Стадии резинового производства. Приготовление и формирование резиновых смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)"

Кафедра химии и технологии

Факультет Каучука и резины

Курс5 Группа _9012_

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1;№2;№3

Учебная дисциплина «Переработка и применение эластомеров»

Студент Ильющенко К.С.

Руководитель Рюткянен Е.А.

Санкт-Петербург

2014

Вариант 2

Стадии резинового производства. Декристаллизация каучуков. Пластикация каучуков. Механическая пластикация. Термоокислительная пластикация.

1.Декристаллизация каучуков. При хранении каучуки некоторых видов с регулярной структурой молекул (натуральный, хлоропреновый) кристаллизуются, что приводит к повышению их жесткости и затрудняет резку и дальнейшую переработку. Поэтому кипы или брикеты закристаллизовавшихся каучуков разогревают (распаривают) для плавления кристаллической фазы. При декристаллизации каучуки разогревают до 40 - 50 °С. Продолжительность процесса зависит от размеров кусков каучуков и частично от природы полимера. Иногда для ускорения прогрева кипы каучуков предварительно разрезают па несколько частей.

В зависимости от количества потребляемого на заводе кристаллизующегося каучука применяются различные способы декристаллизации. Если количество потребляемого кристаллизующегося каучука невелико, то декристаллизацию проводят в распарочных, камерах периодического действия размером 5Ч6Ч5 м; камеры обогревают горячим воздухом. Кипы натурального каучука прогревают в таких камерах при температуре горячего воздуха 50°С в течение 72 ч зимой и 50 ч летом, а при температуре воздуха 70°С в течение 35 - 50 ч. Продолжительность прогрева предварительно разрезанных кип сокращается до 10 - 24 ч. Камеры такого: типа несложны по конструкции и просты в обслуживании. Однако при их использовании необходимо иметь большой запас каучуков. Кроме того, в этих камерах не обеспечивается равномерный разогрев кип каучука по всей массе и происходит окисление каучука с поверхности. При большом потреблении натурального каучука его декристаллизуют на специальных установках в поле токов высокой частоты. При помещении кип каучука в высокочастотное электрическое поле с переменной частотой 20 - 75 МГц тепло генерируется по всей толщине каучука. Продолжительность разогрева кип каучука до 40 - 50°С составляет 25 - 50 мин. Мощность высокочастотных генераторов 10 - 30 кВт. Известны установки для декристаллизации каучука токами высокой частоты непрерывного и периодического действия. Установки непрерывного действия состоят из нескольких последовательно расположенных камер, через которые по специальному транспортеру движутся кипы каучука, а установки периодического действия - из одной камеры. Степень декристаллизации каучука проверяют погружением в кипу специальной металлической иглы при постоянном давлении. Если каучук не декристаллизовался, то игла не сможет проколоть кипу за определенное время, и такая кипа поступает на повторную декристаллизацию.

Каучуки, разрезанные на куски, обычно декристаллизуют в распарочных камерах непрерывного действия, обогреваемых горячим воздухом. резиновый декристаллизация смеситель каландрование

2. Пластикация каучуков. Натуральный и синтетический каучуки не всегда удовлетворяют требованиям резиновой промышленности по уровню пластоэластических свойств.

Эластические свойства каучука весьма ценны в резиновых изделиях, но при изготовлении резиновых смесей они оказывают отрицательное влияние на процессы их обработки, так как механические усилия затрачиваются непроизводительно на обратимые деформации. Под влиянием механических и тепловых воздействий пластичность каучука может увеличиваться. Технологический процесс и само явление, в результате которого, повышается пластичность каучука, снижается его вязкость и эластическое восстановление, - называется пластикацией. При пластикации также изменяются физические свойства каучука, что оказывает влияние на свойства резиновых смесей и вулканизатов. Так, с повышением пластичности натурального каучука облегчается формование резиновых смесей и снижается вязкость раствора каучука, что позволяет получить концентрированные клеи при меньшем расходе растворителей, но в то же время уменьшаются механическая прочность вулканизатов и сопротивление резины истиранию, кроме того, увеличиваются остаточные деформации. Поэтому при изготовлении резиновых смесей необходимо использовать каучук с определенными пластическими свойствами в зависимости от назначения резинового изделия и предъявляемых к нему требований.

а) Механизм пластикации каучуков. Повышение пластичности натурального каучука при его механической обработке было обнаружено в 1826 г. Т. Гэнкоком. Первоначально повышение пластичности каучука (пластикация) объяснялось разрушением глобулярной структуры в процессе механикой обработки. Однако это явление характерно не только для натурального каучука, но и для других каучуков, не имеющих глобулярной структуры. Кроме того, явления аналогичные пластикации, наблюдались и при термоокислительном воздействии на некоторые каучуки. Пластикация объясняется деструкцией макромолекул каучука и снижением его молекулярной массы под действием механических напряжений и окислительных процессов. Вследствие больших размеров молекулярных цепей энергия межмолекулярного взаимодействия макромолекул каучука превышает прочность отдельных химических связей. Поэтому при сдвиговых усилиях в молекулярных цепях могут возникнуть напряжения, способные преодолеть энергию валентных связей между атомами цепи. Разрыв макромолекул каучука под действием механических напряжений возможен, если размер этих макромолекул превышает некоторое минимальное значение, определяемое природой и структурой полимера и скоростью деформации. Разрыву молекулярных цепей каучука при механической обработке способствует образование физических «зацеплений» и захлестов (переплетений) макромолекул, число которых повышается с увеличением молекулярно массы полимера и его разветвленности.

б) Механическая пластикация. При этом способе переработки могут происходить как деструкция, так и активирование химических связей в макромолекулах под влиянием механических напряжений. Соотношение между скоростями обоих процессов зависит от температуры, среды (воздух, кислород, азот), интенсивности механических воздействий, типа полимера. С повышением температуры скорость пластикации сначала уменьшается, а затем возрастает. Температура, соответствующая минимальной скорости пластикации, зависит от типа полимера; например, для натурального каучука она составляет 70 - 80°С. Интенсивная пластикация при температуре ниже 70°С обусловлена в основном механическим разрывом цепей. Атмосферный кислород играет в этом случае роль стабилизатора образующихся макрорадикалов и препятствует, таким образом, образованию в полимере разветвленных и сшитых структур. Ускорение пластикации выше 80°С связано с тем, что в этих условиях основным процессом становится окисление полимера, активированное тепловой и механической энергией. Чем выше температура, тем больше роль тепловой энергии и меньше роль механической.

Как и в случае окисления каучуков, при высокотемпературной пластикации происходят одновременно деструкция и сшивание. Соотношение между скоростями этих процессов зависит от типа полимера. Например, при пластикации натурального и синтетического изопренового каучуков превалирует деструкция, при пластикации бутадиен-нитрильных каучуков - сшивание. Условия механической пластикации определяются как типом каучука, так и масштабами его переработки. Натуральный каучук пластицируют главным образом в резиносмесителях и в червячных пластикаторах; в случае переработки небольших количеств каучука - на вальцах. Для пластикации синтетического изопренового каучука чаще всего используют резиносмесители и реже вальцы.

При пластикации на вальцах наибольшее повышение пластичности наблюдается в течение первых 10 - 15 мин обработки. Поэтому натуральный каучук пластицируют обычно в несколько приемов с «отдыхом» (~ 6 - 8 ч) и охлаждением после каждого цикла. В соответствии с этим различают каучук одно-, двух- и трехкратной пластикации -- П-1, П-2, П-3. Наиболее производительное оборудование -- червячный пластикатор, в котором пластикаты П-1 и П-2 получают соответственно после одно- и двукратного (с промежуточным «отдыхом» и охлаждением) пропуска через машину при температуре в цилиндре 60 - 70°С, в головке 105 - 115°С. Сокращение продолжительности обработки натурального и синтетического изопренового каучуков в резиносмесителях в присутствии ускорителей позволяет в некоторых случаях совмещать пластикацию с приготовлением резиновой смеси.

Бутадиен-нитрильные каучуки, главным образом жесткие, пластицируют на вальцах (20 - 40 мин) при минимальном зазоре между валками. Так же, как и для натурального каучука, целесообразна двухстадийная пластикация. Однако даже в оптимальных условиях этого процесса жесткость каучука снижается не более чем на 4 - 5 н (400 - 500 гс). Скорость механической пластикации бутадиен-нитрильных каучуков возрастает с увеличением содержания в них акрилонитрила. Иногда пластицируют также и мягкие бутадиен-нитрильные каучуки; благодаря этому получают смеси с более гладкой поверхностью и с меньшей усадкой.

Хлоропреновые каучуки (получаемые с применением серы в качестве регулятора) пластицируют на вальцах (7 -- 10 мин; 30 -- 40°С) или в резиносмесителях. В последнем случае пластикацию можно совмещать с процессом смешения. Продолжительность обработки в отсутствие и в присутствии ускорителей составляет соответственно 5 -- 6 и 3 -- 4 мин, температура -- не выше 100°С.

в) Термоокислительная пластикация. В промышленности такой способ пластикации применяют только при переработке бутадиен-стирольных каучуков высокотемпературной полимеризации, вырабатываемых в небольших масштабах (механическая пластикация этих каучуков малоэффективна). Изменения пласто-эластических свойств каучуков при термоокислительной пластикации обусловлены термоокислительной деструкцией макромолекул. В реальных условиях пластикация одновременно, но с различными скоростями развиваются деструкция и сшивание; на первых стадиях пластикации превалирует первый, на более поздних -- второй процесс. Сшивание, которое наиболее отчетливо проявляется при малых концентрацияхкислорода и высоких температуpax, тормозится при введении в каучук антиоксидантов, солей железа, а также при снижении температуры (в пределах, не вызывающих резкого замедления деструкции).

Оптимальные условия термоокислительной пластикации, которую проводят в котлах с циркуляцией воздуха, - 120 - 140°С и давление - 0,3 Мн/м2 (~ 3 кгс/см2). Однако и в этих условиях в каучуке образуются разветвленные и сшитые структуры. Поэтому смеси из термопластицированного каучука имеют худшие технологические свойства, чем смеси из каучука, подвергнутого механической пластикации при низких температурах (в частности, повышенное эластическое восстановление), а резины - пониженные механические характеристики.

