Formy wulkanizacyjne – eksploatacja, metody czyszczenia

Jak wiadomo, w czasie użytkowania forma wulkanizacyjna ulega zabrudzeniu. Zjawisko to jest bardzo istotne w przetwórstwie mieszanek gumowych, ponieważ negatywnie wpływa na wygląd i stabilność wymiarów wytłaczanych części, jak również na koszty produkcji. Wydajność produkcji obniża się, ponieważ utrudnione jest wyjmowanie wyrobów i konieczne są przestoje na oczyszczenie formy. Zabrudzenie formy segmentowej, o bardziej skomplikowanej budowie, może doprowadzić do zatarcia ruchomych elementów.

Zanieczyszczenia w formie wulkanizacyjnej można zaobserwować w postaci:
• zmiany barwy całej powierzchni formy,
• zanieczyszczenia materiałowego (które może występować również na całej powierzchni),
• wielowarstwowego osadu w określonych miejscach formy, co prowadzi do powstawania nierówności na powierzchni wyrobu [2].
Najważniejszymi czynnikami, które wpływają na szybkość osadzania się zabrudzeń w formie są:
• składniki mieszanki gumowej;
• stosowane środki antyadhezyjne (stosowane na powierzchnię formy wulkanizacyjnej);
• kształt i konstrukcja formy oraz materiał, z którego jest wykonana;
• parametry wulkanizacji;
• różnorodne reakcje zachodzące między składnikami mieszanki gumowej [3].

W formie wulkanizacyjnej zachodzą zarówno procesy sieciowania, jak i degradacji i utlenienia elastomerów [4]. W wysokich temperaturach kauczuki ulegają rozkładowi, bądź zwęgleniu. Kiedy kauczuki degradują się w znacznym stopniu, wówczas na powierzchni formy powstaje trwała, ściśle przylegająca do niej powłoka zanieczyszczeń (produktów rozkładu).
Wysoki stopień napełnienia mieszanek gumowych substancjami mineralnymi, w szczególności kaolinem, krzemianem wapnia i strącanymi krzemionkami, może być przyczyną osadzania się tych substancji na powierzchni formy. Zanieczyszczeniami są także produkty reakcji utlenienia lub rozkładu substancji pomocniczych [5] – np. środki antyadhezyjne dodawane do mieszanek kauczukowych, mogą w wyższych temperaturach ulegać rozkładowi z wytworzeniem w formie wulkanizacyjnej pozostałości węglowych [7].

Analiza próbek pobranych z zanieczyszczonych form wulkanizacyjnych wykonana z użyciem technik spektrometrii w podczerwieni, wykazała obecność śladowych ilości pyłu i środków oddzielających oraz stearynianu cynku i siarczku cynku [6]. Przyjęto hipotezę, że proces zanieczyszczania formy wulkanizacyjnej można podzielić na dwa etapy. W pierwszym z nich, w wyniku reakcji tlenku cynku z siarką w mieszance gumowej powstaje nierozpuszczalny siarczek cynku, który następnie osadza się na powierzchni formy. Stanowi on zanieczyszczenie nieorganiczne.

2 RH + Sx + ZnO + (przyśpieszacz) → R-S(x-1)-R + ZnS + H2O

W etapie drugim na powstałych krystalitach ZnS osadzają się niskocząsteczkowe składniki mieszanki (np. zmiękczacze), które stanowią zanieczyszczenie organiczne. Z upływem czasu związki organiczne ulegają zwęgleniu [8, 9].

Formy wulkanizacyjne różnią się budową oraz rodzajem materiału, z którego zostały wykonane. Na szybkość osadzania się zanieczyszczeń wpływa: rodzaj metalu użytego do wykonania formy i jej złożoność oraz rodzaj stosowanej substancji ochronnej.

Wiadomo, iż stopy metali zawierające cynk nie mogą być używane w przetwórstwie mieszanek zawierających siarkę, ponieważ korodują [10]. Natomiast w przetwórstwie polichloroprenu lub mieszanek butadienowo-nitrylowych jako materiał do wykonania formy preferuje się stal niklowo-chromową ze względu na nadmierne brudzenie się form wykonanych z bardziej miękkich stali [3, 11].
Na stopień zanieczyszczenia formy w istotny sposób wpływają parametry procesu, takie jak ciśnienie i temperatura wulkanizacji – Rysunek 1 [8, 12].

