebruikelijk bij latexdompelprocessen.
- Guanidines worden over het algemeen gebruikt als secundaire versnellers om de activiteit van een primaire versneller te stimuleren in plaats van alleen te werken.
Waarom de keuze van een versneller belangrijk is
Het kiezen van een gaspedaal gaat zelden alleen over snelheid. Voor een grote band kan voor een sulfenamideversneller worden gekozen, omdat de vertraagde werking ervan de fabriek een veilige verwerkingstermijn geeft voordat het rubber begint uit te harden, waardoor schroeien tijdens het mengen en extruderen wordt voorkomen. Voor een dunne gedompelde handschoen kan voor een thiuram worden gekozen, omdat de snelle werking ervan past bij een snelle, continue productielijn. Het versnellersysteem bepaalt, meer dan vrijwel elk ander ingrediënt, hoe een fabriek zijn apparatuur plant en hoe consistent de voltooide onderdelen van de ene ploegendienst naar de volgende zullen zijn.
Activatoren: de ondersteunende chemie
Versnellers worden meestal gecombineerd met activatoren zoals zinkoxide en stearinezuur. De zinkionen helpen de versneller en zwavel te combineren tot een actief complex, dat vervolgens veel efficiënter reageert met de rubberketen dan zwavel alleen. Zonder dit activatorsysteem zou zelfs een snelle versneller ondermaats presteren, waardoor het uitgeharde rubber van batch tot batch zacht, plakkerig of inconsistent zou blijven. Zinkoxide maakt doorgaans ongeveer 3 tot 5 procent van het gewicht van een standaard rubbermengsel uit, waardoor het een van de belangrijkste niet-polymeeringrediënten in het recept is.
Acceleratordosering en schroeiveiligheid
Elk versnellersysteem heeft een schroeitijd, het venster tijdens het mengen en vormen voordat het uitharden echt begint. Als een fabriek te langzaam werkt en het mengsel in de mixer of extruder verschroeit, gaat de batch verloren en kan deze niet meer worden aangepast. Compounders balanceren de dosering van de versneller tegen de mengsnelheid, de omgevingstemperatuur en de verblijftijd van de apparatuur om voldoende veiligheidsmarge te behouden en toch efficiënt uit te harden zodra het rubber de mal of oven bereikt.
Vulcaniseren van natuurlijk rubber versus synthetisch rubber
Niet alle rubber hardt op dezelfde manier uit. Natuurlijk rubber, geoogst als latex van de Hevea brasiliensis-boom, heeft een chemische ruggengraat die gemakkelijk reageert met zwavel. Daarom werd hieromheen de klassieke zwavelvulkanisatie ontwikkeld. Synthetische rubbers, geproduceerd uit monomeren afgeleid van aardolie, variëren sterk in de manier waarop ze reageren op uitharding met zwavel.
Styreen-butadieenrubber
Styreen-butadieenrubber, een van de meest voorkomende synthetische rubbers die worden gebruikt in loopvlakken van banden, hardt met zwavel uit op een grotendeels vergelijkbare manier als natuurlijk rubber, hoewel het doorgaans iets andere versnellerverhoudingen nodig heeft om een gelijkwaardige uithardingstoestand te bereiken.
Nitrilrubber
Nitrilrubber, gekozen vanwege zijn olie- en brandstofbestendigheid in slangen en afdichtingen, hardt ook uit met zwavelsystemen, maar wordt vaak gecombineerd met specifieke versnellermengsels om de langzamere reactiviteit tegen te gaan die wordt veroorzaakt door het acrylonitrilgehalte.
Ethyleen Propyleen Dieen Monomeer Rubber
Ethyleenpropyleendieenmonomeerrubber, dat veel wordt gebruikt in weerafdichtingen en dakmembranen voor auto's vanwege zijn uitstekende weerstand tegen ozon en weersinvloeden, bevat veel minder reactieve plaatsen langs de ruggengraat dan natuurlijk rubber. Het vereist hogere versnellerbelastingen en zorgvuldig geselecteerde zwaveldonorsystemen om een werkbaar genezingspercentage te bereiken.
