Zvolte Lonnmeter pro přesné a inteligentní měření!

Kromě pouhého mechanického zpracování je pro dosažení rovnoměrné disperze kritických výztužných přísad, jako jsou saze a oxid křemičitý, nezbytná i regulace viskozity. Homogenita této disperze určuje mechanické vlastnosti konečného materiálu, včetně kritických metrik, jako je pevnost v tahu, odolnost proti oděru a komplexní dynamické chování, které se projevuje po...proces vulkanizace pryže.

II. Základy styren-butadienového kaučuku (SBR)

Co je styren-butadienový kaučuk?

Styren-butadienový kaučuk (SBR) je všestranný syntetický elastomer, široce používaný díky svému vynikajícímu poměru ceny a výkonu a vysoké objemové dostupnosti. SBR se syntetizuje jako kopolymer odvozený převážně z 1,3-butadienu (přibližně 75 %) a styrenových monomerů (přibližně 25 %). Tyto monomery se kombinují chemickou reakcí zvanou kopolymerace a tvoří dlouhé, vícejednotkové polymerní řetězce. SBR je speciálně navržen pro aplikace vyžadující vysokou trvanlivost a výjimečnou odolnost proti oděru, což z něj činí ideální volbu pro běhouny pneumatik.

Výrobní proces syntetického kaučuku

Syntéza SBR se provádí dvěma odlišnými průmyslovými polymerizačními metodami, které vedou k materiálům s odlišnými inherentními vlastnostmi a vyžadují specifickou kontrolu viskozity během kapalné fáze.

Emulzní polymerace (E-SBR):V této klasické metodě se monomery dispergují nebo emulgují ve vodném roztoku za použití mýdlového povrchově aktivního činidla. Reakce je iniciována iniciátory volných radikálů a vyžaduje stabilizátory, aby se zabránilo znehodnocení produktu. E-SBR lze vyrábět za horkých i studených procesních teplot; konkrétně studený E-SBR je známý pro vynikající odolnost proti oděru, pevnost v tahu a nízkou pružnost.

 

Polymerace v roztoku (S-SBR):Tato pokročilá metoda zahrnuje aniontovou polymeraci, obvykle s použitím alkyllithiového iniciátoru (například butyllithia) v uhlovodíkovém rozpouštědle, obvykle hexanu nebo cyklohexanu. Druhy S-SBR mají obecně vyšší molekulovou hmotnost a užší distribuci, což vede ke zlepšeným vlastnostem, jako je větší flexibilita, vysoká pevnost v tahu a výrazně nižší valivý odpor pneumatik, což činí S-SBR prémiovým a dražším produktem.

V obou procesech je zásadní, že polymerační reakce musí být přesně ukončena zavedením terminátoru řetězce nebo činidla pro zkrácení řetězce do výstupu z reaktoru. Tím se řídí konečná délka řetězce, což je krok, který přímo určuje počáteční molekulovou hmotnost a následně i bázi.viskozita pryžepřed smícháním.

 

Vlastnosti styrenového butadienového kaučuku

SBR je ceněn pro silný profil fyzikálních a mechanických vlastností:

Mechanický výkon:Mezi klíčové silné stránky patří vysoká pevnost v tahu, která se obvykle pohybuje v rozmezí 500 až 3 000 PSI, spolu s vynikající odolností proti oděru. SBR také vykazuje dobrou odolnost proti deformaci v tlaku a vysokou rázovou houževnatost. Materiál je navíc ze své podstaty odolný proti praskání, což je klíčová vlastnost, která umožňuje přidání velkého množství výztužných plniv, jako je saze, pro zvýšení pevnosti a odolnosti vůči UV záření.

Chemický a tepelný profil:I když je SBR obecně odolný vůči vodě, alkoholu, ketonům a některým organickým kyselinám, vykazuje značné nedostatky. Má nízkou odolnost vůči olejům na bázi ropy, aromatickým uhlovodíkovým palivům, ozonu a halogenovaným rozpouštědlům. Z tepelného hlediska si SBR zachovává flexibilitu v širokém rozsahu teplot, s maximálním provozním teplotním rozsahem přibližně 100 °C a nízkoteplotní flexibilitou až do -60 °F.

