LABORATORIUM POLIMERY I MATERIAŁY FUNKCJONALNE. ĆWICZENIE l

Transkrypt

1 LABORATORIUM -.. POLIMERY I MATERIAŁY FUNKCJONALNE Sporządzanie ĆWICZENIE l mieszanki' gumowej

2 NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI..... * Politechnika Łódzka Wydział Chemiczny INSTRUKCJA LABORATORIUM "Sporządzanie mieszanki gumowej" (Preparation of rubber mixtures) realizowanego w ramach Zadania nr 9 pn. "Doposażenie laboratorium pod nazwą Materiały i nanomateriały polimerowe jako materiały inżyni"erskie" Instrukcję opracowała: dr Magdalena Lipińska Łódź,2009 ul.1wlrki36, tódt " tel Projekt realizowany w ramach PrIorytetu IV- DzIałanie 4.1- PoddzIalanIe pn. Przygotowanle I realizacja nowych klerunk6w studl6w w odpowiedzi na wsp6/czesne potrzeby /YfIku pracy I wymagonia gospodarki opartej na wiedzo;

3 łkapitał LUDZKI NARODOWA STRATEGIASPOJNOŚCI SPIS TREŚCI 1. CELĆWICZENIA (Alm of studles) Z. WPROWADZENIE (lntroduction) PRZEBIEGĆWICZENIA(Procedure) Aparatura pomiarowa Wykonanie ćwiczenia OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA(Report) Cel ćwiczenia Metodyka pomiarów : , Wyniki pomiar6w Opracowanie wyników pomiarów Wnioski : LITERATURA(References) PYTANIA SPRAWDZAJĄCE(Problems) EFEKTYKSZTAŁCENIA(Leaming outcomes) Co student powinien wiedzieć Co student powinien umleć TELEFONYALARMOWE (Emergency numbers) laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 2

4 NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI FUNDUSZSPOlECZNY Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach 1. CELĆWICZENIA (Aim of studies) Celem ćwiczenia pn. "Sporządzanie mieszanki gumowej' realizowanego w ramach Zadania nr 9 jest zapoznanie uczestników laboratorium z technologią procesu otrzymywania wyrobów gumowych oraz przybliżenie żagadnień związanych z doborem składników mieszanki gumowej tak aby w rezultacie możliwe było otrzymanie wyrobu gumowego o korzystnych właściwościach użytkowych na drodze wulkanizacji mieszanki w prasach hydraulicznych. W trakcie ćwiczenia studenci wykonają pod opieką prowadzącego mieszankę gumową za pomocą walcarki, oznaczą dla niej optymalny czas wulkanizacji, zwulkanizują sporządzoną mieszankę gumową w prasie hydraulicznej. Oznaczą odbojność dla otrzymanego wyrobu gumowego. 2. WPROWADZENIE (Introduction) 2.1 Pojęcia podstawowe. Pod pojęciem mieszanka gumowa (rubber mixture) rozumiemy materiał plastyczny składający się z jednego lub więcej kauczuku z dodatkiem innych składników niezbędnych do otrzymania gumy (wulkanizatu) o określonych właściwościach. Mieszanka gumowa jest to układ wielofazowy jednorodny makroskopowo lecz niejednorodny mikroskopowo w którym inne składniki są rozpuszczone lub zdyspergowane w matrycy elastomeru. Wulkanizat (guma) (crosslinked rubber, cured rubber) jest to materiał otrzymany przez usieciowanie (wulkanizację) kauczuku substancją sieciującą (na ogół 0,5-3% wag.) lub pod działaniem promieni Ó wysokiej energii. Guma charakteryzuje się wysoką elastycznością w szerokim zakresie temperatury. Przedmieszka - zawiera część składników mieszanki gumowej (przedmieszki kauczuku z sadzą, przyśpieszaczami, siarką, pigmentami lub innymi składnikami). Sporządzenie przedmieszki umożliwia polepszenie warunków pracy (przygotowanie mieszanek bez - pylenia), lepsządyspersję składników, uniknięcie podwulkanizowania. laboratorium pn. Sporządzanie mll!s2anldsumowej realizowane w ramach Zadania nr9 3