Siliconen en andere speciale elastomeren
Sommige speciale elastomeren, waaronder siliconenrubber, maken helemaal geen gebruik van zwavelvulkanisatie. In plaats daarvan vertrouwen ze op peroxide-uitharding of platina-gekatalyseerde additie-uitharding, waarbij koolstof-koolstof-verknopingen worden gevormd in plaats van zwavelbruggen. Deze alternatieve systemen bestaan specifiek omdat bepaalde polymeerhoofdketens óf zwavelreacties weerstaan óf een uitharding nodig hebben die geschikt is voor extreme temperaturen of zuiverheidseisen van medische kwaliteit waarbij zwavelresiduen ongewenst zijn.
Soorten vulkanisatiemethoden die in de industrie worden gebruikt
Niet elk rubberproduct wordt op dezelfde manier uitgehard. De vorm, dikte en het beoogde gebruik van het onderdeel bepalen welke vulkanisatiemethode wordt gekozen.
Vulcanisatie met hete lucht
Onderdelen worden in een oven uitgehard met behulp van circulerende hete lucht, doorgaans tussen 140 en 220 graden Celsius. Deze methode is geschikt voor geëxtrudeerde profielen en doorlopende rubberen strips waar een gelijkmatige verwarming rondom nodig is. Uitharden met hete lucht is relatief goedkoop om op te zetten, maar kan langzamer zijn dan uitharden met stoom of persen, omdat lucht de warmte minder efficiënt overdraagt dan stoom of direct metaalcontact.
Stoomvulkanisatie
Stoom onder druk zorgt voor een snelle, uniforme warmteoverdracht en wordt veel gebruikt voor gegoten goederen zoals afdichtingen, laarzen en industriële slangen. Het vocht helpt ook de porositeit van het oppervlak in dikkere delen te voorkomen. Autoclaven die voor stoomuitharding worden gebruikt, hebben doorgaans een druk tussen 2 en 6 bar, waardoor de effectieve uithardingstemperatuur ruim boven wat atmosferische stoom alleen zou kunnen komen, stijgt.
Pers- of compressievulkanisatie
Verwarmde metalen mallen persen het rubbermengsel in vorm en harden het tegelijkertijd uit. Deze methode domineert de bandenproductie, de productie van transportbanden en gegoten rubberproducten waarbij precieze afmetingen van belang zijn. Omdat de mal zelf de warmtebron is, zorgt het uitharden onder druk voor een uitstekende maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking, hoewel de gereedschapskosten hoger zijn dan bij oven- of autoclaafmethoden.
Koude vulkanisatie
In plaats van zwavel en warmte wordt bij deze methode gebruik gemaakt van chemische middelen zoals zwavelmonochloride bij kamertemperatuur. Het is voornamelijk gereserveerd voor dunne rubberen platen, reparatiepleisters en ondergedompelde goederen waar verwarmingsapparatuur onpraktisch is. Koude uitharding is snel en vereist geen energie-input voor verwarming, maar produceert over het algemeen een dunner, minder uniform vernettingsnetwerk dan door warmte uitgeharde zwavelsystemen.
Magnetron- en ultrahoge frequentie-uitharding
Voor doorlopende rubberen profielen zoals deurafdichtingen en raamkanalen is voorverwarmen in de magnetron in combinatie met uitharden met hete lucht gebruikelijk geworden in nieuwere fabrieken. Microgolfenergie verwarmt het rubbermengsel van binnenuit in plaats van uitsluitend afhankelijk te zijn van warmteoverdracht aan het oppervlak, waardoor de uitharding van dikke doorlopende secties wordt versneld en de lengte van de ovenlijn die nodig is op de fabrieksvloer wordt verminderd.
Spuitgieten Vulcanisatie
Bij het spuitgieten wordt de ruwe compound verwarmd en onder hoge druk direct in een gesloten, verwarmde vormholte geperst, waar het vrijwel onmiddellijk uithardt. Deze methode is geschikt voor onderdelen met een hoog volume en complexe geometrie, zoals doorvoertules voor auto's en kleine precisieafdichtingen, en biedt snelle cyclustijden en minimaal materiaalverlies in vergelijking met compressiegieten.
