Системен анализ на кинетиката на вулканизация. Основни принципи на процеса на вулканизация на каучуци от различно естество

Сергей Г. Тихомиров, Олга В. Карманова, Юрий В. Пятаков, Александър А. Маслов Въведете заглавието на статията тук Сергей Г. Тихомиров, Олга В. Карманова, Юрий В. Пятаков, Александър А. Маслов Въведете заглавието на статията тук на английски VSUIT Bulletin/Proceedings of VSUET, 3, 06 Обзорна статия/преглед на статия UDC 6.53 DOI: http://doi.org/0.094/30-0-06-3-93-99 Софтуерен пакет за решаване на математически проблеми на моделирането процес на изотермична вулканизация Сергей Г. Тихомиров, Олга В. Карманова, Юрий В. Пятаков, Александър А. Маслов [имейл защитен] [имейл защитен] [имейл защитен] [имейл защитен] Катедра по информационни и управляващи системи, Воронеж. състояние унив. инж. Техн., пр. Революция, 9, Воронеж, Русия Катедра по химия и химическа технология на органичните съединения и преработка на полимери, Воронеж. състояние унив. инж. Техн., пр. Ленински, 4, Воронеж, Русия Резюме. Въз основа на общите принципи на сярна вулканизация на диенов каучук се разглеждат принципите за ефективно изпълнение на процеса с помощта на многокомпонентни структуриращи системи. Отбелязва се, че описанието на механизма на действие на сложни омрежващи системи се усложнява от разнообразието от взаимодействия на компонентите и влиянието на всеки от тях върху кинетиката на вулканизацията, което води до различни рецептурни и технологични усложнения на реална технология и влияе върху качеството и технико-икономическите показатели на производството на каучукови изделия. Системен анализ на процеса на изотермична вулканизация беше извършен на базата на добре известни теоретични подходи и включваше интегрирането на различни изследователски методи и техники в единен взаимосвързан набор от методи. По време на анализа на кинетиката на вулканизацията беше установено, че параметрите за формиране на пространствена мрежа от вулканизати зависят от много фактори, оценката на които изисква специален математически и алгоритмичен софтуер. В резултат на стратификацията на изследвания обект бяха идентифицирани основните подсистеми. Разработен е софтуерен пакет за решаване на директни и обратни кинетични задачи на процеса на изотермична вулканизация. Информационната поддръжка „Изотермична вулканизация” е разработена под формата на приложни програми за математическо моделиране на процеса на изотермична вулканизация и е насочена към решаване на преки и обратни кинетични задачи. При решаването на проблема за изясняване на общата схема на химичните трансформации е използван универсален механизъм, включително странични химични реакции. Програмният продукт включва числени алгоритми за решаване на система от диференциални уравнения. За решаване на обратната кинетична задача се използват алгоритми за функционална минимизация при наличие на ограничения върху изискваните параметри. За да се опише как се работи с този продукт, е предоставена логическа блокова диаграма на програмата. Даден е пример за решаване на обратна кинетична задача с помощта на програмата. Разработената информационна поддръжка е реализирана на езика за програмиране C++. За определяне на началната концентрация на действителния вулканизиращ агент е използвана универсална зависимост, която позволява използването на модел с различни свойства на многокомпонентни структуриращи системи Ключови думи: изотермична вулканизация, математическо моделиране, вулканизационна кинетична диаграма, информационна поддръжка Софтуерният пакет за решаване на проблеми на математическото моделиране на процеса на изотермично втвърдяване Сергей Г. Тихомиров, Олга В. Карманова, Юрий В. Пятаков, Александър А. Маслов [имейл защитен] [имейл защитен] [имейл защитен] [имейл защитен] катедра по информационни и контролни системи, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, авеню Еволюция, 9 Воронеж, САЩ, катедра по химия и химическа технология на органичните съединения и преработката на полимери, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Ленински, 4 Воронеж, САЩ Резюме. На базата на общите закони на сярната вулканизация на диеновия каучук бяха обсъдени принципите на ефективното омрежване с помощта на многокомпонентни агенти. Отбелязва се, че описанието на механизма на действие на сложните омрежващи системи се усложнява от разнообразието от взаимодействия на компонентите и влиянието на всеки от тях върху кинетиката на втвърдяване, което води до различни технологични усложнения на реалната технология и влияе върху качеството и технико-икономическите показатели на производството на каучукови изделия. на базата на известните теоретични подходи беше извършен системен анализ на процеса на изотермично втвърдяване. Тя включва интегрирането на различни техники и методи в един набор от. По време на анализа на кинетиката на вулканизацията беше установено, че формирането на пространствената решетка на параметрите на вулканизатите зависи от много фактори, за оценка на които е необходима специална математическа и алгоритмична поддръжка. В резултат на стратификацията на обекта бяха идентифицирани следните основни подсистеми. Разработен е софтуерен пакет за решаване на директни и обратни кинетични задачи за изотермичен процес на втвърдяване. Информационна поддръжка Изотермичната вулканизация е набор от приложения за математическо моделиране на изотермично втвърдяване. Предназначен е за директни и обратни кинетични задачи. При решаването на проблема за изясняване на общата схема на химичните трансформации се използва универсален механизъм, включващ вторични химични реакции. За решаване на обратната кинетична задача беше използван алгоритъм за функционална минимизация с ограничения върху неизвестните параметри. Показва блок-схема на програмата. Беше представен пример за решаване на обратна кинетична задача с програмата. Dataware беше реализиран на езика за програмиране C++. Приложена е универсална зависимост за определяне на началната концентрация на втвърдителя. Позволява използването на модел с различни свойства на многокомпонентни втвърдяващи системи. информирани решения. Ключови думи: изотермично втвърдяване, математическо моделиране, схема на кинетиката на втвърдяване, информационен софтуер За цитиране Тихомиров С.Г., Карманова О. В., Пятаков Ю.В., Маслов А.А. Софтуерен пакет за решаване на проблеми на математическото моделиране на процеса на изотермична вулканизация // Вестник ВГУИТ. 06. 3. S 93 99. doi:0.094/30-0-06-3-93-99 За цитиране Тихомиров С.Г., Карманова О.В., Пятаков Ю.В., Маслов А.А. Софтуерният пакет за решаване на задачи за математическо моделиране на изотерм. процес на втвърдяване. Вестник ВСУЕТ. 06. № 3 стр. 93 99 (в САЩ). doi:0.094/30-0-06-3-93-99 93