Вариант 3

Приготовление резиновых смесей. Смешение на вальцах. Смешение в закрытых резиносмесителях. Смешение в смесителях непрерывного действия.

Приготовление резиновых смесей (смешение). Резиновая смесь является сложной многокомпонентной системой, в состав которой входят каучуки и различные ингредиенты, равномерно распределенные в массе каучука. Для получения резиновых смесей каучук и ингредиенты смешивают до образования однородной массы. В процессе смешения система с упорядоченным расположением ингредиентов превращается в систему с неупорядоченным, статистически случайным распределением. Простое смешение рассматривается как процесс, в результате которого происходит только изменение первоначального распределения компонентов об объеме. При простом смешении энтропия системы возрастает; при этом физическое состояние компонентов не изменяется. Большинство порошкообразных ингредиентов, особенно технический углерод, вводят в смесь в виде более или менее крупных агломератов, поэтому процесс смешения сопровождается диспергированием (измельчением) этих компонентов. Процесс смешения включает несколько этапов: измельчение твердых компонентов; введение компонентов в каучук; диспергирование агломератов; смешение. Процесс смешения каучука с ингредиентами сопровождается рядом физико-химических и химических явлений, которые существенно влияют на состояние смеси и само смешение. При смешении происходит диффузия и растворение некоторых компонентов в смеси, что приводит, с одной стороны, к более равномерному их распределению, а с другой (особенно, при введении пластификаторов), - к существенному уменьшению вязкости, снижению напряжений сдвига и изменению других реологических характеристик смеси. В случае введения некоторых порошкообразных нерастворимых в каучуке ингредиентов (технического углерода) возможно существенное увеличение вязкости смеси вследствие образования прочной саже-каучуковой структуры (саже - каучуковый гель), гидродинамических эффектов и главным образом в результате адсорбции каучуков на поверхности частиц наполнителей, а также хемосорбции, активированной механическими напряжениями. При смешении в результате действия возникающих напряжений сдвига происходят механохимические процессы: деструкция полимера, сопровождающаяся снижением его вязкости (пластикация), и активация взаимодействия полимера с наполнителем, сопровождающаяся увеличением вязкости. В процессе смешения резиновая смесь вследствие внутреннего трения интенсивно разогревается, что приводит к снижению вязкости смеси и уменьшению напряжений сдвига, ускорению термоокислительных процессов, а также к преждевременной вулканизации смеси. Действие различных факторов, определяющих процесс смешения, часто оказывается взаимно противоположным, поэтому выбирать режим смешения следует в соответствии с применяемым оборудованием, учитывая состав резиновой смеси, требования, предъявляемые к качеству смеси, и экономические показатели процесса смешения. Для получения резиновой смеси высокого качества необходимо в процессе смешения: обеспечить деформацию и напряжение сдвига, достаточные для смешения и диспергирования, но не приводящие к перепластикации смеси; определить оптимальные температурные условия процесса, от которых зависят напряжения сдвига, расход энергии при смешении, термоокислительная деструкция каучука и подвулканизация резиновой смеси, а также обеспечить высокую интенсивность процесса, определяющую производительность труда.

1.Механизм вальцевания. При вальцевании находящийся на валках материал вследствие контакта с движущимися поверхностями валков увлекается в зазор между ними. Поскольку площадь поперечного сечения зазора по мере удаления от входного сечения все время уменьшается, а обрабатываемый материал практически несжимаем, скорости движения слоев материала, расположенных на разных расстояниях от поверхности валка, различны; при этом скорость движения материала по мере удаления от поверхности валка увеличивается. Вследствие того, что скорость транспортирования материала в различных слоях неодинакова, в нем возникает деформация сдвига, скорость которой увеличивается с уменьшением зазора и ростом окружной скорости валков. Поскольку скорость сдвига однозначно связана с напряжением сдвига, в различных точках материала, находящегося в зазоре, 15действуют различные напряжения сдвига, абсолютное значение инаправление которых меняется в зависимости от места расположения и режима вальцевания (скорость, зазор, температура).

В связи с тем, что перемешивание материала происходит только в плоскости, нормальной к оси валков, для выравнивания концентраций смешиваемых ингредиентов в продольном направлении вальцуемый материал периодически снимается с поверхности валка, скручивается в рулон и вновь подается в зазор между валками. Сложное комплексное воздействие, которому подвергается вальцуемый материал, позволяет осуществлять посредством вальцевания многие технологические процессы - перемешивание, гомогенизацию, размягчение и пластикацию.

Гидродинамический подход к процессу вальцевания должен позволять решить следующие задачи: 1) рассчитать функцию тока в зазоре между валками; 2) определить эпюру скоростей в зазоре; 3) рассчитать поле напряжения в зазоре между валками; 4) определить крутящий момент, необходимый для привода валков; 5) рассчитать поле давлений в зазоре и определить результирующее усилие, вызывающее деформацию валка. При решении этих задач исходят из предположения, что вальцуемая среда является вязкой неньютоновской жидкостью. Процесс считают изотермическим.