Vulkanisatieapparatuur en machines
De apparatuur die wordt gebruikt om rubber te vulkaniseren heeft een direct effect op de cyclustijd, energiekosten en productconsistentie.
Mengapparatuur
Voordat het uitharden zelfs maar begint, moeten zwavel, versnellers, activatoren en vulstoffen gelijkmatig in het ruwe rubber worden gemengd met behulp van een interne mixer of een tweewalsmolen. Een slechte menging leidt tot een inconsistente uitharding van één enkel onderdeel, omdat rubberzakken met te weinig versneller te weinig uitharden, terwijl nabijgelegen zakken met teveel versneller vroegtijdig zullen verschroeien.
Uithardingspersen
Hydraulische uithardingspersen passen zowel warmte als druk toe via elektrisch of met stoom verwarmde platen. Moderne persen zijn uitgerust met programmeerbare controllers die de temperatuur en tijd nauwkeurig bijhouden, en veel persen registreren nu automatisch gegevens voor kwaliteitstraceerbaarheid over grote productieruns.
Autoclaven
Autoclaven are pressurised steam chambers large enough to cure batches of moulded or extruded parts at once. They are common in hose and cable manufacturing, where continuous lengths need consistent curing along their entire run.
Reometers en instrumenten voor genezingsbewaking
Een bewegende reometer meet het koppel van een rubbermonster terwijl het uithardt in een kleine verwarmde kamer, en tekent een curve uit die de schroeitijd, de uithardingssnelheid en het optimale uithardingspunt weergeeft. Dit enkele laboratoriumapparaat is de leidraad voor bijna elke beslissing over het uithardingsschema die op de fabrieksvloer wordt genomen, omdat het laat zien hoe een specifieke verbinding zich zal gedragen voordat een enkel onderdeel op volledige grootte wordt geproduceerd.
Hoe gevulkaniseerd rubber verschilt van ruw rubber
| Eigendom | Ruw rubber | Gevulkaniseerd rubber |
|---|---|---|
| Elasticiteit | Beperkt, herstelt de vorm niet volledig | Hoog, keert na het uitrekken terug naar de oorspronkelijke vorm |
| Temperatuurstabiliteit | Zacht bij hitte, broos bij kou | Stabiel over een breed temperatuurbereik |
| Bestandheid tegen oplosmiddelen | Lost gemakkelijk op of zwelt op | Zwelt minder, is bestand tegen oplossen |
| Duurzaamheid | Slijt snel onder wrijving | Bestand tegen slijtage en herhaaldelijk buigen |
| Geur en kleverigheid | Kleverig oppervlak, sterke rauwe geur | Droog, stabiel oppervlak met verminderde geur |
| Vormgeheugen | Slecht, rekt permanent uit onder belasting | Sterk, herstelt zelfs na langdurige compressie |
Belangrijkste eigenschappen en prestatiegegevens
Compounders beschrijven uitgehard rubber met behulp van een reeks standaardmetingen die voorspellen hoe een onderdeel zich tijdens gebruik zal gedragen.
- De treksterkte geeft aan hoeveel rekkracht het rubber kan verdragen voordat het scheurt, meestal uitgedrukt in megapascal.
- Rek bij breuk meet hoe ver het rubber uitrekt voordat het bezwijkt, vaak enkele honderden procenten van de oorspronkelijke lengte voor verbindingen voor algemene doeleinden.
- De hardheid, gemeten op de Shore A-schaal, geeft aan hoe stevig het oppervlak aanvoelt, variërend van zachte afdichtingen rond de 30 Shore A tot stijve industriële rollen boven de 90 Shore A.
- De compressieset beschrijft hoe goed het rubber terugveert nadat het gedurende een lange periode is samengedrukt, een kritisch cijfer voor pakkingen en O-ringen die jarenlang samengedrukt blijven.