5 İ.. KAPITAŁ LUDZKI NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach Podwulkanizowanie (scorchlng)- jest to nieznaczne usieciowanie kauczuku powodujące powstanie nierozpuszczajnego żelu, lecz niedające produktu o właściwościach charakterystycznych dla gumy. Podwulkanizowanie może wystąpić podczas przygotowywania mieszanki gumowej, kalandrowania, wytłaczania i innych operacji technologicznych oraz podczas przechowywania mieszanki w podwyższonej temperaturze. Podwulkanizowanie określa się za pomocą reometru oscylacyjnego lub rotacyjnego. 2.2 Składniki mieszanek gumowych Skład mieszanek gumowych w zależnościod ich przeznaczenia jest następujący: Składniki podstawowe (rys la) Skła'dniki specjalnego przeznaczenia(rys lb) Podstawowym składnikiem mieszanki gumowej oprócz elastomerów są substancje wulkanizujące. Powszechnie stosowanym środkiem wulkanizującym jest siarka elementarna, jak także substancje zawierające siarkę, Ostatnio do sieciowania stosuje się nadtlenki organiczne czy też tlenki metali. Siarkę stosuje się w obecności przyspieszaczy wulkanizacji - składników mieszanki gumowe] przyśpieszających reakcje sieciowania i umożliwiających przeprowadzenie jej w niższej temperaturze i przy niższym zużyciu siarki. Substancje te stosowane są w ilościach 0.2-4% wagowych. W skład siarkowego zespołu sieciującego wchodzą także aktywatory wulkanizacji, które zwiększają -skuteczność działania przyśpieszaczy. Do aktywatorów wulkanizacji zalicza się tlenki cynku i magnezu, kwasy tłuszczowe (najczęściej kwas stearynowy). Oprócz wymienionych składników do mieszanek gumowych dodaje się także substancjeułatwiająceobróbkę i przygotowanie mieszanekgumowych. Do takich substancjizaliczamy: Dyspergatoryskładników mieszanek Aktywatory zmiękczaniakauczuku ZWiązkizwiększającekleistośćmieszanek Materiały i substancjeułatwiająceadhezję. PrzyprojektowaniUskładumieszankigumowejnależypamiętać,że większośćskładników zmienianie tylko właściwościotrzymanychwulkanizatów,ale takżewpływa także na zachowaniesię mieszanekw procesachprzetwórczych. laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 4

6 İ." KAPITAŁ LUDZKI NARODOWAS~~G~S~NO~I Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach aj podstawowe składniki mieszanek gumowych b) składniki specjalnego przeznaczenia ~ ~ kauczuki, polimery kauczukopodobne zespół sieciujący: substancje wulkanizujące * przyśpieszacze wulkanizacji aktywatory wulkanizacji napełniacze - silnie rozdrobnione substancje mineralne b.ądźorganiczne dodawane do mieszanki gumowej w celu zapewnienia jej określonych właściwości fizycznych Iobniżenia kosztów. plastyfikatory (zmiękczacze) - substancje mało lotne dodawane do mieszanki gumowej w celu zwiekszenia plastyczności i ułatwienia I- operacji przetwórczych oraz obnlżenla kosztów produkcji wyrobu, szczególnie w przypadku znacznego udziału napełniaczy w mieszance. J --- środki przeciwstarzeniowe I- porofory (środki porotwórcze) - substancje wydzielające gaz podczas rozkładu w wyżej temperaturze I powodujące powstanie porów i zwiększenie objętości gumy podczas lub ~ wulkanizacji r antyplreny (op6źnlacz~ palenia) - ~ substancje zmniejszające palność przez: a) zwiększenie pojemności cieplnej układu (tlenki żelaza, cynku, antymonu), r- b) wytworzenie warstwy izolującej w czasie palenia (borany, fosforany wapnia, glinu, chlorowcowęglowodory, c) pochłanianie wydzielanego się podczas przemiany ciepła (uwodniony tlenek glinu, węglany) ~ " J I środki usztywniające substancje obniżające aktywność ~ przyśpieszaczy w procesach przetwórczych substancje zapachowe, farby, barwniki I J I J I środki grzybobójcze środki pudrujące Rys. 1: Podstawowe (a) i specjalnego przeznaczenia (b) składniki mieszanek gumowych. laboratorium pn. Sporządzanie mieszankilumowej realizowane w ramach Zadania nr9 5

