Sistemska analiza kinetike vulkanizacije. Glavne zakonitosti procesa vulkanizacije guma različite prirode

Sergei G. Tikhomirov, Olga V. Karmanova, Yurii V. Pyatakov, Alexander A. Maslov Unesite naslov članka ovdje Sergei G. Tikhomirov, Olga V. Karmanova, Yurii V. Pyatakov, Aleksandr A. Maslov na engleskom Bulletin of VSUET /Zbornik radova VSUET, 3, 06 Pregledni članak/pregledni članak UDK 6.53 DOI: http://doi.org/0.094/30-0-06-3-93-99 Programski paket za rješavanje problema matematičkog modeliranja procesa izotermne vulkanizacije Sergey G. Tikhomirov, Olga V. Karmanova, Yuri V. Pyatakov, Alexander A. Maslov [e-mail zaštićen] [e-mail zaštićen] [e-mail zaštićen] [e-mail zaštićen] Odjel za informacijske i upravljačke sustave, Voronjež. država un-t. inž. techn., Revolutsii Ave., 9, Voronjež, Rusija Odjel za kemiju i kemijsku tehnologiju organskih spojeva i preradu polimera, Voronjež. država un-t. inž. tech., Leninsky Ave., 4, Voronjež, Rusija Sažetak. Na temelju općih zakonitosti sumporne vulkanizacije dienskih guma razmatraju se principi učinkovite provedbe procesa korištenjem višekomponentnih strukturnih sustava. Napominje se da je opis mehanizma djelovanja složenih umrežujućih sustava kompliciran raznolikošću međudjelovanja komponenti i utjecajem svake od njih na kinetiku vulkanizacije, što dovodi do raznih recepturnih i tehnoloških komplikacija stvarne tehnologije. a utječe na kvalitetu i tehničko-ekonomske pokazatelje proizvodnje proizvoda od gume. Sustavna analiza procesa izotermne vulkanizacije provedena je na temelju dobro poznatih teorijskih pristupa i uključivala je integraciju različitih istraživačkih metoda i tehnika u jedinstveni međusobno povezani skup metoda. Tijekom analize kinetike vulkanizacije utvrđeno je da parametri formiranja prostorne mreže vulkanizata ovise o mnogim čimbenicima, čija procjena zahtijeva posebnu matematičku i algoritamsku potporu. Kao rezultat stratifikacije proučavanog objekta identificirani su glavni podsustavi. Razvijen je programski paket za rješavanje izravnih i inverznih kinetičkih problema procesa izotermne vulkanizacije. Informacijska potpora "Izotermna vulkanizacija" razvijena je u obliku aplikativnih programa za matematičko modeliranje procesa izotermne vulkanizacije i usmjerena je na rješavanje direktnih i inverznih kinetičkih problema. Pri rješavanju problema preciziranja opće sheme kemijskih transformacija korišten je univerzalni mehanizam, uključujući sporedne kemijske reakcije. Programski proizvod uključuje numeričke algoritme za rješavanje sustava diferencijalnih jednadžbi. Za rješavanje inverznog kinetičkog problema koriste se algoritmi za minimiziranje funkcionala, uz postojanje ograničenja na željene parametre. Za opis rada ovog proizvoda, dan je logički blok dijagram programa. Dan je primjer rješavanja inverznog kinetičkog problema uz pomoć programa. Razvijena informacijska potpora implementirana je u programskom jeziku C++. Za određivanje početne koncentracije stvarnog sredstva za vulkanizaciju korištena je univerzalna ovisnost koja omogućuje korištenje modela s različitim svojstvima višekomponentnih strukturnih sustava.Ključne riječi: izotermna vulkanizacija, matematičko modeliranje, shema kinetike vulkanizacije, informacijska podrška. Tihomirov, Olga V. Karmanova, Jurij V. Pjatakov, Aleksandar A. Maslov [e-mail zaštićen] [e-mail zaštićen] [e-mail zaštićen] [e-mail zaštićen] Odsjek za informacijske i upravljačke sustave, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, evolucija Av., 9 Voronjež, SAD Odsjek za kemiju i kemijsku tehnologiju organskih spojeva i preradu polimera, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, Leninsky Av., 4 Voronjež, SAD Sažetak. Na temelju općih zakona sumporne vulkanizacije dienskih guma raspravljalo se o principima učinkovitog umrežavanja korištenjem višekomponentnih sredstava. Napominje se da je opis mehanizma djelovanja složenih sustava umrežavanja kompliciran raznolikošću interakcija komponenti i utjecajem svake od njih na kinetiku otvrdnjavanja, što dovodi do niza tehnoloških komplikacija stvarne tehnologije i utječe na kvalitetu i tehničko-ekonomske pokazatelje proizvodnje proizvoda od gume. Na temelju poznatih teorijskih pristupa provedena je sistemska analiza izotermnog procesa otvrdnjavanja. Uključivao je integraciju različitih tehnika i metoda u jedan skup. Tijekom analize kinetike vulkanizacije utvrđeno je da formiranje prostorne mreže parametara vulkanizata ovisi o mnogim čimbenicima, za čiju procjenu je potrebna posebna matematička i algoritamska podrška. Kao rezultat stratifikacije objekta identificirani su sljedeći glavni podsustavi. Razvijen je programski paket za rješavanje izravnih i inverznih kinetičkih problema izotermnog procesa otvrdnjavanja. Informacijska podrška Izotermna vulkanizacija je skup primjena matematičkog modeliranja izotermne otvrdnjavanja. Namijenjen je izravnim i inverznim kinetičkim problemima. Prilikom rješavanja problema razjašnjenja opće sheme kemijskih transformacija korišten je univerzalni mehanizam uključujući sekundarne kemijske reakcije. Za rješavanje inverznog kinetičkog problema korišten je algoritam funkcionalne minimizacije s ograničenjima na nepoznate parametre. Prikazuje dijagram toka programa. Uveden je primjer rješavanja inverznog kinetičkog problema s programom. Dataware je implementiran u programskom jeziku C++. Primijenjena je univerzalna ovisnost za određivanje početne koncentracije otvrdnjavača. Omogućuje korištenje modela s različitim svojstvima višekomponentnih sustava stvrdnjavanja. informirane odluke. Ključne riječi: izotermno stvrdnjavanje, matematičko modeliranje, shema kinetike stvrdnjavanja, informacijski softver Za citiranje Tikhomirov S.G., Karmanova O. V., Pyatakov Yu.V., Maslov A.A. Programski kompleks za rješavanje problema matematičkog modeliranja procesa izotermne vulkanizacije Vestnik VGUIT. 06. 3. S 93 99. doi:0.094/30-0-06-3-93-99 Za citiranje Tihomirov S.G., Karmanova O.V., Pyatakov Yu.V., Maslov A.A Programski paket za rješavanje problema matematičkog modeliranja izotermnih proces stvrdnjavanja. Vestnik VSUET. 06. broj 3 str. 93 99 (u nas). doi:0.094/30-0-06-3-93-99 93