 

Viskozita jako primární ukazatel molekulové hmotnosti a struktury řetězce

Reologické vlastnosti surového polymeru jsou zásadně určeny molekulární strukturou – délkou a stupněm větvení polymerních řetězců – která je stanovena během fáze polymerace. Vyšší molekulová hmotnost se obecně promítá do vyšší viskozity a odpovídajícím způsobem nižších rychlostí toku taveniny (MFR/MVR). Měření vnitřní viskozity (IV) bezprostředně na výstupu z reaktoru je proto funkčně ekvivalentní kontinuálnímu sledování tvorby zamýšlené molekulární architektury.

 

III. Reologické principy zpracování SBR

 

Reologické principy, závislost smykové rychlosti, citlivost na teplotu/tlak.

 

Reologie, studium deformace a tečení materiálů, poskytuje vědecký rámec pro pochopení chování SBR za podmínek průmyslového zpracování. SBR je charakterizován jako komplexní viskoelastický materiál, což znamená, že vykazuje vlastnosti kombinující viskózní (permanentní tok podobný kapalině) a elastické (obnovitelná deformace podobná pevné látce) reakce. Dominance těchto charakteristik významně závisí na rychlosti a délce působení zatížení.

Sloučeniny SBR jsou v podstatě nenewtonovské kapaliny. To znamená, že jejich zdánliváviskozita gumynení konstantní hodnota, ale vykazuje zásadnízávislost smykové rychlosti; viskozita se s rostoucí smykovou rychlostí výrazně snižuje, což je jev známý jako smykové ztenčování. Toto nenewtonovské chování má zásadní důsledky pro kontrolu kvality. Hodnoty viskozity získané při nízkých smykových rychlostech, jako jsou ty, které se měří v tradičních Mooneyho viskozimetrických testech, mohou poskytovat nedostatečné znázornění chování materiálu za vysokých smykových rychlostí, které jsou vlastní míchání, hnětení nebo vytlačování. Kromě smyku je viskozita také velmi citlivá na teplotu; procesní teplo viskozitu snižuje, což napomáhá toku. I když tlak také ovlivňuje viskozitu, je zásadní udržovat stabilní teplotu a konzistentní historii smykových změn, protože viskozita se může dynamicky měnit se smykem, tlakem a dobou zpracování.

 

Vliv změkčovadel, plniv a pomocných látek na viskozitu SBR

 

Ten/Ta/Tozpracování gumyFáze, známá jako míchání, zahrnuje integraci řady přísad, které dramaticky mění reologii základního SBR polymeru:

Změkčovadla:Procesní oleje jsou klíčové pro zlepšení flexibility a celkové zpracovatelnosti SBR. Fungují tak, že snižují kompozitní viskozitu směsi, což současně usnadňuje rovnoměrné rozptýlení plniv a změkčuje polymerní matrici.

Plniva:Zpevňující činidla, především saze a oxid křemičitý, podstatně zvyšují viskozitu materiálu, což vede ke složitým fyzikálním jevům vyvolaným interakcemi mezi plnivy a plnivy a polymerem. Dosažení optimální disperze je otázkou rovnováhy; činidla, jako je glycerol, lze použít ke změkčení lignosulfonátových plniv, čímž se viskozita plniva upraví blíže k viskozitě matrice SBR, čímž se sníží tvorba aglomerátů a zlepší se homogenita.

Vulkanizační činidla:Tyto chemikálie, včetně síry a urychlovačů, významně mění reologii nevytvrzené směsi. Ovlivňují faktory, jako je odolnost proti zapálení (odolnost proti předčasnému zesítění). Další specializované přísady, jako je pyrogenní oxid křemičitý, lze strategicky použít jako činidla zvyšující viskozitu k dosažení specifických reologických cílů, jako je například tvorba silnějších filmů bez změny celkového obsahu pevných látek.

 

Propojení reologie s procesem vulkanizace pryže a konečnou hustotou zesítění

 

Reologické podmiňování prováděné během míchání a tvarování přímo souvisí s konečnými provozními vlastnostmi vulkanizovaného produktu.

Jednotnost a rozptyl:Nekonzistentní profily viskozity během míchání – často korelované s neoptimálním vstupem energie – vedou ke špatné disperzi a nehomogennímu rozložení síťovací složky (síra a urychlovače).

Proces vulkanizace pryže:Tento nevratný chemický proces zahrnuje zahřívání směsi SBR, obvykle se sírou, za účelem vytvoření trvalých příčných vazeb mezi polymerními řetězci, což výrazně zvyšuje pevnost, elasticitu a trvanlivost pryže. Proces zahrnuje tři fáze: indukční (vypalovací) fázi, kde dochází k počátečnímu tvarování; fázi zesíťování nebo vytvrzování (rychlá reakce při teplotě 250 až 400 °F); a optimální stav.