Бюлетин на VGUIT/Proceedings of VSUET, 3, 06 94 Въведение Към днешна дата са установени общи принципи на сярна вулканизация на диенови каучуци, базирани на съществуването на истински еластомерни вулканизиращи агенти (EAV) в съставите. Въпреки това, принципите за ефективно изпълнение на процеса с помощта на многокомпонентни системи за структуриране не са достатъчно проучени. Описанието на механизма на тяхното действие се усложнява от разнообразието от взаимодействия на компонентите и влиянието на всеки от тях върху кинетиката на вулканизацията. Това води до различни рецептурни и технологични усложнения на реалната технология и оказва влияние върху качеството и технико-икономическите показатели на производството на каучукови изделия. Анализът на кинетиката на вулканизацията показа, че съществуващите подходи за нейното описание се основават на химични реакции на макромолекули с вулканизиращи агенти, а параметрите за образуване на пространствена мрежа от вулканизатори зависят от много фактори, чието влияние може да бъде оценено само с помощта на специален математически и алгоритмичен софтуер. За да се повиши ефективността на изследванията, да се идентифицират причините, водещи до производството на продукти, които не отговарят на нормативните изисквания, и да се предвиди хода на процеса, е необходимо да се създаде специален софтуер. Целта на тази работа е да се разработи софтуерен пакет за решаване на директни и обратни кинетични задачи на процеса на изотермична вулканизация. Системен анализ на процеса на вулканизация. Анализът на известните теоретични подходи за описание на вулканизацията, както и други процеси в химическата промишленост [4] и аспектите на тяхното практическо прилагане, като се вземат предвид характеристиките на отделните етапи, направи възможно идентифицирането общи системни свойства и основни модели на процеси и определят посоката на изследване за получаване на нова информация за оптимизиране на режимите на вулканизация и свойствата на готовите продукти. Системният анализ включва интегрирането на различни изследователски методи и техники (математически, евристични), разработени в рамките на различни научни области в единен взаимосвързан набор от методи. Многовариантният анализ на процеса ни позволи да разработим общата структура на изследването (фигура). Обектът на изследване е слабо структуриран, тъй като съдържа както висококачествени елементи (еластомери, пълнители, условия на процеса), така и малко проучени (многокомпонентни структурни системи, неконтролирани смущения), които са склонни да доминират. Общата структура включва елементи, които трябва да бъдат теоретично обосновани (кинетичен модел, процеси на топло- и масообмен, оптимизация на режима, процеси на обработка). По този начин, за да се оценят методите за решение, е необходимо да се идентифицират всички съществуващи връзки и да се установи тяхното влияние, като се вземат предвид взаимодействията върху поведението на цялата система като цяло. Анализът на общата структура показа, че механичните свойства на вулканизатите се определят от химичните реакции на макромолекулите с вулканизиращи агенти и за оценка на параметрите на пространствената мрежа на вулканизатите е необходимо да се разработи специален математически и алгоритмичен софтуер. В резултат на стратификацията на изследвания обект бяха идентифицирани следните основни подсистеми:) анализ и отчитане на термични флуктуационни явления, които осигуряват ускоряване на химичните реакции;) кинетичен модел на вулканизация; 3) оптимизиране на режимите на вулканизация, осигуряващи необходимите механични свойства. Математическо моделиране на процеса на изотермична вулканизация Получаването на надеждна информация за процесите на омрежване на еластомери със сложни структурни системи е тясно свързано с проблемите на проектирането, оптимизирането и управлението на режимите на вулканизация в индустрията. Известно е, че един от традиционните начини за описване на формалната кинетика на вулканизацията е използването на частично дефинирани функции за отделните етапи на процеса: индукционен период, структуриране и реверсия. Описанието на процеса като цяло и изчисляването на кинетичните константи в момента са извършени само за определени видове каучуци и вулканизиращи системи. Основните изводи за кинетиката на процеса се основават на моделни системи с нискомолекулни аналози на еластомери. В същото време не винаги е възможно получените количествени данни да се разпространят върху производствените процеси.

Бюлетин на ВСУИТ/Сборник на ВСУЕТ, 3, 06 Фигура. Схема за изследване на процеса на вулканизация на еластомери Фигура. Схема на изследване на процеса на вулканизация на еластомери Оценката на физическите и механичните свойства на индустриалните каучуци, според данните, получени в предприятието, е, разбира се, прогресивен метод за решаване на проблема с моделирането на процеса на вулканизация, но изисква строго вътрешно единство на физико-химичния подход на всеки етап от изследването и разработването на изчислителни алгоритми и програми. На този въпрос може да се отговори само чрез внимателно извършване на експерименти в съответствие с дизайн, съвместим с предложения кинетичен модел и изчисляване на няколко алтернативни версии на модела. Това изисква независим метод за установяване на броя на формалните реакционни механизми, отговорни за структурирането на еластомерния състав. Традиционните методи за анализ на процесите във времевата област не позволяват ясно да се разделят процесите със синергични взаимодействия, което от своя страна не позволява използването им за анализ на индустриални каучуци. При решаването на проблема за изясняване на общата схема на химичните трансформации е препоръчително да се изхожда от механизъм, който е максимален в известен смисъл. Следователно кинетичната схема включва допълнителни реакции, описващи образуването и разрушаването на лабилни полисулфидни връзки (Vu lab), вътрешномолекулна циклизация и други реакции, водещи до модификация на макромолекули, образуване на макрорадикал и неговата реакция с DAV висулки. Системата от диференциални уравнения (DE) за етапите на процеса ще има следната форма: dca / dt k CA k4ca C *, dc / dt k CA kc k4ca C * k 8C *, dc * / dt k C k3 k5 k7 C * k C k C C, 6 VuLab 4 A * dcvust / dt k3 C *, dcvulab / dt k5c k6cvulab, dcc / dt k7 C *, dc * / dt k8c k 8C *, dc / dt k8 C. () 95

Известия на ВГУИТ/Трудове на ВСУЕТ, 3, 06 96 Начални условия: 0 0 CA S8 AC Akt C ; C 0 0; C 0 0; * VuSt C 0 0; C 0 0; VuLab C C 0 C 0, * C 0 0; С0 4,95; където ς, θ, η, коефициенти, начална концентрация на сяра, начална концентрация на ускорител, θ начална концентрация на активатор (цинков оксид), [C (0)] η начална концентрация на макрорадикали. Тук А е действителният вулканизиращ агент; Предшественикът на шиене; Б* активната му форма; C вътрешномолекулно свързана сяра; VuSt, VuLab стабилни и лабилни мрежести модули за вулканизация; каучук; * макрорадикал на каучук в резултат на термично флуктуационно разлагане; α, β, γ и δ стехиометрични коефициенти, k, k, k 8, k 9 (k 8) константи на скоростта на реакцията, свързани със съответните етапи на процеса. Проблемът с директната кинетика (DKP) е задачата за намиране на концентрацията на вулканизационни единици като функция на времето. Решението на PZK се свежда до решението на системата DE () при дадени начални условия. Кинетичната крива на процеса на вулканизация се определя от големината на въртящия момент Mt. Проблемът с обратната кинетика (IKP) е проблемът за идентифициране на константите на скоростта на реакцията, стехиометричните коефициенти и променливите в системата (). Решението на OZK се осъществява чрез минимизиране на функционала: където Ф k, k,..., k, k, 8 8 t к q k, k,..., k8, k 8, tdt 0 q k, k,.. ., k, k, t 8 8 M t M M M С min / max min Vu (), (3) M max, M min съответно максималните и минималните стойности на коеф. Mt, голям мащаб Описание на софтуера Софтуерът “Изотермична вулканизация” е разработен като набор от приложни програми (APP) за решаване на проблеми, свързани с математическото моделиране на процеса на изотермична вулканизация. За решаване на системата DE пакетът предоставя числени методи, включително: методът на Runge-Kutta от четвърти ред; Метод на Адамс. Решението на обратната кинетична задача се свежда до оценка на константите на скоростта на реакцията, стехиометричните коефициенти и променливите в DE системата (). За минимизиране на функционалността () в софтуерния пакет могат да се използват следните методи по преценка на потребителя: координатно спускане, Hook-Jeeves, Rosenbrock, Powell, Nelder-Mead, осредняване на координати (използване на произволни елементи за търсене). Градиентни методи (първи ред): най-стръмно спускане, конюгирани посоки (Fletcher-Reeves), променлива метрика (Davidon-Fletcher-Powell), паралелни градиенти (Zangwill). Фигурата показва блокова схема на разработения софтуер. Процесът на идентифициране на константите на скоростта на реакцията, коефициентите на уравнението и стехиометричните коефициенти се извършва в няколко етапа: дигитализация на реограмите; преобразуване на въртящите моменти в концентрации; определяне на началните концентрации; определяне на стойностите на необходимите параметри на константи, които осигуряват минимална функционалност (). Дигитализацията на реограмите може да се извърши ръчно или автоматично с помощта на програмата GrDigit, интегрирана в пакета. Обработката на експериментални данни може да се извърши както за едно измерване, така и за набор (до 6 реограми). Преобразуването на въртящите моменти в концентрацията на възлите на вулканизационната мрежа се извършва, както следва: стойностите на въртящите моменти се преобразуват в конвенционални единици: конвенционални / M M M M M (4) тех. min max min, тогава конвенционалните единици се преобразуват в (mol/kg) чрез умножаване на M конвенционален с мащабен фактор. Определянето на началните концентрации на C 0 DAV се извършва по формулата: A 0 0 CA S8 AC Akt C (5)