Vestnik VGUIT/Proceedings of VSUET, 3, 06 94 Uvod Do danas su utvrđene opće zakonitosti sumporne vulkanizacije dienskih guma na temelju postojanja pravih elastomernih vulkanizacijskih sredstava (DAV) u sastavima. Međutim, principi učinkovite provedbe procesa uz korištenje višekomponentnih sustava strukturiranja nisu dovoljno proučeni. Opis mehanizma njihova djelovanja kompliciran je raznolikošću međudjelovanja komponenti i utjecajem svake od njih na kinetiku vulkanizacije. To dovodi do raznih recepturnih i tehnoloških komplikacija stvarne tehnologije te utječe na kvalitetu i tehničko-ekonomske pokazatelje proizvodnje proizvoda od gume. Analiza kinetike vulkanizacije pokazala je da se postojeći pristupi njenom opisu temelje na kemijskim reakcijama makromolekula s vulkanizacijskim agensima, a parametri za formiranje prostorne mreže vulkanizatora ovise o mnogim čimbenicima čiji utjecaj može procijeniti samo pomoću posebnog matematičkog i algoritamskog softvera. Kako bi se poboljšala učinkovitost studije, identificirali uzroci koji dovode do proizvodnje proizvoda koji ne zadovoljavaju regulatorne zahtjeve, kako bi se predvidio tijek procesa, potrebno je izraditi poseban softver (SW). Svrha ovog rada je razviti programski paket za rješavanje direktnih i inverznih kinetičkih problema procesa izotermne vulkanizacije. Sustavna analiza procesa vulkanizacije Analizom poznatih teorijskih pristupa opisu vulkanizacijskih, ali i drugih procesa u kemijskoj industriji [4] te aspektima njihove praktične provedbe, uzimajući u obzir karakteristike pojedinih faza, omogućeno je identificirati opća svojstva sustava i osnovne obrasce procesa te odrediti smjer istraživanja za dobivanje novih informacija o optimizaciji načina vulkanizacije i svojstava gotovih proizvoda. Sistemska analiza uključuje integraciju različitih istraživačkih metoda i tehnika (matematičkih, heurističkih) razvijenih u okviru različitih znanstvenih područja u jedan međusobno povezan skup metoda. Multivarijantna analiza procesa omogućila je razvoj cjelokupne strukture studije (slika). Predmet proučavanja je slabo strukturiran, jer sadrži kako kvalitativne elemente (elastomeri, punila, procesni uvjeti), tako i one slabo proučene (višekomponentni strukturni sustavi, nekontrolirane perturbacije), koji imaju tendenciju da dominiraju. Sastav opće strukture uključuje elemente koje je potrebno teorijski obrazložiti (kinetički model, procesi prijenosa topline i mase, optimizacija režima, procesni procesi). Dakle, za ocjenu rješenja potrebno je utvrditi sve postojeće odnose i utvrditi njihov utjecaj, uzimajući u obzir interakcije, na ponašanje cjelokupnog sustava kao cjeline. Analiza opće strukture pokazala je da su mehanička svojstva vulkanizata određena kemijskim reakcijama makromolekula s vulkanizacijskim agensima, a za procjenu parametara prostorne mreže vulkanizata potrebno je razviti posebnu matematičku i algoritamsku potporu. Kao rezultat stratifikacije predmeta koji se proučava, identificirani su sljedeći glavni podsustavi: - analiza i obračun fenomena toplinske fluktuacije koji osiguravaju ubrzanje kemijskih reakcija, - kinetički model vulkanizacije; 3) optimizacija načina vulkanizacije, osiguravajući potrebna mehanička svojstva. Matematičko modeliranje procesa izotermne vulkanizacije Dobivanje pouzdanih informacija o procesima umrežavanja elastomera složenim sustavima strukturiranja usko je povezano s problemima projektiranja, optimizacije i upravljanja načinima vulkanizacije u industriji. Poznato je da je jedan od tradicionalnih načina opisivanja formalne kinetike vulkanizacije korištenje po komadu definiranih funkcija za pojedine faze procesa: indukcijski period, strukturiranje i reverziju. Opis procesa u cjelini i izračun kinetičkih konstanti trenutno se rade samo za određene vrste guma i vulkanizacijskih sustava. Glavni zaključci o kinetici procesa temelje se na modelnim sustavima s niskomolekularnim analozima elastomera. Istodobno, nije uvijek moguće proširiti dobivene kvantitativne podatke na proizvodne procese.

Vestnik VSUET/Proceedings of VSUET, 3, 06 Slika. Shema proučavanja procesa vulkanizacije elastomera Slika. Shema proučavanja procesa vulkanizacije elastomera Procjena fizičkih i mehaničkih svojstava industrijske gume, prema podacima dobivenim u poduzeću, je, naravno, progresivna metoda u rješavanju problema modeliranja procesa vulkanizacije, ali zahtijeva strogu unutarnje jedinstvo fizičkog i kemijskog pristupa u svakoj fazi proučavanja i razvoja računalnih algoritama i programa. Na ovo se pitanje može odgovoriti samo pažljivim izvođenjem eksperimenata prema planu koji odgovara predloženom kinetičkom modelu i izračunavanjem nekoliko alternativnih verzija modela. Ovo zahtijeva neovisnu metodu za utvrđivanje broja formalnih reakcijskih mehanizama odgovornih za strukturiranje sastava elastomera. Tradicionalne metode analize procesa u vremenskoj domeni ne omogućuju jasno odvajanje procesa sa sinergističkim međudjelovanjem, što pak onemogućuje njihovo korištenje za analizu industrijskih guma. Pri rješavanju problema preciziranja opće sheme kemijskih transformacija, svrsishodno je poći od mehanizma koji je u određenom smislu maksimalan. Stoga kinetička shema uključuje dodatne reakcije koje opisuju stvaranje i razaranje labilnih polisulfidnih veza (Vu lab), intramolekulsku ciklizaciju i druge reakcije koje dovode do modifikacije makromolekula, stvaranja makroradikala i njegove reakcije s DAW suspenzijama. Sustav diferencijalnih jednadžbi (DE) po fazama procesa imat će sljedeći oblik: 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

Vestnik VGUIT/Zbornik VSUET, 3, 06 96 Početni uvjeti: 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; C0 4,95; gdje su ς, θ, η, koeficijenti, početna koncentracija sumpora, početna koncentracija akceleratora, θ početna koncentracija aktivatora (cinkov oksid), [C (0)] η početna koncentracija makroradikala. Ovdje je A stvarno sredstvo za vulkanizaciju; U prekursoru za umrežavanje; B* njegov aktivni oblik; C intramolekularno vezani sumpor; VuSt, VuLab stabilni i labilni čvorovi vulkanizacijske mreže; guma; * makroradikal gume kao rezultat razgradnje toplinske fluktuacije; α, β, γ i δ stehiometrijski koeficijenti, k, k, k 8, k 9 (k 8) konstante brzine reakcije koje se odnose na odgovarajuće faze procesa. Izravni problem kinetike (DKK) je problem nalaženja koncentracije čvorova vulkanizacije u funkciji vremena. Rješenje PZK svodi se na rješenje sustava DE () pri zadanim početnim uvjetima. Kinetička krivulja procesa vulkanizacije određena je veličinom momenta Mt. Inverzni problem kinetike (IKK) je problem identifikacije konstanti brzine reakcije, stehiometrijskih koeficijenata i varijabli u sustavu (). Rješenje OZK provodi se minimiziranjem funkcionala: k, t 8 8 M t M M M S min / max min Vu (), (3) M max, M min odnosno maksimalne i minimalne vrijednosti koeficijenta. Mt, mjerilo Opis softvera Program "Izotermna vulkanizacija" razvijen je kao kompleks primijenjenih programa za rješavanje problema vezanih uz matematičko modeliranje procesa izotermne vulkanizacije. Za rješavanje DE sustava, paket nudi numeričke metode, uključujući: Runge-Kutta metodu četvrtog reda; Adamsova metoda. Rješenje inverznog kinetičkog problema svodi se na procjenu konstanti brzine reakcije, stehiometrijskih koeficijenata i varijabli u DE () sustavu. Za minimiziranje funkcionalnosti () u programskom paketu, prema nahođenju korisnika, mogu se koristiti sljedeće metode: koordinatni spust, Hook-Jeeves, Rosenbrock, Powell, Nelder-Mead, koordinatno usrednjavanje (upotrebom nasumičnih elemenata pretraživanja). Metode gradijenta (prvi red): najstrmiji nizbrdica, konjugirani pravci (Fletcher-Reeves), varijabilna metrika (Davidon-Fletcher-Powell), paralelni gradijenti (Zangwill). Slika prikazuje blok dijagram razvijenog softvera. Proces identifikacije konstanti brzine reakcije, koeficijenata jednadžbi i stehiometrijskih koeficijenata provodi se u nekoliko faza: digitalizacija reograma; prevođenje momenta u koncentracije; određivanje početnih koncentracija; određivanje vrijednosti potrebnih parametara konstanti koje osiguravaju minimum funkcionalnosti (). Reogrami se mogu digitalizirati ručno ili automatski pomoću programa GrDigit integriranog u paket. Obrada eksperimentalnih podataka može se provesti i za jedno mjerenje i za skup (do 6 reograma). Pretvorba momenta u koncentraciji čvorova vulkanizacijske mreže provodi se na sljedeći način: vrijednosti momenta pretvaraju se u konvencionalne jedinice: arb / M M M M M (4) struja min max min tada se konvencionalne jedinice pretvaraju u (mol / kg), množenjem M arb s faktorom razmjera. Određivanje početnih koncentracija C 0 DAV provodi se prema formuli: A 0 0 CA S8 AC Akt C (5)

Vestnik VSUET/Proceedings of VSUET, 3, 06 Slika. Blok dijagram softvera Slika. Strukturna programska shema Probnost razvijenog softvera Kao početni podaci korištene su reometrijske krivulje dobivene pod sljedećim početnim uvjetima: Vrijednost koncentracije sumpora u smjesi: = 0,0078 mol/kg Koncentracija akceleratora: = 0,009 mol/kg. 3. Koncentracija aktivatora: θ = 0,00 mol/kg. Slika 3 prikazuje eksperimentalne i izračunate vrijednosti koncentracije vulkanizacijskih čvorova, dobivene kao rezultat rješavanja BCC. U tablici su prikazane izračunate vrijednosti konstanti brzine reakcije, u tablici su prikazane procijenjene vrijednosti stehiometrijskih koeficijenata i parametara modela. Tablica Vrijednosti konstanti brzine reakcije k5,89 0-0 Slika 3. Promjene koncentracija točaka mreže vulkanizacije u vremenu aproksimacija i raspon pretraživanja konstanti, nakon čega se odabire metoda optimizacije 97-4, 97

