Proszkowe kompozycje kauczuku nitrylowego

Jednym z istotnych problemów wpływających na pracochłonność i zużycie energii w przemyśle gumowym jest złożoność procesu przygotowania mieszanek gumowych. W tradycyjnych technologiach na przygotowanie mieszanki gumowej składają się m.in. takie etapy jak: rozcinanie kostek kauczukowych, wstępna plastyfikacja (mastykacja), wprowadzenie napełniaczy, homogenizacja mieszanki.

Mieszanki zazwyczaj są przygotowywane na walcach lub w mieszarkach zamkniętych. Jedną z możliwości znacznego obniżenia kosztów i uproszczenia technologii produkcji wyrobów zawierających elastomery jest zastosowanie kauczuków proszkowych lub gotowych zestawów typu kauczuk-napełniacz w postaci proszku.
Proszkowa forma kauczuku może być szczególnie przydatna do otrzymywania materiałów elastotermoplastycznych. Materiał elastotermoplastyczny to rodzaj kompozytu łączącego cechy elastomeru - czyli dużą odkształcalność, elastyczność, odporność na udary, odporność na niskie temperatury z cechami termoplastów - m.in. występowaniem temperatury mięknienia i płynięcia oraz szczególnie istotną cechą - możliwością przetwarzania metodami takimi jak wtrysk czy wytłaczanie. Do najczęściej spotykanych materiałów elstotermoplastycznych należą kompozycje kauczuku nitrylowego z poli(chlorkiem winylu) (kompozycje NBR/PVC).
Kompozycje NBR/PVC są znane i stosowane od wielu lat. Dzięki dobrej mieszalności obydwu składników, mieszanki z układu NBR-PVC znajdują zastosowanie zarówno w przemyśle gumowym, gdzie PVC pełni rolę modyfikatora NBR, jak i w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych, gdzie kauczuk nitrylowy jest modyfikatorem wyrobów z PVC.
NBR jako modyfikator wyrobów z PVC pełni rolę niemigrującego plastyfikatora powodując poprawę właściwości mechanicznych, szczególnie udarności i elastyczności w niskich temperaturach.
Gdy kauczuk nitrylowy stanowi materiał bazowy, modyfikacja polichlorkiem winylu powoduje poprawę następujących właściwości:
• odporności na działanie ozonu i warunków atmosferycznych;
• wytrzymałości na zerwanie;
• odporności na działanie olejów i paliw;
• odporności na ścieranie.

Wyroby na bazie kompozycji NBR/PVC są najczęściej otrzymywane metodami wtrysku bądź wytłaczania, zatem z technologicznego i ekonomicznego punktu widzenia korzystna byłaby możliwość otrzymywania gotowych wyrobów bez konieczności wstępnego formowania kompozycji w mikserach czy na walcarkach.
Na rys. 1 przedstawiono schemat otrzymywania wyrobów elastotermoplastycznych metodą tradycyjną, natomiast na rys. 2 schemat procesu wykorzystującego kauczuk proszkowy, jak widać dzięki zastosowaniu kauczuku proszkowego proces ulega znacznemu uproszczeniu.

Stosowane obecnie metody produkcji kauczuków proszkowych to suszenie rozpyłowe lateksów, rozdrabnianie mechaniczne kauczuku, wydzielanie z roztworów w rozpuszczalnikach (w przypadku kauczuków nieemulsyjnych) i koagulacja lateksów.
Ze względu na skąpość danych literaturowych trudno jest ocenić, która z wymienionych metod jest najszerzej stosowana. W handlu dostępnych jest wiele typów kauczuków nitrylowych w postaci proszku (np. Chemigum P83, Chemigum P35 firmy Goodyear czy Baymond N XL38.20 firmy Bayer), jednakże szczegóły dotyczące procesu otrzymywania tych kauczuków ze zrozumiałych względów nie są ujawniane.

W prezentowanym materiale przedstawiono fragmenty badań prowadzonych w OBRKiTW dotyczących otrzymywania i zastosowania kauczuków proszkowych oraz proszkowych przedmieszek sadzowych.