- De scheurweerstand meet hoe goed het rubber bestand is tegen een insnijding of inkeping die onder spanning uitgroeit tot een volledige splitsing, belangrijk voor producten die scherpe randen zien of herhaaldelijk buigen nabij een rand.
- De slijtvastheid voorspelt hoeveel oppervlaktemateriaal verloren gaat bij herhaaldelijk wrijvend contact, een sleutelcijfer voor het loopvlak van banden en de bekleding van transportbanden.
- De weerstand tegen hitteveroudering houdt bij hoeveel treksterkte en rek verloren gaan na langdurige blootstelling aan verhoogde temperaturen, waardoor jaren van dienst worden gesimuleerd in een paar dagen laboratoriumtesten.
Hoe formuleringskeuzes deze cijfers verschuiven
Deze cijfers veranderen afhankelijk van het zwavelgehalte, het type versneller, het vulmiddelgehalte en het uithardingsschema. Daarom kunnen twee rubberen onderdelen die er identiek uitzien zich in de praktijk heel anders gedragen. Een bandloopvlakcompound geladen met carbon black en uitgehard tot een matige verknopingsdichtheid zal een hoge slijtvastheid maar een matige rek vertonen, terwijl een zacht gedompelde handschoencompound uitgehard met een snelle versneller en een laag zwavelgehalte een zeer hoge rek maar een relatief lage scheursterkte zal vertonen. Het selecteren van de juiste balans tussen deze eigenschappen voor een bepaalde toepassing is de kernvaardigheid van een rubbercompounder.
Typische eigendomsbereiken per producttype
| Producttype | Typische hardheid (Shore A) | Typische verlenging bij breuk |
|---|---|---|
| Afdichtende O-ringen | 60 tot 80 | 150 tot 300 procent |
| Bandenprofielcompound | 55 tot 70 | 300 tot 500 procent |
| Schoenenzool | 45 tot 65 | 400 tot 600 procent |
| Industriële rollen | 80 tot 95 | 100 tot 250 procent |
Veel voorkomende toepassingen van gevulkaniseerd rubber
De eigenschappen die door vulkanisatie worden verkregen, verklaren waarom dit materiaal in zoveel industrieën voorkomt.
Automobiel en transport
Banden, motorsteunen, weerafdichtingen en trillingsdempers zijn allemaal afhankelijk van de vermoeidheidsweerstand en flexibiliteit die vulkanisatie biedt. Alleen al een personenautoband kan tijdens zijn levensduur miljoenen keren buigen zonder zijn vorm te verliezen, en een typisch bandkarkas combineert verschillende met zwavel uitgeharde rubberverbindingen die zijn gebonden aan staal- en textielversterkingslagen.
Industriële en mechanische onderdelen
Transportbanden, aandrijfriemen, slangen en rollen zijn afhankelijk van gevulkaniseerd rubber om constante wrijving, druk en temperatuurschommelingen op fabrieksvloeren aan te kunnen. Transportbanden in de mijnbouw moeten bijvoorbeeld bestand zijn tegen constante schurende slijtage door erts en gesteente en tegelijkertijd flexibel genoeg blijven om jarenlang continu over rollen te kunnen lopen.
Consumptiegoederen
Schoenenzolen, sportartikelen en huishoudafdichtingen maken gebruik van gevulkaniseerd rubber vanwege de grip, het comfort en de weerstand tegen herhaaldelijk buigen. Sportballen, handvatten voor fitnessapparatuur en elastische banden zijn allemaal afhankelijk van dezelfde verknopingschemie, aangepast voor zeer verschillende hardheids- en rekdoelen.
Bouw en Infrastructuur
Bruglagers, dilatatievoegen en waterdichte membranen maken gebruik van dikke gevulkaniseerde rubberen delen die zijn ontworpen voor tientallen jaren gebruik buitenshuis. Deze onderdelen zijn geformuleerd met extra aandacht voor ozon- en ultravioletbestendigheid, omdat ze niet zo gemakkelijk kunnen worden vervangen als een kleiner consumentenproduct.