Nie bez wpływu na szybkość osadzanie się zanieczyszczeń w formie wulkanizacyjnej pozostaje także dostęp tlenu atmosferycznego. Zaobserwowano, że forma ulega zabrudzeniu najszybciej w strefie odpowietrzania, gdzie większa jest szybkość reakcji utleniania kauczuku i pozostałych składników mieszanki gumowej. Kierunek odkładania się zanieczyszczeń jest przeciwny do kierunku wtrysku, co należy tłumaczyć tym, że wtłaczana świeża mieszanka gumowa ma większą szybkość płynięcia i ściera zanieczyszczenia z powierzchni gniazda – Rysunek 2 [26].
Czyszczenie form
Właściwe użytkowanie form wulkanizacyjnych pozwala jedynie wydłużyć ich efektywne wykorzystanie, jednak etap czyszczenia jest nieunikniony.
Do najprostszych metod czyszczenia form wulkanizacyjnych zalicza się metody ręczne z użyciem materiałów ściernych o twardości mniejszej od twardości materiału formy (pasty, proszki, wata stalowa lub szczotki druciane). Metody te mogą być stosowane jedynie w przypadku pojedynczych, prostych form w małych zakładach. Taki sposób czyszczenia może niestety być przyczyną uszkodzeń powierzchni gniazd formy [1]. Kiedy zachodzi konieczność oczyszczenia większej ilości form, stosowane są specjalne urządzenia czyszczące w sposób mechaniczny lub chemiczny. W większości przypadków wymagany jest demontaż form z pras hydraulicznych.
Wśród obecnie stosowanych metod czyszczenia form wulkanizacyjnych należy wymienić metody:
• mechaniczne – strumieniowo-ścierne,
• chemiczne,
• termiczne,
• z wykorzystaniem ultradźwięków,
• z użyciem lasera [26].

Metody mechaniczne (strumieniowo-ścierne) pozwalają na czyszczenie form wulkanizacyjnych za pomocą urządzeń czyszczących w strumieniu gazu, pary lub cieczy. Silny strumień powietrza lub cieczy, zawierający cząstki stałe, wyrzucany jest z dyszy urządzenia i usuwa nalot uderzając w powierzchnię formy. Jako substancje ścierne wykorzystywane są: łupiny orzechów włoskich, granulaty z tworzyw sztucznych, granulat szklany, piasek, śrut, a ostatnio stały CO2, tzw. „suchy lód”.
Metody strumieniowo-ścierne z użyciem tworzyw sztucznych zdobywają coraz większe uznanie. Stosuje się w nich granulaty o różnej twardości i gęstości - poliestrowe, melaminowe lub poliwęglanowe. Zastosowanie tworzyw termoutwardzalnych pozwala na czyszczenie gorącej formy, co przynosi wymierny efekt związany ze skróceniem czasu przestoju prasy. Ponadto, właściwie dobrany granulat skutecznie obniża zużycie form wulkanizacyjnych. Zaletą granulatów z tworzyw sztucznych jest również możliwość ich wielokrotnego wykorzystania. Po etapie czyszczenia ok. 90% materiału nadaje się do ponownego użycia [13]. Używając granulatów z tworzyw sztucznych należy jednak pamiętać o konieczności właściwego uziemienia maszyny, ponieważ w czasie czyszczenia powstaje ładunek elektrostatyczny, wskutek czego granulat może przywierać do czyszczonej formy.
W ostatnich latach popularyzuje się również metodę wykorzystującą jako substancję ścierną stały dwutlenek węgla. Urządzenie czyszczące z wykorzystaniem „suchego lodu” działa na tej samej zasadzie, co maszyny wykorzystujące tradycyjne media ścierające. Granulki suchego lodu o temperaturze -78°C wyrzucane w silnym strumieniu sprężonego powietrza uderzają z dużą siłą o zabrudzoną powierzchnię formy. W zetknięciu z gorącą powierzchnią formy (o temp. > 150°C) granulki resublimują - CO2 w postaci gazu zwiększa swoją objętość 700-krotnie. W wyniku gwałtownego schłodzenia zanieczyszczenia zamarzają, kurczą się i odrywają od powierzchni formy. Metoda z zastosowaniem „suchego lodu” pozwala ograniczyć czas przestoju prasy wulkanizacyjnej, ponieważ nie trzeba wymontowywać formy. Eliminuje potrzebę stosowania detergentów lub innych substancji chemicznych w celu odtłuszczenia formy. Poza tym, jedynymi odpadami są usunięte zanieczyszczenia.