Otrzymywanie elastomerów proszkowych
Metoda suszenia rozpyłowego
Metoda ta wymaga zastosowania suszarki rozpyłowej. Schemat procesu przedstawiono na rys. 3. Elastomer w stadium lateksu może być przed wprowadzeniem do suszarki poddany procesom przygotowawczym. Przygotowanie lateksu najczęściej obejmuje wprowadzenie środka separującego oraz wstępne zatężanie lateksu, na tym etapie można również wprowadzić dodatkowe środki pomocnicze (stabilizatory, modyfikatory przetwórstwa).
Do komory suszarki wprowadzany jest strumień przygotowanego lateksu oraz strumień czynnika suszącego (najczęściej powietrza). Temperatura czynnika suszącego zazwyczaj nie przekracza 200°C. Wysuszony produkt jest wydzielany za pomocą cyklonu.
Istnieje cały szereg rozwiązań technicznych urządzeń suszących, które umożliwiają różnorakie modyfikacje metody. Jedną z istotniejszych modyfikacji jest możliwość oddzielnego, niezależnego wprowadzania środka separującego.

Przy tej technice otrzymywania uzyskuje się bardzo dobre zdyspergowanie zarówno elastomeru jak i środka separującego (napełniacza). Schematyczną budowę otrzymanego produktu proszkowego przedstawiono na rys. 4. Na rys. 5 przedstawiono skaningowy obraz proszkowego kauczuku NBR, w którym jako środek separujący zastosowano PVC.
Kauczuk proszkowy otrzymany metodą suszenia rozpyłowego doskonale nadaje się do przygotowania suchych przedmieszek („dry blends") z PVC suspensyjnym. Takie mieszanki były z powodzeniem wykorzystane do wykonania próbnych partii uszczelek do chłodziarek spożywczych. Na rys. 8 widać proszkową przedmieszkę PVC/NBR w podajniku do leja zasypowego wytłaczarki.

Metoda koagulacji
Na rys. 9 przedstawiono schemat otrzymywania kauczuku proszkowego metodą koagulacji. Istotą procesu jest odpowiednia wstępna obróbka lateksu oraz sposób wprowadzeniu środka separującego.
Wstępnie przygotowany lateks jest wprowadzany do wodnego roztworu soli. Do wydzielonego koagulatu wprowadzana jest wodna dyspersja środka separującego. Otrzymany kauczuk jest następnie filtrowany, myty i suszony.

Schematyczną budowę kauczuku proszkowego otrzymanego metodą koagulacji przedstawiono na rys. 10.
W układzie tym mamy do czynienia z wstępnie ukształtowanymi, skoagulowanymi ziarnami o rozmiarach rzędu dziesiątych części milimetra otoczonymi przez drobne ziarna środka separującego (napełniacza). Środek taki tworzy swoistą powłokę na powierzchni ziarna elastomeru.
Zalety tej metody to przede wszystkim niewielkie wymagania aparaturowe. W praktyce możliwa jest stosunkowo prosta adaptacja istniejących linii wydzielania kauczuku. Do wad tej metody należy zaliczyć m.in. powstawanie trudnych do utylizacji ścieków.

Proszkowe przedmieszki sadzowe
Metodą koagulacji można również otrzymywać proszkowe przedmieszki sadzowe o stosunkowo wysokim stopniu napełnienia sadzą. W badaniach stosowano lateksy kauczuków butadienowo-akrylonitrylowych o zawartości związanego akrylonitrylu 29% i 33% (odpowiedniki KER N-29 i N-33) oraz przemysłową sadzę wzorcową IRB-7 (Industry Reference Black) jako napełniacz.

Sadzę wprowadzano do lateksu w postaci wodnej dyspersji. Po dokładnym wymieszaniu, całość koagulowano wodnym roztworem chlorku sodu lub siarczanu glinu. Otrzymywane koagulaty przemywano kilkakrotnie wodą a następnie suszono w temperaturze 60-70°C.
Sadzę wprowadzano w ilościach od 50 do 75 phr (phr - skrót od ang. parts per hundred of rubber - części wag. na 100 cz. wag. kauczuku).