Medische en laboratoriumapparatuur
Slangen, stoppen en flexibele afdichtingen die in medische en laboratoriumomgevingen worden gebruikt, zijn vaak afhankelijk van gevulkaniseerd rubber dat is geformuleerd voor chemische inertheid en consistente flexibiliteit, omdat een inconsistente hardheid in een stop of buis een afgedicht monster of een vloeistofleiding in gevaar kan brengen.
Maritieme en offshore-toepassingen
Spatbordsystemen op dokken, slangkoppelingen op offshore-platforms en afdichtingen op onderwaterapparatuur zijn afhankelijk van gevulkaniseerd rubber dat bestand is tegen constante blootstelling aan zout water, drukwisselingen en schokbelasting zonder zijn elasticiteit te verliezen.
Overwegingen bij vulkanisatietemperatuur en tijd
Uithardingstemperatuur en -tijd zijn direct met elkaar verbonden. Hogere temperaturen verkorten de uithardingstijd, maar kunnen het risico op terugval inhouden, een toestand waarbij de zwavelverknopingen beginnen af te breken door overmatige hitte, waardoor het rubber zachter en zwakker wordt dan de bedoeling was. Typische zwaveluithardingstemperaturen liggen tussen 140 en 190 graden Celsius, waarbij de uithardingstijd varieert van enkele minuten voor dunne gedompelde goederen tot meer dan een uur voor dikke gegoten blokken.
Een genezingscurve lezen
Fabrieken gebruiken een reometer om in kaart te brengen hoe een compound in de loop van de tijd uithardt, waarbij het optimale uithardingspunt wordt geïdentificeerd waar de verknopingsdichtheid piekt voordat er terugkeer plaatsvindt. Uitharden voorbij dit punt verspilt energie en kan het voltooide onderdeel verzwakken, terwijl uitharding vóór dit punt ervoor zorgt dat het rubber onvoldoende uitgehard is en vatbaar is voor permanente vervorming. De resulterende grafiek stijgt doorgaans vanaf een laag startkoppel, via een steile stijging naarmate de verknoping versnelt, en vervolgens ofwel plateaut of, voor verbindingen die vatbaar zijn voor terugval, iets daalt na de piek.
Uithardingsschema's voor dikke secties aanpassen
Dikke rubberen onderdelen vereisen speciale aandacht omdat warmte tijd nodig heeft om van het oppervlak naar het midden te reizen. Een uithardingsschema dat puur op de oppervlaktetemperatuur is ingesteld, kan ervoor zorgen dat het geometrische midden van een dik blok aanzienlijk onderuitgehard is, zelfs nadat het oppervlak volledig uitgehard lijkt. Ingenieurs gebruiken gewoonlijk thermokoppels die in het midden van dikke prototypeonderdelen zijn ingebed om te bevestigen dat de kern lang genoeg de vereiste temperatuur bereikt voordat een productie-uithardingsschema wordt afgerond.
Kwaliteitscontrole en testmethoden
Consistente vulkanisatie is afhankelijk van tests in elke fase, en niet alleen van een visuele controle van het voltooide onderdeel.
Fysieke testen
Bij standaard trekproeven wordt aan een haltervormig rubbermonster getrokken totdat het breekt, waarbij de treksterkte en rek worden geregistreerd. Bij het testen van de hardheid wordt gebruik gemaakt van een durometer die tegen het rubberen oppervlak wordt gedrukt om een Shore A- of Shore D-waarde vast te leggen. Bij een compressiesettest wordt een monster gedurende een vaste tijd bij een vaste temperatuur samengedrukt en wordt vervolgens gemeten hoeveel het niet terugveert zodra het wordt losgelaten.
Cure State-verificatie
Naast de reometercurve die vóór de productie werd genomen, snijden fabrieken vaak dwarsdoorsneden van afgewerkte onderdelen om te controleren op ongelijkmatige uitharding, holtes of porositeit die kunnen ontstaan als ingesloten lucht of vocht de uitharding verstoort. Zweltests, waarbij een klein rubbermonster in een oplosmiddel wordt gedrenkt en de volumetoename ervan wordt gemeten, geven een indirecte maar betrouwbare indicatie van de verknopingsdichtheid.