Vestnik VGUIT/Proceedings of VSUET, 3, 06 Zaključak Na temelju sustavne analize teorijskih pristupa opisu vulkanizacije poboljšan je opći blok dijagram proučavanja ovog procesa. Matematički model procesa vulkanizacije dopunjen je početnim uvjetima koji su definirani kao funkcije početnih koncentracija komponenata vulkanizacijske skupine. Za rješavanje inverznog kinetičkog problema predlažu se dodatni kriteriji za kvalitetu modela. Razvijen je programski proizvod za provođenje istraživačkog rada u proučavanju procesa vulkanizacije gumenih smjesa primjenom višekomponentnih sustava za strukturiranje. Kontrolna točka ima blok-modularnu strukturu, što omogućuje njezino proširenje bez gubitka funkcionalnosti. Pravci njegove modernizacije su uključivanje u sastav matematičkog opisa neizotermnog načina vulkanizacije s daljnjom integracijom u APCS sklop kao ekspertni informacijsko-kontrolni sustav za izdavanje preporuka za upravljanje procesom vulkanizacije i donošenje odluka. Rad je financijski podržan državnim zadatkom 04/ (broj NIR 304) na temu "Sinteza višenamjenskih sustava kontrole kvalitete za prehrambenu i kemijsku industriju" LITERATURA Tikhomirov S.G., Bityukov V.K., Podkopaeva S.V., Khromykh E. ALI. i dr. Matematičko modeliranje upravljačkih objekata u kemijskoj industriji. Voronjež: VSUIT, 0. 96 str. Khaustov I.A. Kontrola sinteze polimera šaržnom metodom koja se temelji na frakcijskoj opskrbi reakcijskih komponenti // Bilten TSTU. 04. 4 (0) S. 787 79. 3 Khaustov I.A. Kontrola procesa razgradnje polimera u otopini na temelju frakcijskog punjenja inicijatora Vestnik VGUIT. 04. 4. P. 86 9. 4 V. K. Bityukov, I. A. Khaustov i A. A. Khvostov, Russ. i dr. Sustavna analiza procesa toplinsko-oksidativne razgradnje polimera u otopini kao objekt upravljanja Vestnik VGUIT. 04.3(6). P. 6 66. 5 Karmanova O.V. Fizikalne i kemijske osnove i aktivacijske komponente vulkanizacije polidiena: dis. dr. tehn. znanosti. Voronjež, 0. 6 Molchanov V.I., Karmanova O.V., Tikhomirov S.G. Modeliranje kinetike vulkanizacije polidiena Vestnik VGUIT. 03. P. 4 45. 7 Hardis., Jessop J.L.P., Peters F.E., Kessler M.. Karakterizacija kinetike otvrdnjavanja i praćenje epoksi smole korištenjem DSC, aman spektroskopije i DEA // Composite. 03. Dio A. V. 49. P. 00 08. 8 Javadi M., Moghiman M., eza Erfanian M., Hosseini N. Numeričko istraživanje procesa stvrdnjavanja u injekcijskom prešanju gume za poboljšanje kvalitete // Key Engineering Materials. 0. V. 46 463. P. 06. EFEENCES Tikhomirov S.G., itjukov V.K. Podkopaeva S.V., Khromykh E.A. et al. Mathematicheskoe modelirovanie ob ektov upravleniya v khimicheskoi promyshlennosti Voronjež, VSUET, 0. 96 str. (na ruskom). Khaustov I.A. Upravljanje šaržnim postupkom sinteze polimera koji se temelji na frakcijskom protoku reakcijskih komponenata. Vestnik TGTU 04, br. 4 (0), str. 787 79. (na ruskom). 3 Khaustov I.A. Kontrola procesa razgradnje polimera u otopini na temelju frakcijskog punjenja inicijatora. Vestnik VGUIT 04, br. 4, str. 86 9 (na ruskom). 4 Itjukov V.K., Khaustov I.A., Khvostov A.A. Sustavna analiza termooksidativne razgradnje polimera u otopini kao objekt kontrole. Vestnik VGUIT 04, br. 3 (6), str. 6 66. (na ruskom). 5 Karmanova O.V. Fiziko-khimicheskie osnovy i aktiviruyushchie komponenty vulknizatsii polidienov Voronezh, 0. (na ruskom). 6 Molchanov V.I., Karmanova O.V., Tikhomirov S.G. Modeliranje kinetike vulkanizacije polidiena. Vestnik VGUIT 03, br., str. 4 45. (na ruskom). 7 Hardis., Jessop J.L.P., Peters F.E., Kessler M.. Karakterizacija kinetike otvrdnjavanja i praćenje epoksi smole korištenjem DSC, aman spektroskopije i DEA. Kompozit, 03, dio A, sv. 49, str. 00 08. 8 Javadi M., Moghiman M., eza Erfanian M., Hosseini N. Numeričko istraživanje procesa stvrdnjavanja u injekcijskom prešanju gume za poboljšanje kvalitete. ključni inženjerski materijali. 0, sv. 46463, str. 06.98

Bulletin of VSUET/Proceedings of VSUET, 3, 06 PODACI O AUTORIMA Sergey T. Tikhomirov Profesor, Department of Information and Control Systems, Voronezh State University of Engineering Technologies, Revolution Ave., 9, Voronezh, 394036, Russia, [e-mail zaštićen] Olga V. Karmanova Voditelj odjela, profesor, Odsjek za kemiju i kemijsku tehnologiju organskih spojeva i preradu polimera, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, Lenjinski prospekt, 4, Voronjež, 394000, Rusija, [e-mail zaštićen] Yury V. Pyatakov izvanredni profesor, Odjel za informacijske i upravljačke sustave, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, Revolution Ave., 9, Voronezh, 394036, Rusija, [e-mail zaštićen] Alexander A. Maslov postdiplomski student, Odjel za informacijske i upravljačke sustave, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, 9 Revolution Avenue, Voronjež, 394036, Rusija, [e-mail zaštićen] INFORMACIJE O AUTORU Sergej G. Tikhomirov profesor, Odjel za informacijske i upravljačke sustave, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, evolucija Av., 9 Voronjež, SAD, [e-mail zaštićen] Olga V. Karmanova, profesorica, voditeljica odjela, Odsjek za kemiju i kemijsku tehnologiju organskih spojeva i preradu polimera, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, Leninsky Av., 4 Voronjež, SAD, [e-mail zaštićen] Yurii V. Pyatakov izvanredni profesor, Odjel za informacijske i upravljačke sustave, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, evolucija Av., 9 Voronjež, SAD, [e-mail zaštićen] Aleksandr A. Maslov diplomirani student, Odsjek za informacijske i upravljačke sustave, Voronješko državno sveučilište inženjerskih tehnologija, evolucija Av., 9 Voronjež, SAD, [e-mail zaštićen] KRITERIJ AUTORSTVA Sergej T. Tihomirov predložio je metodologiju za provođenje eksperimenta i organizirao proizvodna ispitivanja Alexander A. Maslov pregledao je literaturu o problemu koji se proučava, proveo eksperiment, izvršio izračune Olga V. Karmanova konzultacije tijekom studije Yuri V. Pyatakov napisao rukopis, ispravio ga prije predaje uredništvu i odgovoran je za plagijat SUKOB INTERESA Autori izjavljuju da nema sukoba interesa. NASTAVAK Sergej G. Tikhomirov predložio je shemu eksperimenta i organizirao proizvodna ispitivanja Aleksandr A. Maslov pregled literature o istraživanju problema, proveo eksperiment, izvršio proračune Olga V. Karmanova konzultacija tijekom studije Yurii V. Pyatakov napisao je rukopis, ispraviti ga prije predaje u uredništvo i odgovoran je za plagijat SUKOB INTESERA Autori izjavljuju da nema sukoba interesa. PRIHVAĆENO 7.07.06 PRIMLJENO 7.7.06 PRIHVAĆENO 08.06.06 PRIHVAĆENO 8..06 99

Glavne metode vulkanizacije gume. Za izvođenje glavnog kemijskog procesa tehnologije gume - vulkanizacije - koriste se vulkanizirajuća sredstva. Kemija procesa vulkanizacije sastoji se u formiranju prostorne mreže, uključujući linearne ili razgranate makromolekule gume i poprečne veze. Tehnološki, vulkanizacija se sastoji u obradi gumene smjese na temperaturama od normalne do 220 ° C pod pritiskom, a rjeđe bez njega.

U većini slučajeva industrijska vulkanizacija se provodi vulkanizacijskim sustavima koji uključuju vulkanizacijsko sredstvo, akceleratore i aktivatore vulkanizacije te doprinose učinkovitijem tijeku procesa formiranja prostorne mreže.

Kemijska interakcija između gume i sredstva za vulkanizaciju određena je kemijskom aktivnošću gume, tj. stupanj nezasićenosti njegovih lanaca, prisutnost funkcionalnih skupina.

