Oplossing voor schaalprobleem van rubberen mal

In de rubberverwerkende industrie is schimmelaanslag een veel voorkomend verschijnsel. Tijdens het uithardingsproces vormde zich een laag bezinksel op de vormwand, die zich geleidelijk ophoopte in de daaropvolgende productiecyclus. Eerdere literatuur heeft de invloed besproken van verschillende factoren die schimmelaanslag veroorzaken. Er is nu gevonden dat voor verschillende sulfiden (en zinkoxide) die in het polymeerrubbermengsel aanwezig zijn, zinksulfide het meest irritante bijproduct van de reactie is dat aanslag veroorzaakt tijdens het uithardingsproces. Geen enkele semi-permanente lossingsmiddel of permanente (metaal)coating kan dit soort neerslag voorkomen. De conclusie is dat aanslag in eerste instantie wordt veroorzaakt doordat zinksulfide (anorganische aanslag) zich aan de mal hecht en een grijze aanslaglaag vormt. Als functie van de temperatuur hechten componenten met een laag molecuulgewicht in het mengsel zich aan de microkristallen van zinksulfide en veroorzaken de tweede fase van afzetting (organische afzetting). Oxidatieproducten worden binnen een bepaalde tijd gevormd en veroorzaken koolstofafzetting.
Door de oorzaken van schimmelaanslag en het interne mechanisme van de vorming van zinksulfide microkristallen op het metalen oppervlak van de mal te begrijpen, is het mogelijk om een ​​methode te produceren die geschikt is voor het huidige verwerkingsproces om de vorming van zinksulfide te verminderen en schimmelaanslag te voorkomen . Het is heel goed mogelijk om dit fenomeen te verminderen door de oorzaken van kalkaanslag te bestuderen.
Er zijn twee mogelijke oplossingen om de vorming van vuil te voorkomen of te verminderen: de samenstelling van het mengsel veranderen of het oppervlak van de mal verbeteren.
Verander de samenstelling van het mengsel om schimmelvorming te verminderen
De schimmelaanslag veroorzaakt door zinkoxide of vulkanisatie moet worden verminderd of geëlimineerd. De meeste afzettingen zijn gerelateerd aan een hoog gehalte aan sulfide en zinkoxide, die meestal worden gebruikt in bandenrubberproducten. In volume is band het grootste rubberproduct ter wereld (tot 75 procent). Daarom worden de meeste experimenten uitgevoerd met het mengsel van NR/BR-compound en SBR-compound dat gewoonlijk wordt gebruikt bij de productie van banden. In het aspect van het verminderen van schimmelaanslag door de samenstelling van het mengsel te veranderen, werden de invloed van zinksulfide, kortdurende vulkanisatie-experimenten en de invloed van de samenstelling van de verbinding onderzocht.
◆ Bepaling van zinksulfide
Dit onderzoek begint met het onderzoek naar de vorming van zinksulfide, de bron van het oorspronkelijke vuil. Het vulkanisatie-experiment toonde aan dat er zich zinksulfide op het metaaloppervlak vormde. Detecteer de afzetting van het inzetstuk met een 1000-microscoop met vouwvergroting om de zichtbare initiële microkristallijne vast te stellen en analyseer deze vervolgens met de RMA-methode (Rontgen-microanalyse), zoals weergegeven in afbeelding 1. De RMA-elementanalyse detecteerde de aanwezigheid van zink en zwavel. Volgens de gedetecteerde verhouding zwavel en zink wordt geconcludeerd dat microkristallen voornamelijk bestaan ​​uit onoplosbaar zinksulfide (fig. 2). Om het bestaan ​​van zinksulfide te bepalen, wordt een fysische analysemethode (AP-TPR) gebruikt om het gehalte aan H2S in het mengsel na vulkanisatie te analyseren (indirecte methode). Een vormvulkanisatie-experiment wordt gebruikt om het vormingsproces van zinksulfide in aanwezigheid van ijzer te bepalen. Het experiment wordt uitgevoerd in een gesloten pijpleiding bij 200 graden en zonder zuurstof. De reageerbuis bevat isotriacontaan, zinkoxide, zwavel en ijzer met een groot oppervlak. In dit experiment werd ook zinksulfide gedetecteerd door middel van RMA. Zoals verwacht toonden beide experimenten de vorming van zinksulfide. Er is echter geen bewijs dat zinksulfide wordt gevormd op het grensvlak tussen het mengsel en de mal, of dat ZnS wordt gevormd als bijproduct van de reactie van zink en zwavel tijdens het uithardingsproces.
Om het gehalte aan zinksulfide in het rubbermengsel te bepalen werd een andere methode toegepast. Gevormd rubber wordt gemalen bij lage temperatuur en tot kleine deeltjes gemaakt, die worden geëxtraheerd met aceton en behandeld met een mengsel van zoutzuur en azijnzuur. Het metaalsulfide wordt ontleed. Het gegenereerde waterstofsulfide wordt geabsorbeerd door cadmiumacetaatbufferoplossing en het gevormde cadmiumsulfide wordt bepaald door jodometrie. Daarnaast wordt het geëxtraheerde rubber in een magnetron gehydrolyseerd in zwavelzuur en salpeterzuur. Het hydrolysaat werd gescand door ICP-ES.
Uit deze resultaten kan worden geconcludeerd dat zinksulfide wordt gevormd als een reactieproduct van zinkoxide en zwavel. Bij de productie van vulkanisatie is dit reactieproduct beschikbaar en nuttig voor de vorming van microkristallen van zinksulfide tussen rubberproducten en matrijsoppervlakken.
De meest aanvaardbare aanname is dat zinksulfide wordt gevormd als een reactieproduct van zinkoxide en zwavel. Deze veelvoorkomende chemische reactie wordt beschreven in verschillende rubberhandleidingen. Een vereenvoudigd reactiemechanisme is:
2RH plus Sx plus ZnO plus (katalysator) RS (x-1) - R plus ZnS plus H2O
De meeste bandenmengsels bevatten 5 delen zinkoxide en ongeveer 2 delen zwavel per 100 delen. Voor een bandenmengsel kan worden berekend dat een formule op basis van 100 delen rubber (ongeveer 175 delen in totaal) 2,8 procent (gewicht) zinkoxide en 1,1 procent (gewicht) zwavel bevat. Uit de reactieformule kan worden berekend dat er ongeveer 0,6 gram zinksulfide wordt gegenereerd voor elke gram zinkoxide. Uiteraard kan een aanzienlijke hoeveelheid zinksulfide worden geproduceerd. In feite is alleen zinksulfide in de bovenste laag van de band microkristallijn zinksulfide (mogelijk veroorzaakt door het metalen oppervlak). Voordat de mal moet worden gereinigd, kan er ongeveer 500 keer worden gegoten.
◆ Experimenteren
Het is bekend dat het inzetstuk (kleine metalen plaat) die als oppervlak van de matrijs wordt gebruikt, via de RMA-methode in principe gemakkelijk kan analyseren of deze microkristallen van zinksulfide bevat, maar dit is een zeer dure test. Daarom werd een eenvoudige testmethode ontwikkeld om de initiële (zichtbare) microkristallen op het inzetstuk te bepalen. Met behulp van een optische microscoop met een vergroting van 500 zijn enkele microkristallen van 0,5 tot 1 micron te zien. Om microkristallen te produceren, werden vulkanisatie-experimenten uitgevoerd met verschillende mengsels, verschillende temperaturen en verschillende tijden. Er zijn twee mengsels geselecteerd en weergegeven in tabel 1, waaronder het mengsel op basis van s-SBR-loopvlak en het tussenmengsel op basis van NR/BR-mengsel. Beide mengsels worden gebruikt als basisverbinding voor verschillende vulkanisatie-experimenten.
Om het vulkanisatie-experiment uit te voeren wordt een eenvoudige persmal vervaardigd, die geschikt is voor maximaal 8 inzetstukken. Deze persmal is vervaardigd voor een kortdurend experiment van maximaal 20 cycli. Inspecteer de wisselplaat visueel na elke 5 opeenvolgende cycli. Op deze manier kunnen verschillende parameters, zoals mengparameters van verschillende additieven, of parameters met betrekking tot wisselplaten, zoals metaalselectie, ruwheid of coating, worden gedetecteerd. Er werden voorbereidende experimenten uitgevoerd op twee basisbandenmengsels. Het bandmengsel werd gedurende 20 minuten bij 160 graden gevulkaniseerd en gedurende 2 minuten bij 200 graden (de gegevens werden berekend uit de reometercurve). De resultaten toonden aan dat er geen verschil was in het aantal microkristallen van zinksulfide dat werd gevonden door visuele inspectie. Om de tijd te comprimeren werden alle verdere experimenten uitgevoerd bij 200 graden. Na 20 vulkanisatie-experimenten in korte tijd worden verdere experimenten uitgevoerd met behulp van spuitgieten, tot 500 vulkanisaties.
◆ Invloed van mengselsamenstelling
▲ Selectie van zink
Er werden experimenten uitgevoerd met de samenstelling van het mengsel. Zoals is aangetoond, wordt zinksulfide gevormd als een reactieproduct van zinkoxide (of zinkbevattende component) en zwavel. Het is niet eenvoudig om zwavel of zinksulfide uit de formule te verwijderen. Omdat deze twee componenten nodig zijn in de rubberformule. Natuurlijke zwavel kan de mechanische sterkte en hechting verbeteren, terwijl zinkoxide het uithardingssysteem kan activeren.
Het reometer-experiment laat zien dat zonder het maximale koppel van de reometer te veranderen, het niveau van zinkoxide kan worden verlaagd van 5 delen naar 3 delen (elke 100 delen rubber), wat bijna een factor 2 kan worden verminderd. Maar zelfs met de daling van dit niveau, heeft de afzetting van zinksulfide nog steeds geen duidelijke verandering (Tabel 2). Evenzo is er geen duidelijk verschil tussen het gebruik van zinkoxide (RS) en de vervanging van zinkoxide door een kleinere deeltjesgrootte.
Door echter 0.25 delen nano-zinkoxide te gebruiken in plaats van zinkoxide met een deeltjesgrootte van 40 nm (de maximale waarde van dezelfde reometer), kan het niveau van zinkoxide met 20 keer worden verminderd, en het verschil in sediment is duidelijk. In het kortdurende vulkanisatie-experiment met nano-zinkoxide bedroeg het aantal keren dat de matrijs werd gebruikt tot 20 cycli en was er geen afzetting van zinksulfide.