Milieu- en verouderingssimulatie
Versnelde verouderingskamers stellen rubbermonsters gedurende een bepaalde periode bloot aan verhoogde hitte, ozon of ultraviolet licht om te voorspellen hoe het materiaal zal presteren na jaren van blootstelling in de echte wereld. Een onderdeel dat na versnelde veroudering overmatige scheurvorming of een grote daling in treksterkte vertoont, wordt gemarkeerd voordat het ooit op volledige schaal kan worden geproduceerd.
Kosten- en efficiëntiefactoren bij vulkanisatie
Vulkanisatie is niet alleen een chemische beslissing, het is ook een economische beslissing. De uithardingstijd bepaalt rechtstreeks hoeveel onderdelen een pers- of ovenlijn per ploegendienst kan produceren, dus het besparen van zelfs maar een paar seconden op een uithardingscyclus met een hoog volume kan zich vertalen in een aanzienlijke kostenbesparing over een volledig productiejaar.
Energieverbruik
Het verwarmen van grote hardingspersen, autoclaven of ovens kost veel energie, vooral voor dikke industriële onderdelen die lange uithardingstijden vereisen. Snellere versnellersystemen en geoptimaliseerde uithardingsschema's verminderen zowel de directe energiekosten als de slijtage van de apparatuur die gepaard gaat met lange cycli bij hoge temperaturen.
Materiaalefficiëntie
Bij het verschroeien tijdens het mengen of vormgeven wordt een hele partij samengestelde rubber verspild, aangezien een gedeeltelijk uitgeharde massa doorgaans niet kan worden herwerkt. Zorgvuldige selectie van versnellers en procescontrole verminderen de uitvalpercentages, wat op schaal belangrijker is dan het lijkt bij een enkele kleine batch.
Gereedschaps- en uitrustingsinvesteringen
Voor compressie- en spuitgieten is precisiemetaalgereedschap vereist dat aanzienlijke initiële kosten met zich meebrengt, terwijl het uitharden in hete lucht en in een autoclaaf minder gespecialiseerd gereedschap vereist, maar vaak langzamere cycli kent. Fabrikanten wegen het productievolume af tegen de gereedschapskosten bij het kiezen van de vulkanisatiemethode die geschikt is voor een nieuwe productlijn.
Veelvoorkomende problemen en hoe u ze kunt vermijden
Zwavel bloei
Overtollig zwavel dat niet heeft gereageerd, kan naar het oppervlak migreren en een kalkachtige film achterlaten. Dit wordt verminderd door onoplosbare zwavelsoorten te gebruiken en de zwavelbelasting binnen het niveau te houden dat de verbinding tijdens het uitharden volledig kan absorberen.
Verzengend
Voortijdige uitharding tijdens het mengen of bewaren, ook wel schroeien genoemd, vernietigt de batch voordat deze zelfs maar de mal bereikt. Vertraagde versnellers en gecontroleerde mengtemperaturen helpen dit te voorkomen.
Terugkeer
Oververhitting tijdens het uitharden kan verknopingen afbreken nadat ze zich hebben gevormd, waardoor het rubber zachter wordt. Zorgvuldige controle van de uithardingstemperatuur en -tijd, op basis van reometergegevens, houdt dit onder controle.
Ongelijkmatige uitharding in dikke secties
Het duurt langer voordat de warmte het midden van dikke rubberen onderdelen bereikt, waardoor de kern onvoldoende uitgehard kan zijn terwijl het oppervlak volledig is uitgehard. Gefaseerde verwarming en een aangepast matrijsontwerp helpen dit te egaliseren.
Porositeit en opgesloten gas
Vocht of opgesloten lucht in het mengsel kan tijdens het verwarmen uitzetten en kleine holtes vormen in het uitgeharde onderdeel, waardoor het intern verzwakt raakt, ook al ziet het oppervlak er acceptabel uit. Goed mengen onder vacuüm of gecontroleerd ontluchten tijdens het gieten verkleint dit risico.