Бюлетин на ВГУИТ/Сборник на ВСУЕТ, 3, 06 Фигура. Софтуерна блокова схема Фигура. Структурна софтуерна схема. Като изходни данни са използвани реометрични криви, получени при следните начални условия:. Стойността на концентрацията на сяра в сместа: = 0,0078 mol/kg. Концентрация на ускорителя: = 0,009 mol/kg. 3. Концентрация на активатора: θ = 0,00 mol/kg. Фигура 3 показва експерименталните и изчислените стойности на концентрацията на вулканизационни единици, получени в резултат на решаване на OKZ. Таблицата показва изчислените стойности на константите на скоростта на реакцията, таблицата показва изчислените стойности на стехиометричните коефициенти и параметрите на модела. Таблица Стойността на константите на скоростта на реакция Таблица Стойността на константите на скоростта на реакцията Константа Константа Стойности Константа Константа Стойности Стойности k 0, k6 0.553 k 0, k7 0.96 k3 4.8 0-0 k8.3 k4.3 k8" 0, k5.89 0-0 Фигура 3. Промени в концентрациите на точките на вулканизационната мрежа във времето. изчислените експериментални стойности се въвеждат в програмата и се определят първоначалните данни. приближения и обхват на търсене на константи, след което се избира методът на оптимизация.

Бюлетин на ВГУИТ/Процедури на ВСУЭТ, 3, 06 Заключение Въз основа на систематичен анализ на теоретичните подходи за описание на вулканизацията е подобрена общата структурна схема на изследването на този процес. Математическият модел на процеса на вулканизация е допълнен с начални условия, които се дефинират като функции на началните концентрации на компонентите на вулканизиращата група. За решаване на обратната кинетична задача са предложени допълнителни критерии за качество на модела. Разработен е програмен продукт, предназначен за извършване на изследователска работа при изследване на процесите на вулканизация на каучукови смеси с помощта на многокомпонентни структуриращи системи. Скоростната кутия е с блоково-модулна конструкция, което позволява нейното разширяване без загуба на функционалност. Насоките за неговата модернизация са включването в математическото описание на режима на неизотермична вулканизация с по-нататъшно интегриране в схемата на автоматизираната система за управление на процесите като експертна информационна и управляваща система за издаване на препоръки за управление на процеса на вулканизация и вземане на решения. Работата е извършена с финансовата подкрепа на държавно задание 04/ (изследователски номер 304) на тема „Синтез на многофункционални системи за контрол на качеството за хранително-вкусовата и химическата промишленост“ ЛИТЕРАТУРА Тихомиров С.Г., Битюков В.К., Подкопаева С.В., Хромих Е.А. . и др.Математическо моделиране на обекти на управление в химическата промишленост. Воронеж: ВГУИТ, 0. 96 с. Хаустов И.А. Контрол на синтеза на полимер чрез периодичен метод, базиран на фракционно подаване на реакционни компоненти // Вестник TSTU. 04. 4 (0) P. 787 79. 3 Khaustov I.A. Контрол на процеса на разрушаване на полимери в разтвор на базата на фракционно зареждане на инициатора // Вестник ВГУИТ. 04. 4. С. 86 9. 4 Битюков В.К., Хаустов И.А., Хвостов А.А. и др.. Системен анализ на процеса на термично-окислително разрушаване на полимери в разтвор като обект на управление // Вестник ВГУИТ. 04.3 (6). С. 6 66. 5 Карманова О.В. Физико-химични основи и активиращи компоненти на полидиеновата вулканизация: дисертация. д-р техн. Sci. Воронеж, 0. 6 Молчанов В.И., Карманова О.В., Тихомиров С.Г. Моделиране на кинетиката на вулканизация на полидиени // Вестник ВГУИТ. 03.. P. 4 45. 7 Hardis., Jessop J.L.P., Peters F.E., Kessler M.. Характеризиране на кинетиката на втвърдяване и мониторинг на епоксидна смола с помощта на DSC, аман спектроскопия и DEA // Composite. 03. Част A. V. 49. P. 00 08. 8 Javadi M., Moghiman M., eza Erfanian M., Hosseini N. Числено изследване на процеса на втвърдяване при реакционно леене под налягане на каучук за подобряване на качеството // Ключови инженерни материали. 0. V. 46 463. P. 06. EFEENCES Тихомиров С.Г., Итюков В.К. Podkopaeva S.V., Khromykh E.A. и др. Matematicheskoe modeling ob ektov upravleniya v khimicheskoi promyshlennosti Voronezh, VSUET, 0. 96 p. (на руски). Хаустов И.А. Управление на партиден процес на полимерен синтез, базиран на фракционния поток на реакционните компоненти. Вестник ТГТУ 04, бр. 4 (0), стр. 787 79. (на руски). 3 Khaustov I.A. Контрол на процеса на разграждане на полимери в разтвора въз основа на фракционното натоварване на инициатора. Вестник ВГУИТ 04, бр. 4, стр. 86 9 (на руски). 4 Итюков В.К., Хаустов И.А., Хвостов А.А. Системен анализ на термоокислителното разграждане на полимери в разтвор като обект на контрол. Вестник ВГУИТ 04, бр. 3 (6), стр. 6 66. (на руски). 5 Карманова О.В. Физико-химические основи и активиращи компоненти вулкнизации полидиенов Воронеж, 0. (на руски). 6 Молчанов В.И., Карманова О.В., Тихомиров С.Г. Моделиране на кинетиката на вулканизация на полидиени. Вестник ВГУИТ 03, бр., стр. 4 45. (на руски). 7 Hardis., Jessop J.L.P., Peters F.E., Kessler M.. Характеризиране на кинетиката на втвърдяване и мониторинг на епоксидна смола с помощта на DSC, аман спектроскопия и DEA. Композит, 03, част А, том. 49, стр. 00 08. 8 Джавади М., Могиман М., Еза Ерфанян М., Хосейни Н. Числено изследване на процеса на втвърдяване при реакционно леене под налягане на каучук за подобряване на качеството. Ключови инженерни материали. 0, том. 46 463, стр. 06.98

VSUIT Bulletin/Proceedings of VSUET, 3, 06 ИНФОРМАЦИЯ ЗА АВТОРИТЕ Сергей Т. Тихомиров Професор, Департамент по информационни и контролни системи, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Революция, 9, Воронеж, 394036, Русия, [имейл защитен]Олга В. Карманова Зав Катедра, професор, катедра по химия и химическа технология на органичните съединения и преработка на полимери, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, Ленински проспект, 4, Воронеж, 394000, Русия, [имейл защитен]Юрий В. Пятаков Доцент, Катедра Информационни и управляващи системи, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Революция, 9, Воронеж, 394036, Русия, [имейл защитен]Александър А. Маслов, аспирант, катедра Информационни и управляващи системи, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Революция, 9, Воронеж, 394036, Русия, [имейл защитен]ИНФОРМАЦИЯ ОТНОСНО АВТОРА Сергей Г. Тихомиров професор, катедра по информационни и управляващи системи, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Еволюция, 9 Воронеж, САЩ, [имейл защитен]Олга В. Карманова професор, ръководител на катедра, катедра по химия и химична технология на органични съединения и преработка на полимери, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Ленински, 4 Воронеж, САЩ, [имейл защитен]Юрий В. Пятаков доцент, катедра по информационни и управляващи системи, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Еволюция, 9 Воронеж, САЩ, [имейл защитен]Александър А. Маслов, аспирант, катедра по информационни и контролни системи, Воронежски държавен университет по инженерни технологии, пр. Еволюция, 9 Воронеж, САЩ, [имейл защитен]КРИТЕРИИ ЗА АВТОРИТЕТ Сергей Т. Тихомиров предложи методология за провеждане на експеримент и организира производствени тестове Александър А. Маслов прегледа литературни източници по изследвания проблем, проведе експеримент, извърши изчисления Олга В. Карманова консултация по време на изследването Юрий В. Пятаков написа ръкопис, коригира го преди предаване на редактора и носи отговорност за плагиатство. КОНФЛИКТ НА ИНТЕРЕСИ Авторите декларират, че няма конфликт на интереси. ПРОДЪЛЖЕНИЕ Сергей Г. Тихомиров предложи схема на експеримента и организира производствени изпитания Александър А. Маслов преглед на литературата по изследван проблем, проведе експеримент, извърши изчисления Олга В. Карманова консултация по време на изследването Юрий В. Пятаков написа ръкописа, коригирайте го преди подаване за редактиране и носи отговорност за плагиатство КОНФЛИКТ НА ИНТЕРЕСИ Авторите декларират липса на конфликт на интереси. ПОЛУЧЕНА 7.07.06 ПОЛУЧЕНА 7.7.06 ПРИЕТА ЗА ПЕЧАТ.08.06 ПРИЕТА 8..06 99

Основни методи за вулканизация на каучук. За осъществяване на основния химичен процес на каучуковата технология - вулканизация - се използват вулканизиращи агенти. Химията на процеса на вулканизация се състои в образуването на пространствена мрежа, включваща линейни или разклонени каучукови макромолекули и напречни връзки. Технологично вулканизацията се състои в обработка на каучуковата смес при температури от нормални до 220˚C под налягане и по-рядко без него.

В повечето случаи индустриалната вулканизация се извършва с помощта на вулканизиращи системи, които включват вулканизиращ агент, ускорители и вулканизационни активатори и допринасят за по-ефективен процес на формиране на пространствена мрежа.

Химическото взаимодействие между каучука и вулканизиращия агент се определя от химическата активност на каучука, т.е. степента на ненаситеност на неговите вериги, наличието на функционални групи.

Химическата активност на ненаситените каучуци се дължи на наличието на двойни връзки в основната верига и повишената подвижност на водородните атоми в α-метиленовите групи, съседни на двойната връзка. Следователно ненаситените каучуци могат да бъдат вулканизирани с всички съединения, които реагират с двойната връзка и нейните съседни групи.

Основният вулканизиращ агент за ненаситени каучуци е сярата, която обикновено се използва като вулканизираща система във връзка с ускорители и техните активатори. В допълнение към сярата можете да използвате органични и неорганични пероксиди, алкилфенол-формалдехидни смоли (APFR), диазо съединения и полихалидни съединения.

Химическата активност на наситените каучуци е значително по-ниска от активността на ненаситените каучуци, така че за вулканизация е необходимо да се използват вещества с висока реактивност, например различни пероксиди.

Вулканизацията на ненаситени и наситени каучуци може да се извърши не само в присъствието на химически вулканизиращи агенти, но и под въздействието на физически въздействия, които инициират химични трансформации. Това са високоенергийни лъчения (радиационна вулканизация), ултравиолетова радиация (фотовулканизация), продължително излагане на високи температури (термовулканизация), действието на ударни вълни и някои други източници.

Каучуците, които имат функционални групи, могат да бъдат вулканизирани в тези групи, като се използват вещества, които реагират с функционалните групи, за да образуват кръстосана връзка.

Основни принципи на процеса на вулканизация.Независимо от типа каучук и използваната вулканизираща система, някои характерни промени в свойствата на материала настъпват по време на процеса на вулканизация:

Пластичността на каучуковата смес рязко намалява и се появява силата и еластичността на вулканизатите. По този начин якостта на суровата каучукова смес на базата на NK не надвишава 1,5 MPa, а якостта на вулканизирания материал е не по-малка от 25 MPa.

Химическата активност на каучука е значително намалена: в ненаситените каучуци броят на двойните връзки намалява, в наситените каучуци и каучуките с функционални групи броят на активните центрове намалява. Благодарение на това се повишава устойчивостта на вулканизата към окислителни и други агресивни влияния.

Повишава се устойчивостта на вулканизирания материал на ниски и високи температури. Така НК се втвърдява при 0ºС и става лепкав при +100ºС, а вулканизатът запазва здравина и еластичност в температурния диапазон от –20 до +100ºС.

Този характер на изменение на свойствата на материала по време на вулканизация ясно показва протичането на структуриращи процеси, завършващи с образуването на триизмерна пространствена мрежа. За да може вулканизатът да запази своята еластичност, напречните връзки трябва да са достатъчно редки. Така, в случая на NC, термодинамичната гъвкавост на веригата се запазва, ако има една напречна връзка на 600 въглеродни атома от основната верига.

Процесът на вулканизация също се характеризира с някои общи модели на промени в свойствата в зависимост от времето на вулканизация при постоянна температура.

Тъй като вискозитетните свойства на смесите се променят най-съществено, ротационните вискозиметри на срязване, по-специално реометрите на Monsanto, се използват за изследване на кинетиката на вулканизацията. Тези устройства ви позволяват да изследвате процеса на вулканизация при температури от 100 до 200ºС за 12 - 360 минути с различни сили на срязване. Рекордерът на устройството записва зависимостта на въртящия момент от времето на вулканизация при постоянна температура, т.е. кинетична крива на вулканизация, която има S-образна форма и няколко участъка, съответстващи на етапите на процеса (фиг. 3).

Първият етап на вулканизация се нарича индукционен период, етап на изгаряне или етап на предвулканизация. На този етап каучуковата смес трябва да остане течна и да запълва добре цялата форма, поради което нейните свойства се характеризират с минималния момент на срязване M min (минимален вискозитет) и времето t s, през което моментът на срязване се увеличава с 2 единици в сравнение с минималния .

Продължителността на индукционния период зависи от активността на системата за вулканизация. Изборът на вулканизираща система с определена t s стойност се определя от теглото на продукта. По време на вулканизацията материалът първо се нагрява до температурата на вулканизация и поради ниската топлопроводимост на каучука, времето за нагряване е пропорционално на масата на продукта. Поради тази причина за вулканизация на продукти с голямо тегло трябва да се избират вулканизиращи системи, които осигуряват достатъчно дълъг индукционен период и обратното за продукти с ниско тегло.

Вторият етап се нарича основен период на вулканизация. В края на индукционния период активните частици се натрупват в масата на каучуковата смес, което води до бързо структуриране и съответно увеличаване на въртящия момент до определена максимална стойност M max. Завършването на втория етап обаче не се счита за времето за достигане на M max, а за времето t 90, съответстващо на M 90. Този момент се определя от формулата

M 90 =0,9 M + M min,

където M е разликата във въртящия момент (M = M max – M min).

Времето t 90 е оптимумът на вулканизацията, чиято стойност зависи от активността на вулканизиращата система. Наклонът на кривата в основния период характеризира скоростта на вулканизация.

Третият етап от процеса се нарича етап на повторна вулканизация, който в повечето случаи съответства на хоризонтален участък с постоянни свойства на кинетичната крива. Тази зона се нарича вулканизационно плато. Колкото по-широко е платото, толкова по-устойчива е сместа на свръхвулканизация.

Ширината на платото и по-нататъшният ход на кривата зависят главно от химическата природа на каучука. При ненаситените линейни каучуци, като NK и SKI-3, платото не е широко и тогава свойствата се влошават, т.е. спад в кривата (фиг. 3, крива А). Процесът на влошаване на свойствата на етапа на повторна вулканизация се нарича реверсия. Причината за реверсията е разрушаването не само на основните вериги, но и на образуваните напречни връзки под въздействието на висока температура.

В случай на наситени каучуци и ненаситени каучуци с разклонена структура (значителен брой двойни връзки в страничните 1,2-единици) в зоната на повторна вулканизация свойствата се променят леко, а в някои случаи дори се подобряват (фиг. 3, криви bИ V), тъй като термичното окисление на двойните връзки на страничните единици е придружено от допълнително структуриране.

Поведението на каучуковите смеси на етапа на свръхвулканизация е важно при производството на масивни продукти, особено автомобилни гуми, тъй като поради реверсия може да възникне свръхвулканизация на външните слоеве, докато вътрешните слоеве са недостатъчно вулканизирани. В този случай са необходими системи за вулканизация, които да осигурят дълъг индукционен период за равномерно нагряване на гумата, висока скорост в основния период и широко вулканизационно плато на етапа на повторна вулканизация.

3.2. Системи за вулканизиране на сяра за ненаситени каучуци

Свойства на сярата като вулканизиращ агент. Процесът на вулканизация на естествен каучук със сяра е открит през 1839 г. от C. Goodyear и независимо през 1843 г. от G. Gencock.

За вулканизация се използва естествена смляна сяра. Елементарната сяра има няколко кристални модификации, от които само  модификацията е частично разтворима в каучук. Именно тази модификация, която има точка на топене 112,7 ºC, се използва за вулканизация. Молекулите на -формата са осемчленен пръстен S 8 със средна енергия на активиране на разкъсване на пръстена E act = 247 kJ/mol.

Това е доста висока енергия и разделянето на серния пръстен се случва само при температури от 143ºC и по-високи. При температури под 150ºC настъпва хетеролитично или йонно разлагане на серния пръстен с образуването на съответния серен бийон, а при 150ºC и по-високо настъпва хомолитично (радикално) разлагане на S пръстена с образуването на серни бирадикали:

t150ºС S 8 →S + – S 6 – S – → S 8 +–

t150ºС S 8 →Sֹ–S 6 –Sֹ→S 8 ֹֹ.

Бирадикалите S 8 ·· лесно се разпадат на по-малки фрагменти: S 8 ֹֹ→S x ֹֹ + S 8 ֹֹ.

Получените серни биони и бирадикали след това взаимодействат с каучуковите макромолекули или при двойната връзка, или на мястото на α-метиленовия въглероден атом.

Серният пръстен може да се разпадне и при температури под 143ºС, ако в системата има активни частици (катиони, аниони, свободни радикали). Активирането се извършва по следната схема:

S 8 + A + → A – S – S 6 – S +

S 8 + B – → B – S – S 6 –

S 8 + R→R – S – S 6 – Sֹ.

Такива активни частици присъстват в каучуковата смес, когато се използват вулканизиращи системи с ускорители на вулканизация и техните активатори.

За превръщането на меката пластична гума в твърда еластична гума е достатъчно малко количество сяра - 0,10,15% тегл. Действителните дози на сярата обаче варират от 12,5 до 35 тегловни части. на 100 тегловни части каучук.

Сярата има ограничена разтворимост в каучука, така че дозировката на сярата определя формата, в която се разпределя в каучуковата смес. При действителни дози сярата е под формата на разтопени капчици, от повърхността на които серните молекули дифундират в гумената маса.

Приготвянето на каучуковата смес се извършва при повишени температури (100-140ºС), което повишава разтворимостта на сярата в каучука. Следователно, когато сместа се охлади, особено в случаите на високи дози, свободната сяра започва да дифундира върху повърхността на каучуковата смес с образуването на тънък филм или отлагане на сяра. Този процес се нарича избледняване или изпотяване в технологиите. Избледняването рядко намалява лепкавостта на детайлите и следователно, за да освежите повърхността на детайлите, те се третират с бензин преди монтажа. Това влошава условията на труд на монтажниците и повишава пожаро- и взривоопасността на производството.

Проблемът с избледняването е особено остър при производството на гуми със стоманен корд. В този случай, за да се увеличи силата на връзката между метал и каучук, дозата на S се увеличава до 5 тегловни части. За да се избегне избледняване в такива състави, трябва да се използва специална модификация - така наречената полимерна сяра. Това е -формата, която се образува, когато -формата се нагрее до 170ºC. При тази температура настъпва рязък скок във вискозитета на стопилката и се образува полимерна сяра Sn, където n е над 1000. В световната практика се използват различни модификации на полимерна сяра, известни под марката "Cristex".

Теории за сярна вулканизация.Бяха представени химически и физични теории, за да обяснят процеса на вулканизация на сярата. През 1902 г. Вебер излага първата химическа теория за вулканизацията, елементи от която са оцелели и до днес. Чрез извличане на продукта от взаимодействието на NC със сяра, Weber установява, че част от въведената сяра не е извлечена. Тази част той нарече свързана, а освободената – свободна сяра. Сумата от количеството свързана и свободна сяра е равна на общото количество сяра, въведено в каучука: S общо = S свободна + S свързана. Вебер също въведе концепцията за коефициент на вулканизация като съотношението на свързаната сяра към количеството каучук в каучуковата смес (A): K vulc = S връзка / A.

Вебер успява да изолира полисулфид (C 5 H 8 S) n като продукт от вътрешномолекулното добавяне на сяра при двойните връзки на изопреновите единици. Следователно теорията на Вебер не може да обясни увеличаването на якостта в резултат на вулканизацията.

През 1910 г. Осуалд представя физическа теория за вулканизацията, която обяснява ефекта от вулканизацията чрез физическото адсорбционно взаимодействие между каучук и сяра. Според тази теория в каучуковата смес се образуват каучуково-серни комплекси, които взаимодействат помежду си и поради адсорбционни сили, което води до увеличаване на якостта на материала. Въпреки това, адсорбираната сяра трябва да бъде напълно извлечена от вулканизата, което не се наблюдава при реални условия и химическата теория на вулканизацията започва да преобладава във всички по-нататъшни изследвания.

Основното доказателство за химическата теория (мостовата теория) е следното:

Само ненаситените каучуци се вулканизират със сяра;

Сярата взаимодейства с молекулите на ненаситените каучуци, за да образува ковалентни напречни връзки (мостове) от различни видове, т.е. с образуването на свързана сяра, чието количество е пропорционално на ненаситеността на каучука;

Процесът на вулканизация е придружен от термичен ефект, пропорционален на количеството добавена сяра;

Вулканизацията има температурен коефициент приблизително 2, т.е. близък до температурния коефициент на химична реакция като цяло.

Увеличаването на якостта в резултат на сярна вулканизация се дължи на структурирането на системата, в резултат на което се образува триизмерна пространствена мрежа. Съществуващите системи за вулканизация със сяра правят възможно специфичното синтезиране на почти всеки тип кръстосана връзка, промяна на скоростта на вулканизация и крайната структура на вулканизата. Следователно сярата все още е най-популярният омрежващ агент за ненаситени каучуци.

Химическата активност на ненаситените каучуци се дължи на наличието на двойни връзки в основната верига и повишената подвижност на водородните атоми в а-метиленовите групи, съседни на двойната връзка. Следователно ненаситените каучуци могат да бъдат вулканизирани с всички съединения, които реагират с двойната връзка и нейните съседни групи.

· Пластичността на каучуковата смес рязко намалява и се появява здравината и еластичността на вулканизатите. По този начин якостта на суровата каучукова смес на базата на NK не надвишава 1,5 MPa, а якостта на вулканизирания материал е не по-малка от 25 MPa.

· Химическата активност на каучука е значително намалена: в ненаситените каучуци броят на двойните връзки е намален, в наситените каучуци и каучуките с функционални групи броят на активните центрове е намален. Благодарение на това се повишава устойчивостта на вулканизата към окислителни и други агресивни влияния.

· Повишава се устойчивостта на вулканизирания материал на ниски и високи температури. Така НК се втвърдява при 0ºС и става лепкав при +100ºС, а вулканизатът запазва здравина и еластичност в температурния диапазон от –20 до +100ºС.

M 90 =0,9 DM + M min,

където DM е разликата във въртящия момент (DM = M max – M min).

Естественият каучук не винаги е подходящ за производство на части. Това е така, защото неговата естествена еластичност е много ниска и силно зависи от външната температура. При температури близки до 0, гумата става твърда или при по-нататъшно понижаване става крехка. При температура от около + 30 градуса каучукът започва да се омекотява и при по-нататъшно нагряване се превръща в стопено състояние. При обратно охлаждане не възстановява първоначалните си свойства.

За да се осигурят необходимите експлоатационни и технически свойства на каучука, към каучука се добавят различни вещества и материали - сажди, креда, омекотители и др.

В практиката се използват няколко метода на вулканизация, но те имат едно общо нещо - обработка на суровините с вулканизационна сяра. В някои учебници и наредби се посочва, че серните съединения могат да се използват като вулканизиращи агенти, но всъщност те могат да се считат за такива само защото съдържат сяра. В противен случай те могат да повлияят на вулканизацията точно като други вещества, които не съдържат серни съединения.

Преди известно време бяха проведени изследвания относно обработката на каучук с органични съединения и някои вещества, например:

фосфор;
селен;
тринитробензен и редица други.

Но проучванията показват, че тези вещества нямат практическа стойност по отношение на вулканизацията.

Процес на вулканизация

Процесът на вулканизация на каучук може да бъде разделен на студен и горещ. Първият може да бъде разделен на два вида. Първият включва използването на серен полухлорид. Механизмът на вулканизация с помощта на това вещество изглежда така. Заготовката, изработена от естествен каучук, се поставя в парата на това вещество (S2Cl2) или в неговия разтвор, направен на базата на някакъв разтворител. Разтворителят трябва да отговаря на две изисквания:

Не трябва да реагира със серен полухлорид.
Трябва да разтвори гумата.

По правило като разтворител може да се използва въглероден дисулфид, бензин и редица други. Наличието на серен полухлорид в течността предотвратява разтварянето на каучука. Същността на този процес е да се насити гумата с този химикал.

Продължителността на процеса на вулканизация с участието на S2Cl2 в крайна сметка определя техническите характеристики на готовия продукт, включително еластичност и здравина.

Времето за вулканизация в 2% разтвор може да бъде няколко секунди или минути. Ако процесът продължи твърде дълго, може да възникне така наречената свръхвулканизация, т.е. детайлите губят своята пластичност и стават много крехки. Опитът показва, че при дебелина на продукта от около един милиметър, операцията по вулканизация може да се извърши за няколко секунди.

Тази технология на вулканизация е оптималното решение за обработка на части с тънка стена - тръби, ръкавици и др. Но в този случай е необходимо стриктно да се спазват режимите на обработка, в противен случай горният слой на детайлите може да бъде вулканизиран повече от вътрешни слоеве.

В края на операцията по вулканизация, получените части трябва да се измият или с вода, или с алкален разтвор.

Има втори метод на студена вулканизация. Гумени заготовки с тънка стена се поставят в атмосфера, наситена с SO2. След определено време детайлите се преместват в камера, където се изпомпва H2S (сероводород). Времето за задържане на детайлите в такива камери е 15 - 25 минути. Това време е достатъчно за завършване на вулканизацията. Тази технология се използва успешно за обработка на залепени шевове, което им придава висока якост.

Специалните гуми се обработват с помощта на синтетични смоли; вулканизацията с тях не се различава от описаната по-горе.

Гореща вулканизация

Технологията за такава вулканизация е следната. Към формованата сурова гума се добавя определено количество сяра и специални добавки. По правило обемът на сярата трябва да бъде в диапазона от 5 до 10%; крайната цифра се определя въз основа на предназначението и твърдостта на бъдещата част. В допълнение към сярата се добавя така наречената рогова гума (твърда гума), съдържаща 20–50% сяра. На следващия етап от получения материал се формират заготовки и се нагряват, т.е. втвърдяване.

Отоплението се извършва по различни методи. Заготовките се поставят в метални форми или се навиват на плат. Получените структури се поставят в загрята до 130 - 140 градуса по Целзий фурна. За да се увеличи ефективността на вулканизацията, може да се създаде свръхналягане във фурната.

Оформените заготовки могат да се поставят в автоклав, съдържащ прегрята водна пара. Или се поставят в загрята преса. Всъщност този метод е най-разпространеният в практиката.

Свойствата на вулканизирания каучук зависят от много условия. Ето защо вулканизацията се счита за една от най-сложните операции, използвани в производството на каучук. Освен това важна роля играе качеството на суровината и методът на нейната предварителна обработка. Не трябва да забравяме обема на добавената сяра, температурата, продължителността и метода на вулканизация. В крайна сметка свойствата на готовия продукт се влияят и от наличието на примеси от различен произход. Наистина наличието на много примеси позволява правилна вулканизация.

През последните години ускорителите се използват в каучуковата промишленост. Тези вещества, добавени към каучуковата смес, ускоряват процесите, намаляват разходите за енергия, с други думи, тези добавки оптимизират обработката на детайла.

При извършване на гореща вулканизация във въздуха е необходимо наличието на оловен оксид, освен това може да се изисква наличието на оловни соли в комбинация с органични киселини или със съединения, които съдържат киселинни хидроксиди.

Като ускорители се използват следните вещества:

тиурамид сулфид;
ксантогенати;
Меркаптобензотиазол.

Вулканизацията, извършена под въздействието на водна пара, може да бъде значително намалена, ако използвате химикали като основи: Ca(OH)2, MgO, NaOH, KOH или соли Na2CO3, Na2CS3. В допълнение, калиевите соли ще помогнат за ускоряване на процесите.

Има и органични ускорители, това са амини и цяла група съединения, които не са включени в нито една група. Например, това са производни на вещества като амини, амоняк и редица други.

Най-често в производството се използват дифенилгуанидин, хексаметилентетрамин и много други. Не е необичайно цинковият оксид да се използва за подобряване на активността на ускорителите.

Освен добавките и ускорителите, важна роля играе и околната среда. Например наличието на атмосферен въздух създава неблагоприятни условия за вулканизация при стандартно налягане. В допълнение към въздуха, въглеродният анхидрид и азотът имат отрицателен ефект. Междувременно амонякът или сероводородът имат положителен ефект върху процеса на вулканизация.

Процедурата на вулканизация придава на каучука нови свойства и модифицира съществуващите. По-специално, нейната еластичност се подобрява и т.н. Процесът на вулканизация може да се контролира чрез постоянно измерване на променящите се свойства. Като правило за тази цел се използва определянето на якостта на опън и якостта на опън. Но тези методи за контрол не са точни и не се използват.

Каучукът като продукт на вулканизация на каучук

Техническият каучук е композитен материал, съдържащ до 20 компонента, които осигуряват различни свойства на този материал. Каучукът се произвежда чрез вулканизиране на каучук. Както беше отбелязано по-горе, по време на процеса на вулканизация се образуват макромолекули, които осигуряват експлоатационните свойства на каучука, като по този начин осигуряват висока якост на каучука.

Основната разлика между каучука и много други материали е, че той има способността да претърпява еластични деформации, които могат да възникнат при различни температури, вариращи от стайна до много по-ниски. Каучукът значително надвишава гумата в редица характеристики, например, той се отличава с еластичност и здравина, устойчивост на температурни промени, излагане на агресивна среда и много други.

Цимент за вулканизация

Циментът за вулканизация се използва за самовулканизация, може да започне от 18 градуса и за гореща вулканизация до 150 градуса. Този цимент не съдържа въглеводороди. Има и цимент тип OTR, използван за нанасяне върху грапави повърхности във вътрешността на гумите, както и лепила от сериите Top RAD и PN OTR с удължено време на съхнене. Използването на такъв цимент позволява да се постигне дълъг експлоатационен живот на регенерирани гуми, използвани на специална строителна техника с голям пробег.