2.Физические и химические процессы, протекающие при вальцевании. Вальцевание сопровождается рядом физических (нагревание, деформирование, ориентация) и химических (различные виды деструкции, окисление, прививка, структурирование полимеров, реакции макрорадикалов) процессов. В результате интенсивной деформации (сжатие, сдвиг, растяжение) полимерного материала в зазоре валков выделяется значительное количество тепла. Наряду с этим под влиянием напряжений сдвига в проходящем через зазор полимерном материале происходит ориентация макромолекул. Механические напряжения снижают энергетический барьер реакции инициирования окислительных процессов и облегчают термо-окислительную и термическую деструкции. Под влияниемдействующих в зазоре механических напряжений может происходить и механохимическое расщепление макромолекул полимера, в особенности при умеренных и низких температурах. Этот процесс протекает по свободно-радикальному механизму, что подтверждается соответствием степени механической деструкции полимера (по молекулярной массе) и степени расхода акцепторов свободных радикалов. Образующиеся макрорадикалы могут рекомбинировать, взаимодействовать с макромолекулами (с образованием блок- и привитых сополимеров, а также пространственно-структурированных полимеров) или дезактивироваться в результате реакции с ингибитором. В некоторых случаях (при перемещении образовавшихся макрорадикалов и последующей их рекомбинации) при вальцевании может наблюдаться так называемое «химическое течение», состоящее в разрыве цепей и межмолекулярных связей (в том числе пространственной сетки). «Химическое течение» носит деструктивно-рекомбинационный характер и прекращается в момент снятия напряжения. Преобладают ли при вальцевании процессы деструкции или структурирования, определяется химическим строением полимера, его молекулярной массой, составом газовой среды и в значительной степени - температурой вальцевания; глубина протекания этих процессов зависит от

продолжительности вальцевания. При низких температурах протекают преимущественно процессы деструкции, с повышением температуры преобладающее значение приобретают процессы структурирования. Поэтому пластикацию каучука обычно проводят при низкой температуре на охлаждаемых валках.

3.Технологические процессы, осуществляемые с помощью вальцевания. В технологии пластмасс вальцевание можно проводить с целью: а) смешения отдельных ингредиентов с полимером (или гомогенизации готовой композиции) для получения однородной массы; при этом полимер, как правило, переходит в вязкотекучее или пластическое состояние; б) перевода материала в состояние, облегчающее его дальнейшую переработку; в) изготовления полуфабрикатов (листов, пленки и др.); г) синтеза блок- или привитых сополимеров при совместном вальцевании двух и более полимеров; д) пропитки под давлением наполнителей расплавом синтетических смол при получении термореактивных прессматериалов. Для смешения полимера с пластификатором используют вальцы с фрикцией, т. е. с различной частотой вращения валков. Для интенсификации взаимного растворения пластификатора и полимера поддерживают максимально допустимую (с точки зрения термодеструктивной стойкости материала) температуру. Для приготовления гомогенной композиции (смешение, диспергирование) или при совмещении полимера с пластификатором на вальцы загружают полученную в смесителе сухую композицию или полимер (как правило, в виде порошка). При вальцевании большинства полимерных материалов температура переднего (рабочего) валка обычно на 5 - 10°С выше температуры заднего (холостого) валка. После плавления материал собирается на переднем валке, покрывая его сплошным слоем; при правильном вальцевании задний валок остается чистым. По окончании плавления основной массы полимера на вальцы постепенно подают остальные ингредиенты. Для улучшения перемешивания вальцуемый материал все время подрезают ножом. После загрузки всех ингредиентов смесь еще некоторое время подвергают вальцеванию, затем свертывают в рулон и снова подают в зазор валков. Вальцевание заканчивают после исчезновения включений непровальцованного материала. В зависимости от аппаратурного оформления последующих стадий процесса свальцованный материал может сниматься в виде листа, свернутого рулона или узкой ленты (при непрерывном вальцевании).

В технологии резины и каучука вальцевание проводится с целью: а) пластикации каучуков; б) изготовления резиновых смесей путем последовательного введения ингредиентов в каучук; в) получения листов из резиновых смесей, изготовленных в резиносмесителе (листование); г) введения вулканизующих агентов в резиновую смесь, содержащую все остальные ингредиенты (иногда операции в), ж), г) совмещают); д) разогрева резиновых смесей перед шприцеванием, каландрованием и др.; е) дробления и размола резинового регенерата, а также обработки измельченного регенерата; ж) очистки регенерата от посторонних включений (рафинирование).

