Технология изготовления резины. Вулканизация

Резина – пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящейся в высокопластическом состоянии.

В резине связующим являются натуральные (НК) или синтетические (СК) каучуки.

На рис. 1 и 2 показаны область применения каучуков и получаемые изделия.

Рис. 1 Применение каучуков

Рис. 2 Изделия, где используются каучуки

Каучуку присуща высокая пластичность, обусловленная особенностью строения их молекул. Линейные и слаборазветвлённые молекулы каучуков имеют зигзагообразную или спиралевидную конфигурацию и отличаются большой гибкостью (рис. 3, верхний). Чистый каучук ползёт при комнатной температуре и особенно при повышенной, хорошо растворяется в органических растворителях. Такой каучук не может использоваться в готовых изделиях. Для повышения упругих и других физико-механических свойств в каучуке формируют редкосетчатую молекулярную структуру. Это осуществляют вулканизацией – путём введения в каучук химических веществ – вулканизаторов, образующих поперечные химические связи между звеньями макромолекул каучука (рис. 3, нижний). В зависимости от числа возникших при вулканизации поперечных связей получают резины различной твёрдости – мягкие, средней твёрдости, твёрдые.

Рис. 3 Структуры каучука и резины

Механические свойства резины определяют по результатам испытаний на растяжение и на твёрдость. При вдавливании тупой иглы или стального шарика диаметром 5 мм по значению измеренной деформации оценивают твёрдость (рис. 4).

Рис. 4 Определение твёрдости резины протектора

При испытании на растяжение определяют прочность Ϭz (МПа), относительное удлинение в момент разрыва εz (%) и остаточное относительное удлинение Ѳz (%) (рис. 5).

Рис. 5 Лабораторная установка для проведения механических испытаний резины

В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (свет, температура, кислород, радиация и др.) резины изменяют свои свойства – стареют. Старение резины оценивают коэффициентом старения Кстар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в термостате при температуре -70оС в течение 144 час, что соответствует естественному старению резины в течение 3 лет. Морозостойкие резины определяется температурой хрупкости Тхр, при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке хрупко разрушается.

Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент Км, равный отношению удлинения δм образца при температуре замораживания к удлинению δо при комнатной температуре.

Что такое резина

Любой человек в своей жизни сталкивался с резиной в тех или иных случаях, причем обычно с самого детства. Резина – это эластичная субстанция, которая получается после протекания реакции вулканизации как натурального, так и синтетических каучуков. Резиновый материал, который еще называют «вулканизат» является эластомером, имеющим трехмерную сшитую структуру, образующуюся при сшивке макромолекул каучуков химическими связями различной природы.
Как было сказано выше, резина по природе эластомер, то есть в отличие от обычных пластмасс, они способны при механическом воздействии возвращаться к своим первоначальным форме и размерам после снятия нагрузки.

Натуральные и синтетические компоненты

Основной компонент для производства покрышек – это каучук. Он может добываться как природным путём, так и производиться искусственно в лаборатории. Органический, издавна извлекают с каучуковых деревьев. Для этого в коре дерева прорезают продольные полосы и собирают «его слёзы», то есть сок дерева, так как «каучук» переводится как «древо, которое плачет». Именно этот древесный сок и является основным сырьём для производства резины.

Однако себестоимость такого дорогостоящего метода добывания натурального каучука значительно выше, чем химическое производство его аналога в искусственных условиях. Вторым, не менее важным компонентом, является технический углерод, для производства покрышек его доля составляет не менее 30%. Молекулярная степень свойств углерода позволяет определить его роль среди всех остальных компонентов в качестве хорошего скрепляющего вещества. Углерод (или сажа) благоприятно воздействует на такие способности резины:

повышает износостойкость;
увеличивает в разы долговечность;
усиливает прочность продукта.

Существует более дешёвый аналог сажи. Некоторые производители для снижения себестоимости покрышки при производстве заменяют технический углерод на кремниевую кислоту. Такая замена не всегда себя оправдывает, так как снижается уровень износостойкости колёс. Но из положительных моментов такой замены можно указать, что при этом увеличивается сцепка резины с влажной устилкой дороги.

Масла и смолянистые вещества, дополнительно входящие в структуру резины, снижают жёсткость зимних колёс. Каждый изготовитель делает акцент на том или ином веществе, чтобы вывести на передний план определённые характеристики продукта:

сцепку с дорогой,
износостойкость или параметры,
обеспечивающие хорошее развитие скорости.

