Вулканизация (британский английский: Vulcanisation ) — это ряд процессов упрочнения резины . [1] Первоначально этот термин относился исключительно к обработке натурального каучука серой , которая остается наиболее распространенной практикой. Он также стал включать в себя отверждение других (синтетических) каучуков различными способами. Примеры включают силиконовый каучук, вулканизируемый при комнатной температуре, и хлоропреновый каучук (неопрен) с использованием оксидов металлов.
Вулканизацию можно определить как отверждение эластомеров , при этом термины «вулканизация» и «отверждение» иногда используются в этом контексте как синонимы . Он действует путем образования поперечных связей между участками полимерной цепи , что приводит к увеличению жесткости и долговечности, а также к другим изменениям механических и электрических свойств материала. [2] Вулканизация, как и отверждение других термореактивных полимеров , обычно необратима.
Слово было предложено Уильямом Брокедоном (другом Томаса Хэнкока , получившим британский патент на этот процесс) от бога Вулкана , который ассоциировался с теплом и серой в вулканах . [3]
Каучук – латекс – был известен на протяжении тысячелетий в мезоамериканских культурах и использовался для изготовления мячей, подошв сандалий, резиновых лент и водонепроницаемых контейнеров. Каучук обрабатывался для конкретных целей в Империи ацтеков — изделия из каучука и латекса обрабатывались и изготавливались, а затем отправлялись в столицу для использования или дальнейшего распространения. [4]
Первые резиновые камерные шины XIX века становились липкими на горячей дороге. В них застревал мусор, и в конечном итоге шины лопались.
Чарльз Гудиер в 1830-х годах работал над улучшением камерных шин. Он попробовал нагреть резину, чтобы смешать с ней другие химические вещества. Казалось, что это укрепило и улучшило резину, хотя это произошло из-за самого нагрева, а не используемых химикатов. Не осознавая этого, он неоднократно сталкивался с неудачами, когда объявленные им формулы ужесточения не работали последовательно. Однажды в 1839 году, пытаясь смешать каучук с серой , Гудиер случайно уронил смесь на горячую сковороду. К его удивлению, вместо того, чтобы плавиться или испаряться , каучук оставался твердым, а по мере увеличения температуры каучук становился все тверже. Гудиер разработал последовательную систему такого отверждения и к 1844 году начал производить каучук в промышленных масштабах. [ нужна цитата ]
Существует множество применений вулканизированных материалов, примерами которых являются резиновые шланги, подошвы для обуви, игрушки, ластики, хоккейные шайбы, амортизаторы, конвейерные ленты, [5] виброопоры/гасители, изоляционные материалы, шины и шары для боулинга. [6] Большинство резиновых изделий вулканизируются, поскольку это значительно увеличивает их срок службы, функциональность и прочность.
В отличие от термопластических процессов (процесс замерзания в расплаве, который характеризует поведение большинства современных полимеров), вулканизация, как и отверждение других термореактивных полимеров , обычно необратима. Обычно используются пять типов систем отверждения:
Наиболее распространенные методы вулканизации зависят от серы. Сера сама по себе является медленным вулканизующим агентом и не вулканизирует синтетические полиолефины . Ускоренную вулканизацию проводят с использованием различных соединений, изменяющих кинетику сшивки; [7] Эту смесь часто называют комплексным лечением. Основными полимерами, подвергаемыми серной вулканизации, являются полиизопрен ( натуральный каучук ) и бутадиен-стирольный каучук (SBR), которые используются для большинства шин уличного транспорта. Пакет отверждения специально подобран для подложки и области применения. Реакционноспособные центры – центры отверждения – представляют собой аллильные атомы водорода. Эти связи CH соседствуют с двойными связями углерод-углерод (>C=C<). Во время вулканизации некоторые из этих связей CH заменяются цепочками атомов серы , которые соединяются с местом отверждения другой полимерной цепи. Эти мостики содержат от одного до нескольких атомов. Количество атомов серы в сшивке сильно влияет на физические свойства конечного резинового изделия. Короткие сшивки придают резине лучшую термостойкость. Сшивки с большим количеством атомов серы придают резине хорошие динамические свойства, но меньшую термостойкость. Динамические свойства важны для изгибающих движений резинового изделия, например движения боковины бегущей шины. Без хороших свойств гибкости эти движения быстро образуют трещины и в конечном итоге приводят к разрушению резинового изделия.
Вулканизация неопрена или полихлоропренового каучука (каучука CR) осуществляется с использованием оксидов металлов (в частности, MgO и ZnO , иногда Pb 3 O 4 ), а не соединений серы, которые в настоящее время используются во многих натуральных и синтетических каучуках . Кроме того, из-за различных факторов обработки (в основном, ожога, то есть преждевременного сшивания каучуков под воздействием тепла), выбор ускорителя регулируется иными правилами, чем для других диеновых каучуков. Большинство обычно используемых ускорителей создают проблемы при отверждении каучуков CR, и было обнаружено, что наиболее важным ускорителем является этилентиомочевина (ETU), которая, хотя и является отличным и проверенным ускорителем для полихлоропрена, была классифицирована как репротоксичная . Европейская резиновая промышленность начала исследовательский проект SafeRubber [8] с целью разработки более безопасной альтернативы использованию ETU.
Силикон, вулканизируемый при комнатной температуре (RTV), состоит из химически активных полимеров на масляной основе в сочетании с укрепляющими минеральными наполнителями. Существует два типа силикона, вулканизующегося при комнатной температуре: