Как производится резина: производственный процесс, экструзия, формование и ключ

Сырой резиновый материал: природные и синтетические источники

Каучук начинается с одного из двух принципиально разных видов сырья: натурального каучука, полученного из живых деревьев, или синтетического каучука, полученного из нефтехимического сырья. Оба пути производят эластомерный полимер — материал, способный к большой упругой деформации и восстановлению, — но они различаются молекулярной структурой, профилем производительности, стоимостью и динамикой цепочки поставок.

Натуральный каучук

Натуральный каучук представляет собой латекс — коллоидную суспензию молочного цвета. цис-1,4-полиизопрен полимерные частицы в воде — образуются в коре Гевея бразильская дерево (каучуковое дерево). Постукивание включает в себя прорезание диагональной канавки во внешней коре, чтобы стимулировать поток латекса, который собирается в чашечки, прикрепленные к дереву. Взрослое каучуковое дерево дает примерно 2–3 кг сухой резины в год , а продуктивные деревья сохраняют урожай в течение 25–30 лет. Подавляющее большинство мировых поставок натурального каучука — более 90% — поступает с мелких плантаций в Таиланде, Индонезии и Вьетнаме, на которые вместе приходится примерно 70% мирового производства.

Собранный полевой латекс содержит примерно 30–40% сухих веществ каучука по весу. Его перерабатывают в пунктах сбора одним из двух методов: коагуляцией с муравьиной или уксусной кислотой для получения листовой резины (RSS — ребристый копченый лист — или TSR — технически определенный резиновый блок) или концентрированием центрифугированием для получения 60% латексного концентрата для продуктов, требующих жидкой резины. Ключевые преимущества натурального каучука перед синтетическими альтернативами заключаются в его исключительная прочность на разрыв (до 30 МПа в ненаполненном состоянии), исключительная усталостная прочность и низкое тепловыделение при динамических нагрузках. — свойства, делающие его незаменимым в крупногабаритных шинах для грузовых автомобилей, самолетов и внедорожной техники.

Синтетический каучук

Синтетические каучуки производятся путем полимеризации нефтехимических мономеров, при этом каждый тип полимера разрабатывается для определенного профиля производительности. Основными семействами синтетических каучуков, используемых в промышленности и автомобилестроении, являются:

• Бутадиен-стирольный каучук (SBR): Самый объемный синтетический каучук в мире; используется в шинах легковых автомобилей, конвейерных лентах и ​​обуви. Хорошая стойкость к истиранию при более низкой стоимости, чем у натурального каучука, но худшие динамические свойства при тяжелых нагрузках.
• EPDM (мономер этиленпропилендиена): Превосходная устойчивость к атмосферным воздействиям, озону и ультрафиолетовому излучению; доминирующий материал для автомобильных уплотнительных систем, кровельных мембран и резиновых профилей для наружного применения. Диапазон рабочих температур от –50°C до 150°C.
• Нитриловый каучук (NBR): Исключительная устойчивость к нефтяным маслам, топливу и гидравлическим жидкостям; стандартный материал для сальников, топливных шлангов и уплотнительных колец в автомобильной и промышленной технике.
• Неопрен (CR — хлоропреновый каучук): Сбалансированное сочетание маслостойкости, атмосферостойкости и огнестойкости; используется в гидрокостюмах, оболочках кабелей и промышленных шлангах.
• Силиконовая резина (VMQ): Диапазон экстремальных температур (от –60°C до 230°C), биосовместимость и электрическая изоляция; используется в медицинских устройствах, устройствах, контактирующих с пищевыми продуктами, высокотемпературных уплотнениях и электронике.
• Витон (FKM — Фторуглеродная резина): Самая высокая химическая и температурная стойкость среди всех коммерческих эластомеров; используется в топливных системах аэрокосмической промышленности, уплотнениях химической обработки и высокопроизводительных автомобильных приложениях.