7 NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI Skład mieszanki gumowej - recept,= można zapisywać podając: 1) ilości poszczególnych składników w częściach wagowych na 100 części wagowych kauczuku, 2) zawartości kauczuku I składników w mieszance w % wagowych, 3) zawartości kauczuku I składników w mieszance w % objętościowych, 4) ilości wagowe i objętościowe składników mieszanki (w kilogramach, litrach) odpowiadające pojemności użytkowej urządzenia, na którym przygotowuje się mieszankę (recepta robocza). Każda recepta powinna mieć swój numer lub symbol. Podaje się w niej również nazwę mieszanki, jej gęstość, barwę w stanie surowym i. zwulkanizowanym, plastyczność kauczuku I gotowej mieszanki, twardość wulkanizatu. Dane te są niezbędne dla kontroli jakości produkowanej mieszanki. R E C E p T A Rys 2: Skład mieszanki nienapełnionej z siarkowym zespołem sieclującym. 2.3 Substancje wulkanizujące Istota działania Siarka Substancje wulkanizujące powodują powstawanie poprzecznych wiązań między łańcuchami makrocząsteczek kauczuku. Podstawowymi substancjami wulkanizującymi nienasycone elastomery są siarka lub substancje wydzielające siarkę w procesie wulkanizowania (donory siarki). Laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 6

8 NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOśCI Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach Siarka należy do substancji, które w stanie wolnym tworzą wiele odmian alotropowych o ograniczonej odporności na zmiany temperatury. Cząsteczka siarki elementarnej jest pierścieniem ośmioczłonowym. Najbardziej rozpowszechnioną, trwałą w temperaturze pokojowej odmianą siarki jest odmiana a, rombowa. Występuje ona w postaci przeźroczystych, żółtych kryształów układu rombowego (ośmiościany). Siarka romobowa rozpuszczalnajest w disiarczku węgla i w kauczukach. Powolne chłodzenie roztopionej siarki powoduje powstanie odmiany, siarki jednoskośnej występującej w postaci długich ciemnożółtych igieł. Odmiana ta jest niestabilna, w temperaturze poniżej 96 C przechodzi ona powoli w siarkę rombową.' Siarka jednoskośna rozpuszcza się w kauczuku znacznie wolniej niż siarka rombowa. Siarkę bezpostaciową (plastyczną), nierozpuszczalną otrzymuje się przy szybkim ochłodzeniu ślarki roztopionej zimną wodą. W miarę upływu czasu przechodzi ona w siarkę rombową. Różne właściwości krystalicznych odmian siarki są następstwem różnej budowy kryształów a nie różnej liczby atomów w cząsteczce. W skali przemysłowej używa się niepylącej siarki olejowanej (5-20% oleju), która jest znacznie mniej podatna na tworzenie mieszanin wybuchowych z powietrzem. Siarki spolimeryzowanej o ograniczonej rozpuszczalności w kauczuku. Obecnie wulkanizację kauczuku siarką przeprowadza się zwykle przy udziale przyśpieszaczy organicznych i ich aktywatorów (klasycznyzespół sieciujący ). Wulkanizaty sieciowane samą siarką ze względu na specyfikę swojej struktury, obecność w nich poprzecznych wiązań wielosiarczkowych, nie odznaczają się stosunkowo dużą odpornością cieplną i są bardziej wrażliwe na działanie utleniające. przy dużej zawartości siarki następuje -pogorszenie właściwości dynamicznych wulkanizatów. Dokładne ustalenie ilości siarki w recepturze zależne jest od żądanych właściwości mieszanek i wulkanizatów. W mieszankach zawartość siarki najczęściej nie przekracza 2-3,5%. Nadtlenki organiczne itlenki metali Elastomery a zwłaszcza te niezawierające wiązań podwójnych takie jak: kauczuk etylenowopropylenowy EPM czy też uwodorniony kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy HNBRsieciuje się także nadtlenkami organicznymi. Nadtlenki (peroxides) są to substancje wulkanizujące laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 7