Получение

Резину в современной промышленности производят в основном путем вулканизации резиновых смесей, имеющих достаточно сложную композицию. В составе этих смесей главной составной частью и основой будущей резины являются каучуки, их количество может составлять до 60 процентов от массы смеси. Прочими ее компонентами являются вулканизаторы, ускорители, активаторы, наполнители, противостарители и пластификаторы. Кроме этих основных компонентов в состав смеси возможно введение и других химикатов: регенератов, модификаторов, красителей, порофоров, отдушек и т.д. Вся резиносмесь может состоять из 20-30 веществ.

Конкретный каучук, который будет служить основой той или иной резины и прочие компоненты смеси выбираются исходя из предназначения, условий применения и прочим требованиям к резиновому продукту. Также для свойств продукта важен технологический процесс, который будет использоваться для переработки, экономические и прочие факторы.

Техпроцесс изготовления изделий из рассматриваемого материала состоит из операции смешения каучука с прочими компонентами резиносмеси в смесителях или при помощи вальцевания, изготовления полуфабрикатов, их резку, сборку и прочую постобработку, а также последующую вулканизацию продуктов. Полуфабрикатами могут служить профили, полученные шприцеванием (аналог экструзии пластмасс); листы, полученные каландрованием; прорезиненные ткани; корд и т.п. Непосредственно вулканизация проходит в реакторах периодического типа, например в прессах, котлах, автоклавах циклического или непрерывного типа, например тоннельных, барабанных и прочих.

Рис.1 Автоклав для вулканизации шин

Размеры и конфигурация изделия из-за высокой пластичности исходного материала придаются и фиксируются непосредственно в ходе вулканизации. При переработке активно применяется формование продуктов в вулканизационных прессах, а также метод литья под давлением. В случае использования этих методов формовка и вулканизация совмещаются в рамках единственной технологической операции. Основным вулканизатором для резин является элементарная сера, которая обычно вводится в количестве нескольких процентов от массы смеси. При использовании смесей, имеющих от 30 до 50 процентов серы в составе, на выходе получают эбонитовые изделия или заготовки.

Что представляет собой каучук

Материал каучук добывают с каучуконосных деревьев с древних времён. Самый известное название такого дерева – бразильская Гевея. Из этой древесной породы также изготавливают мебельные изделия высокой прочности. Так как этот материал не впитывает в себя влагу, надёжно выдерживает натиски вредителей, не подвергается гниению.

Плантации деревьев в основном располагаются в Малайзии, а также имеют азиатское происхождение. Природный каучук может находиться и в соке таких каучуковых деревьев, как Кастилья.

Кастилья имеет природный размер более 50 метров, и сок в таком дереве может находиться в коре, листьях и цветках дерева. Обычно сок вытекает в месте отрыва ветки или коры, в случае искусственного добывания этого вещества кора дерева принудительно обрезается. Бразильская Гевея также имеет внушительные габариты до 50 метров в длину, и у выросшего десятилетнего дерева делаются диагональные надрезы, которые и дают возможность собрать сок в ёмкость.

С попаданием в воздух каучуковый сок становится более плотным и тягучим. В основном сборы каучуковой жидкости происходят с этих двух видов каучуконосных деревьев: Гевеи и Кастильи. Во многих странах Азии, Америки, Перу, Малайзии расположены целые насаждения этих деревьев, которые выращиваются только для добывания ценного каучука. Поэтому многие местные жители активно принимают участие в прибыльном каучуковом бизнесе, многие из них занимаются этим всю жизнь.

История каучука

Первым в Европу привёз каучук из своих путешествий Колумб в виде эластичного мячика. Индейцы уже пробовали делать из каучукового сока обувь, ткань, ёмкости для воды и даже игрушки для детей. Затем все забыли о каучуке до начала 18 века, когда экспедиция из Франции вновь нашла дерево, выделяющее тянущийся материал. Шотландец Ч. Макинтош предложил идею прокладывания резинового материала между двумя слоями ткани.

Появились плащи, которые не промокали под дождём, галоши и шляпы. Резиновый материал укладывали даже на крыши домов. Но зимой такие изделия затвердевали и трескались, а летом становились мягкими, с неприятным запахом. Однако, американец Ч. Гудьир в начале 19 века нашёл способ улучшения прочности и эластичности материала – он добавил в состав серу и подверг смесь нагреванию. Так появилась прочная и довольно качественная резина.