Процесс изготовления резиновых смесей можно подразделить на следующие стадии: подготовка каучука для смешения; введение ингредиентов; окончательная гомогенизация смеси и ее съем с вальцов. После пуска вальцов устанавливают зазор 1,5 - 2,0 мм, загружают каучук и производят его предварительную обработку. В процессе обработки каучук постепенно распределяется по всей поверхности переднего валка, образуя равномерный слой (так называемую «шкурку»). При этом некоторые каучуки (например, натуральный, хлоропреновый, бутил-каучук) заметно размягчаются. Продолжительность предварительной обработки зависит от типа каучука и его количества, загружаемого на вальцы (например, для натурального каучука 3 - 4 мин, для бутадиен-нитрильного 6 - 8 мин). Если резиновая смесь содержит два разных каучука или каучук и регенерат, то вначале смешивают эти материалы, причем первым подают более жесткий. После того как каучук равномерно распределен по поверхности валка, на вальцы подают ингредиенты. Поскольку объем резиновой смеси по мере введения ингредиентов возрастает, зазор между валками постепенно увеличивают. Порядок введения ингредиентов зависит от типа каучука, состава резиновой смеси и свойств отдельных ингредиентов. При вальцевании пластицирующихся каучуков сажу следует вводить в первую очередь, чтобы создать оптимальные условия диспергирования. Затем в смесь добавляют ускорители вулканизации, поскольку от равномерности их распределения существенно зависят физико-механические характеристики вулканизата. Введение ускорителей на ранних стадиях смешения обеспечивает максимально возможную степень их гомогенизации в смеси. Серу во избежание подвулканизации вводят на последней стадии смешения. Исключением являются смеси, предназначенные для изготовления эбонитов, в которые серу вводят в начальной стадии процесса, а ускорители - в конце. Вместе с ускорителями обычно вводят противостарители (антиоксиданты, антиозонанты), активаторы вулканизации и диспергаторы. Иногда для лучшего распределения сажи и других ингредиентов диспергаторы вводят непосредственно после обработки каучука. После сажи и других сыпучих ингредиентов в каучук вводят пластификаторы. Для улучшения гомогенности смеси некоторые ингредиенты (ускорители вулканизации, серу и др.) используют в виде так называемых «маточных смесей», или паст-концентратов, содержащих повышенные количества соответствующего ингредиента, распределенного вкаучуке или в пластификаторе. Продолжительность смешения (обычно 20 - 40 мин) зависит от типа каучука и состава смеси и возрастает с увеличением содержания наполнителей. Смесь с переднего валка может быть срезана механически (в виде ленты шириной 60 - 70 см и толщиной 0,8 - 1,2 см) или вручную (в виде листов площадью 0,8 - 1,2 м² ). Готовые листы охлаждают на стеллажах или в водяных охладительных ваннах. Иногда в качестве охлаждающей среды применяют водные суспензии каолина, стеарата цинка и др., которые предотвращают также слипание листов. Количество одновременно вальцуемой смеси зависит от размера вальцов и вида каучука. Если за 100 % принять объем загрузки при вальцевании смеси на основе натурального или бутадиен-стирольного каучуков, то при вальцевании смесей на основе бутадиен-нитрильного каучука загрузка должна быть не более 40 - 50 %, а на основе хлоропренового -- не более 60 - 70 %. Температуры смешения определяются температурой поверхности валков и интенсивностью тепловыделения вследствие вязкого трения. Для большинства каучуков температуру поверхности валков поддерживают на уровне 60 - 65°С (для хлоропренового каучука 40°С, для бутилкаучука 75 - 85°С). Для того чтобы смесь не переходила на задний валок, температуpa поверхности переднего валка должна быть на 5 - 10°С выше температуры заднего.

4. Смешение в закрытых резиносмесителях. К высоко вязким средам относят расплавы полимеров, пасто- и тестообразные полимерные композиции, в том числе и резиновые смеси. Их перемешивание осуществляется в основном различными механическими способами. Смешение проходит в ламинарном режиме; поэтому и смешение называется ламинарными. Такие смесители могут быть периодического и непрерывного действия. При перемешивании в смесителе могут возникать тангенциальное течение (масса перемещается параллельно пути, описываемому рабочим перемешивающим органом), радиальное (масса движется от рабочего органа перпендикулярно оси его вращения) и осевое (масса поступает и вытекает из смесителя параллельно оси вращения рабочего органа). Для перемешивания высоковязких сред наиболее распространены лопастные, червячные и роторные смесители. Широко используются двухроторные смесители закрытого типа периодического действия. Роторы могут вращаться навстречу друг другу в камере без давления или с

давлением. Рабочая температура смеси достигается путем обогрева корпуса смесителя паром или жидким теплоносителем. Выпускаются двухроторные смесители с рабочим объемом смесительной камеры 5 - 600 л; скорость вращения роторов до 30 -- 80 об/мин.

Двухроторные смесители закрытого типа с камерой, в которой на перемешиваемую массу оказывается давление, наиболее широко применяют для получения резиновых смесей и композиций на основе термореактивных смол. К таким аппаратам относится скоростной смесители периодического действия типа «Бенбери» . В момент загрузки смесителя заслонка загрузочной воронки под действием штока поршневого затвора откидывается, открывая доступ в смесительную камеру (по окончании загрузки ее закрывают, предотвращая, например, выброс пылящих порошкообразных компонентов). Загрузочное окно смесительной камеры закрывается поршневым затвором, приводимым в действие тем же пневматическим цилиндром (в момент загрузки затвор поднимается, после окончания загрузки опускается). Затвор давит на массу перемешиваемого материала, расположенного над роторами, в результате чего обеспечивается необходимое для смешения сцепление материала с поверхностью роторов. В нижней части смесительной камеры расположено разгрузочное окно, закрытое клиновым затвором, соединенным со штоком нижнего пневматического цилиндра, регулирующего положение этого затвора.