9 NARODOWA STRATEGIASPOJNOścl Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach kauczuki zawierające zarówno wiązania nienasycone jak i nasycone na skutek utworzenia poprzecznych wiązań c-c na drodze reakcji rodnikowych. W praktyce przemysłowej używa się nadtlenków zawierających w grupie nadtlenkowej trzeciorzędowe atomy węgla, gdyż takie nadtlenki są najbardziej stabilne w czasie przechowywania, bezpieczne w operacjach technologicznych wystarczająco reaktywne podczas wulkanizacji w stosowanej temperaturze. Do sieciowania elastomerów można używaćtlenków metali (rys 2.),-,': «,,. ',; '~:.:'.: ';' " POli~fvl~n~h,,:ęff~'~i!fh~~~~V:, kauc:zu'kt~hl~rb~~~ri~we' :'";",:..",. ~.-::.:,;':.:". :-::~~-~'!':,:'.:~-;' '-"';:~:'i.:~,'-':~,'.. "~i,',' pollmęry,w kt9~chjęa,~~ę'grupy..'~łóyjfliekwasowe- 'wprovł~di~nę's'łw:pfąc:ę~lępqii",ervzacjl'.,np,' karboksylowcł'1y.k~4ct~g:.b~tą~ienąwp~akrylonltrylowv " "',' <;;'~"XN~~.?,':i",>,",,. Rys2: Zastosowanie tlenków metali do sieciowania elastomerów. Największe znaczenie praktyczne mają tlenek cynku i tlenek magnezu stosowane pojedynczo lub łącznie. Tlenki metali często stosuje się w połączeniu z innymi substancjami kwasami organicznymi czy też przyśpieszaczami. Przyspieszacze I inne środki wpływające na przebieg wulkanizacji. Współcześnie do wulkanizacji stosuje się siarkę w obecności przyśpieszaczy i aktywatorów. Przyspieszacze wulkanizacji są to substancje organiczne skracające czas wulkanizacji wyrobu. A tym samym powodują kilkakrotny wzrost wydajności urządzeń przy tym samym zużyciu energii. Wywierają decydujący wpływ na strukturę sieci przestrzennej wulkanizatów a tym samym na ich właściwości fizyczne. Zmniejszenie zawartości siarki.l zastosowanie jej w zespole sieciującym razem z przyspieszaczem i aktywatorem zmniejsza niebezpieczeństwo przewulkanizowania wyrobu, ogranicza laboratorium pn. SporządzanIe mieszanki gumowej realizowane w ramach ZadanIa nr9 8

10 NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI FUNDUSZSPOlECZNY wykwitanie wolnej siarki na powierzchni wyrobu i umożliwia w niektórych przypadkach obniżenie temperatury wulkanizacji co w rezultacie powoduje otrzymanie wulkanizatów o znacznie lepszych właściwościach. Rys3: Klasyfikacjaprzyspieszaczy. Mechanizm działania przyspieszaczy w czasie wulkanizacji zależy od ich budowy chemicznej. W czasie wulkanizacji reagują one z siarką i kauczukiem, tworząc produkty pośrednie o zwiększonym powinowactwie względem siebie, co prowadzi do utworzenia poprzecznych wiązań siarkowych o różnej budowie modyfikujących strukturę i właściwości wulkanizatu. Przyspieszacze wpływają na strukturę przestrzenną wulkanizatu. Rodzaj wiązań poprzecznych w wulkanizacie zależy od względnego udziału siarki i przyspieszacza oraz od temperatury wulkanizacji. Z reguły wyższatemperatura wulkanizacji w połączeniu z większą zawartością przyspieszacza powoduje zmniejszenie ilości wiązań wielosiarczkowych w wulkanizacie. Niektóre przyspieszacze mogą być także środkami wulkanizującymi (tiuramy, przyspieszaczewielosiarczkowe) i w temperaturze wulkanlzac]! rozkładać się z wydzielaniem siarki a tym samym wulkanizować kauczuk bez użycia siarki elementarnej. Działanie Laboratońum pn. Sporządzanie mieszanki sumowej realizowane w ramach Zadania nr9 9