Obok metod mechanicznych do czyszczenia form wulkanizacyjnych stosowane są metody chemiczne. Metody te często wzajemnie uzupełniają się. Do czyszczenia chemicznego można używać zarówno substancji organicznych, jak i nieorganicznych. Forma poddawana jest np. działaniu środków fluorujących w atmosferze azotu [16]. Środki te powodują pęcznienie przylegającej gumy, którą następnie można usunąć mechanicznie. Powierzchnie zanieczyszczone węglowodorami odmywa się kolejno roztworami zasad i kwasów [17]. Stosuje się też rozpuszczalniki organiczne – chlorowęglowodory, np. 1,1,1-trichloroetan.
Do czyszczenia formy wulkanizacyjnej można też wykorzystać mieszanki gumowe o określonym składzie [3]. Przykładowy skład takiej mieszanki przedstawiono w tabeli 1.
Aktywnie działającym składnikiem mieszanki jest 2-amino-2-metylo-1-propanol (APM), który reaguje z siarczkiem cynku na powierzchni formy. Równie aktywne jak APM są inne związki aminowe, a także mieszaniny związków zawierających grupy aminowe i hydroksylowe [3, 18]. Do tej grupy preparatów należy zaliczyć produkty firmy Schill+Seilacher: Struktol MC-A i Struktol MC-B.
Metody termiczne, które również są wykorzystywane do oczyszczania form wulkanizacyjnych, polegają na wygrzewaniu formy. Formę wygrzewa się: w piecu, indukcyjnie (stosując prąd o wysokiej częstotliwości), bądź używając palnika gazowego. Preferuje się metodę indukcyjną, ponieważ dzięki zjawisku Kelvina najpierw nagrzewa się powierzchnia formy i krótszy jest czas jej chłodzenia. Metody te są mniej lub bardziej efektywne, w zależności od stopnia zabrudzenia formy wulkanizacyjnej. Jeśli forma jest mocno zabrudzona, metody termiczne nie są w pełni skuteczne i w następnym etapie formę trzeba poddać czyszczeniu ultradźwiękami lub strumieniowo-ściernemu [19].
Do usuwania zanieczyszczeń z form wulkanizacyjnych stosuje się także złoża fluidalne (zawiesinowe) [20], w których formy odbierają ciepło od „omywającego” je medium. Są to metody, które nie powodują korozji i zapewniają dobrą kontrolę temperatury.
Kolejną ze stosowanych powszechnie metod czyszczenia form wulkanizacyjnych jest metoda ultradźwiękowa. Polega na zanurzeniu formy w wannie wypełnionej wodą o temperaturze 75-85°C, z dodatkiem detergentów (lub roztworem kwasu lub zasady – o ile łączymy metodę ultradźwiękową z chemiczną) [1]. Generator dźwiękowy wytwarza w kąpieli falę dźwiękową o częstotliwości 25 lub 40 kHz [1, 21]. Fale te wskutek zjawiska kawitacji powodują wytworzenie w roztworze olbrzymiej ilości pęcherzyków pary, które usuwają zanieczyszczenia z powierzchni formy. Czas czyszczenia średnio zabrudzonej formy wynosi od 3 do 4 minut. Metoda ta pozwala uniknąć uszkodzeń formy powodowanych działaniem substancji ściernych [22], jednak zbyt długie przetrzymywanie formy w roztworze kwasu lub zasady może doprowadzić do powstania wżerów.
Najnowszą metodą czyszczenia form wulkanizacyjnych jest metoda z wykorzystaniem lasera. Technologia została opracowana przez firmę JET Lasersysteme z Huckelhoven z Niemiec. Pozwala ona na zautomatyzowanie operacji czyszczenia form do wulkanizacji opon i skrócenie przestojów o 75%. Obecnie system jest eksploatowany przez pięciu z dziesięciu największych światowych producentów opon, m.in. Continental [23]. W produkowanych urządzeniach stosowane są dwa rodzaje rozwiązań technicznych. Pierwsze stanowi przenośna jednostka, która może być używana do oczyszczenia gorącej formy na stanowisku pracy. W skład jednostki ruchomej wchodzą: zespół źródła światła (laser), układ chłodzący, system usuwania ścieru oraz filtr. Całość zamontowana jest na wózku z