Na rys. 11 przedstawiono skaningowy obraz przedmieszki sadzowej zawierającej 50 phr sadzy.

W celu porównania właściwości technologicznych kauczuków i proszkowych przedmieszek wykonano mieszanki gumowe metodą tradycyjną oraz z wykorzystaniem przedmieszki sadzowej. Mieszanki zwulkanizowano oraz wykonano podstawowe badania wytrzymałościowe. Receptury mieszanek oraz wyniki badań przedstawiono w Tabelach 1-4.

Mieszankę A (Tabela 1) wykonano metoda tradycyjną, z użyciem kauczuku KER N-29, natomiast w mieszance B zastosowano przedmieszkę sadzową wykonaną na bazie lateksu odpowiadającego KER N-29 o zawartości sadzy 50 phr.
Z porównania właściwości przerobowych (Tabela 2) na uwagę zasługuje znaczące redukcja sumarycznego czasu przygotowania mieszanki. Jak widać w przypadku przedmieszki sadzowej (mieszanka B) czas ten ulega skróceniu o blisko 50%. Należy również zwrócić uwagę na fakt, iż w trakcie sporządzania mieszanki gumowej z przedmieszki sadzowej na stanowisku badawczym praktycznie nie występowało pylenie sadzy.

Przebieg procesu wulkanizacji w przypadku obydwu mieszanek był bardzo zbliżony (Tabela 3). Optymalny czas wulkanizacji dla przedmieszki sadzowej (mieszanka B) uległ skróceniu o prawie 2 min.
Właściwości wytrzymałościowe próbek otrzymanych z przedmieszek oraz z tradycyjnych kauczuków wykazują pewne różnice (Tabela 4). W przypadku zastosowania przedmieszek sadzowych wartości naprężeń przy zerwaniu są niższe niż w przypadku zastosowania kauczuku tradycyjnego o ponad 15%, pozostałe parametry pozostają na zbliżonym poziomie. Mechanizm występowania różnic we właściwościach mechanicznych wulkanizatów na obecnym etapie badań nie został wyjaśniony.

Podsumowanie
Przedstawiony materiał służy przede wszystkim dość ogólnemu przedstawieniu problematyki związanej z otrzymywaniem i zastosowaniem kauczuków proszkowych.
Uzyskane wyniki badań wskazują, iż zastosowanie na szerszą skalę kauczuków w postaci sypkiej (proszkowej) mogłoby spowodować swoisty przełom w technologii przetwórstwa materiałów elastomerowych. Sypka postać kauczuku może pozwolić na:
• wyeliminowanie operacji cięcia kauczuku
• zasadnicze skrócenie czasu mieszania, dzięki sprowadzeniu procesu do jednego cyklu
• obniżenie temperatury mieszania, co ogranicza termiczną degradację makrocząsteczek polimeru
• zmniejszenie zużycia energii
• umożliwienie wykonywania wyrobów w sposób ciągły za pomocą wytłaczarek
• zastosowanie małych urządzeń produkcyjnych o stosunkowo dużej wydajności, łatwiejszych w obsłudze i eksploatacji.

W świetle powyższych wniosków należy przypuszczać, że w najbliższym czasie zainteresowanie kauczukami proszkowymi zacznie wzrastać.

Autor reprezentuje Ośrodek Badawczo-Rozwojowy
Kauczuków i Tworzyw Winylowych,
tarniowyc@interia.pl

Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać)

Zawartość numeru:

• Rubber Review:
  • Przemysł gumowy w Polsce
  • Światowy rynek maszyn do gumy
  • Nowości na rynku wtryskarek do gumy
  • Elastomery termoplastyczne
  • Aerożele – historia i kierunki zastosowań
  • Proszkowe kompozycje kauczuku nitrylowego
  • Nowa strategia DSM w elastomerach
  • Mieszanki fluorowe stosowane w niskich temperaturach
  • Produkty HPC - elastyczne materiały powłokowe
  • Nowa mieszanka akrylowa Freudenberga
  • LEVAPREN

Zobacz pozostałe numery Rubber Review »