При смешении высоковязких полимеров выделяется большое количество тепла, для отвода которого во внутренние полости роторов подается вода; последняя сливается в линию стока системы охлаждения смесителя. Наружные стенки смесительной камеры омываются водой, поступающей через многочисленные патрубки, соединенные с общим коллектором системы охлаждения. В зоны затворов также поступает вода,

сливающаяся в коллектор. Смешение и измельчение (диспергирование) в смесителе происходят главным образом вследствие деформации сдвига, которой перемешиваемый материал подвергается в зазорах между роторами и стенками камеры. При загрузке компонентов смеси может быть заполнен весь рабочий объем смесительной камеры и даже примыкающая к ней нижняя часть загрузочной воронки. По мере смешения материал под давлением поршневого затвора уплотняется; затвор опускается и замыкает рабочую камеру. При каждом обороте роторов перемешиваемая масса поступает в зону между ними, затем, выталкиваясь из нее, поворачивается относительно оси роторов и переходит с переднего на задний ротор. При этом постоянно происходит переориентация поверхностей раздела между диспергируемой фазой и дисперсионной средой, что обеспечивает эффективное смешение. Таким образом, масса совершает сложное движение: 1) в серповидных сужающихся зазорах между роторами и стенками смесительной камеры, сопровождающееся интенсивной деформацией сдвига; 2) в плоскостях, нормальных к осям роторов (циркуляционное течение); 3) вдоль оси роторов(перемещение, создаваемое винтовой поверхностью лопастей роторов).

Различие в окружных скоростях роторов и случайные проскальзывания смеси определяют статистический характер развивающейся в полимере деформации сдвига. Увеличение частоты вращения роторов (следовательно, увеличение скорости деформации материала) сокращает продолжительность смешения. Эффективность смешения можно повысить (практически в 2 раза) увеличением числа лопастей роторов до 4. Потребляемая смесителем мощность в течение цикла смешения изменяется в широких пределах (в начале цикла - наибольшая, по мере уменьшения вязкости смешиваемой массы снижается и достигает наименьшей величины в конце цикла). Смесители для высоковязких сред непрерывного действия выполняют

две функции: смешение и транспортировку полученной смеси. Для этого лучше всего пригодны червячный механизм, роторный механизм, а также их сочетание (роторно-червячный смеситель). В универсальном червячном смесителе червяк совершает одновременно вращательное и возвратно-поступательное (в осевом направлении) движения. Для интенсификации процесса на внутренней поверхности корпуса смесителя устанавливают три ряда зубьев, которые входят в просветы (пазы), расположенные в определенном порядке между витками червяка. Благодаря переменному (осевому и радиальному) движению червяка между зубьями материал, движущийся по винтовой траектории в загрузочной части червяка, периодически смещается назад и переориентируется относительно линии тока. В небольших объемах между витками червяка материал подвергается напряжениям сдвига, сжатия, растяжения в различных плоскостях, приводящим к смешению, пластикации и дегазации.

Червячные смесители могут иметь цилиндрический или конический корпус, могут быть одно- или двухчервячными. Эффективны и экономичны осциллирующие червячные смесители. В некоторых одночервячных смесителях на внутренней поверхности корпуса вместо зубьев делают встречную винтовую нарезку. Двухчервячные смесители выполняются с правой и левой нарезкой червяков, с эксцентриковыми, линзовидными и самоочищающимися трехгранными кулачками и др. Двухчервячный смеситель-гранулятор представляет собой модификацию двухчервячного экструдера с незацепляющимися червяками различной длины, вращающимися с одинаковой скоростью в противоположных направлениях в корпусе, поперечное сечение которого напоминает восьмерку. Примерно в средней части червяков располагаются секции с обратной нарезкой, создающей встречное движение материала, в результате чего смесь перемешивается более интенсивно. Так как угол подъема винтового канала в зоне встречного потока материала мал, общее поступательное движение его по направлению к гранулирующей головке остается неизменным. Смеситель-гранулятор применяется для удаления летучих, например, из гранулированного каучука, для гомогенизации смесей на основе поливинилхлорида и других полимеров. В роторно-червячных смесителях, например, типа микструдеров (ФРГ), различают: 1) зону питания, в пределах которой роторы имеют винтовую взаимно зацепляющуюся нарезку (здесь масса пластицируется и продавливается под давлением дальше); 2) зону смешения, где роторы имеют профиль, подобный роторам смесителя типа «Бенбери» (за исключением того, что обе лопасти ротора простираются на всю длину зоны смешения); 3) зону дозирования, в которой роторы выполнены как обычные дозирующие червяки (здесь смесь окончательно гомогенизируется и продавливается через гранулирующую решетку головки).

В конструкциях смесителей типов фарелл и ZSK сочетаются двухчервячный экструдер с двухроторным смесителем. В смесителе типа фарелл полимер и все остальные ингредиенты смеси непрерывно загружаются в смеситель и проталкиваются незацепляющимися червяками в смесительную камеру, в которой расположены двухлопастные роторы. Время пребывания смеси в камере регулируется изменением (с помощью дроссельной заслонки) сопротивления щелевой головки экструдера. Такой смеситель применяется для гомогенизации термопластов, а также для приготовления резиновых смесей. Отличительная особенность смесителя типа ZSK - составные роторы, подающие секции которых набираются из взаимно зацепляющихся трехзаходных червяков, а смесительные - из треугольных кулачков, число которых можно изменять в зависимости от технологических требований. Червяки расположены рядом внутри многосекционного корпуса, имеющего несколько зон для отсоса летучих. Для лучшего захвата порошкообразного материала червяками в загрузочном окне смонтирован трехлопастной питатель. Количество смесительных зон может быть доведено до четырех при применении червяков увеличенной длины. Такие смесители применяют в основном для введения в композиции стабилизаторов, для гранулирования порошкообразного полиэтилена низкого давления и полипропилена.