Kemijska aktivnost nezasićenih kaučuka posljedica je prisutnosti dvostrukih veza u glavnom lancu i povećane pokretljivosti vodikovih atoma u -metilenskim skupinama uz dvostruku vezu. Stoga se nezasićene gume mogu vulkanizirati sa svim spojevima koji stupaju u interakciju s dvostrukom vezom i njezinim susjednim skupinama.

Glavni vulkanizacijski agens za nezasićene gume je sumpor, koji se obično koristi kao vulkanizacijski sustav zajedno s akceleratorima i njihovim aktivatorima. Osim sumpora mogu se koristiti organski i anorganski peroksidi, alkilfenolformaldehidne smole (AFFS), diazo spojevi i polihaloidni spojevi.

Kemijska aktivnost zasićenih guma znatno je niža od aktivnosti nezasićenih, stoga se za vulkanizaciju moraju koristiti visoko reaktivne tvari, poput raznih peroksida.

Vulkanizacija nezasićenih i zasićenih guma može se provoditi ne samo u prisutnosti kemijskih vulkanizirajućih sredstava, već i pod utjecajem fizičkih utjecaja koji pokreću kemijske transformacije. To su visokoenergetsko zračenje (radijacijska vulkanizacija), ultraljubičasto zračenje (fotovulkanizacija), dugotrajno izlaganje visokim temperaturama (termalna vulkanizacija), udarni valovi i neki drugi izvori.

Gume koje imaju funkcionalne skupine mogu se vulkanizirati na tim skupinama pomoću agenasa za umrežavanje koji stupaju u interakciju s funkcionalnim skupinama.

Glavne zakonitosti procesa vulkanizacije. Bez obzira na vrstu gume i korišteni sustav vulkanizacije, tijekom procesa vulkanizacije dolazi do nekih karakterističnih promjena u svojstvima materijala:

Plastičnost gumene smjese naglo se smanjuje, pojavljuju se čvrstoća i elastičnost vulkanizata. Dakle, čvrstoća sirove gumene smjese na bazi NC ne prelazi 1,5 MPa, a čvrstoća vulkaniziranog materijala nije manja od 25 MPa.

Kemijska aktivnost gume značajno je smanjena: u nezasićenim gumama smanjuje se broj dvostrukih veza, u zasićenim gumama i gumama s funkcionalnim skupinama broj aktivnih centara. Time se povećava otpornost vulkanizata na oksidativne i druge agresivne utjecaje.

Povećava otpornost vulkaniziranog materijala na djelovanje niskih i visokih temperatura. Tako se NC stvrdnjava na 0ºS i postaje ljepljiv na +100ºS, dok vulkanizat zadržava čvrstoću i elastičnost u temperaturnom rasponu od -20 do +100ºS.

Ovakav karakter promjene svojstava materijala tijekom vulkanizacije nedvosmisleno ukazuje na pojavu procesa strukturiranja, koji završavaju stvaranjem trodimenzionalne prostorne mreže. Da bi vulkanizat zadržao elastičnost, poprečne veze moraju biti dovoljno rijetke. Na primjer, u slučaju NC, termodinamička fleksibilnost lanca je zadržana ako se pojavi jedna poprečna veza na 600 atoma ugljika glavnog lanca.

Proces vulkanizacije također karakteriziraju neki opći obrasci promjena svojstava ovisno o vremenu vulkanizacije pri konstantnoj temperaturi.

Budući da se svojstva viskoznosti smjesa najviše mijenjaju, za proučavanje kinetike vulkanizacije koriste se smični rotacijski viskozimetri, posebno Monsanto reometri. Ovi uređaji omogućuju proučavanje procesa vulkanizacije na temperaturama od 100 do 200ºS tijekom 12 - 360 minuta s različitim silama smicanja. Snimač uređaja ispisuje ovisnost okretnog momenta o vremenu vulkanizacije pri konstantnoj temperaturi, tj. kinetička krivulja vulkanizacije, koja ima S-oblik i nekoliko dijelova koji odgovaraju fazama procesa (slika 3).

Prvi stadij vulkanizacije naziva se indukcijskim razdobljem, scorch stadijem ili predvulkanizacijskim stadijem. U ovoj fazi gumena smjesa mora ostati tekuća i dobro ispuniti cijeli kalup, stoga su njezina svojstva karakterizirana minimalnim momentom smicanja M min (minimalna viskoznost) i vremenom t s tijekom kojeg se moment smicanja povećava za 2 jedinice u usporedbi s minimalnim .

Trajanje indukcijskog razdoblja ovisi o aktivnosti vulkanizacijskog sustava. Izbor vulkanizirajućeg sustava s jednom ili drugom vrijednošću t s određen je masom proizvoda. Tijekom vulkanizacije materijal se prvo zagrijava na temperaturu vulkanizacije, a zbog niske toplinske vodljivosti gume vrijeme zagrijavanja proporcionalno je masi proizvoda. Iz tog razloga treba odabrati sustave vulkanizacije koji osiguravaju dovoljno dugo indukcijsko razdoblje za vulkanizirajuće proizvode velike mase, i obrnuto za proizvode male mase.

Druga faza naziva se glavni period vulkanizacije. Na kraju indukcijskog perioda, aktivne čestice se nakupljaju u masi gumene smjese, uzrokujući brzo strukturiranje i, sukladno tome, povećanje momenta do određene maksimalne vrijednosti M max. Međutim, završetak druge faze nije vrijeme za postizanje M max, već vrijeme t 90 koje odgovara M 90 . Ovaj trenutak je određen formulom

M 90 \u003d 0,9 M + M min,

gdje je M – razlika momenta (M=M max – M min).

Vrijeme t 90 je optimalna vulkanizacija, čija vrijednost ovisi o aktivnosti vulkanizirajućeg sustava. Nagib krivulje u glavnom razdoblju karakterizira brzinu vulkanizacije.

Treća faza procesa naziva se faza nadvulkanizacije, koja u većini slučajeva odgovara horizontalnom presjeku s konstantnim svojstvima na kinetičkoj krivulji. Ova zona se naziva vulkanizacijski plato. Što je širi plato, to je smjesa otpornija na pretjeranu vulkanizaciju.

Širina platoa i daljnji tijek krivulje uglavnom ovise o kemijskoj prirodi gume. U slučaju nezasićenih linearnih guma, kao što su NK i SKI-3, plato nije širok i tada dolazi do propadanja, tj. nagib krivulje (Sl. 3, krivulja a). Proces propadanja svojstava u fazi prevulkanizacije naziva se reverzija. Razlog reverzije je uništavanje ne samo glavnih lanaca, već i formiranih poprečnih veza pod djelovanjem visoke temperature.

U slučaju zasićenih guma i nezasićenih guma s razgranatom strukturom (značajna količina dvostrukih veza u bočnim 1,2-jedinicama), svojstva se neznatno mijenjaju u zoni prevulkanizacije, au nekim slučajevima čak i poboljšavaju (sl. 3, krivulje b i u), budući da je toplinska oksidacija dvostrukih veza bočnih veza popraćena dodatnim strukturiranjem.

Ponašanje gumenih smjesa u fazi nadvulkanizacije važno je u proizvodnji masivnih proizvoda, posebice automobilskih guma, budući da zbog reverzije može doći do prevulkanizacije vanjskih slojeva i podvulkanizacije unutarnjih. U tom slučaju potrebni su vulkanizacijski sustavi koji bi osigurali dugo indukcijsko razdoblje za ravnomjerno zagrijavanje gume, veliku brzinu u glavnom razdoblju i široki plato vulkanizacije tijekom faze revulkanizacije.

3.2. Sumporni vulkanizacijski sustavi za nezasićene gume

Svojstva sumpora kao sredstva za vulkanizaciju. Proces vulkanizacije prirodnog kaučuka sumporom otkrio je 1839. C. Goodyear i neovisno 1843. G. Gencock.

Za vulkanizaciju se koristi prirodni mljeveni sumpor. Elementarni sumpor ima nekoliko kristalnih modifikacija, od kojih je samo α-modifikacija djelomično topljiva u kaučuku. To je ova modifikacija, koja ima talište od 112,7 ºS, i koristi se u vulkanizaciji. Molekule -forme su osmeročlani ciklus S 8 s prosječnom aktivacijskom energijom pucanja prstena E act = 247 kJ/mol.

Ovo je prilično visoka energija, a cijepanje sumpornog prstena događa se samo na temperaturi od 143ºS i više. Na temperaturama ispod 150ºS dolazi do heterolitičke ili ionske razgradnje sumpornog prstena uz stvaranje odgovarajućeg sumpornog biiona, a na 150ºS i više do homolitičke (radikalne) razgradnje S prstena uz stvaranje sumpornih diradikala:

t150ºS S 8 →S + - S 6 - S - → S 8 + -

t150ºS S 8 →Sֹ–S 6 –Sֹ→S 8 ֹֹ.

