Soluție la problema de detartrare a matriței de cauciuc

În industria de prelucrare a cauciucului, detartrarea mucegaiului este un fenomen comun. În timpul procesului de întărire, un strat de sediment s-a format pe peretele matriței și s-a acumulat treptat în ciclul de producție ulterior. Literatura anterioară a discutat influența diverșilor factori care cauzează detartrajul mucegaiului. Se constată acum că pentru diferitele sulfuri (și oxid de zinc) conținute în amestecul de cauciuc polimeric, sulfura de zinc este cel mai enervant produs secundar de reacție care provoacă detartrare în timpul procesului de întărire. Nici un agent de eliberare semipermanent sau un strat permanent (metalic) nu poate evita acest tip de depunere. Concluzia este că detartrajul este cauzat inițial de sulfura de zinc (depozit anorganic) atașată de matriță și formează un strat de depozit gri. În funcție de temperatură, componentele cu greutate moleculară mică din amestec se atașează la microcristalele de sulfură de zinc și provoacă a doua etapă de depunere (depunere organică). Produșii de oxidare se formează într-o anumită perioadă de timp și provoacă depunerea de carbon.
Prin înțelegerea cauzelor detartrajului mucegaiului și a mecanismului intern de formare a microcristalelor de sulfură de zinc pe suprafața metalică a matriței, este posibil să se producă o metodă potrivită pentru procesul de procesare curent pentru a reduce formarea de sulfură de zinc și a preveni deformarea mucegaiului. . Este foarte posibil să se reducă acest fenomen prin studierea cauzelor detartrajului.
Există două soluții posibile pentru a preveni sau a reduce formarea murdăriei: modificarea compoziției amestecului sau îmbunătățirea suprafeței matriței.
Schimbați compoziția amestecului pentru a reduce depunerile de mucegai
Depunerile de mucegai cauzate de oxid de zinc sau vulcanizare trebuie reduse sau eliminate. Majoritatea depozitelor sunt legate de conținutul ridicat de sulfură și oxid de zinc, care sunt de obicei utilizate în produsele din cauciuc pentru anvelope. După volum, anvelopa este cel mai mare produs de cauciuc din lume (până la 75 la sută). Prin urmare, majoritatea experimentelor sunt efectuate cu amestecul de compus NR/BR și compus SBR utilizat în mod obișnuit în producția de anvelope. În ceea ce privește reducerea depunerilor de mucegai prin modificarea compoziției amestecului, au fost investigate influența sulfurei de zinc, experimentul de vulcanizare pe termen scurt și influența compoziției compusului.
◆ Determinarea sulfurei de zinc
Acest studiu începe cu investigarea formării sulfurei de zinc, care este sursa murdăriei originale. Experimentul de vulcanizare a arătat că pe suprafața metalului s-a format sulfură de zinc. Detectați depunerea insertului cu un microscop cu mărire 1000-fold pentru a determina microcristalina inițială vizibilă, apoi analizați-o cu metoda RMA (microanaliza Rontgen), așa cum se arată în Figura 1. Analiza elementului RMA a detectat prezența zinc și sulf. Conform raportului dintre sulf și zinc detectat, se ajunge la concluzia că microcristalele sunt compuse în principal din sulfură de zinc insolubilă (Fig. 2). Pentru a determina existența sulfurei de zinc se utilizează o metodă de analiză fizică (AP-TPR) pentru a analiza conținutul de H2S din amestec după vulcanizare (metoda indirectă). Un experiment de vulcanizare prin turnare este utilizat pentru a determina procesul de formare a sulfurei de zinc în prezența fierului. Experimentul se desfășoară într-o conductă închisă la 200 de grade și fără oxigen. Eprubeta conține izotriacontan, oxid de zinc, sulf și fier element cu suprafață mare. În acest experiment, sulfura de zinc a fost detectată și de RMA. După cum era de așteptat, ambele experimente au arătat formarea sulfurei de zinc. Cu toate acestea, nu există dovezi că sulfura de zinc se formează la interfața dintre amestec și matriță sau că ZnS se formează ca un produs secundar al reacției zincului și sulfului în timpul procesului de întărire.
Pentru a determina conținutul de sulfură de zinc din amestecul de cauciuc, s-a aplicat o altă metodă. Cauciucul turnat este măcinat la temperatură scăzută și transformat în particule mici, care sunt extrase cu acetonă și tratate cu un amestec de acid clorhidric și acid acetic. Sulfura metalică se descompune. Hidrogenul sulfurat generat este absorbit de soluția tampon de acetat de cadmiu, iar sulfura de cadmiu formată este determinată prin iodometrie. În plus, cauciucul extras este hidrolizat în acid sulfuric și acid azotic într-un cuptor cu microunde. Hidrolizatul a fost scanat de ICP-ES.
Din aceste rezultate, se poate concluziona că sulfura de zinc se formează ca produs de reacție al oxidului de zinc și al sulfului. În producția de vulcanizare, acest produs de reacție este disponibil și util pentru formarea de microcristale de sulfură de zinc între produsele din cauciuc și suprafețele matriței.