11 İ.., KAPITAŁ LUDZKI NARODOWA STRATEGIASPOJNOŚCI FUNDUSZSPOlECZNY przyspieszaczy może być synergiczne, w przypadku obecności w mieszance kilku przyspieszaczy wiele z nich aktywuje się wzajemnie. Większość przyspieszaczystosowanych w przemyśle gumowym z powodu swojej polarności źle dysperguje i rozpuszcza się w elastomerach węglowodorowych stąd wynika konieczność stosowania substancji ułatwiających dyspergowanie. Aktywatory wulkanizacji i mechanizm ich działania Większość przyspieszaczy wulkanizacji dla optymalnego działania wymaga obecności nieorganicznych lub organicznych aktywatorów. Aktywność większości przyspieszaczy wzrasta z wprowadzeniem do mieszanki aktywatorów np. tlenku cynku, tlenku magnezu. kwasu organicznego lub jego soli (kwas stearynowy, palmitynowy, laury nowy, stearynian cynku). Działanie aktywatorów polega na tworzeniu kompleksu przyspieszacz-tlenek cynkukwas tłuszczowy rozpuszczalnego w kauczuku wzmacniając działanie przyspieszaczy. Dodatkowo obecność kwasów tłuszczowych sprzyja lepszej dyspersji przyspieszaczy w kauczuku. Napełniacze iich rola w mieszance gumowej. Napełniacze (filiers) - są to ciała stałe, nieorganiczne lub organiczne odznaczające się odpowiednim stopniem rozdrobnienia, na ogół trudno rozpuszczalne w wodzie, pozwalające się łatwo i dosyć równomiernie rozprowadzić w uplastycznionym kauczuku podczas mechanicznego mieszania. Rolą napełniaczy w mieszance gumowej jest: obniżenie kosztów wytwarzania wyrobu, nadanie mieszankom gumowym odpowiednich właściwości przerobowych, nadanie wulkanizatom odpowiednich właściwości fizycznych. ~e względu na wpływ napełniaczy na właściwości mechaniczne wulkanizatów podzielono napełniacze na: napełniacze aktywne (wzmacniające) - poprawiają właściwości mechaniczne wulkanizatów, napełniacze półaktywne - nie podwyższają wytrzymałości na rozciąganie, ale wpływają na zwiększenie modułu i twardość wulkanizatów, napełniacze bierne, nieaktywne. laboratorium pn. Sponądzanle mieszankilumowej realizowane w ramach Zadania nr9 10

12 J. KAPITAŁ II NARODOWA LUDZKI STRATEGIA SPÓJNOŚCI FUNDUSZSPOlECZNY Rys 4: Klasyfikacja napełniaczy ze względu na różne cechy. Za parametry wpływające na działanie wzmacniające napełniaczy przyjmuje się:./ wymiary cząstek oraz ich rozrzut,./ wielkość powierzchni właściwej,./ strukturę napełniacza w ośrodku, czyli przestrzenne powiązanie cząstek,./ naturę chemiczną i flzvczną powierzchni,./ stan energetyczny powierzchni (tzn. energię powierzchniową)./ rozkład centrów energetycznych,./ strukturę krystalograficzną, defekty struktury,./ stopień dyspersji w ośrodku elastomerowym,./ występowanie zanieczyszczeń,./ rodzaj ośrodka elastomerowego. Efekt wzmacniania elastomeru wywołują: sadza, krzemionka aktywna, uwodnione krzemiany glinu i wapnia, kaolin, tlenek glinu. laboratorium pn. Sporządzimie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 11

13 NARODOWA STRATEGIA SPóJNOŚCI FUNDUSZ SPOLECZNY 2.3 Sieciowa nie elastomerów (wulkanizacja). SiecIowanie kauczuku podczas wulkanizacji polega na łączeniu makrocząsteczek wiązaniami chemicznymi i utworzeniu sieci przestrzennej (rys. 5) na skutek zastosowania substancji siedujących (sieciowanie chemiczne) lub promieniowania o dużej energii (sieciowanie radiacyjne, fotochemiczne). Sieciowanie (rys. 6) może zachodzić w obrębie łańcuchów (crossiinking) lub z udziałem ich końców (endlinking). Tworzenie się sieci przestrzennej (Network formatlon) Makrocząsteczki Rubber molecules siarka Rys 5: Tworzenie się sieci przestrzennej podczas sieciowania za pomocą siarki. y a) b) Rys6.: Siedowanie 'w obrębie łańcuchów (a) i z udziałem ich końców (b, c). Mechanizm siedowaniachemicznego (rys 7.) może być zarówno rodnikowy, jonowy czy też mieszany w zależnościod budowy kauczuku i rodzaju zastosowanych substancji siedujących. laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 12