Направи си сам технология за гореща вулканизация на гуми

За да извършите гореща вулканизация на гума или тръба, ще ви е необходима преса. Реакцията на заваряване между гумата и детайла протича за определен период от време. Това време зависи от размера на ремонтираната площ. Опитът показва, че ще са необходими 4 минути, за да се поправят повреди с дълбочина 1 mm, при определена температура. Тоест, за да поправите дефект с дълбочина 3 мм, ще трябва да отделите 12 минути чисто време. Не вземаме предвид времето за подготовка. Междувременно пускането в действие на устройството за вулканизация, в зависимост от модела, може да отнеме около 1 час.

Температурата, необходима за гореща вулканизация, варира от 140 до 150 градуса по Целзий. За да се постигне тази температура, не е необходимо да се използва промишлено оборудване. За да ремонтирате сами гуми, е напълно приемливо да използвате домакински електрически уреди, например ютия.

Отстраняването на дефекти в автомобилна гума или тръба с помощта на устройство за вулканизация е доста трудоемка операция. Има много тънкости и подробности и затова ще разгледаме основните етапи на ремонта.

За да осигурите достъп до мястото на повреда, гумата трябва да бъде отстранена от колелото.
Почистете гумата близо до повредената зона. Повърхността му трябва да стане грапава.
Издухайте третираната зона със сгъстен въздух. Връвта, която се появява навън, трябва да бъде отстранена; Каучукът трябва да се третира със специално обезмасляващо съединение. Обработката трябва да се извърши от двете страни, отвън и отвътре.
От вътрешната страна върху увреденото място трябва да се постави предварително подготвен пластир с размер. Полагането започва от страната на борда на гумата към центъра.
От външната страна парчета сурова гума, нарязани на парчета от 10-15 мм, трябва да се поставят върху повреденото място, те трябва първо да се нагреят на печката.
Положената гума трябва да се притисне и изравни върху повърхността на гумата. В този случай е необходимо да се гарантира, че слоят от сурова гума е 3–5 mm по-висок от работната повърхност на камерата.
След няколко минути с помощта на ъглошлайф (ъглошлайф) е необходимо да отстраните слоя нанесена сурова гума. Ако голата повърхност е разхлабена, т.е. има въздух в нея, цялата нанесена гума трябва да се отстрани и операцията по нанасяне на гума трябва да се повтори. Ако в ремонтния слой няма въздух, т.е. повърхността е гладка и не съдържа пори, ремонтираната част може да бъде изпратена под предварително загрята до посочената по-горе температура.
За да позиционирате точно гумата върху пресата, има смисъл да маркирате центъра на дефектната зона с тебешир. За да предотвратите залепването на нагретите плочи върху гумата, между тях трябва да поставите плътна хартия.

Направи си сам вулканизатор

Всяко устройство за гореща вулканизация трябва да съдържа два компонента:

нагревателен елемент;
Натиснете.

За да направите свой собствен вулканизатор, може да ви трябва:

желязо;
електрическа фурна;
бутало от двигател с вътрешно горене.

Вулканизаторът „направи си сам“ трябва да бъде оборудван с регулатор, който може да го изключи, когато достигне работна температура (140-150 градуса по Целзий). За ефективно затягане можете да използвате обикновена скоба.

Методът за контрол се отнася до производството на каучукови изделия, а именно до методите за контрол на процеса на вулканизация. Методът се осъществява чрез регулиране на времето за вулканизация в зависимост от времето за получаване на максималния модул на срязване на каучуковата смес по време на вулканизация на проби върху реометър и отклонението на модула на опън на каучука в готовите продукти от дадена стойност. Това дава възможност да се разработят смущаващи влияния върху процеса на вулканизация въз основа на характеристиките на изходните компоненти и работните параметри на процесите за получаване на каучукова смес и вулканизация. Техническият резултат е повишаване на стабилността на механичните характеристики на каучуковите изделия. 5 болен.

Настоящото изобретение се отнася до производството на каучукови изделия, а именно до методи за управление на процеса на вулканизация.

Процесът на производство на каучукови изделия включва етапите на получаване на каучукови смеси и тяхната вулканизация. Вулканизацията е един от най-важните процеси в технологията за производство на каучук. Вулканизацията се извършва чрез задържане на каучуковата смес в преси, специални котли или вулканизатори при температура 130-160°C за определено време. В този случай каучуковите макромолекули се свързват чрез напречни химични връзки в пространствена вулканизираща мрежа, в резултат на което пластмасовата каучукова смес се превръща в високоеластична гума. Пространствената мрежа се формира в резултат на топлинно активирани химични реакции между каучукови молекули и вулканизиращи компоненти (вулканизатори, ускорители, активатори).

Основните фактори, влияещи върху процеса на вулканизация и качеството на готовите продукти, са естеството на вулканизиращата среда, температурата на вулканизация, продължителността на вулканизацията, налягането върху повърхността на вулканизирания продукт и условията на нагряване.

При съществуващата технология режимът на вулканизация обикновено се разработва предварително чрез изчислителни и експериментални методи и се задава програма за процеса на вулканизация по време на производството на продуктите. За осигуряване на точно изпълнение на предписания режим, процесът е оборудван със средства за контрол и автоматизация, които най-точно изпълняват предписаната строга програма за провеждане на вулканизационния режим. Недостатъците на този метод са нестабилността на характеристиките на произвежданите продукти поради невъзможността да се осигури пълна възпроизводимост на процеса, поради ограниченията в точността на системите за автоматизация и възможността за смяна на режимите, както и промени в характеристиките от каучуковата смес с течение на времето.

Съществува известен метод за вулканизация с контрол на температурата в парни котли, плочи или формовъчни кожуси чрез промяна на дебита на охлаждащите течности. Недостатъците на този метод са голямото разнообразие в характеристиките на получените продукти поради промени в работните условия, както и промени в реактивността на каучуковата смес.

Известен е метод за контролиране на процеса на вулканизация чрез непрекъснато наблюдение на тези параметри на процеса, които определят неговия ход: температурата на охлаждащите течности, температурата на повърхностите на вулканизирания продукт. Недостатъкът на този метод е нестабилността на характеристиките на получените продукти поради нестабилността на реактивността, подадена към формоването на каучуковата смес, и получаването на различни характеристики на продукта по време на вулканизация при едни и същи температурни условия.

Съществува известен метод за регулиране на режима на вулканизация, включително определяне на температурното поле във вулканизирания продукт с помощта на контролирани външни температурни условия на вулканизиращите повърхности на продуктите, определяне на кинетиката на неизотермична вулканизация на тънки лабораторни плочи с помощта на динамичния модул на хармоничния промяна в откритите неизотермични условия, определяне на продължителността на процеса на вулканизация, при която се получава оптимален набор от най-важните свойства на каучука, определяне на температурното поле за многослойни стандартни проби, симулиращи елемент на гума в състава и геометрията, получаване на кинетика на неизотермична вулканизация на многослойни плочи и определяне на еквивалентното време на вулканизация въз основа на предварително избраното оптимално ниво на свойства, вулканизация на многослойни проби на лабораторна преса при постоянна температура в хода на еквивалентното време на вулканизация и анализ на получените характеристики . Този метод е значително по-точен от методите, използвани в индустрията за изчисляване на ефектите и еквивалентните времена на вулканизация, но е по-тромав и не отчита промяната в нестабилността на реактивността на каучуковата смес, доставена за вулканизация.

Известен е метод за регулиране на процеса на вулканизация, при който се измерва температурата в участъците на продукта, които ограничават процеса на вулканизация, по тези данни се изчисляват степените на вулканизация и когато зададената и изчислената степен на вулканизация са равни , цикълът на вулканизация спира. Предимството на системата е регулирането на времето за вулканизация при промяна на температурните колебания на процеса на вулканизация. Недостатъкът на този метод е голямото разсейване в характеристиките на получените продукти поради хетерогенността на каучуковата смес по отношение на реактивността към вулканизация и отклонението на константите на кинетика на вулканизация, използвани при изчислението, от действителните константи на кинетика на каучука смес, която се обработва.

