Вулканизация (британский английский: vulcanisation ) — это ряд процессов для отверждения резины . [1] Термин изначально относился исключительно к обработке натурального каучука серой , что остается наиболее распространенной практикой. Он также расширился, включив в себя отверждение других (синтетических) каучуков различными способами. Примерами являются силиконовый каучук, вулканизированный 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 взаимозаменяемо в этом контексте. Она работает путем формирования поперечных связей между секциями полимерной цепи , что приводит к повышению 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 Броккедоном (другом Томаса Хэнкока , который получил британский патент на этот процесс), и происходит от имени бога Вулкана , который ассоциировался с жаром и серой в вулканах . [3]
-Ball.jpg/1280px-Roller-hockey-(Quad)-Ball.jpg)
В древних мезоамериканских культурах каучук использовался для изготовления мячей, подошв сандалий, эластичных лент и водонепроницаемых контейнеров. [4] Его вулканизировали с помощью соков растений, богатых серой, что является ранней формой вулканизации. [5]
В 1830-х годах Чарльз Гудиер работал над разработкой процесса укрепления резиновых шин. Шины того времени становились мягкими и липкими от тепла, накапливая дорожный мусор, который прокалывал их. Гудиер пытался нагревать резину, чтобы смешивать с ней другие химикаты. Казалось, это затвердевало и улучшало резину, хотя это было связано с самим нагревом, а не с используемыми химикатами. Не осознавая этого, он неоднократно сталкивался с неудачами, когда его объявленные формулы затвердевания не работали последовательно. Однажды в 1839 году, пытаясь смешать резину с серой , Гудиер случайно уронил смесь на горячую сковороду. К его удивлению, вместо того, чтобы расплавиться дальше или испариться , резина оставалась твердой, и по мере того, как он увеличивал температуру, резина становилась тверже. Гудиер разработал последовательную систему для этого затвердевания и к 1844 году запатентовал процесс и производил резину в промышленных масштабах. [ необходима цитата ]
Существует множество областей применения вулканизированных материалов, примерами которых являются резиновые шланги, подошвы для обуви, игрушки, ластики, хоккейные шайбы, амортизаторы, конвейерные ленты, [6] виброопоры/гасители вибрации, изоляционные материалы, шины и шары для боулинга. [7] Большинство резиновых изделий вулканизируются, поскольку это значительно увеличивает их срок службы, функциональность и прочность.
В отличие от термопластичных процессов (процесс плавления-замораживания, характеризующий 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 . Ускоренная вулканизация осуществляется с использованием различных соединений, которые изменяют кинетику сшивания; [8] эту смесь часто называют пакетом вулканизации. Основными полимерами, подвергаемыми серной вулканизации , являются полиизопрен ( натуральный каучук ) и стирол-бутадиеновый каучук (SBR), которые используются для большинства шин для уличного транспорта. Пакет вулканизации подбирается специально для субстрата и области применения. Реакционноспособные участки — центры вулканизации — 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 связываются с сайтом вулканизации 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 работающей шины. Без хороших изгибающих свойств эти движения быстро образуют трещины и в конечном итоге приведут к разрушению резинового изделия.
Вулканизация неопрена или полихлоропренового каучука (CR-каучука) осуществляется с использованием оксидов металлов (в частности, MgO и ZnO , иногда Pb3O4 ) , а не соединений серы, которые в настоящее время используются со многими натуральными и синтетическими каучуками . Кроме того, из-за различных факторов обработки (в основном, подвулканизации, которая представляет собой преждевременное сшивание каучуков из-за воздействия тепла), выбор ускорителя регулируется другими правилами, чем для других диеновых каучуков. Большинство традиционно используемых ускорителей являются проблематичными при вулканизации CR-каучуков, и было обнаружено, что наиболее важным ускорителем является этилентиомочевина (ETU), которая, хотя и является отличным и проверенным ускорителем для полихлоропрена, была классифицирована как репротоксичная . С 2010 по 2013 год европейская резиновая промышленность проводила исследовательский проект под названием SafeRubber для разработки более безопасной альтернативы использованию ETU. [9]
Силикон, вулканизирующийся при комнатной температуре (RTV), состоит из реактивных полимеров на основе масла в сочетании с усиливающими минеральными наполнителями. Существует два типа силикона, вулканизирующегося при комнатной температуре: