Резиносмешение — это фундаментальный процесс, от которого зависят все конечные свойства резинового изделия.
Это не просто перемешивание, а сложная технология получения однородного материала из множества компонентов под действием механических усилий и температуры. В результате необходимо получить химически и физически однородный полуфабрикат, пригодный для дальнейшего формования и вулканизации.
Главные технологические вызовы при смешивании компонентов
Сложность состоит в том, что требуется соединить в идеально гомогенной смеси материалы с различной химической структурой, полярностью и консистенцией.
Вещества различаются по полярности — способности молекул взаимодействовать с электрически заряженными поверхностями. Полярные каучуки (NBR, CR) хорошо совмещаются с полярными наполнителями, но могут «отторгать» неполярные пластификаторы. Без учёта полярности невозможно получить стабильно однородную резиновую смесь.
Проблему решают с помощью выбора последовательности смешения, температуры и специальных приёмов.
Так, вулканизирующий агент и ускорители вулканизации категорически нельзя вводить в смесь на ранних стадиях вместе с активными наполнителями (например, сажей) и при высокой температуре. Это приведёт к необратимым химическим реакциям — компаунд начнёт вулканизоваться уже в смесителе, что испортит оборудование и материал.
Некоторые ингредиенты могут мешать перемешиванию других. Например, если ввести пластификаторы слишком рано, они обволакивают частицы сажи, препятствуя их равномерному распределению для создания прочной сетки в каучуке. Поэтому сначала каучук смешивают с активными наполнителями (сажей, кремнезёмом), и только после диспергирования наполнителя добавляют масла (пластификаторы).
Компания Continental, будучи одним из крупнейших производителей шин, одновременно входит в число крупнейших в мире производителей резиновых смесей различного назначения. Концерн имеет несколько заводов резиносмешения в разных странах, где в промышленных масштабах приготавливаются тонны компаундов по более чем 2000 рецептур. Эти рецепты разрабатываются в лабораториях самого концерна.
📷 На фото: подготовка материала для производства ремней на одном из заводов резиносмешения концерна Continental
Continental производит стабильно высококачественные и однородные резиновые смеси (компаунды) с помощью полностью автоматизированных смесителей благодаря многоступенчатому процессу смешивания. На заводах Continental приготовление каучуковой смеси, как правило, осуществляется в два этапа.
① Первая стадия (горячее смешение).
Сначала подготавливают ингредиенты. Каучуки разрезают на куски. Порошкообразные компоненты (сажу, ускорители) просеивают, взвешивают и иногда гранулируют для уменьшения пыления. Все компоненты тщательно дозируют по строгой рецептуре.
Далее происходит перемешивание. В разогретую камеру смесителя загружают каучук, затем добавляют наполнители (сажу) и лишь после этого — пластификаторы. Мощные роторы интенсивно перемешивают массу при высоком механическом напряжении. Температура резко растёт (до 120–160 °C). Задача — равномерно диспергировать твёрдые компоненты и обеспечить их хорошее взаимодействие с полимером.
Последовательность ввода компонентов критически важна. Нарушение приводит к плохому диспергированию или подвулканизации. Температурный контроль — главный фактор предотвращения порчи смеси. Длительность цикла смешения оптимизируют для баланса между качеством дисперсии и производительностью. Качество дисперсии определяет однородность и стабильность свойств конечной резины. Плохо распределённая сажа может оказаться слабым местом в изделии.
Горячую смесь после смесителя необходимо быстро охладить. Её пропускают через вальцы или каландр, чтобы получить лист заданной толщины. Лист охлаждают в водяной ванне или опрыскиванием, предотвращая слипание и преждевременную вулканизацию.
📷 На фото: готовые листы охлаждаются после первого этапа смешивания.
② Вторая стадия (охлаждение и финишное смешение).
На второй стадии смешивания добавляют вулканизующую группу (серу, ускорители или пероксидную группу), чтобы они равномерно распределились, но не начали реакцию преждевременно. Температуру стараются держать низкой, избегая преждевременной вулканизации («подвулканизации»).
📷 На фото: готовые листы резины заданной рецептуры и толщины после каландрирования будут отправлены на завод по производству ремней.
Производитель ремней Contitech Antriebssysteme GmbH, как дочернее предприятие концерна Continental, имеет в своём распоряжении всю эту инфраструктуру резиносмешения. Это является его преимуществом перед почти всеми другими производителями ремней, вынужденных полагаться на сторонних поставщиков в вопросах разработки и производства резиновых смесей.
Европейские заводы Contitech Antriebssysteme GmbH получают смеси из цехов резиносмешения завода в г. Штёкен (недалеко от Ганновера). Подготовленные смеси различных рецептур поступают на европейские производства ремней в виде заготовок — резиновых листов или полос на паллетах. Сроки доставки короткие, это позволяет сохранить качество материала.
📷 На фото: вид готовых листов резиновой смеси
Некоторые резиновые компаунды очень чувствительны к температуре окружающей среды и быстро изменяют свои показатели вязкости. Например, сырые смеси на основе хлоропрена (CR) при температуре выше 25 °C рекомендуется хранить не более 5 дней.
Основные компоненты смеси для производства ремней:
Еще раз перечислим основные компоненты резиновой смеси.
📎 Более подробно о компонентах и их предназначении рассказывается в отдельной статье.
① Каучук (эластомер) — основа (30–70% массы; типичные марки — HNBR или EPDM).
② Вулканизующие агенты — вещества, создающие поперечные химические связи между макромолекулами (превращают пластичный каучук в эластичную резину).
③ Ускорители вулканизации — катализаторы, ускоряющие процесс вулканизации.
④ Активаторы вулканизации — вещества, усиливающие действие ускорителей (обычно оксид цинка + стеариновая кислота).
⑤ Технический углерод (сажа) — основной наполнитель (до 50 массовых частей на 100 частей каучука, что составляет примерно до 33% от общей массы смеси). Придаёт прочность, износостойкость, жёсткость. Главный упрочнитель резины. Возможно добавление кремнезёма.
⑥ Пластификаторы (мягчители) — облегчают обработку, снижают вязкость, улучшают диспергирование, могут влиять на морозостойкость.
⑦ Противостарители (антиоксиданты, антиозонанты) — защищают резину от окисления кислородом и озоном.
⑧ Другие наполнители или добавки.
Способы механической обработки резиновой смеси.
📷 На фото: заготовки из резиновых полос направляются в экструдер.
Экструзия — процесс продавливания разогретой и пластифицированной резиновой смеси через формующую головку (фильеру) под давлением.
Это похоже на работу мясорубки или шприца с кремом. Сырая смесь подаётся в экструдер, шнек перемешивает, гомогенизирует и проталкивает её через фильеру, форма которой определяет сечение выходящего профиля. Часто требуется последующее охлаждение (водой или воздухом) для сохранения формы до вулканизации.
📷 На фото: корпус экструдера. Внутри находится шнек, который перемещает нагретый материал к вальцам каландра для раскатывания в лист.
Каландрирование — процесс обработки резиновой смеси для придания материалу заданной толщины, плотности и гладкости поверхности. Выполняется на каландре — машине с несколькими горизонтально расположенными валками, между которыми пропускают материал.
Каландр — сложное и дорогое оборудование, настройка которого занимает много времени. При помощи каландра также можно соединять резину с тканевой основой (например, для получения листов покрытия зубьев рабочей поверхности ремней).
📷 На фото: готовая полоса резины на валках каландра.
Второй этап резиносмешения, как правило, производится на заводе по производству ремней. В конце процесса материал продавливается на валки каландра и раскатывается в полосу толщиной до 20 мм. Полученный лист сворачивают в рулон и дают остыть.
📷 На фото: лист готового материала толщиной 20 мм выходит с вальцов каландра и, сворачивается в рулон, разделенный полимерной пленкой, чтобы избежать слипания.
Готовую смесь выдерживают перед дальнейшей переработкой от 4 до 24 часов. За это время выравниваются внутренние напряжения, происходит дополнительная диффузия ингредиентов, смесь «созревает», улучшается её технологическая пластичность.
📷 На фото: материал для производства зубчатых ремней готов. Через какое-то время он попадает в цех сборки викелей (заготовок ремней).