14 -. f1i KAPITAŁ RO-OR RO +M M + M LUDZKI NARODOWA STRATEGIA SPOJNOŚCI FUNDUSZSPotECZNV Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach ---.~. 2 RO M-COOH + ZnO + HOOC-M --.~M -~~M -M M-COO Zn 2 + OOC-M + H2 ł a) b) Rys. 7: Sieciowanie nadtlenkowe według mechanizmu rodnikowego (a) i jonowe przy użyciu jako substancji sieciującej tlenku cynku (b). M - makrocząsteczka Sieciowanie kauczuku za pomocą siarki rozpoczyna się wtedy, gdy pierścień ośmioczłonowy siarki rozpada się na drodze rozpadu homolitycznego lub heterolitycznego na fragmenty aktywne z powstaniem odpowiednio dwurodników lub jonów. Rozpad hemolityczny (na rodniki - rys 8) zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury, powyżej lsqoc lub pod wpływem rodników R tworzących się z kauczuku lub przyspieszacza wulkanizacji. Rodniki zawierające osiem atomów siarki mogą rozpadać się na krótsze. Dalszy rozpad wymaga mniej energii niż energia rozpadu pierścienia ośmioczłonowego. Ss (pierścień). Ss Sx + SS-x R + Ss (pierścień) RSs RSs ~ ~ _RSx + SS-x Rys. 8: Rozpad homo lityczny pierścienia Ss. Rodniki siarki reagują z makrocząsteczkami kauczuku w miejscu wiązań podwójnvch lub z innymi grupami aktywnymi w kauczuku (grupy a-metylenowe). Szybkość przyłączania siarki i jej skuteczność w reakcjach sieciowania zależy od budowy elastomeru. Wyznaczenie optymalnego czasu wulkanizacji mieszanki gumowej. Dawniej przebieg sieciowania śledzono dokonując analizy zmian stężenia substanqł sieciującej lub oznaczeń gęstości powstającej sieci przestrzennej. Obecnie powszechnie stosuje się w tym celu reometry mierzące i rejestrujące zmiany momentu skręcającego w funkcji czasu dla odpowiedniej temperatury. Za pornocą reometrów można wyznaczyć laboratorium pn. Sporządzanie mieszankilumowej realizowane w ramach Zadania nr9 13

15 İ. KAPITAŁ LUDZKI NARODOWA STRATEGIA SPOJNOŚCI Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach kinetykę wulkanizacji mieszanek gumowych a na podstawie krzywej zmian momentu skręcającego w funkcji czasuwulkanizacji (rys 9) obliczyć: gdzie: a) przyrost momentu obrotowego AM AM = Mmu - MmIn Mmu - maksymalny moment skręcający rotora [dnm] Mm/n - minimalny moment skręcający rotora [dnm] b) optymalny czas wulkanizacji TO,9 [s], po którym moment skręcający rotora osiąga wartość: AMo.s = 0,9 AM + MmIn Przetwórstwo wulkanizacja Pod lkanizacja sieciowanie M max rewersja to.1i Czas t Rys.9: Przebieg krzywej reometrycznej. 2.4 Oznaczanie odbojnoścl (elastyczności) elastomerów. Nazwa elastomery obejmuje związki wielkocząsteczkowe odznaczające się dużą elastycznością (zdolnośclą do ulegania znacznym odkształceniom odwracalnym) w szerokim przedziale temperatury. Ich giętkie, liniowe makrocząsteczki o niezbyt dużych oddziaływaniach międzycząsteczkowych charakteryzują się małą barierą rotacyjną stąd elastomery posiadają zdolność do szybkiego powrotu elastycznego po deformacji. Elastyczność (odbojność) in znaczeniu technicznym jest to miara zdolności gumy do odzyskania kształt~ początkowego po odjęciu siły, która wywołała zmianę kształtu. W praktyce elastyczność gumy oznacza się metodą odbicia kulki metalowej od próbki, wykonując pomiar wielkości energii odbicia w stosunku do energii przekazanej gumie przez uderzająca kulkę. laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 14

16 ' NARODOWA STRATEGIA SPóJNOŚCI FUNDUSZ SPOŁfCZNY Pomiar ten wykonywany jest też metodą Shoba, gdzie zasada pomiaru polega na uderzeniu próbki obciążnikiem przymocowanym do wahadła. Elastyczność wyrażona jest stosunkiem wysokości odchylenia wahadła do wysokości jego spadku. Wartość ta jest wyrażana w procentach. Na elastyczność elastomerów wpływ ma wiele czynników. Rośnie ona wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze wzrostem twardości. Dodatek napełniaczy powodując wzrost twardości powoduje zmniejszenie się elastyczności. Wpływ na elastyczność ma także rodzaj zastosowanego kauczuku. Najmniejszą elastycznością charakteryzują się wulkanizaty kauczuku pollslarczkowego, NBR (butadienowo-akrylonitrylowego), a największą NR (kauczuk naturalny)m BR (kauczuk butadienowy), er (kauczuk chloroprenowy). 3 PRZEBIEGĆWICZENIA (Procedure) W trakcie ćwiczenia pod opieką prowadzącego ćwiczenia I personelu przeszkolonego do obsługi walcarki laboratoryjnej sporządzona zostanie mieszanka gumowa. Wyznaczony zostanie optymalny czas wulkanizacji mieszanki gumowej. Dla zwulkanizowanego wyrobu (piłka kauczukowa) oznaczona zostanie odbojność Aparatura pomiarowa Mieszanki gumowe sporządzone będą za pomocą walcarki laboratoryjnej (rys. 10) o wymiarach walć6w D = 200 mm, L = 450 mm, w temperaturze około C. Sporządzanie mieszanek będzie odbywało się przy szybkości obrotowej przedniego walca V p = 20 obr/min, przy frykcji f = 1,1. Rys. 10 Walcarki laboratoryjne służące do sporządzania mieszanek gumowych Optymalny czas wulkanizacji sporządzonej mieszanki gumowej wyznaczony zostanie na podstawłe pomiarów reometrycznych za pomocą wulkametru z oscylującym rotorem typu WG-D2 laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 15