Как производится резина: производственный процесс

Независимо от того, является ли исходным материалом натуральный или синтетический каучук, производство технического каучука следует последовательности стадий обработки, которые превращают необработанный полимер в готовое соединение с точно заданными свойствами. Каждый этап добавляет или изменяет определенные характеристики производительности конечного продукта.

Этап 1: Жевание

Сырой каучук, особенно натуральный каучук, поставляется в виде тюков или крошки с очень высокой молекулярной массой, что делает его слишком жестким и эластичным для эффективной обработки или компаундирования. Мастикация — это процесс механического разрушения, осуществляемый во внутренних смесителях (смесителях Бенбери) или валках открытой мельницы при контролируемых температурах с использованием сдвиговых сил для разрыва молекулярных цепей и снижения вязкости до уровня, пригодного для переработки. Перед тем, как продолжить, измеряют вязкость каучука по Муни, чтобы подтвердить адекватность пластификации. Синтетические каучуки часто поставляются предварительно пластифицированными до классов вязкости, готовых к переработке, что позволяет сократить или исключить этот этап.

Этап 2: Компаундирование

Составление компаунда — это наиболее технически сложный этап производства резины — момент, когда необработанный полимер превращается в специальный материал с определенной твердостью, прочностью на разрыв, удлинением, остаточной деформацией при сжатии, химической стойкостью и технологичностью. Ингредиенты, добавляемые при приготовлении, включают:

• Вулканизирующие агенты: Сера (для натуральных и большинства диеновых каучуков) или пероксиды (для EPDM, силиконовых и фторуглеродных каучуков), которые образуют поперечные связи между полимерными цепями во время отверждения — химического процесса, который превращает липкий, склонный к текучести сырой каучук в прочное эластичное твердое вещество.
• Ускорители: Органические соединения (тиазолы, сульфенамиды, тиурамы), резко сокращающие время и температуру отверждения; без ускорителей серная вулканизация потребует нескольких часов при высокой температуре.
• Наполнители: Углеродная сажа (наиболее эффективный армирующий наполнитель, повышающий прочность на разрыв в 5–10 раз и стойкость к истиранию на порядки) или диоксид кремния (используется в протекторах высокопроизводительных шин для снижения сопротивления качению и лучшего сцепления с мокрой дорогой); карбонат кальция и глина используются в качестве неармирующих наполнителей для снижения стоимости.
• Пластификаторы и технологические масла: Улучшите поток обработки, уменьшите твердость соединения и снизьте стоимость; парафиновые, нафтеновые и ароматические масла, выбранные с учетом совместимости с базовым полимером.
• Антидеграданты: Антиоксиданты и антиозонанты, защищающие отвержденную резину от окислительного и озонового воздействия в течение срока службы.
• Активаторы: Оксид цинка и стеариновая кислота, которые активируют систему вулканизации ускоритель-сера и присутствуют практически во всех отверждаемых серой соединениях.

Этап 3: Формование (экструзия, формование или каландрирование)

Смешанному компаунду придают окончательную или почти окончательную геометрию с использованием одного из трех основных процессов формования — экструзии, формования или каландрирования. Каждый из них подходит для различных геометрических форм продукта и объемов производства и подробно описан в разделах ниже.

Этап 4: Вулканизация (отверждение)

Вулканизация — это химическое сшивание полимерных цепей каучука, которое придает отвержденной резине ее определяющие свойства — эластичность, прочность и устойчивость к остаточной деформации. Без вулканизации резина остается термопластичной и расползается под нагрузкой. Вулканизация осуществляется путем применения тепла (обычно 150–200°С ) в течение контролируемого периода времени — времени отверждения — в прессе, автоклаве, печи или на линии непрерывного отверждения в зависимости от типа продукта. Чрезмерное отверждение (реверсия) смягчает резину за счет разрушения поперечных связей; недостаточное отверждение оставляет недостаточную плотность сшивок и дает слабый, липкий продукт. Точный контроль температуры, времени и давления отверждения имеет решающее значение для стабильного качества продукции.