napędem elektrycznym. Głowica czyszcząca znajduje się z boku jednostki centralnej, na teleskopowym wysięgniku z systemem luster kierujących światłem lasera [24]. Drugim rozwiązaniem jest stanowisko z laserem, które umożliwia oczyszczenie mniejszych form po ich uprzednim zdemontowaniu. Usuwanie zanieczyszczeń za pomocą lasera nie powoduje uszkodzeń formy, ponieważ jej metaliczna powierzchnia odbija i rozprasza wiązkę promieniowania. W rezultacie fragmenty grawerowane (żłobienia lub wypukłości) nie ulegają zniszczeniu. Firma JET twierdzi, że metoda z zastosowaniem lasera pozwala ograniczyć przestój prasy z 8-16 godzin do 3-4 godzin, o ile forma wulkanizacyjna jest czyszczona bez demontażu. Jeżeli jednak forma musi być wymontowana z prasy i czyszczona poza ciągiem produkcyjnym, na przeprowadzenie wszystkich operacji z tym związanych potrzeba około 15 godzin (w tym 10 godzin przestoju prasy - schłodzenie/rozgrzanie). Aby wyczyścić formę, operator musi ustawić jednostkę z laserem obok prasy wulkanizacyjnej z zabrudzoną formą i ręcznie umieścić głowicę czyszczącą wewnątrz formy. Każda część formy wulkanizacyjnej czyszczona jest w odrębnym cyklu, więc operator musi zmieniać położenie głowicy.
Oto kilka informacji na temat maszyn produkowanych przez firmę JET Lasersysteme [23]. Urządzenia wyposażone są w programy dostosowane do różnego rodzaju form. Operacja czyszczenia podzielona została na etapy, z których każdy przypisany jest określonej części formy. Każdy etap pozwala na ustawienie określonych parametrów, zapisanie ich w komputerze sterującym urządzeniem i późniejsze ponowne wywołanie. Jednostka firmy JET przeznaczona jest do pracy ciągłej.
System jest zaprojektowany do pracy w temperaturze do 170°C, a więc w temperaturze pracy prasy wulkanizacyjnej. Czas czyszczenia zależy od częstotliwości czyszczenia formy, składu mieszanki gumowej i stanu powierzchni formy. Najlepsze rezultaty uzyskuje się w przypadku form nowych, które nie były jeszcze czyszczone materiałami ściernymi. Bardziej zużyte formy mogą początkowo wymagać dłuższego czasu czyszczenia, ponieważ na ich powierzchni znajdują się drobne wżery spowodowane przez użyte materiały ścierne.
Standardowe jednostki firmy JET zostały zaprojektowane do czyszczenia form wulkanizacyjnych do produkcji opon dla samochodów osobowych i półciężarowych, motocyklowych, a także lotniczych. Formy mogą być czyszczone w każdej z popularnie używanych pras pionowych lub uchylnych (włącznie z NRM, McNeill BOM, Kobelco, Krupp, Mitsubishi i Herbert). W zależności od budowy prasy, niezbędne są dodatkowe elementy pozwalające dopasować głowicę czyszczącą do formy [23, 24].
Podsumowaniem powyższego przeglądu metod czyszczenia form wulkanizacyjnych niech będzie tabela 2 [25].
Zestawiono w niej informacje na temat czasochłonności danej metody, stopnia oczyszczenia i zużycia formy oraz nakładów inwestycyjnych i operacyjnych. 

Autor reprezentuje Instytut
Przemysłu Gumowego „Stomil” w Piastowie,
k.nicinski@ipgum.pl 

Artykuł powstał na podstawie wykładu wygłoszonego podczas Pierwszego Kongresu Gumy i Kauczuków w Polsce, 11 maja 2007 w Warszawie Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać)

Zawartość numeru:

• Rubber Review:
  • Najszybsi i najsprawniejsi w branży gumowej
  • Nowe oblicze branży gumowej
  • Kryteria oceny części gumowych w pojazdach samochodowych
  • Kauczuki nitrylowe typu “Low Mould Fouling” (LMF)
  • Formy wulkanizacyjne – eksploatacja, metody czyszczenia
  • Samooptymalizująca się wtryskarka Maplan ergo 280
  • "Biełszina" – opony po białorusku

Zobacz pozostałe numery Rubber Review »