Приготовление резиновых смесей (смешение)
Проблема улучшения качества резиновых смесей и изделий на их основе имеет народнохозяйственное значение. Основные параметры структуры и свойств резин закладываются на первом самом важном в технологии этапе - при приготовлении резиновых смесей [1-3]. Приготовление резиновых смесей дает начало технологии переработки эластомеров и во многом определяет важные эксплуатационные характеристики резиновых изделий [1-10]. В процессе смешения система с упорядоченным расположением ингредиентов превращается в систему с неупорядоченным, статистически случайным распределением. Специфика смешения ингредиентов резины заключается в том, что она осуществляется в сравнительно короткое время в высоковязкой системе с нестационарными свойствами [1-3]. Поэтому от качества смешения будет зависеть комплекс технологических свойств резиновых смесей и технических свойств их вулканизатов. Простое смешение рассматривается как процесс, в результате которого происходит только изменение первоначального распределения компонентов в объеме. При простом смешении энтропия системы возрастает; при этом физическое состояние компонентов не изменяется [11] . Большинство порошкообразных ингредиентов, особенно технический углерод, вводят в смесь в виде более или менее крупных агломератов, поэтому процесс смешения сопровождается диспергированием (измельчением) этих компонентов. Процесс смешения включает несколько этапов: измельчение твердых компонентов; введение компонентов в каучук; диспергирование агломератов; смешение. Механизм смешения компонентов можно рассматривать как деформацию многокомпонентной системы, в результате которой уменьшается толщина полос (слоев) смешиваемых материалов и увеличивается поверхность контакта между ними. Сдвиговые деформации в системе при смешении должны происходить до тех пор, пока толщина слоев не станет достаточно малой, т.е. в предельном случае не достигнет размера частиц диспергируемой фазы. Деформация сдвига условной двухкомпонентной системы между плоскопараллельными стенками, одна из которых является неподвижной, а вторая перемещается параллельно первой с постоянной скоростью и на расстояние l (рис.1) выражается как γ=l/ho=ctgφ, а скорость сдвига y=l/τho=u/ho.
Рис.1 Толщина слоёв условной двухкомпонентной системы до (а) и после (б) деформации вследствие сдвига: r0 - толщина полосы до деформации; h0 - расстояние между верхней и нижней плоскостями [11].
Уменьшение толщины r слоев и увеличение поверхности раздела между компонентами s будут зависеть от деформации сдвига r = r0sinφ; s = soro/r (где s0 и s — начальная и конечная после деформации сдвига поверхность раздела между компонентами). Общая деформация сдвига будет равна произведению скорости сдвига и продолжительности смешения. Для реальных резиновых смесей, приготовленных в резиносмесителе при условии достаточного диспергирования оптимальная деформация сдвига, необходимая для получения резин с высокими физико-механическими свойствами, составляет 1400—1600. Для обеспечения более равномерного распределения компонентов в смеси необходимо периодически изменять направление деформации усреднению содержания компонентов во всем объеме смеси. Диспергирование ингредиентов в полимере происходит в результате воздействия на частицы диспергируемой фазы напряжений сдвига, возникающих вследствие существования относительного движения в системе полимер — частица. Рис. 2 Зависимость прочности при растяжении f вулканизатов от деформации сдвига γ при смешении резиновых смесей на основе НК с пластичностью 0,53 (кривая 1) и 0,75 (кривая 2) [11] .
Увеличение напряжений сдвига всегда способствует интенсификации диспергирования. Для каждой системы существует свое критическое напряжение сдвига, ниже которого оно не происходит. При недостаточном диспергировании могут ухудшиться свойства вулканизатов. Процесс смешения каучука с ингредиентами сопровождается рядом физико-химических и химических явлении, которые существенно влияют на состояние смеси и само смешение. При смешении происходит диффузия и растворение некоторых компонентов в смеси, что приводит, с одной стороны, к более равномерному их распределению, а с другой (особенно при введении пластификаторов), — к существенному уменьшению вязкости, снижению напряжений сдвига и изменению других реологических характеристик смеси. В случае введения некоторых порошкообразных нерастворимых в каучуке ингредиентов (технического углерода) возможно существенное увеличение вязкости смеси вследствие образования прочной саже-каучуковой структуры (саже-каучуковый гель), гидродинамических эффектов и главным образом в результате адсорбции каучуков на поверхности частиц наполнителей, а также хемосорбции, активированной механическими напряжениями.
По изменению пластичности во время cмешения каучуки можно разделить на две группы. К первой группе следует отнести каучуки, которые в процессе смешения сравнительно легко могут перепластицироваться. Это натуральные каучуки (НК), особенно с большим содержанием смол, и каучук СКИ-3. Приготовление смесей из этих каучуков надо проводить быстро. На рис. 3 показано влияние дополнительной пластикации (происходящей во время смешения натурального каучука с ингредиентами) на механические свойства вулканизатов. Ко второй группе относятся бутилкаучук, полихлоропрен, бутадиеновый, бутадиен-стирольный и бутадиен-нитрильный каучуки, пластичность которых при смешении изменяется незначительно. Употребляемые применительно к процессу смешения термины «пластицирующиеся» и «непластицирующиеся» каучуки являются условными, так как они характеризуют поведение каучуков в течение очень короткого по времени процесса смешения. Прочность резин, в значительной мере определяемая прочностью каучуковой фазы, тесно связана с пластичностью: чем больше пластичность каучука, тем больше падает его механическая прочность. Для обеспечения оптимальных механических свойств смесей каучук должен обладать определенной пластичностью, которую необходимо по возможности сохранять при проведении технологического процесса [12]. При смешении в результате действия возникающих напряжений сдвига происходят механохимические процессы: деструкция полимера, сопровождающаяся снижением его вязкости (пластикация), и активация взаимодействия полимера с наполнителем, сопровождающаяся увеличением вязкости. В процессе смешения резиновая смесь вследствие внутреннего трения интенсивно разогревается, что приводит к снижению вязкости смеси и уменьшению напряжений сдвига, ускорению термоокислительных процессов, а также к преждевременной вулканизации смеси. Действие различных факторов, определяющих процесс смешения, часто оказывается взаимно противоположным, поэтому выбирать режим смешения следует в соответствии с применяемым оборудованием, учитывая состав резиновой смеси, требования, предъявляемые к качеству смеси, и экономические показатели процесса смешения. Для получения резиновой смеси высокого качества необходимо в процессе смешения: обеспечить деформацию и напряжение сдвига, достаточные для смешения и диспергирования, но не приводящие к перепластикации смеси; определить оптимальные температурные условия процесса, от которых зависят напряжения сдвига, расход энергии при смешении, термоокислительная деструкция каучука и подвулканизация резиновой смеси, а также обеспечить высокую интенсивность процесса, определяющую производительность труда [11] . ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|