Schimmelvervuiling
Residu dat zich tijdens herhaalde cycli in een uithardingsmal ophoopt, kan oppervlaktedefecten veroorzaken en aan latere onderdelen blijven kleven. Regelmatige reinigingsschema's voor de matrijzen en het gebruik van interne of externe lossingsmiddelen zorgen ervoor dat de kwaliteit van de onderdelen gedurende lange productieruns behouden blijft.
Overwegingen over duurzaamheid en einde levensduur
Omdat zwavelverknopingen chemisch permanent zijn, kan gevulkaniseerd rubber niet zomaar opnieuw worden gesmolten en hervormd zoals thermoplasten dat kunnen. Dit maakt het omgaan met het einde van de levensduur tot een echte uitdaging op technisch en milieugebied voor een industrie die jaarlijks tientallen miljoenen tonnen uitgeharde rubberproducten produceert.
Recyclingbenaderingen
De meest voorkomende recyclingroute vermaalt gebruikt rubber, het meest zichtbaar oude banden, tot rubberkruimels. Dit materiaal vindt een tweede leven in speeltuinverhardingen, atletiekbanen, met rubber bekleed asfalt en gevormde matten, waarbij de oorspronkelijke verknoopte structuur eenvoudigweg in kleinere deeltjes wordt opgebroken in plaats van op chemisch niveau omgekeerd.
Devulkanisatie
Meer geavanceerde processen proberen daadwerkelijke devulkanisatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van hitte, mechanische afschuiving, microgolven of chemische middelen om zwavelverknopingen selectief te verbreken, terwijl de onderliggende polymeerruggengraat grotendeels intact blijft. Het resulterende gedevulkaniseerde rubber kan opnieuw worden gemengd tot nieuwe verbindingen, hoewel het nieuw rubber doorgaans niet volledig kan vervangen in toepassingen met hoge prestaties, zoals het loopvlak van banden, zonder een meetbare vermindering van de eigenschappen.
Energieterugwinning
Waar mechanische recycling niet praktisch is, wordt gebruikt gevulkaniseerd rubber, wederom meestal afgedankte banden, soms verwerkt als brandstofbron in cementovens en andere industriële processen bij hoge temperaturen, waarbij energiewaarde wordt teruggewonnen uit materiaal dat anders naar de vuilstort zou gaan.
Het juiste gevulkaniseerde rubbermengsel kiezen
Bij het selecteren van een stof voor een nieuwe toepassing moeten meerdere variabelen tegen elkaar worden afgewogen, in plaats van één enkele eigenschap afzonderlijk te optimaliseren.
- Bedrijfstemperatuurbereik dat het voltooide onderdeel regelmatig zal ervaren tijdens gebruik.
- Blootstelling aan oliën, brandstoffen, oplosmiddelen of ozon die na verloop van tijd een ongeschikt rubbertype kunnen aantasten.
- Vereiste hardheid en flexibiliteit voor de mechanische functie die het onderdeel moet vervullen.
- Verwachte levensduur en hoeveel eigendomsverlies door veroudering kan worden getolereerd vóór vervanging.
- Het productievolume, dat van invloed is op de vraag of compressiegieten, spuitgieten of continu extruderen economisch zinvoller is.
Ingenieurs en compounders werken doorgaans samen aan deze factoren, vaak uitgaande van een bekend basispolymeer zoals natuurlijk rubber, styreen-butadieen-rubber, nitrilrubber of ethyleen-propyleen-dieen-monomeer-rubber, en passen vervolgens het zwavelniveau, het versnellerpakket en het vulsysteem aan totdat de uitgeharde eigenschappen overeenkomen met de hierboven genoemde toepassingsvereisten.
Veelgestelde vragen
Is gevulkaniseerd rubber hetzelfde als natuurlijk rubber?