Свойства резины

Рассматриваемый материал представляет интерес прежде всего своей эластичностью. Резина, по сути, представляет собой сшитую коллоидную субстанцию, где каучук является дисперсионной, а наполнители – дисперсной фазами. Главное качество резин – это высокая эластичность, она способна подвергаться большим деформациям при различных температурах, которые в свою очередь являются обратимыми.

Резине присущи свойства и твердого тела, и жидкости, и даже газа, например таким качеством является энтропийное качество ее упругости. В общем виде характеристики каждого типа резины зависят главным образом от использованного типа каучука. Ее качества изменяются в широких пределах при применении различных каучуков, их смешения или модификации.

Значения модуля упругости резин при небольших деформациях варьируется от 1 до 10 МПа. Значение коэффициента Пауссона около 0,5. Обратимая деформация в случае растяжения составляет до 10 размеров изделия.

Резины обладают хорошей звукоизоляцией, фрикционными свойствами, износостойкостью, теплоизоляционными показателями. Также они являются хорошими диамагнетиками и диэлектриками. Существуют специальные марки проводящих электрический ток и магнитных резин.

Рассматриваемый материал известен низким водопоглощением и набуханием в органике. Некоторые из резин имеют хорошую масло-, бензо-, водо-, паро-, хим-, радио- и термостойкость. Срок эксплуатации резиновых изделий может в разных случаях составлять от нескольких дней до десятилетий.

Состав современные шин

Автомобили сегодняшнего дня имеют резиновые покрышки, которые могут иметь в основе натуральный каучук или синтетический каучук, произведённый в лаборатории искусственно. Каучук (того или иного вида) стандартно занимает львиную часть во всей резиновой смеси, его доля приблизительно составляет 40-50% от общего объёма резины.

Затем в резину домешивают технический углерод (сажу). Его часть в общем объёме равняется 25-30%. Автопокрышка становится крепкой именно благодаря техническому углероду, он является скрепляющим звеном в молекулах каучука. Материал получает возможность хорошо переносить воздействие высоких температур. Колёса с высокими примесями сажи хорошо справляются с резкими торможениями. Их эксплуатационный срок вырастает в целых 10-15 раз.

Ещё один компонент – кремниевая кислота. Её себестоимость значительно дешевле технического углерода, а свойства, придающие колесу прочность благодаря хорошей сцепке молекул каучука, практически идентичные. Поэтому некоторые изготовители покрышек заменяют сажу именно кремниевой кислотой. Однако, есть производители, которые не используют этот компонент, считая его недостаточно износостойким.

Если проанализировать рынок покрышек известных производителей и состав их шин, можно прийти к выводу, что сажа довольно часто присутствует в составе покрышек. Ведущие компании автомобильных аксессуаров делают акцент, что именно этот компонент повышает способность хорошего реагирования машины на мокрой трассе. В среднем её доля в общей массе покрышки занимает около 10%.

Компонентом с незначительной долей в общем объёме являются масла или смолы. Их количество аналогично примеси сажи составляет 10%. Более значительное количество смол присутствует в зимнем варианте резины, они смягчают весь состав, чтобы покрышки не «дубели» при низких температурах, что отрицательно сказывается на качестве езды. В летнем варианте покрышек доля смол слегка снижена.

И конечный ингредиент всей смеси – это секретные компоненты, которые производители не разглашают, но они порой оказывают сильное влияние на заключительный результат и качество готовой покрышки. Из изучения всей смеси для производства резины можно сделать вывод, что синтетический каучук ещё не готов полностью заменить натуральный по своим качествам, поэтому они часто комбинируются совместно.

Применение

Резину в больших количествах применяют в сельском и домашнем хозяйстве, медицинской технике, строительных материалах, промышленности, спортивной индустрии и т.д. Свыше 50 процентов производимого материала применяется для производства автошин.

Кроме этого, известны десятки тысяч видов изделий из резин, наиболее известные из которых: транспортерные ленты, различные ремни, рукава, шланги, прокладки, кольца, кабели, подошвы, коврики, материалы покрытий, герметики и др.