Съществува известен метод за контролиране на процеса на вулканизация, който се състои в изчисляване на температурата в контролираната раменна зона на R-C мрежата, като се използват гранични условия, базирани на измервания на температурата на повърхността на формите и температурата на кухината на диафрагмата, изчисляване на еквивалентна вулканизация времена, които определят степента на вулканизация в контролираната зона, при прилагане на еквивалентна времева вулканизация в реалния процес процесът спира. Недостатъците на този метод са неговата сложност и голямото разнообразие в характеристиките на получените продукти, дължащи се на промени в реактивността към вулканизация (енергия на активиране, предекспоненциален множител на кинетичните константи) на каучуковата смес.

Най-близък до предложения метод е методът за управление на процеса на вулканизация, при който, синхронно с действителния процес на вулканизация според граничните условия, въз основа на температурни измервания на повърхността на металната форма, се изчислява температурата във вулканизираните продукти използвайки мрежов електрически модел, изчислените температурни стойности се задават на вулканометър, на който успоредно на основния По време на процеса на вулканизация кинетиката на неизотермична вулканизация на проба от партидата каучукова смес, която се обработва, е изследван; когато се достигне дадено ниво на вулканизация, се генерират команди за управление на вулканизационния уред за вулканизационния блок [AS СССР № 467835]. Недостатъците на метода са голямата сложност на внедряване в технологичния процес и ограничения обхват на приложение.

Целта на изобретението е да се повиши стабилността на характеристиките на произвежданите продукти.

Тази цел се постига чрез факта, че времето за вулканизация на каучуковите изделия на производствената линия се регулира в зависимост от времето за получаване на максималния модул на срязване на каучуковата смес по време на вулканизация на проби от обработената каучукова смес в лабораторни условия на реометър и отклонението на модула на опън на гумата в произведените продукти от определената стойност.

Предложеното решение е илюстрирано на фиг.

Фигура 1 показва функционална диаграма на система за управление, която прилага предложения метод за управление.

Фигура 2 показва блокова схема на система за управление, която прилага предложения метод за управление.

Фигура 3 показва времевия ред на якостта на опън на съединителя Jubo, произведен в OJSC Balakovorezinotehnika.

Фигура 4 показва характерни кинетични криви за момента на срязване на проби от каучукова смес.

Фигура 5 показва времеви серии от промени в продължителността на вулканизация на проби от каучукова смес до 90% от постижимия модул на срязване на вулканизата.

Функционалната схема на системата, която прилага предложения метод за управление (виж фиг. 1), показва етапа на приготвяне на каучукова смес 1, етап на вулканизация 2, реометър 3 за изследване на кинетиката на вулканизация на проби от каучукова смес, механичен устройство за динамичен анализ 4 (или машина за изпитване на опън) за определяне на модул за разтягане на гума за готови продукти или сателитни проби, контролно устройство 5.

Контролният метод се изпълнява по следния начин. Пробите от партидите на каучуковата смес се анализират на реометър и стойностите на времето за вулканизация, при които моментът на срязване на каучука има максимална стойност, се изпращат към контролното устройство 5. Когато реактивността на каучуковата смес промени, устройството за управление регулира времето за вулканизация на продуктите. По този начин смущенията се обработват според характеристиките на изходните компоненти, влияещи върху реактивността на получената каучукова смес. Модулът на опън на каучука в готовите продукти се измерва чрез динамичен механичен анализ или на машина за изпитване на опън и също се изпраща към контролното устройство. Неточността на получената настройка, както и наличието на промени в температурата на охлаждащите течности, условията на топлообмен и други смущаващи влияния върху процеса на вулканизация се отчитат чрез регулиране на времето за вулканизация в зависимост от отклонението на модула на опън на гумата в произведени продукти от посочената стойност.

Блоковата схема на системата за управление, която реализира този метод на управление и е представена на фиг. 2, включва управляващо устройство на канала за директно управление 6, управляващо устройство на канала за обратна връзка 7, обект за управление на процеса на вулканизация 8, транспорт връзка за забавяне 9, за да се вземе предвид продължителността на времето за определяне на характеристиките на каучука на готовите продукти, елемент за сравнение на канала за обратна връзка 10, суматор 11 за сумиране на корекциите на времето за вулканизация чрез канала за директно управление и канала за обратна връзка , суматор 12 за отчитане влиянието на неконтролирани смущения върху процеса на вулканизация.

Когато реактивността на каучуковата смес се промени, оценката τ max се променя и управляващото устройство чрез директен канал за управление 1 регулира времето за вулканизация в технологичния процес със стойността Δτ 1.

В реален процес условията на вулканизация се различават от условията на реометъра, следователно времето за вулканизация, необходимо за получаване на максималната стойност на въртящия момент в реалния процес, също се различава от това, получено на устройството, и тази разлика се променя с времето поради нестабилност от условията на вулканизация. Тези смущения f се обработват през канала за обратна връзка чрез въвеждане на корекция Δτ 2 от управляващото устройство 7 на обратната връзка, в зависимост от отклонението на гумения модул в произвежданите продукти от зададената стойност E set.

Връзката 9 на транспортното забавяне, когато анализира динамиката на системата, отчита влиянието на времето, необходимо за анализ на характеристиките на гумата на готовия продукт.

Фигура 3 показва времевите редове на условната сила на скъсване на съединителя Juba, произведен от OJSC Balakovorezinotehnika. Данните показват широка гама от продукти за този показател. Времевата поредица може да бъде представена като сбор от три компонента: ниска честота x 1, средна честота x 2, висока честота x 3. Наличието на нискочестотен компонент показва недостатъчната ефективност на съществуващата система за управление на процеса и фундаменталната възможност за изграждане на ефективна система за управление с обратна връзка, за да се намали разпространението на параметрите на крайния продукт според неговите характеристики.

Фигура 4 показва характерни експериментални кинетични криви за момента на срязване по време на вулканизация на проби от каучукова смес, получени на реометър Alfa Technologies MDR2000. Данните показват хетерогенността на каучуковата смес по отношение на реактивността към процеса на вулканизация. Разстоянието във времето за достигане на максималния въртящ момент варира от 6,5 минути (криви 1.2) до повече от 12 минути (криви 3.4). Разликата в завършването на процеса на вулканизация варира от недостигане на максималната стойност на въртящия момент (криви 3.4) до наличие на процес на свръхвулканизация (криви 1.5).

Фигура 5 показва времевата серия от времето на вулканизация до 90% ниво на максимален момент на срязване, получено чрез изследване на вулканизацията на проби от каучукова смес на реометъра MDR2000 Alfa Technologies. Данните показват наличието на нискочестотна вариация във времето за втвърдяване, за да се получи максимален момент на срязване на вулканизата.

Наличието на голямо разсейване в механичните характеристики на съединителя Juba (фиг. 3) показва уместността на решаването на проблема за повишаване на стабилността на характеристиките на каучуковите продукти, за да се повиши тяхната експлоатационна надеждност и конкурентоспособност. Наличието на нестабилност в реактивността на каучуковата смес към процеса на вулканизация (фиг. 4, 5) показва необходимостта от промяна на времето по време на процеса на вулканизация на продуктите, направени от тази каучукова смес. Наличието на нискочестотни компоненти във времевите редове на условната сила на счупване на готовите продукти (фиг. 3) и във времето за вулканизация за получаване на максималния момент на срязване на вулканизата (фиг. 5) показва фундаменталната възможност за увеличаване на показатели за качество на готовия продукт чрез регулиране на времето за вулканизация.

Горното потвърждава наличието в предложеното техническо решение:

Технически резултат, т.е. предложеното решение е насочено към повишаване на стабилността на механичните характеристики на каучуковите изделия, намаляване на броя на дефектните продукти и съответно намаляване на специфичните норми на потребление на изходни компоненти и енергия;

Съществени характеристики, състоящи се в регулиране на продължителността на процеса на вулканизация в зависимост от реактивността на каучуковата смес към процеса на вулканизация и в зависимост от отклонението на модула на опън на каучука в готовите продукти от определената стойност;