Biradikali S 8 ·· lako se raspadaju na manje fragmente: S 8 ֹֹ→S h ֹֹ + S 8-h ֹֹ.

Rezultirajući biioni i biradikali sumpora tada stupaju u interakciju s makromolekulama gume bilo na dvostrukoj vezi ili na mjestu α-metilenskog atoma ugljika.

Sumporni prsten se također može razgraditi na temperaturama ispod 143ºS ako u sustavu postoje aktivne čestice (kationi, anioni, slobodni radikali). Aktivacija se odvija prema shemi:

S 8 + A + → A - S - S 6 - S +

S 8 + B – → B – S – S 6 –

S 8 + Rֹ → R - S - S 6 - Sֹ.

Takve aktivne čestice prisutne su u gumenoj smjesi kada se koriste vulkanizacijski sustavi s ubrzivačima vulkanizacije i njihovim aktivatorima.

Za pretvaranje meke plastične gume u tvrdu elastičnu gumu dovoljna je mala količina sumpora - 0,10,15% tež. Međutim, stvarne doze sumpora kreću se od 12,5 do 35 wt.h. na 100 wt.h. guma.

Sumpor ima ograničenu topljivost u gumi, pa doziranje sumpora ovisi o obliku u kojem je raspoređen u gumenoj smjesi. U stvarnim dozama sumpor je u obliku rastaljenih kapljica s čije površine molekule sumpora difundiraju u gumenu masu.

Priprema gumene smjese provodi se na povišenoj temperaturi (100-140ºS), što povećava topljivost sumpora u gumi. Stoga, kada se smjesa ohladi, posebno u slučajevima njezinih visokih doza, slobodni sumpor počinje difundirati na površinu gumene smjese uz stvaranje tankog filma ili sumporne prevlake. Taj se proces u tehnici naziva blijeđenje ili znojenje. Eflorescencija rijetko smanjuje ljepljivost predformi, pa se predforme tretiraju benzinom kako bi se osvježila površina prije sastavljanja. To pogoršava radne uvjete montera i povećava opasnost od požara i eksplozije proizvodnje.

Problem blijeđenja posebno je akutan u proizvodnji guma od čelične užadi. U ovom slučaju, za povećanje čvrstoće veze između metala i gume, doza S se povećava na 5 wt.h. Kako bi se izbjeglo blijeđenje u takvim formulacijama, treba koristiti posebnu modifikaciju - takozvani polimerni sumpor. Ovo je -forma, koja nastaje zagrijavanjem -forme na 170ºS. Pri ovoj temperaturi dolazi do naglog skoka viskoznosti taline i stvaranja polimernog sumpora S n, gdje je n preko 1000. U svjetskoj praksi koriste se razne modifikacije polimernog sumpora, poznatog pod markom "cristex".

Teorije vulkanizacije sumpora. Iznesene su kemijske i fizikalne teorije kako bi se objasnio proces vulkanizacije sumpora. Godine 1902. Weber je iznio prvu kemijsku teoriju vulkanizacije, čiji su elementi preživjeli do danas. Ekstrahirajući produkt interakcije NK sa sumporom, Weber je ustanovio da se dio unesenog sumpora ne ekstrahira. Ovaj dio nazvao je vezani, a odvojeni - slobodni sumpor. Zbroj količine vezanog i slobodnog sumpora bio je jednak ukupnoj količini sumpora unesenog u gumu: S ukupni =S slobodni +S veza. Weber je također uveo koncept koeficijenta vulkanizacije kao omjer vezanog sumpora i količine gume u sastavu gumene smjese (A): K vulk \u003d S veza / A.

Weber je uspio izolirati polisulfid (C 5 H 8 S) n kao produkt intramolekularne adicije sumpora na dvostruke veze izoprenskih jedinica. Stoga Weberova teorija nije mogla objasniti povećanje čvrstoće kao rezultat vulkanizacije.

Godine 1910. Oswald je iznio fizikalnu teoriju vulkanizacije, koja je učinak vulkanizacije objašnjavala fizičkom adsorpcijskom interakcijom između gume i sumpora. Prema ovoj teoriji, u gumenoj smjesi nastaju kompleksi kaučuk-sumpor koji međusobno djeluju također zahvaljujući adsorpcijskim silama, što dovodi do povećanja čvrstoće materijala. Međutim, adsorpcijski vezan sumpor trebao bi se potpuno ekstrahirati iz vulkanizata, što u stvarnim uvjetima nije uočeno, te je u svim daljnjim istraživanjima počela prevladavati kemijska teorija vulkanizacije.

Glavni dokazi kemijske teorije (teorije mosta) su sljedeće odredbe:

Samo se nezasićene gume vulkaniziraju sumporom;

Sumpor u interakciji s nezasićenim molekulama kaučuka stvara kovalentne poprečne veze (mostove) različitih vrsta, tj. uz stvaranje vezanog sumpora, čija je količina proporcionalna nezasićenosti gume;

Proces vulkanizacije prati toplinski učinak proporcionalan količini dodanog sumpora;

Vulkanizacija ima temperaturni koeficijent od oko 2, tj. blizak temperaturnom koeficijentu kemijske reakcije općenito.

Povećanje čvrstoće kao rezultat vulkanizacije sumpora nastaje zbog strukturiranja sustava, uslijed čega se formira trodimenzionalna prostorna mreža. Postojeći sustavi vulkanizacije sumporom omogućuju usmjerenu sintetizaciju praktički bilo koje vrste poprečne veze, promjenu brzine vulkanizacije i konačne strukture vulkanizata. Stoga je sumpor još uvijek najpopularniji agens za umrežavanje nezasićenih guma.

Kemijska interakcija između gume i sredstva za vulkanizaciju određena je kemijskom aktivnošću gume, tj. stupanj nezasićenosti njegovih lanaca, prisutnost funkcionalnih skupina.

Kemijska aktivnost nezasićenih guma posljedica je prisutnosti dvostrukih veza u glavnom lancu i povećane pokretljivosti vodikovih atoma u a-metilenskim skupinama uz dvostruku vezu. Stoga se nezasićene gume mogu vulkanizirati sa svim spojevima koji stupaju u interakciju s dvostrukom vezom i njezinim susjednim skupinama.

Kemijska aktivnost zasićenih guma znatno je niža od aktivnosti nezasićenih, stoga se za vulkanizaciju moraju koristiti visoko reaktivne tvari, poput raznih peroksida.

Gume koje imaju funkcionalne skupine mogu se vulkanizirati na tim skupinama pomoću agenasa za umrežavanje koji stupaju u interakciju s funkcionalnim skupinama.

· Dramatično smanjuje plastičnost gumene smjese, dolazi do čvrstoće i elastičnosti vulkanizata. Dakle, čvrstoća sirove gumene smjese na bazi NC ne prelazi 1,5 MPa, a čvrstoća vulkaniziranog materijala nije manja od 25 MPa.

· Kemijska aktivnost gume je značajno smanjena: u nezasićenim gumama smanjuje se broj dvostrukih veza, u zasićenim gumama i gumama s funkcionalnim skupinama broj aktivnih centara. Time se povećava otpornost vulkanizata na oksidativne i druge agresivne utjecaje.

· Povećava se otpornost vulkaniziranog materijala na djelovanje niskih i visokih temperatura. Tako se NC stvrdnjava na 0ºS i postaje ljepljiv na +100ºS, dok vulkanizat zadržava čvrstoću i elastičnost u temperaturnom rasponu od -20 do +100ºS.

Proces vulkanizacije također karakteriziraju neki opći obrasci promjena svojstava ovisno o vremenu vulkanizacije pri konstantnoj temperaturi.

M 90 \u003d 0,9 DM + M min,

gdje je DM razlika momenta (DM=M max - M min).

Vrijeme t 90 je optimalna vulkanizacija, čija vrijednost ovisi o aktivnosti vulkanizirajućeg sustava. Nagib krivulje u glavnom razdoblju karakterizira brzinu vulkanizacije.

Prirodna guma nije uvijek prikladna za izradu dijelova. To je zato što je njegova prirodna elastičnost vrlo niska i jako ovisi o vanjskoj temperaturi. Na temperaturama blizu 0, guma postaje tvrda, ili kako se dalje spušta, postaje krta. Na temperaturi od oko + 30 stupnjeva, guma počinje omekšavati i daljnjim zagrijavanjem prelazi u stanje taline. Kada se ponovno ohladi, ne vraća svoja izvorna svojstva.

Da bi se osigurala potrebna radna i tehnička svojstva gume, gumi se dodaju razne tvari i materijali - čađa, kreda, omekšivači itd.