Cea mai acceptabilă presupunere este că sulfura de zinc se formează ca produs de reacție al oxidului de zinc și al sulfului. Această reacție chimică comună este descrisă în diverse manuale de cauciuc. Un mecanism de reacție simplificat este:
2RH plus Sx plus ZnO plus (catalizator) RS (x-1) - R plus ZnS plus H2O
Majoritatea amestecurilor de anvelope conțin 5 părți oxid de zinc și aproximativ 2 părți sulf la 100 parte. Pentru un amestec de anvelope, se poate calcula că o formulă bazată pe 100 de părți de cauciuc (aproximativ 175 de părți în total) conține 2,8% (greutate) oxid de zinc și 1,1% (greutate) sulf. Din formula de reacție, se poate calcula că se vor genera aproximativ 0,6 grame de sulfură de zinc pentru fiecare gram de oxid de zinc. Evident, se poate produce o cantitate considerabilă de sulfură de zinc. De fapt, doar sulfura de zinc din stratul superior al anvelopei este sulfură de zinc microcristalină (posibil cauzată de suprafața metalică). Înainte ca matrița să fie curățată, pot fi efectuate aproximativ 500 de ori de turnare.
◆ Experiment
Se știe că insertul (mică foaie de metal) folosită ca suprafață a matriței poate, în principiu, să analizeze cu ușurință dacă conține microcristale de sulfură de zinc prin metoda RMA, dar acesta este un test foarte costisitor. Prin urmare, a fost dezvoltată o metodă de testare simplă pentru a determina microcristalele inițiale (vizibile) de pe insert. Cu ajutorul unui microscop optic cu o mărire de 500, pot fi văzute microcristale simple de 0,5 până la 1 micron. Pentru a produce microcristale s-au efectuat experimente de vulcanizare cu diferite amestecuri, diferite temperaturi și diferiți timpi. Două amestecuri au fost selectate și prezentate în Tabelul 1, incluzând amestecul bazat pe banda de rulare s-SBR și amestecul intermediar bazat pe amestecul NR/BR. Ambele amestecuri sunt utilizate ca compus de bază pentru diferite experimente de vulcanizare.
Pentru a realiza experimentul de vulcanizare, se fabrică o matriță de presă simplă, care este potrivită pentru până la 8 inserții. Această matriță de presă este fabricată pentru un experiment pe termen scurt de până la 20 de cicluri. Inspectați vizual insertul după fiecare 5 cicluri consecutive. În acest fel, pot fi detectați diferiți parametri, cum ar fi parametrii amestecului de diferiți aditivi sau parametrii legați de inserții, cum ar fi selecția metalului, rugozitatea sau acoperirea. Experimentele preliminare au fost efectuate pe două amestecuri de bază de anvelope. Amestecul de anvelope a fost vulcanizat la 160 de grade timp de 20 de minute și la 200 de grade timp de 2 minute (datele au fost calculate din curba reometrului). Rezultatele au arătat că nu a existat nicio diferență în numărul de microcristale de sulfură de zinc găsite prin inspecție vizuală. Pentru a comprima timpul, toate experimentele ulterioare au fost efectuate la 200 de grade. După 20 de experiențe de vulcanizare într-un timp scurt, se efectuează experimente ulterioare cu ajutorul turnării prin injecție, până la 500 de vulcanizări.
◆ Influența compoziției amestecului
▲ Selecția zincului
Au fost efectuate experimente cu privire la compoziția amestecului. După cum sa arătat, sulfura de zinc se formează ca produs de reacție al oxidului de zinc (sau al componentului care conține zinc) și al sulfului. Nu este ușor să eliminați sulful sau sulfura de zinc din formulă. Deoarece aceste două componente sunt necesare în formula de cauciuc. Sulful natural poate îmbunătăți rezistența mecanică și lipirea, în timp ce oxidul de zinc poate activa sistemul de întărire.
Experimentul cu reometrul arată că, fără a modifica cuplul maxim al reometrului, nivelul de oxid de zinc poate fi redus de la 5 părți la 3 părți (la fiecare 100 de părți de cauciuc), care poate fi aproape redus cu un factor de 2 ori. Cu toate acestea, chiar și cu scăderea acestui nivel, depozitul de sulfură de zinc încă nu are nicio modificare evidentă (Tabelul 2). În mod similar, nu există nicio diferență evidentă între utilizarea oxidului de zinc (RS) și înlocuirea oxidului de zinc cu o dimensiune mai mică a particulei.
Cu toate acestea, folosind 0,25 părți de nano-oxid de zinc în loc de oxid de zinc cu o dimensiune a particulei de 40 nm (valoarea maximă a aceluiași reometru), nivelul de oxid de zinc poate fi redus de 20 de ori și diferența de sediment este evidentă. În experimentul de vulcanizare pe termen scurt cu nano-oxid de zinc, de câte ori matrița a fost folosită până la 20 de cicluri și nu a existat nicio depunere de sulfură de zinc.