17 NARODOWA STRATEGIA SPóJNOŚCI (produkcji ZACH METALCHEM) (rys. 11) w temperaturze 160 oc. Metoda pomiaru polega n.apomiarze wielkości momentu skręcającego w f~nkcjl czasu wulkanizacji, przy odkształceniu ścinającym próbki wywołanym oscylacją rotora ze stałą częstotliwością, amplltu~ą I w stałej temperaturze (kąt oscylacji wynosi3!!, a częstotliwość oscylacjll,7±o,1 Hz.) Rys. 11 Wulkametr Z oscylującym rotorem typu WG-02 Mieszanka gumowa zostanie zwulkanizowana w formie stalowej (rys. 12), umieszczonej między ogrzewanymi elektrycznie półkami prasy hydraulicznej (rys. 13). Temperatura wulkanizacji wynosi C, a ciśnienie na półkach prasy około 15 MPa. Czas wulkanizacji mieszanek zgodny będzie z otrzymanymi z pomiarów reometrycznych wartościami optymalnego czasu wulkanizacji TO.9 [s]. Rys. 12: Forma stalowa używana do wulkanizacji mieszanki gumowej otrzymanej podczas ćwiczenia. laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 16

18 NARODOWA STRATEGIA SPOJNOŚCI. (a) (b) Rys. is. Prasa hydrauliczna do wulkanizacji mieszanek gumowych (a),mieszanka gumowa i zwulkanizowany wyrób gumowy (piłka kauczukowa) (b). Pomiar odbojności odbywa się metodą odbicia kauczukowej kulki od metalowego krążka na stanowisku pomiarowym (rys. 14) składającym się ze szklanej tuby, w której umieszcza się piłkę kauczukową i ruchem swobodnym opuszcza ją się na metalowy krążek. Za pomocą kamery odczytuje się maksymalną wysokość na którą odbije się piłka kauczukowa od podłoża metalowego. Rys 14. Stanowisko do pomiaru odbojności Wykonanie ćwiczenia Sporządzenie mieszanki gumowej a) Odważyć składniki mieszanki gumowej na wadze laboratoryjnej zgodnie z receptą zamieszczoną w tabeli 1. Laboratorium pn. ~ponądzanle mleszanld sumowej reanzowane w ramach Zadania nr9 17

19 NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI FUNDUSZSPotECZNY Projekt współfinansowany ze środków UnII Europejskiej w ramach Tabela 1: Skład mieszanki gumowej. Składnik Skład mieszanki [cz. wag.] Kauczuk naturalny 100 Siarka mielona 2 PrzyspieszaczCBS ( M) 2 Tlenek cynku 5 Stearyna 1 Kreda 30 Przeciwutleniacz Polnox N 1 b) Mieszanka gumo~a zostanie wykonana za pomocą walcarki laboratoryjnej przęz personel odpowiednio do tego celu przeszkolony. Czas wstępnego uplastyczniania kauczuku będzie wynosił około 5-8 minut, po czym dodawane będą pozostałe składniki. Całkowity czas przygotowania kompozycji (zależny od składu) dla podanej recepty nie przekracza minut. Z mieszanki wyciągnięta zostanie płyta o grubości około 6-8 mm. Oznaczenie optymalnego aasu wulkanizacji i e)' Przeprowadzić pomiar właściwości reometrycznych w 160 C za pomocą reometru WG-D2 zgodnie z zaleceniami prowadzącego. W tym celu umieścić wycięty wcześniej krążek z mieszanki gumowej w komorze pomiarowej reometru (rys 14). Pod opieką prowadzącego zamknąć komorę pomiarową i uruchomić pomiar zmian modułu skręcającego w funkcji czasu wulkanizacji. Z otrzymanej krzywej reometrycznej wyznaczyć optymalny czas wulkanizacji mleszankl.gurnowe]. Wulkanizacja mieszanki gumowej. d) Odważyć około 20g mieszanki gumowej. Umieścić odważoną Ilość mieszanki w gnieździe formy wulkanizacyjnej (rys 12). Zwulkanizować za pomocą prasy wulkanizacyjnej w czasie wyznaczonym z pomiarów reometrycznych. Oznaczenie odbojno~ci. e) Uprzednio zwulkanizowaną piłeczkę kauczukową umieścić w szklanej tubie, a następnie ruchem swobodnym puścić. Za pomocą kamery odczytać maksymalną wysokość na jaką odbije się piłeczka od podłoża. laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr 9 18