Экструзии автомобильной резины и экструдированные резиновые профили

Экструзия резины — это непрерывный процесс формования, при котором резиновая смесь продавливается через матрицу под давлением с помощью вращающегося шнекового экструдера, создавая профиль постоянного поперечного сечения на высокой скорости. Затем экструдированный профиль вулканизируют — либо непрерывно (в соляной ванне, микроволновой печи или туннеле для отверждения горячим воздухом сразу после матрицы), либо нарезают на куски в прессе или автоклаве — для получения готового продукта.

Экструзия является доминирующим процессом производства резиновых изделий с длинным, непрерывным или повторяющимся поперечным сечением. Его основным преимуществом является скорость производства и экономическая эффективность крупносерийных профилей: после изготовления штампа погонные метры профиля производятся со скоростью 5–50 метров в минуту в зависимости от сложности профиля и метода отверждения по сравнению с экономикой формования, ограниченной по времени цикла.

Применение экструзии автомобильной резины

Автомобильная промышленность является крупнейшим потребителем экструдированных резиновых профилей: современный легковой автомобиль содержит 200–400 отдельных резиновых экструдированных компонентов через уплотнения, остекление, уплотнители и подкапотные системы. Ключевые категории включают в себя:

• Дверные и оконные уплотнители: Соэкструдированные профили из EPDM, сочетающие в себе плотную резину для структурных функций и губчатую (ячеистую) резину для эластичного уплотнения; непрерывно перемещаться вокруг дверных проемов и оконных рам, чтобы предотвратить попадание воды, ветра и шума
• Стеклянные ходовые каналы: П-образные профили, облицовывающие канал оконной рамы, по которому скользит дверное стекло; требуют поверхности с низким коэффициентом трения, точности размеров и длительного сохранения эластичных свойств.
• Уплотнители кузова и багажника: Полые или губчатые профили из EPDM, обеспечивающие основное уплотнение от атмосферных воздействий между панелями кузова, капотом и крышкой багажника.
• Подкапотные шланги: Экструдированные шланги из NBR, EPDM или силикона для систем охлаждающей жидкости, вакуума и воздухозаборника; часто армируется текстильной оплеткой или проволочной спиралью для устойчивости к давлению.
• Отделка и защита кромок: U-образные профили со встроенными металлическими несущими зажимами по краям панелей кузова; защитить от коррозии и обеспечить эстетическую отделку

Современная автомобильная экструзия часто использует соэкструзия — одновременная экструзия двух или более резиновых смесей с разной твердостью, цветом или свойствами скольжения через одну матрицу — для производства многофункциональных профилей за один проход. Экструзии термопластического вулканизата (TPV) все чаще заменяют традиционные профили из термореактивного EPDM в отдельных областях применения, обеспечивая возможность вторичной переработки и литья под давлением наряду с сопоставимыми герметизирующими характеристиками.

Формованные резиновые изделия и резиновые формованные детали

Литье резины используется для производства компонентов со сложной трехмерной геометрией, жесткими допусками по размерам или элементами, такими как внутренние каналы, кромки и фланцы, которые невозможно сформировать методом экструзии. В производстве резиновых компонентов преобладают три процесса формования, каждый из которых имеет разные инструменты, время цикла и характеристики применения.

Компрессионное формование

Предварительно сформированную резиновую загрузку (заготовку или преформу) помещают в открытую полость формы; форма закрывается под гидравлическим давлением, заставляя резину заполнить полость; тепло отверждает состав до формы полости. Компрессионное формование — это самый простой и недорогой процесс, подходящий для детали средней сложности при умеренных объемах . Заусенец (лишняя резина, выдавленная из линии разъема) обрезается после формования. Типичные области применения включают уплотнения, прокладки, втулки, виброопоры и уплотнительные кольца диаметров, слишком больших для эффективного литья под давлением.