Nee. Natuurlijk rubber is de grondstof die wordt geoogst uit rubberbomen. Gevulkaniseerd rubber is hetzelfde ruwe rubber, of een synthetisch equivalent, nadat het chemisch is behandeld met zwavel en hitte om elasticiteit en duurzaamheid te verkrijgen.
Kan gevulkaniseerd rubber gerecycled worden?
Eenmaal uitgehard zorgen de zwavelverknopingen ervoor dat het rubber moeilijk opnieuw te smelten of te hervormen is zoals plastic. Recycling omvat doorgaans het vermalen tot rubberkruimels voor gebruik in vloeren, speeltuinen en asfaltadditieven, of devulkanisatieprocessen die de verknopingen gedeeltelijk verbreken voor hergebruik.
Waarom ruikt gevulkaniseerd rubber anders dan ruw rubber?
De zwavelreactie, samen met de versnellers en andere additieven die tijdens het compounderen worden gebruikt, verandert de oppervlaktechemie van het materiaal, waardoor de sterke latexgeur die kenmerkend is voor rauw, onbewerkt rubber wordt verminderd.
Hoe lang duurt het vulkanisatieproces?
De uithardingstijd varieert sterk, afhankelijk van de dikte van het onderdeel, de temperatuur en het gebruikte versnellersysteem, variërend van minder dan een minuut voor dun gedompelde latexproducten tot ruim een uur voor grote gegoten industriële blokken.
Betekent meer zwavel altijd sterker rubber
Niet noodzakelijkerwijs. Lage zwavelgehalten produceren zacht, zeer elastisch rubber, gematigde niveaus produceren taai, slijtvast rubber en zeer hoge zwavelgehalten produceren een hard, bros materiaal dat eboniet wordt genoemd. De juiste hoeveelheid hangt volledig af van het beoogde gebruik van het voltooide onderdeel.
Zijn versnellers vereist voor elk gevulkaniseerd rubberproduct?
De meeste moderne verbindingen maken gebruik van versnellers omdat ze de uithardingstijd verkorten, de energiekosten verlagen en de consistentie verbeteren. Sommige langzame, speciale behandelingen zijn nog steeds afhankelijk van alleen zwavel, maar dit komt veel minder vaak voor bij grootschalige productie.
Wat gebeurt er als rubber te weinig of te veel is uitgehard?
Te weinig uitgehard rubber blijft zacht, plakkerig en vatbaar voor permanente rek, terwijl te veel uitgehard rubber broos kan worden of, in geval van terugval, onverwacht zacht kan worden als gevolg van het afbreken van de verknoping. Beide omstandigheden verkorten de levensduur van het voltooide onderdeel.
Heeft al het rubber zwavel nodig om te vulkaniseren?
Nee. Sommige speciale elastomeren, zoals siliconenrubber, harden uit door middel van peroxide- of platina-gekatalyseerde systemen in plaats van zwavel, waardoor verschillende soorten verknopingen worden gevormd die geschikt zijn voor hun specifieke polymeerstructuur.
Waarom voelen sommige rubberen onderdelen harder aan dan andere, zelfs als ze gemaakt zijn van hetzelfde basispolymeer?
De hardheid van het voltooide onderdeel komt voornamelijk voort uit het zwavelgehalte, de verknopingsdichtheid en de vulstofbelasting die in de specifieke verbinding worden gebruikt, en niet alleen uit het basispolymeer. Twee producten gemaakt van hetzelfde uitgangsrubber kunnen een heel verschillende hardheid krijgen, afhankelijk van hoe ze zijn geformuleerd en uitgehard.
Hoe weet ik of een rubberproduct goed is gevulkaniseerd?
Goed gevulkaniseerd rubber moet droog aanvoelen in plaats van plakkerig, snel terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm nadat het is uitgerekt of samengedrukt, en geen aanhoudende geur van rauw rubber vertonen. Een inconsistente hardheid van hetzelfde onderdeel of een oppervlak dat onder normale omstandigheden plakkerig blijft, kan wijzen op een onvolledige of ongelijkmatige uitharding.
