главная > справочник > химическая энциклопедия:Вулканизация

Вулканизация

Вулканизация, так называют один из технологических процессов, применяемых на производстве резины. Во время этого процесса сырой каучук, натурального или искусственного происхождения, становится резиной.

У каучука, прошедшего через вулканизацию, заметно улучшается прочность, химическая стойкость, эластичность, повышается устойчивость к воздействию высоких и низких температур и ряд других технических свойств. Суть этого процесса заключается в следующем – под воздействием высокой температуре и определенного давления происходит связывание линейных макромолекул в единую целое. Эта система носит название вулканизационной сетки.

По окончании процесса вулканизации между макромолекулами создаются поперечные связи. Их количество и структура определяется способом проведения этой операции. Во время этого процесса определенные свойства каучука изменяются не линейно, а с прохождением через определенные точки максимума и минимума. Точка, в которой проявляются оптимальные свойства резины, называется оптимумом вулканизации.

Вулканизация каучука

Для обеспечения необходимых эксплуатационных и технических свойств резины в каучук добавляют различные вещества и материалы – сажу, мел, размягчители и пр.

На практике применяют несколько методов вулканизации, но их объединяет одно – обработка сырья вулканизационной серой. В некоторых учебниках и нормативных документах говорится о том, что в качестве вулканизирующих агентов могут быть использованы сернистые соединения, но на самом деле они могут считаться таковыми, только потому, что они содержат в себе серу. Иначе, они могут оказывать влияние вулканизацию ровно, так же как и остальные вещества, которые не содержат соединений серы.

Некоторое время назад, проводились исследования в отношении проведения обработки каучука органическими соединениями и некоторыми веществами, например:

• фосфор;
• селен;
• тринитробензол и ряд других.

Но проведенные исследования показали, что никакого практической ценности эти вещества в части вулканизации не имеют.

Вулканизация шин – описание

Вулканизация, с химической точки зрения – процесс, при котором макромолекулы каучука «сшиваются» в трехмерную пространственную сетку редкими поперечными связями. Также можно сказать, что это технологический процесс превращения пластичного каучука в резину. Возможность быстрого и эффективного восстановления применима к большинству изделий резинотехнической промышленности. Но если надувные лодки, бассейны и плавательные круги нуждаются в ремонте по причине неиспользования и ненадлежащего хранения, то шины автомобилей ремонтируются гораздо чаще. Это связано с большими нагрузками, приходящимися на них.

Вулканизация шин – современный процесс, позволяющий резко снизить затраты на обслуживание колес автомобиля в случае их повреждения.

Прошло то время, когда поврежденные шины из-за невозможности ремонта массово выбрасывались на обочину. Рост числа автомобилей привел к соответствующему росту отрасли авторемонта, в том числе и ремонта колес. Экономнее завулканизировать колесо, чем покупать новое.

Вулканизация шин – современный процесс, позволяющий резко снизить затраты на обслуживание колес автомобиля в случае их повреждения

На данный момент есть 2 варианта технологии:

• горячая – каучук обрабатывается под высокой температурой;
• холодная – повреждение восстанавливается посредством заплатки, присоединяющейся особым клеящим составом.

Горячая вулканизация

Процесс горячей вулканизации шин основан на термической обработке места повреждения с добавлением каучука («сырой резины»). Под воздействием высокой температуры резиновые компоненты скрепляются между собой, создавая пластичный монолитный слой.

Проникая в место пореза, термообработанный каучук полностью заполняет пространство, препятствуя проникновению внутрь покрышки грязи и влаги.

Вкратце процесс горячей вулканизации выглядит следующим образом:

• Покрышка демонтируется с диска, место пореза аккуратно обрабатывается фрезой (главное – не повредить корд). Обработанное место дополнительно зачищается и обезжиривается. В место пореза в 2 слоя наносится специальный состав. Просушенный поврежденный участок послойно заполняется «сырой резиной», после чего покрышка отправляется на станок для вулканизации шин. Термообработка производится при температуре 120–140°C. Для дополнительной прочности на внутреннюю часть шины наносится специальная кордовая заплатка. После остывания резины место ремонта дополнительно зачищается фрезой, проводится финишная обработка.

Преимущества горячей вулканизации:

• Цена. Стоимость устранения боковых порезов таких способом ниже, чем покупка новой резины. Надежность. Качественно проведенная вулканизация шин способна сохранить 90% прочности резины. Оперативность ремонта. Ехать с отремонтированным колесом можно сразу после устранения повреждения. Универсальность метода. Выполнять горячую вулканизацию можно при отрицательных температурах зимой, а также в условиях высокой запыленности. Это значит, что при внезапных порезах и отсутствии запаски можно вызвать мобильную шиномонтажку, которая отремонтирует колесо прямо на дороге.