Трансферное формование

Резиновая смесь загружается в перегрузочную емкость над закрытой формой. Плунжер проталкивает резину через литники и направляющие в полости формы. Трансферное формование производит более чистые детали с меньшим количеством заусенцев, чем при компрессионном формовании , позволяет лучше контролировать однородность заполнения в инструментах с несколькими полостями и позволяет формовать детали, связанные с металлом (формование с вставками), где резина связана с металлическими подложками за одну операцию. Обычно применяется для сложных уплотнительных колец, диафрагм и виброизоляционных компонентов.

Литье под давлением

Резиновая смесь пластифицируется в нагретом винтовом цилиндре и впрыскивается под высоким давлением в горячую закрытую форму — по сути, резиновый эквивалент литья термопластов под давлением. Литье под давлением обеспечивает кратчайшее время цикла, высочайшая стабильность размеров и минимальные трудозатраты на деталь. в больших объемах, но требует наибольших инвестиций в оснастку и наиболее экономически эффективен для сложных деталей в объемах более 50 000–100 000 штук в год. Преобладающий процесс изготовления прецизионных автомобильных уплотнений, медицинских пробок и сложных компонентов с несколькими полостями.

Резиновые сильфоны : Дизайн, функции и приложения

Резиновый сильфон — это гибкий, складчатый или гофрированный резиновый компонент, предназначенный для компенсации осевого перемещения, углового отклонения, бокового смещения или вибрации, сохраняя при этом герметичный корпус вокруг механизма, который он защищает. Гофрированная геометрия — серия витков или складок — позволяет сильфону многократно сжиматься, растягиваться и изгибаться в течение миллионов циклов без усталостного разрушения, в отличие от простой трубы, которая изгибается или трескается при эквивалентном смещении.

Резиновые сильфоны в большинстве случаев выполняют две одновременные функции: механическое приспособление (поглощение относительного перемещения между подключенными компонентами без передачи нагрузки) и экологическое уплотнение (за исключением грязи, воды, загрязнений и влаги из защищенного внутреннего механизма). Такое сочетание делает сильфоны незаменимыми в любой сборке, где движущиеся части должны быть защищены от воздействия окружающей среды.

Применение резиновых сильфонов в автомобильной промышленности

• Чехлы ШРУСа (сильфоны ШРУСа): Наиболее распространенное применение сильфона в автомобилях — удерживающая смазку и исключающая загрязнение крышка ШРУСа на обоих концах приводного вала. Обычно EPDM или термопластичный эластомер (TPE); должен выдерживать постоянное вращение, угловое отклонение до 45°, рабочие температуры от –40°С до 120°С и межсервисные интервалы 150 000 км.
• Пыльник рулевой рейки: Чехлы-аккордеоны, защищающие выступающий реечный механизм от дорожной грязи и воды; обычно EPDM или неопрен простой конструкции с несколькими витками
• Пылезащитные чехлы амортизатора: Защитный сильфон, защищающий полированный шток амортизатора от абразивного загрязнения; предотвратить преждевременный износ уплотнений и штока
• Чехлы КПП и ручника: Внутренние сильфоны кабины обеспечивают эстетическую защиту и защиту от грязи в местах проходов рычагов через пол или консоль.

Применение промышленных резиновых сильфонов

• Станочный путь охватывает: Сильфоны защищают линейные направляющие и ШВП на станках с ЧПУ от СОЖ, стружки и шлифовального мусора.
• Компенсаторы: Резиновые сильфоны большого диаметра в трубопроводных системах, поглощающие тепловое расширение, вибрацию и несоосность между жесткими секциями труб; используется в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, химической обработки и судовых выхлопных системах.
• Пневматические и гидравлические цилиндры: Защита штоков приводов от загрязнения окружающей среды в уличных, промывных и химически агрессивных промышленных средах.
• Роботизированные манипуляторы: Гибкие чехлы индивидуального профиля для соединений промышленных роботов; должен сохранять полный диапазон движений, не ограничивая движения, предотвращая при этом попадание сварочных брызг, краски или пыли.

