INSTRUKCJA LABORATORIUM

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 inżynierskie Instrukcję opracowała: dr Magdalena Lipioska Łódź, 2009 ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1. www. ife.p.lodz.pl pn. Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów tel. 042 278 45 31 w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy 042 638 38 26 i wymagania gospodarki opartej na wiedzy

SPIS TREŚCI 1. CEL DWICZENIA (Aim of studies)... 3 2. WPROWADZENIE (Introduction)... 3 3. PRZEBIEG DWICZENIA (Procedure)... 15 3.1. Aparatura pomiarowa... 15 3.2. Wykonanie dwiczenia... 17 4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)... 19 4.1. Cel dwiczenia... 19 4.2. Metodyka pomiarów... 19 4.3. Wyniki pomiarów... 19 4.4. Opracowanie wyników pomiarów... 19 4.5. Wnioski... 19 5. LITERATURA (References)... 19 6. PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)... 20 7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)... 20 7.1. Co student powinien wiedzied... 20 7.2. Co student powinien umied... 20 8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)... 20 Zadania nr 9 2

1. CEL DWICZENIA (Aim of studies) Celem dwiczenia pn. Sporządzanie mieszanki gumowej realizowanego w ramach Zadania nr 9 jest zapoznanie uczestników laboratorium z technologią procesu otrzymywania wyrobów gumowych oraz przybliżenie zagadnieo 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 dwiczenia studenci wykonają pod opieką prowadzącego mieszankę gumową za pomocą walcarki, oznaczą dla niej optymalny czas wulkanizacji, zwulkanizują sporządzoną mieszankę gumową w prasie hydraulicznej. Oznaczą odbojnośd 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 o wysokiej energii. Guma charakteryzuje się wysoką elastycznością w szerokim zakresie temperatury. Przedmieszka zawiera częśd składników mieszanki gumowej (przedmieszki kauczuku z sadzą, przyśpieszaczami, siarką, pigmentami lub innymi składnikami). Sporządzenie przedmieszki umożliwia polepszenie warunków pracy (przygotowanie mieszanek bez pylenia), lepszą dyspersję składników, uniknięcie podwulkanizowania. Zadania nr 9 3

Podwulkanizowanie (scorching)- jest to nieznaczne usieciowanie kauczuku powodujące powstanie nierozpuszczalnego żelu, lecz niedające produktu o właściwościach charakterystycznych dla gumy. Podwulkanizowanie może wystąpid 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 zależności od ich przeznaczenia jest następujący: Składniki podstawowe (rys 1a) Składniki specjalnego przeznaczenia (rys 1b) 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 gumowej 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 skutecznośd 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 substancje ułatwiające obróbkę i przygotowanie mieszanek gumowych. Do takich substancji zaliczamy: Dyspergatory składników mieszanek Aktywatory zmiękczania kauczuku Związki zwiększające kleistośd mieszanek Materiały i substancje ułatwiające adhezję. Przy projektowaniu składu mieszanki gumowej należy pamiętad, że większośd składników zmienia nie tylko właściwości otrzymanych wulkanizatów, ale także wpływa także na zachowanie się mieszanek w procesach przetwórczych. Zadania nr 9 4

a) podstawowe składniki mieszanek gumowych b) składniki specjalnego przeznaczenia kauczuki, polimery kauczukopodobne zespół sieciujący: * substancje wulkanizujące * przyśpieszacze wulkanizacji * aktywatory wulkanizacji napełniacze - silnie rozdrobnione substancje mineralne bądź organiczne dodawane do mieszanki gumowej w celu zapewnienia jej określonych właściwości fizycznych i obniżenia kosztów. plastyfikatory (zmiękczacze) - substancje mało lotne dodawane do mieszanki gumowej w celu zwiekszenia plastyczności i ułatwienia operacji przetwórczych oraz obniżenia kosztów produkcji wyrobu, szczególnie w przypadku znacznego udziału napełniaczy w mieszance. środki przeciwstarzeniowe porofory (środki porotwórcze) - substancje wydzielające gaz podczas rozkładu w wyżej temperaturze i powodujące powstanie porów i zwiększenie objętości gumy podczas lub po wulkanizacji antypireny (opóźniacze palenia) - substancje zmniejszające palnośd przez: a) zwiększenie pojemności cieplnej układu (tlenki żelaza, cynku, antymonu), b) wytworzenie warstwy izolującej w czasie palenia (borany, fosforany wapnia, glinu, chlorowcowęglowodory, c) pochłanianie wydzielanego się podczas przemiany ciepła (uwodniony tlenek glinu, węglany) środki usztywniające substancje obniżające aktywnośd przyśpieszaczy w procesach przetwórczych substancje zapachowe, farby, barwniki środki grzybobójcze środki pudrujące Rys. 1: Podstawowe (a) i specjalnego przeznaczenia (b) składniki mieszanek gumowych. Zadania nr 9 5