Для непрерывного смешения, проведения механохимических синтезов и введения наполнителей в пластмассы и эластомеры применяют, например, двухроторный модификатор, а также дисковый экструдер. Расчет смесителей (любых конструкций) должен включать: определение производительности и мощности, необходимой для обеспечения работы смесителя. В отдельных случаях (например, для роторных смесителей) производят тепловой расчет, главная цель которого - определение температуры смеси и в итоге выбор необходимых вариантов системы охлаждения. Для расчета отдельных конструктивных параметров (например, радиусов лопасти, размеров лопатки) используют эмпирические формулы.

Вариант 4

Формование резиновых смесей. Каландрование. Шприцевание. Прессование.

1.Формование резиновых смесей. Для получения резиновых изделий массе резиновой смеси необходимо придать определенную форму -- подвергнуть ее формованию. Основными способами формования резиновых смесей и других полимерных материалов являются каландрование, шприцевание (экструзия), прессование, литье под давлением. В резиновой промышленности широко совмещают процессы формования с вулканизацией. В процессе формования резиновая смесь подвергается механическому воздействию, в результате чего происходит ее деформация под влиянием возникающих напряжений. Каучук и резиновые смеси под воздействием нагрузки одновременно испытывают упругую, высокоэластическую и пластическую деформации. Упругая деформация характерна для полимеров, находящихся в кристаллическом или застеклованном состоянии при небольших деформациях. В резиновых смесях при температурах переработки доля упругой составляющей в общей деформации ничтожно мала. Каучук и резиновые смеси при переработке подвергаются главным образом высокоэластической (обратимой) и пластической (необратимой) деформациям. Преобладание той или иной из них в основном зависит от температуры, природы и состава полимерного материала, а также скорости деформации (нагрузки) и напряжения. При повышении температуры и уменьшении скорости деформации высокоэластическая составляющая ее уменьшается, однако при технологических условиях переработки смесей никогда полностью не исчезает. Снизить высокоэластическую деформацию (эластическое восстановление) возможно при введении в резиновую смесь наполнителей - технического углерода, пластификаторов или сшитых каучуков. Соотношение между пластической и высокоэластической составляющими деформации имеет весьма важное значение при формовании резиновых смесей.

2. Каландрование. Каландрованием называется процесс формования, при котором разогретую резиновую смесь пропускают в зазоре между горизонтальными валками, вращающимися навстречу друг другу, при этом образуется бесконечная лента определенной ширины и толщины. Каландрование производят на специальных агрегатах, главной частью которых является каландр.

При каландровании полимерный материал проходит через зазор только один раз. Поэтому для получения листа с гладкой поверхностью очень часто используют трех- или четырехвалковые каландры, имеющие соответственно два или три зазора. На каландрах можно получать листы с точностью по толщине до ±0,02 мм. Ширина листа определяется рабочей длиной валки. При каландровании проводятся различные технологические операции: формование резиновой смеси и получение гладких или профильных листов; дублирование листов; обкладка и промазка текстиля резиновой смесью.

а) Каландрование в резиновой промышленности.

В этой отрасли каландрование применяют в следующих технологических процессах:

1. Листование резиновых смесей для получения бесконечных листов толщиной 0,5--1,5 мм; обычно эту операцию производят на каландрах с 3, 4 или 5 валками. Некоторые валки этих каландров вращаются с небольшой фрикцией; валки, образующие последний (формующий) зазор, вращаются с одинаковой скоростью.

2. Изготовление профилированных заготовок, например, выпуск на профильных каландрах подошвенной пластины с рельефным рисунком с одной стороны.

3. Дублирование (сдваивание) листов для получения полотна толщиной более 1,5 мм (обычно при каландровании через зазор, превышающий 1,5 мм, в листе образуются воздушные пузыри). Различают несколько способов

дублирования: а) с помощью гуммированного ролика, устанавливаемого на каландре. Предварительно листованную смесь подают из раскаточного устройства (или с другого каландра) в зазор между дублировочным валиком и нижним валком каландра, где она прижимается давлением грузов (или пружин) и прикатывается к поверхности, выходящей из последнего зазора каландра листованной смеси; б) с применением специального барабана диаметром ~1 м, располагаемого непосредственно возле каландра. К поверхности барабана, нагретого до 40--60°С, прикатывают поступающий с каландра лист до достижения заданной толщины (до 40 мм). Готовый лист разрезают по образующей и снимают с барабана. На четырех- и пятивалковых каландрах одновременно листуют два полотна и дублируют их в одном из зазоров каландра. Прорезиненные ткани дублируют на двухвалковых каландрах, через которые одновременно пропускают до 5 слоев ткани.