Резиновые сильфоны обычно производятся путем прессования или трансферного формования, при этом геометрия витков формируется непосредственно в полости формы. Выбор материала зависит от условий эксплуатации: EPDM для применения на открытом воздухе и при атмосферных воздействиях, NBR для воздействия масла и топлива, силикон для работы при высоких температурах и неопрен для сбалансированного профиля общего назначения. Однородность толщины стенок по всем извилинам является критическим параметром качества производства. — утонченные места концентрируют напряжения и становятся очагами усталости, преждевременно заканчивающими срок службы сильфона.

Использование резины в различных отраслях промышленности

Уникальное сочетание эластичности, демпфирования, герметизации, электроизоляции и химической стойкости резины делает ее функционально незаменимой в более широком спектре отраслей промышленности, чем практически любой другой конструкционный материал. Ни один синтетический заменитель не воспроизводит полный набор свойств вулканизированной резины. В результате мировое потребление каучука продолжает расти параллельно с промышленным и автомобильным производством, в настоящее время превышая 30 миллионов метрических тонн в год из натурального и синтетического каучука в сочетании.

• Шины и диски: Самая крупная категория приложений, потребляющая около 70% всего натурального каучука и 55% синтетического каучука. производятся по всему миру. Составы шин представляют собой сложные многослойные конструкции, в которых используются различные составы резины в протекторе, боковинах, поверхностях ремня, внутренней облицовке и бортах, каждый из которых оптимизирован для определенных функциональных требований.
• Уплотнения, прокладки и уплотнительные кольца: Основополагающая технология предотвращения утечек практически в каждой системе обработки жидкостей — от бытовой сантехники и бытовой техники до аэрокосмической гидравлики и оборудования для подводной добычи нефти. Способность резины эластично прилегать к неровным поверхностям при сжатии делает ее уникально эффективной в качестве уплотнительного материала.
• Антивибрационная и акустическая изоляция: Подушки двигателя, втулки подвески, опоры машины и шумопоглощающие подушки используют высокое внутреннее демпфирование резины для поглощения энергии вибрации и предотвращения ее передачи между соединенными конструкциями. Современный легковой автомобиль содержит 50–80 резиновых виброизоляционных компонентов .
• Шланги и трубки: Гибкая транспортировка жидкости от садовых шлангов и медицинских трубок до гидравлических шлангов высокого давления и линий передачи промышленных химикатов. Армирование текстильной оплеткой, проволочной оплеткой или слоями проволочной спирали значительно расширяет возможности давления по сравнению с неармированной резиной.
• Конвейерные ленты: Основа обработки сыпучих материалов в горнодобывающей промышленности, сельском хозяйстве и логистике — резиновые ленты шириной до 3 метров и длиной в несколько километров, состав которых подобран в соответствии с абразивностью, температурой и химической природой транспортируемого материала.
• Медицина и здравоохранение: Перчатки, катетеры, трубки, пробки, диафрагмы и компоненты медицинского оборудования — преобладают натуральный латекс и силиконовый каучук, при этом спецификации материалов регулируются строгими требованиями к биосовместимости и стерилизации.
• Электрическая изоляция: Оболочки кабелей и проводов, изоляция распределительных устройств и компоненты высоковольтного оборудования используют превосходные диэлектрические свойства резины; EPDM и EPR являются стандартными изоляционными материалами для силовых кабелей среднего напряжения.
• Обувь: Подошвы, промежуточные подошвы и обувь специального назначения — натуральный каучук и бутадиен-стирольный каучук, обеспечивающие сцепление, устойчивость к истиранию и амортизацию в различных областях применения — от рабочих ботинок и спортивной обуви до военной и защитной обуви.
• Строительство: Подушки мостов, компенсаторы, водонепроницаемые мембраны и виброизоляционные крепления для строительных коммуникаций — резиновые компоненты, которые защищают конструкции от динамических нагрузок, тепловых перемещений и проникновения воды в течение срока службы, измеряемого десятилетиями.