Podstawowym składnikiem każdej mieszanki gumowej jest kauczuk (naturalny, syntetyczny) lub materiały kauczukopodobne. Zawartośd kauczuku w mieszankach gumowych mieści się w szerokim zakresie 5-95%. Mieszanki zawierające tylko kauczuk i składniki niezbędne do wulkanizacji to tzw. mieszanki nienapełnione. Skład mieszanki gumowej receptę można zapisywad 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 mied swój numer lub symbol. Podaje się w niej również nazwę mieszanki, jej gęstośd, barwę w stanie surowym i zwulkanizowanym, plastycznośd kauczuku i gotowej mieszanki, twardośd wulkanizatu. Dane te są niezbędne dla kontroli jakości produkowanej mieszanki. Kauczuk 100,0 Siarka 2-3.5 Przyśpieszacz 0,5-2 Tlenek cynku 5 Kwas stearynowy 1 R E C E P T A Rys 2: Skład mieszanki nienapełnionej z siarkowym zespołem sieciującym. 2.3 Substancje wulkanizujące istota działania Siarka Substancje wulkanizujące powodują powstawanie poprzecznych wiązao między łaocuchami makrocząsteczek kauczuku. Podstawowymi substancjami wulkanizującymi nienasycone elastomery są siarka lub substancje wydzielające siarkę w procesie wulkanizowania (donory siarki). Zadania nr 9 6

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, rombowa. Występuje ona w postaci przeźroczystych, żółtych kryształów układu rombowego (ośmiościany). Siarka romobowa rozpuszczalna jest 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 siarki 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 (klasyczny zespół sieciujący ). Wulkanizaty sieciowane samą siarką ze względu na specyfikę swojej struktury, obecnośd w nich poprzecznych wiązao 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 zawartośd siarki najczęściej nie przekracza 2-3,5%. Nadtlenki organiczne i tlenki metali Elastomery a zwłaszcza te niezawierające wiązao podwójnych takie jak: kauczuk etylenowopropylenowy EPM czy też uwodorniony kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy HNBR sieciuje się także nadtlenkami organicznymi. Nadtlenki (peroxides) są to substancje wulkanizujące Zadania nr 9 7

kauczuki zawierające zarówno wiązania nienasycone jak i nasycone na skutek utworzenia poprzecznych wiązao 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 i wystarczająco reaktywne podczas wulkanizacji w stosowanej temperaturze. Do sieciowania elastomerów można używad tlenków metali (rys 2.) polietylen chlorosulfonowany tlenki metali kauczuki chloroprenowe polimery, w których reaktywne grupy- głównie kwasowewprowadzane są w procesie polimeryzacji np. karboksylowany kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy XNBR Rys 2: 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 urządzeo przy tym samym zużyciu energii. Wywierają decydujący wpływ na strukturę sieci przestrzennej wulkanizatów a tym samym na ich właściwości fizyczne. Zmniejszenie zawartości siarki i zastosowanie jej w zespole sieciującym razem z przyspieszaczem i aktywatorem zmniejsza niebezpieczeostwo przewulkanizowania wyrobu, ogranicza Zadania nr 9 8

wykwitanie wolnej siarki na powierzchni wyrobu i umożliwia w niektórych przypadkach obniżenie temperatury wulkanizacji co w rezultacie powoduje otrzymanie wulkanizatów o znacznie lepszych właściwościach. klasyfikacja przyspieszaczy według zachowania się w procesach technologicznych (szybkości wulkanizacji) według klas związków chemicznych ultraprzyspieszacze przyspieszacze o dużej i średniej aktywności Rys 3: Klasyfikacja przyspieszaczy. przyspieszacze opóźnionego działania, działające wolno ditiokarbaminiany, ksantogeniany, tiuramy, tiazole, sulfenamidy, guanidyny, tiomoczniki, aldehydoaminy, 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 wiązao siarkowych o różnej budowie modyfikujących strukturę i właściwości wulkanizatu. Przyspieszacze wpływają na strukturę przestrzenną wulkanizatu. Rodzaj wiązao poprzecznych w wulkanizacie zależy od względnego udziału siarki i przyspieszacza oraz od temperatury wulkanizacji. Z reguły wyższa temperatura wulkanizacji w połączeniu z większą zawartością przyspieszacza powoduje zmniejszenie ilości wiązao wielosiarczkowych w wulkanizacie. Niektóre przyspieszacze mogą byd także środkami wulkanizującymi (tiuramy, przyspieszacze wielosiarczkowe) i w temperaturze wulkanizacji rozkładad się z wydzielaniem siarki a tym samym wulkanizowad kauczuk bez użycia siarki elementarnej. Działanie Zadania nr 9 9

przyspieszaczy może byd synergiczne, w przypadku obecności w mieszance kilku przyspieszaczy wiele z nich aktywuje się wzajemnie. Większośd przyspieszaczy stosowanych w przemyśle gumowym z powodu swojej polarności źle dysperguje i rozpuszcza się w elastomerach węglowodorowych stąd wynika koniecznośd stosowania substancji ułatwiających dyspergowanie. Aktywatory wulkanizacji i mechanizm ich działania Większośd przyspieszaczy wulkanizacji dla optymalnego działania wymaga obecności nieorganicznych lub organicznych aktywatorów. Aktywnośd 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 obecnośd kwasów tłuszczowych sprzyja kauczuku. Napełniacze i ich rola w mieszance gumowej. lepszej dyspersji przyspieszaczy w Napełniacze (fillers) są to ciała stałe, nieorganiczne lub organiczne odznaczające się odpowiednim stopniem rozdrobnienia, na ogół trudno rozpuszczalne w wodzie, pozwalające się łatwo i dosyd równomiernie rozprowadzid 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. Ze 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 twardośd wulkanizatów, napełniacze bierne, nieaktywne. Zadania nr 9 10

pochodzenie organiczne napełniacze naturalne: mączka drzewna, włókna celulozowe, włókna lniane, włókna sizalowe nieorganiczne: sadza, kreda, kaolin, talk, mika, kwarc, krzemionka syntetyczne: włókna szklane, węglowe, grafitowe, kulki szklane, wollastanit, whiskery, organiczne włókna syntetyczne postad w jakiej występują proszkowe włókniste skrawkowe wstęgowe arkuszowe kuliste skład chemiczny sadza krzemiany, glinokrzemiany tlenki węglany siarczany proszki metali włokna polimerów naturalnych i syntetycznych Rys 4: Klasyfikacja napełniaczy ze względu na różne cechy. Za parametry wpływające na działanie wzmacniające napełniaczy przyjmuje się: wymiary cząstek oraz ich rozrzut, wielkośd powierzchni właściwej, strukturę napełniacza w ośrodku, czyli przestrzenne powiązanie cząstek, naturę chemiczną i fizyczną powierzchni, stan energetyczny powierzchni (tzn. energię powierzchniową) rozkład centrów energetycznych, strukturę krystalograficzną, defekty struktury, stopieo dyspersji w ośrodku elastomerowym, występowanie zanieczyszczeo, rodzaj ośrodka elastomerowego. Efekt wzmacniania elastomeru wywołują: sadza, krzemionka aktywna, uwodnione krzemiany glinu i wapnia, kaolin, tlenek glinu. Zadania nr 9 11

2.3 Sieciowanie elastomerów (wulkanizacja). Sieciowanie kauczuku podczas wulkanizacji polega na łączeniu makrocząsteczek wiązaniami chemicznymi i utworzeniu sieci przestrzennej (rys. 5) na skutek zastosowania substancji sieciujących (sieciowanie chemiczne) lub promieniowania o dużej energii (sieciowanie radiacyjne, fotochemiczne). Sieciowanie (rys. 6) może zachodzid w obrębie łaocuchów (crosslinking) lub z udziałem ich kooców (endlinking). Tworzenie się sieci przestrzennej (Network formation) Makrocząsteczki Rubber molecules Węzły sieci Crosslinks S x siarka Rys 5: Tworzenie się sieci przestrzennej podczas sieciowania za pomocą siarki. a) b) c) Rys 6.: Sieciowanie w obrębie łaocuchów (a) i z udziałem ich kooców (b, c). Mechanizm sieciowania chemicznego (rys 7.) może byd zarówno rodnikowy, jonowy czy też mieszany w zależności od budowy kauczuku i rodzaju zastosowanych substancji sieciujących. Zadania nr 9 12

RO OR 2 RO M-COOH + ZnO + HOOC-M RO + M M M + M M M M-COO - Zn 2+ - OOC-M + H 2 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 pierścieo 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 150 C lub pod wpływem rodników R tworzących się z kauczuku lub przyspieszacza wulkanizacji. Rodniki zawierające osiem atomów siarki mogą rozpadad się na krótsze. Dalszy rozpad wymaga mniej energii niż energia rozpadu pierścienia ośmioczłonowego. S 8 (pierścieo) S 8 S 8 S x + S 8-x R + S 8 (pierścieo) RS 8 RS 8 RS x + S 8-x Rys. 8: Rozpad homolityczny pierścienia S 8. Rodniki siarki reagują z makrocząsteczkami kauczuku w miejscu wiązao podwójnych lub z innymi grupami aktywnymi w kauczuku (grupy -metylenowe). Szybkośd przyłączania siarki i jej skutecznośd w reakcjach sieciowania zależy od budowy elastomeru. Wyznaczenie optymalnego czasu wulkanizacji mieszanki gumowej. Dawniej przebieg sieciowania śledzono dokonując analizy zmian stężenia substancji sieciującej lub oznaczeo 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 pomocą reometrów można wyznaczyd Zadania nr 9 13

kinetykę wulkanizacji mieszanek gumowych a na podstawie krzywej zmian momentu skręcającego w funkcji czasu wulkanizacji (rys 9) obliczyd: a) przyrost momentu obrotowego ΔM ΔM = M max - M min gdzie: M max maksymalny moment skręcający rotora *dnm+ M min minimalny moment skręcający rotora *dnm+ b) optymalny czas wulkanizacji τ 0,9 *s+, po którym moment skręcający rotora osiąga wartośd: ΔM 0,9 = 0,9 ΔM + M min Rys. 9: Przebieg krzywej reometrycznej. 2.4 Oznaczanie odbojności (elastyczności) elastomerów. Nazwa elastomery obejmuje związki wielkocząsteczkowe odznaczające się dużą elastycznością (zdolnością 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 zdolnośd do szybkiego powrotu elastycznego po deformacji. Elastycznośd (odbojnośd) w znaczeniu technicznym jest to miara zdolności gumy do odzyskania kształtu początkowego po odjęciu siły, która wywołała zmianę kształtu. W praktyce elastycznośd gumy oznacza się metodą odbicia kulki metalowej od próbki, wykonując pomiar wielkości energii odbicia w stosunku do energii przekazanej gumie przez uderzająca kulkę. Zadania nr 9 14

Pomiar ten wykonywany jest też metodą Shoba, gdzie zasada pomiaru polega na uderzeniu próbki obciążnikiem przymocowanym do wahadła. Elastycznośd wyrażona jest stosunkiem wysokości odchylenia wahadła do wysokości jego spadku. Wartośd ta jest wyrażana w procentach. Na elastycznośd 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 elastycznośd ma także rodzaj zastosowanego kauczuku. Najmniejszą elastycznością charakteryzują się wulkanizaty kauczuku polisiarczkowego, NBR (butadienowo-akrylonitrylowego), a największą NR (kauczuk naturalny)m BR (kauczuk butadienowy), CR (kauczuk chloroprenowy). 3 PRZEBIEG DWICZENIA (Procedure) W trakcie dwiczenia pod opieką prowadzącego dwiczenia 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 odbojnośd. 3.1. Aparatura pomiarowa Mieszanki gumowe sporządzone będą za pomocą walcarki laboratoryjnej (rys. 10) o wymiarach walców D = 200 mm, L = 450 mm, w temperaturze około 27-37 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 podstawie pomiarów reometrycznych za pomocą wulkametru z oscylującym rotorem typu WG-02 Zadania nr 9 15

(produkcji ZACH METALCHEM) (rys. 11) w temperaturze 160 o C. Metoda pomiaru polega na pomiarze wielkości momentu skręcającego w funkcji czasu wulkanizacji, przy odkształceniu ścinającym próbki wywołanym oscylacją rotora ze stałą częstotliwością, amplitudą i w stałej temperaturze (kąt oscylacji wynosi 3º, a częstotliwośd oscylacji 1,7±0,1 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 160 C, a ciśnienie na półkach prasy około 15 MPa. Czas wulkanizacji mieszanek zgodny będzie z otrzymanymi z pomiarów reometrycznych wartościami optymalnego czasu wulkanizacji τ 0,9 [s]. Rys. 12: Forma stalowa używana do wulkanizacji mieszanki gumowej otrzymanej podczas dwiczenia. Zadania nr 9 16

(a) (b) Rys. 13: 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 wysokośd na którą odbije się piłka kauczukowa od podłoża metalowego. Rys 14. Stanowisko do pomiaru odbojności. 3.2. Wykonanie dwiczenia Sporządzenie mieszanki gumowej a) Odważyd składniki mieszanki gumowej na wadze laboratoryjnej zgodnie z receptą zamieszczoną w tabeli 1. Zadania nr 9 17

Tabela 1: Skład mieszanki gumowej. Składnik Skład mieszanki *cz. wag.+ Kauczuk naturalny 100 Siarka mielona 2 Przyspieszacz CBS 2 Tlenek cynku 5 Stearyna 1 Kreda 30 Przeciwutleniacz Polnox N 1 b) Mieszanka gumowa zostanie wykonana za pomocą walcarki laboratoryjnej przez 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 15-20 minut. Z mieszanki wyciągnięta zostanie płyta o grubości około 6-8 mm. Oznaczenie optymalnego czasu wulkanizacji c) Przeprowadzid pomiar właściwości reometrycznych w 160 C za pomocą reometru WG-02 zgodnie z zaleceniami prowadzącego. W tym celu umieścid wycięty wcześniej krążek z mieszanki gumowej w komorze pomiarowej reometru (rys 14). Pod opieką prowadzącego zamknąd komorę pomiarową i uruchomid pomiar zmian modułu skręcającego w funkcji czasu wulkanizacji. Z otrzymanej krzywej reometrycznej wyznaczyd optymalny czas wulkanizacji mieszanki gumowej. Wulkanizacja mieszanki gumowej. d) Odważyd około 20g mieszanki gumowej. Umieścid odważoną ilośd mieszanki w gnieździe formy wulkanizacyjnej (rys 12). Zwulkanizowad za pomocą prasy wulkanizacyjnej w czasie wyznaczonym z pomiarów reometrycznych. Oznaczenie odbojności. e) Uprzednio zwulkanizowaną piłeczkę kauczukową umieścid w szklanej tubie, a następnie ruchem swobodnym puścid. Za pomocą kamery odczytad maksymalną wysokośd na jaką odbije się piłeczka od podłoża. Zadania nr 9 18

3 OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report) 4.1. Cel dwiczenia Opis celu dwiczenia 4.2. Metodyka pomiarów Charakterystyka obiektu badao, opis stosowanej metodyki oraz warunki prowadzenia pomiarów. 4.3. Wyniki pomiarów W sprawozdaniu umieścid wyliczone z krzywej reometrycznej parametry takie jak: moment minimalny, moment maksymalny, przyrost momentu obrotowego podczas sieciowania, optymalny czas wulkanizacji wysokośd odbicia. 4.4. Opracowanie wyników pomiarów 0,9. Zamieścid wyniki pomiarów odbojności: H śr - maksymalną Z otrzymanej krzywej reometrycznej odczytad wartośd momentu minimalnego (dnm) i momentu maksymalnego (dnm). Obliczyd przyrost momentu obrotowego podczas sieciowania M i moment optymalny zgodnie z: ΔM = M max - M min, ΔM 0,9 = 0,9 ΔM + M min Odczytad z krzywej wartośd czasu (optymalny czas wulkanizacji) przyjmuje wartośd ΔM 0,9. dla której wartośd momentu Wyliczyd wartośd średnią H śr z otrzymanych wyników pomiarów maksymalnej wysokości odbicia dla zwulkanizowanej piłeczki kauczukowej. 4.5. Wnioski 4 LITERATURA (References) [1] 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 of fillers 2nd edition, ChemTec Publishing, Toronto 1999r. [3] Hewitt Norman Compounding precipitated silica in elastomers, Wiliam Andrew Publishing, Norwich N.Y., USA 2007r. *4+ Praca zbiorowa pod edycją Gent Alan N., Engineering with Rubber How to design rubber components Hanser Publishers, Munich, 2001r. Zadania nr 9 19

*5+ Dick John S. How to improve rubber compounds 1500 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 EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes) 7.1. Co student powinien wiedzied - określid wpływ poszczególnych składników mieszanki gumowej na jej właściwości przetwórcze oraz na właściwości gotowego wyrobu - opisad metodę otrzymywania wyrobu gumowego od etapu sporządzania mieszanki gumowej za pomocą walcarki do wulkanizacji gotowego wyrobu. 7.2. Co student powinien umied - wykonad pomiar właściwości reometrycznych. - wyliczyd parametry określające przebieg sieciowania mieszanki gumowej - wykonad pomiar odbojności 7 TELEFONY ALARMOWE (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 Zadania nr 9 20

Zadania nr 9 21