Холодная вулканизация

В наше время воспользоваться этим методом не составляет труда, так как приобрести набор для ремонта можно в каждом магазине авто или вело запчастей. Комплектация такого набора может отличаться, но в каждом есть латки и специальный клей.

Процедура ремонта в этом случае похожа на горячий способ. Также нужно обработать поврежденную поверхность абразивом, удалить резиновую пыль и обезжирить. После высыхания нанести клей на камеру и приклеить заплатку. В этом случае играет роль не продолжительность прижатия, а его сила. Поэтому недостаточно будет просто придавить камнем, необходимо большее усилие.

Холодная вулканизация резины своими руками довольно-таки несложный процесс, который можно выполнить, где бы ни находился

Холодная вулканизация резины своими руками довольно-таки несложный процесс, который можно выполнить, где бы ни находился, если есть специальный набор. Однако сырая резина своими руками в домашних условиях не делается. Для таких работ нужно специальное оборудование.

Основные преимущества холодной вулканизации шин:

• Простота ремонта. Чтобы устранить порез, вам не потребуется специализированное оборудование для вулканизации. Достаточно клея, заплатки и обезжиривающего средства. Возможность оперативного устранения мелких проколов и порезов в дороге. Низкая цена вулканизации (даже в условиях шиномонтажки).
• При ремонте холодной вулканизацией в шиномонтажной мастерской удается достичь повышенной прочности заплатки. Однако даже строгое соблюдение всех технических нюансов и применение качественных составов не даст 100% гарантии того, что на отремонтированном месте впоследствии не возникнет грыжа. Поэтому восстановленное колесо лучше оставить про запас.
• Нормы времени для холодной вулканизации шин варьируются в зависимости от температуры окружающей среды, состава клея, площади пореза и толщины резины. Оптимальная прочность для возможности передвижения достигается за 20–30 минут. Полное схватывание осуществляется приблизительно за 2 суток.

Эффективность вулканизации

Любая новая покрышка однозначно лучше отремонтированной. Даже самый маленький сквозной порез нарушает целостность внутреннего кордового слоя, что ведет к неизбежной потери жесткости.

Ремонт боковых порезов шин горячей вулканизацией (видео процесса можно найти в сети) приближает колесо к его естественной прочности лишь на 90%. Этого вполне достаточно для повседневной эксплуатации отремонтированных покрышек в течение 1–2 сезонов.

Холодная вулканизация с использованием профессиональных клеевых составов и в условиях шиномонтажной мастерской также дает надежный результат. Однако при серьезном повреждении корда данный метод требует разбортовки колеса и установки дополнительной заплатки на внутренней части.

Самым распространенным последствием ремонта шин является возникновение грыжи на месте устраненного повреждения. Она также требуют срочного удаления. При повторном появлении вздутий на боковой поверхности покрышки рекомендуется заменить колесо.

Процесс вулканизации

Процесс вулканизации каучука можно разделить на холодный и горячий. Первый, может быть разделен на два типа. Первый подразумевает использование полухлористой серы. Механизм вулканизации с применением этого вещества выглядит таким образом. Заготовку, выполненную из натурального каучука, размещают в парах этого вещества (S2Cl2) или в ее растворе, выполненный на основе какого-либо растворителя. Растворитель должен отвечать двум требованиям:

1. Он не должен вступать в реакцию с полухлористой серой.
2. Он должен растворять каучук.

Как правило, в качестве растворителя можно использовать сероуглерод, бензин и ряд других. Наличие полухлористой серы в жидкости не дает каучуку растворяться. Суть этого процесса заключается в насыщении каучука этим химикатом.

Чарльз Гудьир изобрел процесс вулканизации каучука

Длительность процесса вулканизации с участием S2Cl2 в результате определяет технические характеристики готового изделия, в том числе эластичность и прочность.

Время вулканизации в 2% — м растворе может составлять несколько секунд или минут. Если процесс будет затянут по времени, то может произойти так называемая перевулканизация, то есть заготовки теряют пластичность и становятся очень хрупкими. Опыт говорит о том, что при толщине изделия порядка одного миллиметра операцию вулканизации можно проводить несколько секунд.

Эта технология вулканизации является оптимальным решением для обработки деталей с тонкой стенкой – трубки, перчатки и пр. Но, в этом случае необходимо строго соблюдать режимы обработки иначе, верхний слой деталей может быть вулканизирован больше, чем внутренние слои.

По окончании операции вулканизации, полученные детали необходимо промыть или водой, или щелочным раствором.