Рис.2 Покрытие детской площадки резиновой крошкой

Классификация резин

По назначению различают следующие основные группы резин

: общего назначения, теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, стойкие к действию химически агрессивных сред, диэлектрические, электропроводящие, магнитные, огнестойкие, радиационностойкие, вакуумные, фрикционные, пищевого и медицинского назначения, для условий тропического климата и др. (табл. 2); получают также пористые, или губчатые (см. Пористая резина), цветные и прозрачные
резины
.

Преимущества и недостатки наварки шин

Процесс восстановления резины востребован по нескольким причинам:

Универсальность
— главное преимущество наварки шин. При желании можно восстановить почти любую изношенную резину, вне зависимости от типа. Единственное, что будет различаться, так это стоимость работы.
Возможность многоразового восстановления
. Если корд изделия имеет жесткую конструкцию (как на шинах грузовых авто), наварка может выполняться до двух-трех раз без потери эксплуатационных качеств шин. Соответственно, и ресурс покрышки также возрастает в разы.
Улучшение конечных характеристик шины
. Благодаря применению современных материалов, восстановленное изделие становится более износостойким, а срок его службы увеличивается.
Доступная цена
. Одним из главных плюсов наварки шин считается низкая стоимость услуги (в сравнении с покупкой нового комплекта). Объяснить это легко, ведь конструкция корда не затрагивается, а восстановлению подлежит только рабочая часть резины (протектор). В итоге затрачивается немного материала. Выгода наиболее заметна в отношении шин грузовых автомобилей, производство которых считается наиболее затратным.
Пробег
. После восстановления резины можно проехать еще 120-150 тысяч километров. Такая особенность — большой плюс при каждодневной эксплуатации автомобилей. При этом эффективность покрышек не снижается и остается на таком же уровне, как и у новых авто.

По сказанному выше можно судить, что наварка шин имеет множество преимуществ. Несмотря на это, у многих автовладельцев она не пользуется большим спросом.

Причин здесь несколько:

Наварке подлежат не все виды автомобильной резины. В первую очередь ограничения касаются покрышек для легковых автомобилей.
После восстановления нельзя быть уверенным в полной безопасности, а особенно, если наваркой занимались люди с небольшим опытом. При нарушении технологии или применении некачественных материалов ездить на восстановленных шинах опасно. Вот почему рекомендуется не экономить на этой процедуре и отдавать предпочтение только квалифицированным мастерам.

Обязательная маркировка шин с 2022 года

Под нее подпадают компании и индивидуальные предприниматели, которые импортируют, производят и реализуют шины (покрышки).

Не участвуют в маркировке организации и ИП, которые:

приобретают шины не для продажи;
оказывают почтовые услуги по доставке покрышек при торговле по образцам или при дистанционных продажах.

Обязательная маркировка — это нанесение кодов идентификации DataMatrix на товар, а также обмен сведениями между компаниями (ИП) и государственной информационной системой (ГИС) мониторинга «Честный знак». Оператором системы является Центр развития перспективных технологий.

Закажите электронную подпись для работы в системах обязательной маркировки

Технология производства покрышек

Так как автопокрышки производятся не только из резиновой основы, стоит обратить внимание и на другие составляющие. Основа колеса производится из специальных нитяных кордов. Они подразделяются на:

стальные;
текстильные;
полимерные.

Режим изготовления нитей имеет сходство с работой ткацкого оборудования. Произведённая нить заходит в машину, где обволакивается резиновым покрытием. Затем материал разделяется на ленты различной ширины для разнокалиберных автопокрышек. Для формирования защитного покрытия прорезиненные нити подаются на соответствующее оборудование, где путём продавливания через формирующие отверстия они переходят в состояние протектора.

Защитные края резины при формировании проходят такие стадии:

Стальная проволока обволакивается в резиновое покрытие.
С учётом параметров автопокрышек материал делится на нужный размер (круги).
Специальное оборудование автоматически осуществляет сборку бортов.

Данное оборудование работает в полуавтоматическом режиме. Мастер загружает на него круги и бобины для покрышек. Оборудование компонует все части в единую покрышку и заполняет протектор воздушной массой. Заключительной стадией процесса является вулканизирование и термообработка покрышки паром под высоким давлением. На горячей резине станок продавливает необходимые характеристики с отметкой предприятия, после чего остаётся только стадия тестирования готовой продукции.

Из чего и как делают резину (шины). Для колес вашего автомобиля.