U praksi se koristi nekoliko metoda vulkanizacije, ali ih ujedinjuje jedna stvar - obrada sirovina vulkanizacijskim sumporom. Neki udžbenici i propisi govore da se spojevi sumpora mogu koristiti kao sredstva za vulkanizaciju, ali zapravo se takvima mogu smatrati samo zato što sadrže sumpor. Inače, mogu utjecati na vulkanizaciju isto kao i druge tvari koje ne sadrže spojeve sumpora.

Prije nekog vremena provedena su istraživanja vezana uz preradu gume organskim spojevima i određenim tvarima, npr.

fosfor;
selen;
trinitrobenzen i niz drugih.

Ali studije su pokazale da te tvari nemaju praktičnu vrijednost u smislu vulkanizacije.

Proces vulkanizacije

Proces vulkanizacije gume može se podijeliti na hladan i vrući. Prvi se može podijeliti u dvije vrste. Prvi uključuje korištenje polukloridnog sumpora. Mehanizam vulkanizacije pomoću ove tvari izgleda ovako. Izradak od prirodne gume stavlja se u pare ove tvari (S2Cl2) ili u njezinu otopinu, napravljenu na bazi nekog otapala. Otapalo mora ispunjavati dva zahtjeva:

Ne smije reagirati sa sumpornim polukloridom.
Trebao bi otopiti gumu.

U pravilu se kao otapalo može koristiti ugljični disulfid, benzin i niz drugih. Prisutnost sumpornog hemklorida u tekućini sprječava otapanje gume. Bit ovog procesa je zasićenje gume ovom kemikalijom.

Trajanje procesa vulkanizacije uz sudjelovanje S2Cl2 kao rezultat određuje tehničke karakteristike gotovog proizvoda, uključujući elastičnost i čvrstoću.

Vrijeme vulkanizacije u 2% otopini može biti nekoliko sekundi ili minuta. Ako se proces vremenski odgodi, tada može doći do tzv. prevulkanizacije, odnosno obradaci gube svoju plastičnost i postaju vrlo krti. Iskustvo pokazuje da se s debljinom proizvoda reda veličine jednog milimetra, operacija vulkanizacije može izvesti nekoliko sekundi.

Ova tehnologija vulkanizacije je optimalno rješenje za obradu dijelova s tankom stijenkom - cijevi, rukavice itd. Ali, u ovom slučaju, potrebno je strogo poštivati načine obrade, inače se gornji sloj dijelova može vulkanizirati više od unutarnji slojevi.

Na kraju vulkanizacije, dobiveni dijelovi se moraju oprati ili vodom ili alkalnom otopinom.

Postoji i druga metoda hladne vulkanizacije. Gumene stjenke tanke stijenke stavljaju se u atmosferu zasićenu SO2. Nakon određenog vremena, slijepe probe se prenose u komoru, gdje se pumpa H2S (sumporovodik). Vrijeme izlaganja slijepih uzoraka u takvim komorama je 15 - 25 minuta. Ovo vrijeme je dovoljno da se završi vulkanizacija. Ova se tehnologija uspješno koristi za obradu lijepljenih spojeva, što im daje visoku čvrstoću.

Specijalne gume se obrađuju pomoću sintetičkih smola, vulkanizacija pomoću njih ne razlikuje se od gore opisanog.

Vruća vulkanizacija

Tehnologija takve vulkanizacije je sljedeća. U lijevanu sirovu gumu dodaje se određena količina sumpora i posebni dodaci. U pravilu, volumen sumpora trebao bi biti u rasponu od 5 - 10%, konačna brojka se određuje na temelju namjene i tvrdoće budućeg dijela. Osim sumpora, dodaje se i tzv. rožnata guma (ebonit) koja sadrži 20 - 50% sumpora. U sljedećoj fazi od dobivenog materijala se formiraju i zagrijavaju praznine, tj. stvrdnjavanje.

Zagrijavanje se provodi različitim metodama. Praznine se stavljaju u metalne kalupe ili umotaju u tkaninu. Dobivene strukture stavljaju se u pećnicu zagrijanu na 130 - 140 stupnjeva Celzijusa. Kako bi se povećala učinkovitost vulkanizacije, pećnica može biti pod tlakom.

Formirani predoblici mogu se staviti u autoklav koji sadrži pregrijanu vodenu paru. Ili se stavljaju u zagrijanu prešu. Zapravo, ova metoda je najčešća u praksi.

Svojstva vulkanizirane gume ovise o mnogim uvjetima. Zato je vulkanizacija jedna od najsloženijih operacija u proizvodnji gume. Osim toga, važnu ulogu igra kvaliteta sirovina i način njihove predobrade. Ne smijemo zaboraviti na količinu dodanog sumpora, temperaturu, trajanje i način vulkanizacije. Na kraju, na svojstva gotovog proizvoda utječe i prisutnost nečistoća različitog porijekla. Doista, prisutnost mnogih nečistoća omogućuje pravilnu vulkanizaciju.

Posljednjih godina akceleratori se koriste u industriji gume. Ove tvari dodane gumenoj smjesi ubrzavaju procese koji su u tijeku, smanjuju potrošnju energije, drugim riječima, ovi aditivi optimiziraju obradu izratka.

Kod provođenja vruće vulkanizacije na zraku neophodna je prisutnost olovnog oksida, osim toga može biti potrebna prisutnost olovnih soli u kombinaciji s organskim kiselinama ili sa spojevima koji sadrže kisele hidrokside.

Kao ubrzivači koriste se sljedeće tvari:

tiuramid sulfid;
ksantati;
merkaptobenzotiazol.

Vulkanizacija pod utjecajem vodene pare može se značajno smanjiti ako se koriste kemikalije kao što su lužine: Ca (OH) 2, MgO, NaOH, KOH ili soli Na2CO3, Na2CS3. Osim toga, kalijeve soli pomoći će ubrzati procese.

Postoje i organski ubrzivači, to su amini, te cijela skupina spojeva koji nisu uključeni ni u jednu skupinu. Na primjer, to su derivati tvari kao što su amini, amonijak i niz drugih.

U proizvodnji se najčešće koriste difenilgvanidin, heksametilentetramin i mnogi drugi. Nisu rijetki slučajevi kada se cinkov oksid koristi za pojačavanje aktivnosti akceleratora.

Osim aditiva i ubrzivača, važnu ulogu ima i okoliš. Na primjer, prisutnost atmosferskog zraka stvara nepovoljne uvjete za vulkanizaciju pri standardnom tlaku. Osim zraka negativno djeluju ugljični anhidrid i dušik. U međuvremenu, amonijak ili sumporovodik imaju pozitivan učinak na proces vulkanizacije.

Postupkom vulkanizacije guma dobiva nova svojstva i modificira postojeća. Osobito se poboljšava njegova elastičnost, itd. Proces vulkanizacije može se kontrolirati stalnim mjerenjem promjenjivih svojstava. U pravilu se u tu svrhu koristi definicija sile loma i napetosti loma. Ali te metode kontrole nisu točne i ne koriste se.

Guma kao produkt vulkanizacije gume

Tehnička guma je kompozitni materijal koji sadrži do 20 komponenti koje ovom materijalu daju različita svojstva. Guma se dobiva vulkanizacijom gume. Kao što je gore navedeno, u procesu vulkanizacije dolazi do stvaranja makromolekula koje daju radna svojstva gume, čime se osigurava visoka čvrstoća gume.

Glavna razlika između gume i mnogih drugih materijala je u tome što ima sposobnost elastične deformacije, koja se može dogoditi na različitim temperaturama, od sobne do znatno niže. Guma znatno nadmašuje gumu u nizu karakteristika, na primjer, odlikuje se elastičnošću i čvrstoćom, otpornošću na ekstremne temperature, izloženost agresivnom okruženju i još mnogo toga.

Cement za vulkanizaciju

Cement za vulkanizaciju koristi se za samovulkanizaciju, može početi od 18 stupnjeva, a za toplu vulkanizaciju do 150 stupnjeva. Ovaj cement ne sadrži ugljikovodike. Tu je i OTP tip cementa koji se koristi za nanošenje na grube površine unutar guma, kao i OTR tip Top RAD i PN zakrpe s produženim vremenom sušenja. Korištenje takvog cementa omogućuje postizanje dugog vijeka trajanja obnovljenih guma koje se koriste na posebnoj građevinskoj opremi s velikom kilometražom.

Tehnologija vruće vulkanizacije guma "uradi sam".

Za izvođenje vruće vulkanizacije gume ili zračnice trebat će vam preša. Reakcija zavarivanja gume i dijela odvija se u određenom vremenskom razdoblju. Ovo vrijeme ovisi o veličini popravljanog područja. Iskustvo je pokazalo da je potrebno 4 minute za popravak oštećenja dubine 1 mm pri određenoj temperaturi. Odnosno, za popravak kvara dubine 3 mm morat ćete potrošiti 12 minuta čistog vremena. Vrijeme pripreme se ne uzima u obzir. U međuvremenu, puštanje u rad vulkanizerske naprave, ovisno o modelu, može trajati oko 1 sat.