Существует и второй способ холодной вулканизации. Каучуковые заготовки с тонкой стенкой, помещают в атмосферу, насыщенную SO2. Через определенное время, заготовки перемещают в камеру, где закачан H2S (сероводород). Время выдержки заготовок в таких камерах составляет 15 – 25 минут. Этого времени достаточно для завершения вулканизации. Эту технологию с успехом применяют для обработки клееных швов, что придает им высокую прочность.

Специальные каучуки обрабатывают с применением синтетических смол, вулканизация с их использованием не отличается от той, что описана выше.

Практическое применение вулканизации

Слово «вулканизация» многим из нас известно с детства: мы слышали его всякий раз, когда обращались к взрослым за помощью, проколов велосипедную шину. Вскочив на отремонтированный велосипед, мы улетали по своим детским делам, недолго поудивлявшись, какое отношение ремонт велика имеет к вулканам. Как оказывается, имеет!

Слово «вулканизация», как и сказано в Энциклопедии, означает «превращение каучука в резину». Процесс осуществляется при помощи т.н. вулканизирующих агентов, веществ, способствующих этому превращению. В качестве таких агентов используют серу, оксиды металлов и другие вещества вместе с ускорителями вулканизации.

Сами по себе каучук, резина и их взаимные превращения, мало кого волнуют, кроме специалистов. Нас сейчас интересует практическое применение этого метода. А точнее, один его аспект: ремонт автомобильных покрышек.

Горячая вулканизация

Технология такой вулканизации выглядит следующим образом. К отформованной из сырого каучука добавляют определенное количество серы и специальных добавок. Как правило, объем серы должен лежать в диапазоне 5 – 10% конечная цифра определяется исходя из предназначения и твердости будущей детали. Кроме серы, добавляют так называемый роговой каучук (эбонит), содержащий 20 – 50% серы. На следующем этапе происходит формование заготовок из полученного материала и их нагрев, т.е. вулканизация.

Нагрев проводят различными методами. Заготовки помещают в металлические формы или закатывают в ткань. Полученные конструкции укладывают в печь разогретую до 130 – 140 градусов Цельсия. В целях повышения эффективности вулканизации в печи может быть создано избыточное давление.

После вулканизации каучука

Сформированные заготовки могут быть уложены в автоклав, в котором находиться перегретый водяной пар. Либо их помещают в нагреваемый пресс. По сути, этот метод наиболее распространен на практике.

Свойства каучука прошедшего вулканизацию зависят от множества условий. Именно поэтому вулканизацию относят к самым сложным операциям, применяемым в производстве резины. Кроме того, немаловажную роль играет и качество сырья и метод его предварительной обработки. Нельзя забывать и об объеме добавляемой серы, температуры, продолжительность и метод вулканизации. В конце концов, на свойства готового продукта оказывает и наличие примесей разного происхождения. Действительно наличие многих примесей позволяет выполнить правильную вулканизацию.

В последние годы в резиновой промышленности стали использовать ускорители. Эти вещества добавленные в каучуковую смесь ускоряют протекающие процессы, снижают энергозатраты, другими словами эти добавки оптимизируют обработку заготовки.

При реализации горячей вулканизации на воздухе необходимо присутствие свинцовой окиси, кроме того может потребоваться присутствие свинцовых солей в купе с органическими кислотами или с соединениями которые содержат кислотные гидроокислы.

В качестве ускорителей применяют такие вещества как:

• тиурамидсульфид;
• ксантогенаты;
• меркаптобензотиазол.

Вулканизация, проводимая под воздействием водяного пара может существенно сократиться если использовать такие химические вещества, как щелочи: Са(ОН)2, MgO, NaOH, КОН, или соли Na2CО3, Na2CS3. Кроме того, ускорению процессов поспособствуют соли калия.

Существуют и органические ускорители, это амина, и целая группа соединений, которые не входят в какую-либо группу. Например, это производные от таких веществ как амины, аммиак и ряд других.

На производстве чаще всего применяют дифенилгуанидин, гексаметилентетрамин и многие другие. Не редки случаи, когда для усиления активности ускорителей используют окись цинка.

Кроме добавок и ускорителей не последнюю роль играет и окружающая среда. К примеру, наличие атмосферного воздуха создает неблагоприятные условия для проведения вулканизации при стандартном давлении. Кроме воздуха, отрицательное воздействие оказывают угольный ангидрид и азот. Между тем, аммиак или сероводород оказывают положительной воздействие на процесс вулканизации.

Процедура вулканизации придает каучуку новые свойства и модифицирует существующие. В частности, улучшается его эластичность и пр. контролировать процесс вулканизации можно контролировать, постоянно замеряя изменяемые свойства. Как правило, для этого используют определение усилия на разрыв и растяжение на разрыв. Но эти метод контроля не отличаются точностью и его не применяют.

Резина как продукт вулканизации каучука

Техническая резина – это композиционный материал, содержащий в своем составе до 20 компонентов, обеспечивающих различные свойства этого материала. Резину получают путем вулканизации каучука. Как отмечалось выше, в процессе вулканизации происходит образование макромолекул, обеспечивающие эксплуатационные свойства резины, так обеспечивается высокая прочность резины.

Главное отличие резины от множества других материалов тем, что она обладает способностью к эластичным деформациям, которые могут происходить при разных температурах, начиная от комнатной и заканчивая куда более низкими. Резина значительно превышает каучук по ряду характеристик, например, ее отличает эластичность и прочность, стойкость к температурным перепадам, воздействию агрессивных сред и многое другое.

Цемент для вулканизации

Цемент для вулканизации используют для операции самовулканизации, она может начинаться с 18 градусов и для горячей вулканизации до 150 градусов. Этот цемент не включает в свой состав углеводороды. Существует также цемент типа ОТР, используемый для нанесения на шероховатые поверхности внутри шин, а также на Тип Топ RAD- и PN-пластыри серии OTR с увеличенным временем высыхания. Применение такого цемента позволяет достичь длительных сроков эксплуатации восстановленных шин, применяемых на специальной строительной технике с большим пробегом.

Технология горячей вулканизации шин своими руками

Для выполнения горячей вулканизации покрышки или камеры понадобится пресс. Реакция сварки каучука и детали происходит за определенный период времени. Это время зависит от размера ремонтируемого участка. Опыт показывает, что для устранения повреждения глубиной в 1 мм, при соблюдении заданной температуры, потребуется 4 минуты. То есть для ремонта дефекта глубиной в 3 мм, придется затратить 12 минут чистого времени. Подготовительное время в расчет не принимаем. А между тем выведение вулканизационного устройства в режим, в заисимости от модели может занять порядка 1 часа.

Температура, необходимая для проведения горячей вулканизации лежит в пределах от 140 до 150 градусов Цельсия. Для достижения такой температуры нет необходимости в использовании промышленного оборудования. Для самостоятельного ремонта шин вполне допустимо применение домашних электробытовых приборов, к примеру, утюга.

Устранение дефектов автомобильной покрышки или камеры при помощи устройства для вулканизации – это довольно трудоемкая операция. У него существует множество тонкостей и деталей, и поэтому рассмотрим основные этапы ремонта.

1. Для обеспечения доступа к месту повреждения необходимо покрышку снять с колеса.
2. Зачистить рядом с местом повреждения резину. Ее поверхность должна стать шероховатой.
3. С применением сжатого воздуха обдуть обработанное место. Корд, появившийся наружу необходимо удалить, его можно откусить кусачками. Резина должна быть обработана специальным составом для обезжиривания. Обработка должна быть проведена с двух сторон, снаружи и изнутри.
4. С внутренней стороны, на место повреждения должна быть уложена заранее подготовленная в размер заплатка. Укладку начинают со стороны борта покрышки в сторону центра.
5. С наружной стороны на место повреждения необходимо положить куски сырой резины, нарезанные на кусочки по 10 – 15 мм, предварительно их необходимо прогреть на плите.
6. Уложенный каучук надо прижать и разровнять по поверхности шины. При этом надо следить за тем, что бы слой сырой резины был выше рабочей поверхности камеры на 3 – 5 мм.
7. Через несколько минут, с использование УШМ (угловая шлифмашина), необходимо снять слой наложенной сырой резины. В том случае, если оголенная поверхность рыхлая, то есть в ней присутствует воздух, всю нанесенную резину требуется убрать и операцию нанесения каучука повторить. Если в ремонтном слое нет воздуха, то есть, поверхность ровная и не содержит пор, ремонтируемую деталь, можно отправлять под разогретый до указанной выше температуры.
8. Для точного расположения шины на прессе имеет смысл пометить центр дефектного места мелом. Для предотвращения прилипания нагретых пластин к резине, между ними надо проложить плотную бумагу.

Холодная вулканизация

При этом способе вместо термического воздействия для активации бутилового слоя покрышки применяются химические вещества. По сути, если говорить бытовым языком, холодная вулканизация — это склеивание.

ВАЖНО: качество ремонта зависит от предварительной подготовки поверхности покрышки. Её необходимо очистить от грязи и влаги, сделать шероховатой для лучшего схватывания.

Для проведения ремонта шин холодной вулканизацией не требуется громоздкое оборудование, здесь можно обойтись ручным инструментом. Между тем, соблюдение технологии в этом случае не менее важно: любое нарушение процесса приведёт к браку. После ремонта использовать покрышку можно не ранее, чем через сутки (при температуре не ниже +20°С).