Продолжаю интересные и полезные статьи. Первая была про расчет себестоимости авто. Сегодня я же хочу поговорить об резине или шинах. Из чего их делают и какой они проходят путь до наших прилавков. Многие ошибочно думают — что в основе всего лежит нефть, многие даже уверенны — что ее там под 90%, однако это не совсем так. НА заре своего появления шины были продуктом природы практически на 100% …

Технология создания автомобильной резины

Летние и зимние покрышки, как известно, отличаются своей жесткостью. Чтобы автомобильная шина стала более жесткой и устойчивой к истиранию, для нее используют искусственный каучук. Зимние покрышки, напротив, изготавливают из натурального каучука, который не позволяет покрышкам «дубеть» на морозе. Конечно, можно при помощи специальных смол и добавок добиться схожего эффекта с ненатуральным материалом, но они по своим характеристикам никогда не догонят натуральный продукт. К тому же износ шин будет более быстрым.

Сам процесс изготовления резиновых покрышек довольно долгий и трудоемкий. Вначале собранный сок каучуковых деревьев помещают в большие ванны с кислотой на несколько часов для того, чтобы он затвердел. Полученный материал называется латексом. Из него убирают лишнюю воду и пропускают через валы для получения широкой плоской ленты, которая затем измельчается и в результате образуется легкая воздушная масса, которую после обжига превращают в блоки.

После этого блоки помещаются в специальный котел, в который добавляются различные дополнительные компоненты. Именно они придают автомобильной резине различия в характеристиках. Пропорции и количество добавок являются собственной разработкой компаний-производителей и именно в этом заключается все различие в многообразии шин. При этом покрышку, по сути, производитель сделал из единственного исходного материала, подобно тому, как торт, по сути, сделан из муки. Однако многочисленные разработки, исследования и засекреченные элементы позволяют при равной себестоимости обойти конкурентов по потребительским характеристикам.

Смесь резиновых блоков и добавок перемешивается и разогревается, в результате чего она превращается в настоящую резину. Ее вторично раскатывают на полосы, а затем дают остыть.

Изготовление покрышек

Основной материал, из чего делают шины – не только резина. Внутри у нее находится проволочный каркас, состоящий из множества нитей. Он может быть текстильным, металлическим или полимерным. Корд сплетается по типу ткани, а затем при помощи экструдера производится его обрезинивание. Затем каркас при помощи специальных машин раскатывается на полосы разной ширины для получения протектора необходимой размерности. Требуемый рисунок протектора получают также методом экструзии (продавливания).
Боковины будущей покрышки изготавливается схожим образом: формируется каркас, на него наносятся слои резины, затем лишняя проволока обрезается и формируется кольцеобразная заготовка разного размера (зависит от диаметра колес), к которым затем присоединяются кольца брекетов (выступов по краю боковин, которые удерживают покрышку на ободе).

Готовые боковины затем на специальном станке собираются воедино с протекторной лентой. Станок соединяет все части шины и накачивает ее изнутри для придания ей формы. Получаемые заготовки подвергаются вулканизации, в результате чего они превращаются в единое целое, а затем обрабатывают горячим паром под давлением. Завершающим этапом становится нанесение на боковины покрышки технологических надписей и знаков при помощи специального пресса. После этого готовая шина проходит проверку на соответствие необходимым условиям и требованиям.

Таким образом, изготовление автомобильных покрышек состоит из нескольких достаточно сложных этапов, требующих серьезного технологического оснащения. Становится понятно, почему на каждом этапе требуются качественные процедуры обработки, ведь конечный продукт зависит от характеристик исходных материалов, пропорций добавляемых веществ и компонентов. Производители не стоят на месте и постоянно разрабатывают новые модели покрышек, поэтому при покупке новинок стоит более подробно ознакомиться с их характеристиками и проверить соответствие заявленных параметров реальным показателям.

С уважением, Максим Марков!

carsmotion.ru

Виды вулканизации

Наиболее популярными методами создания резины остаются горячая и холодная вулканизация. Горячая вулканизация проводится при температуре от +2500С до +2900С. Холодная вулканизация дает температуру от +200С до +300С и обычно используется для создания материалов-герметиков. Существует еще и серная вулканизация, которая нужна для создания камер для авто, армейской и туристической обуви и покрышек для велосипедов. В данном случае используются горячая сера и катализаторы, которые помогают ускорить процесс вулканизации.