Temperatura potrebna za vruće stvrdnjavanje je između 140 i 150 stupnjeva Celzijusa. Da bi se postigla ova temperatura, nema potrebe za korištenjem industrijske opreme. Za samopopravak guma sasvim je prihvatljivo koristiti kućanske električne uređaje, na primjer, glačalo.

Popravak kvarova na automobilskoj gumi ili zračnici pomoću uređaja za vulkanizaciju prilično je naporna operacija. Ima mnogo suptilnosti i detalja, pa ćemo razmotriti glavne faze popravka.

Kako bi se omogućio pristup oštećenom području, guma se mora ukloniti s kotača.
Očistite gumu u blizini oštećenog područja. Njegova bi površina trebala postati hrapava.
Propuhajte tretirano područje komprimiranim zrakom. Kabel koji se pojavio vani mora se ukloniti, može se odgristi rezačima žice. Guma se mora tretirati posebnom smjesom za odmašćivanje. Obrada se mora obaviti s obje strane, izvana i iznutra.
S unutarnje strane, na mjesto oštećenja treba položiti unaprijed pripremljenu veličinu. Polaganje počinje od rubne strane gume prema sredini.
Sa vanjske strane, na mjesto oštećenja, potrebno je staviti komade sirove gume, izrezane na komade od 10 - 15 mm, koje je potrebno prethodno zagrijati na štednjaku.
Postavljenu gumu potrebno je pritisnuti i izravnati po površini gume. U tom slučaju potrebno je osigurati da sloj sirove gume bude 3-5 mm viši od radne površine komore.
Nakon nekoliko minuta, pomoću kutne brusilice (kutne brusilice), potrebno je ukloniti sloj nanesene sirove gume. U slučaju da je gola površina labava, odnosno da u njoj ima zraka, potrebno je ukloniti svu nanesenu gumu i ponoviti operaciju nanošenja gume. Ako nema zraka u reparaturnom sloju, odnosno ako je površina ravna i nema pora, reparirani dio se može poslati na zagrijavanje do gore navedene temperature.
Da biste točno postavili gumu na prešu, ima smisla kredom označiti središte neispravnog područja. Kako se grijane ploče ne bi zalijepile za gumu, između njih se mora položiti debeli papir.

Vulkanizer "uradi sam".

Svaki uređaj za vruće otvrdnjavanje mora sadržavati dvije komponente:

grijaće tijelo;
pritisnite.

Za samostalnu proizvodnju vulkanizera možda će vam trebati:

željezo;
električni štednjak;
klip iz motora.

Vulkanizer "uradi sam" mora biti opremljen regulatorom koji ga može isključiti kada se postigne radna temperatura (140-150 stupnjeva Celzijusa). Za učinkovito stezanje možete koristiti običnu stezaljku.

Metoda kontrole odnosi se na proizvodnju proizvoda od gume, odnosno na metode upravljanja procesom vulkanizacije. Metoda se provodi podešavanjem vremena vulkanizacije ovisno o vremenu za postizanje maksimalnog modula smicanja gumene mješavine tijekom vulkanizacije uzoraka na reometru i odstupanja vlačnog modula gume u gotovim proizvodima od zadane vrijednosti. To vam omogućuje da razradite ometajuće učinke na proces vulkanizacije prema karakteristikama početnih komponenti i parametrima režima procesa dobivanja gumene smjese i vulkanizacije. Tehnički rezultat sastoji se u povećanju stabilnosti mehaničkih svojstava proizvoda od gume. 5 ilustr.

Predmetni izum odnosi se na proizvodnju proizvoda od gume, točnije na postupke za kontrolu procesa vulkanizacije.

Proces proizvodnje gumenih proizvoda uključuje faze dobivanja gumenih smjesa i njihovu vulkanizaciju. Vulkanizacija je jedan od najvažnijih procesa u tehnologiji gume. Vulkanizacija se provodi držanjem gumene smjese u prešama, posebnim kotlovima ili vulkanizerima na temperaturi od 130-160°C određeno vrijeme. Pritom su makromolekule gume povezane poprečnim kemijskim vezama u prostornu vulkanizacijsku mrežu, pri čemu plastična gumena smjesa prelazi u visokoelastičnu gumu. Prostorna mreža nastaje kao rezultat toplinski aktiviranih kemijskih reakcija između molekula kaučuka i komponenti vulkanizacije (vulkanizatora, akceleratora, aktivatora).

Glavni čimbenici koji utječu na proces vulkanizacije i kvalitetu gotovih proizvoda su priroda okoline vulkanizacije, temperatura vulkanizacije, trajanje vulkanizacije, pritisak na površinu vulkaniziranog proizvoda i uvjeti zagrijavanja.

Uz postojeću tehnologiju, obično se proračunskim i eksperimentalnim metodama unaprijed razrađuje režim vulkanizacije i postavlja program za proces vulkanizacije u proizvodnji proizvoda. Za točnu provedbu propisanog režima proces je opremljen alatima za upravljanje i automatizaciju koji najtočnije provode propisani kruti program za vulkanizacijski režim. Nedostaci ove metode su nestabilnost karakteristika proizvedenih proizvoda zbog nemogućnosti osiguranja potpune ponovljivosti procesa, zbog ograničenja točnosti sustava automatizacije i mogućnosti mijenjanja načina rada, kao i promjene u karakteristike gumene mješavine tijekom vremena.

Poznata metoda vulkanizacije s kontrolom temperature u parnim kotlovima, pločama ili plaštima kalupa promjenom brzine protoka tekućina za prijenos topline. Nedostaci ove metode su velike varijacije u karakteristikama dobivenih proizvoda zbog pomaka u režimima rada, kao i promjena u reaktivnosti gumene smjese.

Poznata je metoda upravljanja procesom vulkanizacije kontinuiranim praćenjem parametara procesa koji određuju njegov tijek: temperatura nositelja topline, temperatura površina vulkaniziranog proizvoda. Nedostatak ove metode je nestabilnost karakteristika dobivenih proizvoda zbog nestabilnosti reaktivnosti koja se dovodi u kalupljenje gumene smjese, te dobivanje različitih karakteristika proizvoda tijekom vulkanizacije pod istim temperaturnim uvjetima.

Poznata je metoda za podešavanje načina vulkanizacije, uključujući određivanje temperaturnog polja u vulkaniziranom proizvodu iz kontroliranih vanjskih temperaturnih uvjeta na vulkanizirajućim površinama proizvoda proračunskim metodama, određivanje kinetike neizotermne vulkanizacije tankih laboratorijskih ploča dinamičkim putem. modula harmonijskog pomaka u pronađenim neizotermnim uvjetima, određivanje trajanja procesa vulkanizacije, pri kojem se postiže optimalan skup najvažnijih svojstava gume, određivanje temperaturnog polja za višeslojne standardne uzorke koji simuliraju element gume u smislu sastava i geometrije, dobivanje kinetike neizotermne vulkanizacije višeslojnih ploča i određivanje ekvivalentnog vremena vulkanizacije prema prethodno odabranoj optimalnoj razini svojstava, vulkanizacija višeslojnih uzoraka na laboratorijskoj preši pri konstantnoj temperaturi u tijekom ekvivalentnog vremena vulkanizacije i analiza dobivene karakteristike. Ova metoda je mnogo točnija od metoda koje se koriste u industriji za izračunavanje učinaka i ekvivalentnih vremena vulkanizacije, ali je glomaznija i ne uzima u obzir promjenu nestabilnosti reaktivnosti gumene mješavine koja se isporučuje za vulkanizaciju.

Poznata metoda kontrole procesa vulkanizacije, u kojoj se temperatura mjeri na dijelovima proizvoda koji ograničavaju proces vulkanizacije, stupanj vulkanizacije se izračunava iz tih podataka, kada su navedeni i izračunati stupanj vulkanizacije jednaki, ciklus vulkanizacije zaustavlja. Prednost sustava je prilagodba vremena vulkanizacije kada se mijenjaju temperaturne fluktuacije procesa vulkanizacije. Nedostatak ove metode je velika razlika u karakteristikama dobivenih proizvoda zbog heterogenosti gumene smjese u smislu reaktivnosti na vulkanizaciju i odstupanja konstanti kinetike vulkanizacije korištenih u proračunu od stvarnih kinetičkih konstanti prerađenog proizvoda. gumena smjesa.

Poznata je metoda za kontrolu procesa vulkanizacije, koja se sastoji u izračunavanju temperature u kontroliranom području ramena na R-C rešetki korištenjem rubnih uvjeta temeljenih na mjerenjima površinske temperature kalupa i temperaturne šupljine dijafragme, izračunavanja ekvivalentnih vremena vulkanizacije. koji određuju stupanj vulkanizacije u kontroliranom području, pri provođenju ekvivalentne vremenske vulkanizacije na stvarnom procesu proces se zaustavlja. Nedostaci metode su njezina složenost i velika varijacija u karakteristikama dobivenih proizvoda zbog promjena u reaktivnosti na vulkanizaciju (energija aktivacije, predeksponencijalni faktor kinetičkih konstanti) gumene smjese.