4. Прорезинивание (промазка) ткани, при которой резиновая смесь вдавливается между нитями ткани.

5. Обкладка ткани тонким слоем резиновой смеси; производится на каландрах, валки которых вращаются с одинаковой скоростью. Одностороннюю обкладку можно производить за один пропуск на трехвалковом каландре, двухстороннюю - за один пропуск на четырехвалковом каландре или за два пропуска натрехвалковом. Для повышения прочности связи резины с плотной тканью поверхность последней перед обкладкой промазывают клеем или резиновой смесью. Ткани из искусственных и синтетических волокон перед обкладкой пропитывают составами на основе латексов или синтетических смол.

При непрерывной двухсторонней обкладке на четырехвалковом каландре ткань с раскаточного устройства попадает на компенсатор, затем в барабанную сушилку черезнаправляющие и ширительные ролики поступает на каландр. Резиновую смесь одновременно подают в оба зазора (верхний и нижний). Поэтому ткань, проходящая между верхним и средним валками, обкладывается резиной с двух сторон. Выходящая из каландра лента охлаждается на барабанах и через компенсатор поступает на закаточное устройство. Скорость обкладки ткани обычно составляет 20 - 80 м/мин. Температурный режим каландрования резиновых смесей зависит от типа каучука, размера фрикции и содержания наполнителя. При увеличении степени наполнения температура валков понижается.

3. Шприцевание. Шприцеванием (экструзией) называется процесс формования заготовок определенного профиля путем продавливания разогретой резиновой смеси под давлением через профилирующее отверстие (мундштук). Шприцевание осуществляют в червячных машинах - шприц-машинах холодного и горячего питания, в которых резиновая смесь с помощью вращающегося червяка выдавливается через профильное отверстие головки, и в шприц-прессах, в которых резиновая смесь продавливается плунжером через мундштук под давлением, возникающим в результате воздействия плунжера на находящийся в резервуаре материал. Шприц-прессы в отличие от шприц-машин относятся к аппаратам периодического действия. Они хотя и обеспечивают выход смеси из головки с постоянной скоростью, однако не позволяют создать непрерывный процесс. Благодаря простоте управления и надежности в работе червячные машины можно комплектовать в агрегаты и создавать механизированные и автоматизированные поточные линии (протекторные, камерные и др.). При шприцевании резиновых заготовок с помощью двух червячных машин в одну головку можно получить сложные профильные заготовки из резиновых смесей различного состава.

4.Прессование. Для изготовления резиновых изделий сложной конфигурации с высокой плотностью и большой точностью широко используют формовой способ вулканизации в прессах. При этом способе вулканизации одновременно сочетают два процесса -- формование методом компрессионного прессования (запрессовки)резиновой смеси в специальные пресс-формы и последующую вулканизацию под давлением. В некоторыхслучаях эти процессы можно проводить раздельно. Заполнение пресс-формы резиновой смесью происходит под делением благодаря вязкотекучим свойствам смеси. Для улучшения текучести смесей их подогревают; резиновые смеси запрессовывают, как правило, в нагретую форму. При этом следует учинять, что в процессе прессования подвулкаиизация резиновой смеси не должна происходить до момента полного растекания смеси (до заполнения формы). Конструкции пресс-форм отличаются большим разнообразием. Для вулканизации изделий в прессах под давлением и меняют формы одноместные, а для мелких изделий многоместные. Размеры форм определяют по максимальному использованию поверхности их нагрева, а для удобства обращения с ними - по массе. При выборе материала для изготовления форм необходимо учитывать требования, предъявляемые к ним по прочности, износоустойчивости, невысокой стоимости, химической стойкости, простоте обработки при наличии высокой точности, хорошей теплопроводности и другим. Таким требованиям лучше всего удовлетворяют стали различных марок. В особо ответственных случаях применяют легированные стали. При конструировании форм необходимо учитывать характер формуемого материала, тепловые коэффициенты расширения и усадки, допускаемое давление, коэффициенты трения, возникающие при растекании смеси в форме, легкость извлечения изделий из формы. Для изделий, не требующих больших усилий прессования, можно применять некоторые легкоплавкие металлы (алюминий, сплавы сурьмы и др.). Вулканизационные прессы в зависимости от размеров и способа обогрева рабочих плит, давления прессования и вида привода подразделяют на гидравлические, гидромеханические и рычажно-механические с обогревом плит паром, перегретой водой под давлением или электрическим током. Гидравлический вулканизационный пресс состоит из гидравлического цилиндра, отлитого из специального чугуна или стали, и траверс, соединенных между собой двумя или несколькими рамами или круглыми колоннами. Внутри цилиндра перемещается плунжер, на котором установлен подъемный рабочий стол. Неподвижная нагревательная плита крепится на верхней траверсе, подвижная - на подъемном рабочем столе. Нередко прессы оборудуют промежуточными подъемными плитами, что позволяет производить загрузку пресса в несколько этажей. Для уменьшения теплопотерь верхние и нижние нагревательные плиты изолированы асбестовыми прокладками. Поверхности нагревательных рабочих плит должны быть тщательно обработаны и строго параллельны.

Размещено на Allbest.ru