20 NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI 3 OPRACOWANIESPRAWOZDANIA(Report) 4.1. Cel ćwiczenia Opiscelućwiczenia 4.2. Metodyka pomiarów Charakterystykaobiektu badań,opis stosowanejmetodyki orazwarunki prowadzeniapomiarów Wyniki pomiarów W sprawozdaniu umieścić wyliczone z krzywej reometrycznej parametry takie jak: moment minimalny, moment maksymalny, przyrost momentu obrotowego podczas sieciowania, optymalny czas wulkanizacji 't0.9. Zamieścićwyniki pomiarów odbojności: H śr - maksymalną wysokość odbicia Opracowanie wyników pomiarów Z otrzymane] krzywej reometrycznej odczytać wartość momentu minimalnego (dnm) momentu maksymalnego (dnm). Obliczyć przyrost momentu obrotowego podczas sieciowania am i moment optymalny zgodnie z: AM = M - MminI AMł1,9= 0,9 AM + MmIn Odczytać z krzywej wartość czasu (optymalny czas wulkanizacji) przyjmujewartośćamo,g. dla której wartość mo~entu Wyliczyćwartość średnią Hjrz otrzymanychwyników pomiarów maksymalnejwysokościodbicia dla zwulkanizowanejpiłeczkikauczukowej Wnioski 4 LITERATURA(References) [11 pod redakcją Sadhan K. De, White Jim R., przekład z języka angielskiego Instytut Przemysłu Gumowego "Stomil" "Poradnik technologa gumy", wydanie polskie Instytut Przemysłu Gumowego "Stomil", Piastów, 2003r. [2] Wypych George "Handbook ot filiers" 2nd edltlon, ChemTec Publishing, Toronto 1999r. [3] Hewitt Norman "Compounding precipitated silica in elastomers", Wiliam Andrew Publishing, Norwich N.Y., USA2007r. [4] Praca zbiorowa pod edycją Gent Alan N., "Engineering with Rubber - How to design rubber components" Hanser Publishers, Munich, 2001r. laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 19

21 NARODOWA STRATEGIA SPóJNOŚCI [5] Dick John S. "How to improve rubber compounds experimental ideas for problem solving", Hanser Publishers, Munich, 2004r. 5 PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems) Jakie są podstawowe składniki mieszanek gumowych? Co oprócz składników podstawowych dodaje się do mieszanek gumowych? Dlaczego powszechnie do wulkanizacji stosuje się dodatek przyśpieszaczy? Co wpływa na działanie wzmacniające napełniaczy w ośrodku polimerowym? 6 EFEKTYKSZTAŁCENIA (Leaming outcomes) 7.1. Co student powinien wiedzieć - określić wpływ posz~eg6lnych składników mieszanki gumowej na jej właściwo~ci przetwórcze oraz na właściwości gotowego wyrobu - opisać metodę otrzymywania wyrobu gumowego od etapu sporządzania mieszanki gumowej za pornocą walcarki do wulkanizacji gotowego wyrobu Co student powinien umieć - wykonać pomiar właściwości reometrycznych. - wyliczyć parametry określające przebieg sieciowania mieszanki gumowej - wykonać pomiar odbojności 7 TELEFONYALARMOWE (Emergency numbers) Pogotowie ratunkowe: 999 Straż pożarna: 998 Policja: 997 Straż miejska: 986 Pogotowie ciepłownicze: 993. Pogotowie energetyczne: 991 Pogotowie gazowe:992 Pogotowie wodociągowe:994 Numer alarmowy z telefonu komórkowego: 112 laboratorium pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowane w ramach Zadania nr9 20