Najbliža predloženoj je metoda upravljanja procesom vulkanizacije, u kojoj se, sinkrono sa stvarnim procesom vulkanizacije, prema rubnim uvjetima, na temelju mjerenja temperature na površini metalnog kalupa, izračunava temperatura u vulkaniziranim proizvodima. na mrežnom električnom modelu, izračunate temperaturne vrijednosti postavljaju se na volkametar, na kojem se paralelno s glavnim. Tijekom procesa vulkanizacije proučava se kinetika neizotermne vulkanizacije uzorka iz serije gumene smjese koja se obrađuje; kada se postigne unaprijed određena razina vulkanizacije, upravljačke naredbe se generiraju na vulkanmetru za jedinicu za vulkanizaciju proizvoda [AS SSSR br. 467835]. Nedostaci metode su velika složenost implementacije na tehnološki proces i ograničen opseg primjene.

Cilj izuma je povećanje stabilnosti svojstava proizvedenih proizvoda.

Ovaj cilj se postiže tako što se vrijeme vulkanizacije gumenih proizvoda na proizvodnoj liniji korigira ovisno o vremenu za postizanje maksimalnog modula smicanja gumene mješavine tijekom vulkanizacije uzoraka prerađene gumene mješavine u laboratorijskim uvjetima na reometru i odstupanje vlačnog modula gume u proizvedenim proizvodima od navedene vrijednosti.

Predloženo rješenje ilustrirano je na sl. 1-5.

Slika 1. prikazuje funkcionalni dijagram upravljačkog sustava koji implementira predloženi način upravljanja.

Slika 2. prikazuje blok dijagram sustava upravljanja koji implementira predloženi način upravljanja.

Slika 3 prikazuje vremenski niz vlačne čvrstoće Jubo spojke, proizvedene u OJSC "Balakovorezinotekhnika".

Na slici 4 prikazane su karakteristične kinetičke krivulje za slike momenta smicanja gumene mješavine.

Na slici 5. prikazan je vremenski niz promjena u trajanju vulkanizacije uzoraka gumene mješavine do 90 postotne razine ostvarivog modula smicanja vulkanizata.

Na funkcionalnom dijagramu sustava koji implementira predloženu metodu upravljanja (vidi sliku 1), prikazan je stupanj pripreme gumene mješavine 1, stupanj vulkanizacije 2, reometar 3 za proučavanje kinetike vulkanizacije uzoraka gume. smjesa, uređaj za mehaničku dinamičku analizu 4 (ili stroj za rastezanje) za određivanje modula rastezanja gume za gotove proizvode ili uzorke satelita, kontrolni uređaj 5.

Metoda kontrole provodi se na sljedeći način. Uzorci iz serija gumene mješavine analiziraju se na reometru i vrijednosti vremena vulkanizacije, pri kojima moment smicanja gume ima maksimalnu vrijednost, šalju se na kontrolni uređaj 5. Kada se promijeni reaktivnost gumene mješavine , upravljački uređaj ispravlja vrijeme vulkanizacije proizvoda. Dakle, poremećaji se razrađuju prema karakteristikama početnih komponenti koje utječu na reaktivnost dobivene gumene smjese. Vlačni modul gume u gotovim proizvodima mjeri se dinamičkom mehaničkom analizom ili na stroju za vlačno ispitivanje i također se dovodi u kontrolni uređaj. Netočnost dobivene korekcije, kao i prisutnost promjena u temperaturi nositelja topline, uvjetima izmjene topline i drugim ometajućim utjecajima na proces vulkanizacije, razrađuju se podešavanjem vremena vulkanizacije ovisno o odstupanju vlačnog modula gume. u proizvedenim proizvodima od navedene vrijednosti.

Blok dijagram upravljačkog sustava koji implementira ovu metodu upravljanja i prikazan je na slici 2 uključuje uređaj za upravljanje kanalom izravne kontrole 6, uređaj za kontrolu kanala povratne sprege 7, objekt za upravljanje procesom vulkanizacije 8, vezu odgode transporta 9 do uzeti u obzir duljinu vremena za određivanje karakteristika gume gotovih proizvoda, element za usporedbu povratnog kanala 10, zbrajalo 11 za zbrajanje prilagodbi vremena vulkanizacije preko izravnog upravljačkog kanala i povratnog kanala, zbrajalo 12 za uzimajući u obzir učinke nekontroliranih poremećaja na proces vulkanizacije.

Pri promjeni reaktivnosti gumene smjese mijenja se procjena τ max i upravljački uređaj preko izravnog upravljačkog kanala 1 korigira vrijeme vulkanizacije u procesu za vrijednost Δτ 1 .

U stvarnom procesu, uvjeti vulkanizacije razlikuju se od uvjeta na reometru, pa se vrijeme vulkanizacije potrebno za postizanje maksimalne vrijednosti momenta u stvarnom procesu također razlikuje od onoga dobivenog na uređaju, a ta razlika varira s vremenom zbog nestabilnosti uvjeta vulkanizacije. Razvoj ovih poremećaja f provodi se kroz povratni kanal uvođenjem korekcije Δτ 2 kontrolnog uređaja 7 povratne sprege, ovisno o odstupanju modula gume u proizvedenim proizvodima od navedene vrijednosti E ass.

Veza transportnog kašnjenja 9 pri analizi dinamike sustava uzima u obzir utjecaj vremena potrebnog za analizu karakteristika gume gotovog proizvoda.

Slika 3 prikazuje vremensku seriju uvjetne prekidne sile Juba spojke, koju proizvodi Balakovorezinotekhnika OJSC. Podaci pokazuju prisutnost velike raspršenosti proizvoda za ovaj pokazatelj. Vremenski niz se može predstaviti kao zbroj tri komponente: niske frekvencije x 1 , srednje frekvencije x 2 , visoke frekvencije x 3 . Prisutnost niskofrekventne komponente ukazuje na nedovoljnu učinkovitost postojećeg sustava upravljanja procesom i temeljnu mogućnost izgradnje učinkovitog sustava upravljanja povratnom spregom kako bi se smanjio raspon parametara gotovog proizvoda u pogledu njihovih karakteristika.

Na slici 4 prikazane su karakteristične eksperimentalne kinetičke krivulje momenta smicanja tijekom vulkanizacije uzoraka gumene mješavine, dobivene na reometru MDR2000 "Alfa Technologies". Podaci pokazuju heterogenost gumene smjese u smislu reaktivnosti na proces vulkanizacije. Raspon vremena za postizanje maksimalnog zakretnog momenta kreće se od 6,5 minuta (krivulje 1.2) do više od 12 minuta (krivulje 3.4). Raspon u dovršenosti procesa vulkanizacije kreće se od nepostizanja maksimalne vrijednosti momenta (krivulje 3.4) do prisutnosti procesa nadvulkanizacije (krivulje 1.5).

Slika 5 prikazuje vremenski niz vremena vulkanizacije do 90% maksimalne razine momenta smicanja dobivenog proučavanjem vulkanizacije uzoraka gumene smjese na reometru Alfa Technologies MDR2000. Podaci pokazuju prisutnost niske frekvencije promjene u vremenu stvrdnjavanja kako bi se dobio maksimalni moment smicanja vulkanizata.

Prisutnost velike varijacije u mehaničkim karakteristikama Juba spojke (slika 3) ukazuje na relevantnost rješavanja problema povećanja stabilnosti karakteristika gumenih proizvoda radi poboljšanja njihove operativne pouzdanosti i konkurentnosti. Prisutnost nestabilnosti reaktivnosti gumene mješavine na proces vulkanizacije (sl.4,5) ukazuje na potrebu promjene vremena u procesu vulkanizacije proizvoda od ove gumene mješavine. Prisutnost niskofrekventnih komponenti u vremenskoj seriji uvjetne prekidne sile gotovih proizvoda (slika 3) i u vremenu vulkanizacije za postizanje maksimalnog momenta smicanja vulkanizata (slika 5) ukazuje na temeljnu mogućnost poboljšanja pokazatelja kvalitete gotovog proizvoda podešavanjem vremena vulkanizacije.

Razmatrano potvrđuje prisutnost u predloženom tehničkom rješenju:

Tehnički rezultat, tj. predloženo rješenje usmjereno je na povećanje stabilnosti mehaničkih svojstava proizvoda od gume, smanjenje broja neispravnih proizvoda i, sukladno tome, smanjenje specifičnih stopa potrošnje početnih komponenti i energije;

Bitne značajke, koje se sastoje u prilagodbi trajanja procesa vulkanizacije, ovisno o reaktivnosti gumene smjese na proces vulkanizacije i ovisno o odstupanju vlačnog modula gume u gotovim proizvodima od specificirane vrijednosti;