Hustota zesítění:Konečné mechanické vlastnosti jsou určeny dosaženou hustotou zesítění. Vyšší D_cHodnoty brání pohybu molekulárních řetězců, zvyšují modul pružnosti a ovlivňují nelineární viskoelastickou odezvu materiálu (známou jako Payneův efekt). Proto je přesná reologická kontrola v nevytvrzených fázích zpracování nezbytná pro zajištění správné přípravy molekulárních prekurzorů pro následnou vytvrzovací reakci.

 

IV. Stávající problémy v měření viskozity

Omezení tradičního offline testování

Rozšířené spoléhání se na konvenční, diskontinuální a pracné metody kontroly kvality klade značná provozní omezení na kontinuální výrobu SBR a brání rychlé optimalizaci procesu.

Predikce a zpoždění Mooneyho viskozity:Základní index kvality, Mooneyho viskozita, se tradičně měří offline. Vzhledem k fyzické složitosti a vysoké viskozitě průmyslovéhoproces výroby gumyNelze ji měřit přímo v reálném čase v interním míchači. Přesná predikce této hodnoty pomocí tradičních empirických modelů je navíc náročná, zejména u směsí obsahujících plniva. Časové zpoždění spojené s laboratorními testy zpožďuje nápravná opatření, což zvyšuje finanční riziko výroby velkého množství materiálu neodpovídajícího specifikaci.

Změněná mechanická historie:Kapilární reometrie, ačkoli je schopna charakterizovat chování proudění, vyžaduje rozsáhlou přípravu vzorku. Materiál musí být před testováním přetvořen do specifických válcových rozměrů, což je proces, který mění mechanickou historii sloučeniny. Naměřená viskozita proto nemusí přesně odrážet skutečný stav sloučeniny během průmyslového testování.zpracování gumy.

Nedostatečná data z jednotlivých bodů:Standardní testy indexu toku taveniny (MFR) nebo objemového indexu taveniny (MVR) poskytují za pevných podmínek pouze jeden index toku. To je pro nenewtonovský SBR nedostatečné. Dvě různé šarže mohou vykazovat shodné hodnoty MVR, ale při vysokých smykových rychlostech relevantních pro extruzi mít značně odlišné viskozity. Tato nerovnost může vést k nepředvídaným selháním při zpracování.

Náklady a logistická zátěž:Spoléhání se na analýzy mimo pracoviště s sebou nese značné logistické náklady a časová zpoždění. Nepřetržité monitorování nabízí ekonomickou výhodu tím, že dramaticky snižuje počet vzorků vyžadujících externí analýzu.

Výzva měření vysoce viskózních a vícefázových SBR směsí

Průmyslová manipulace s pryžovými směsmi zahrnuje materiály vykazující extrémně vysoké viskozity a komplexní viskoelastické chování, což vytváří jedinečné výzvy pro přímé měření.

Uklouznutí a zlomenina:Vysoce viskózní, viskoelastické pryžové materiály jsou při testování v tradičních reometrech s otevřenou hranicí náchylné k problémům, jako je skluz na stěně a lom vzorku v důsledku elasticity. K překonání těchto účinků je nezbytné specializované vybavení, jako je oscilační reometr s vroubkovanou konstrukcí s uzavřenou hranicí, zejména u plněných materiálů, kde dochází ke komplexním interakcím mezi polymerem a plnivem.

Údržba a čištění:Standardní průtokové nebo kapilární systémy v provozu často trpí ucpáváním kvůli lepkavé a vysoce viskózní povaze polymerů a plniv. To vyžaduje složité čisticí protokoly a vede k nákladným prostojům, což je v prostředí kontinuální výroby vážnou nevýhodou.

Potřeba robustního přístroje pro měření vnitřní viskozity polymerních roztoků.

V počáteční fázi roztoku nebo suspenze, po polymeraci, je kritickým měřením vnitřní viskozita (IV), která přímo koreluje s molekulovou hmotností a výkonem polymeru. Tradiční laboratorní metody (např. GPC nebo skleněné kapiláry) jsou pro kontrolu v reálném čase příliš pomalé.

Průmyslové prostředí vyžaduje automatizované a robustnípřístroj pro měření vnitřní viskozityModerní řešení, jako je IVA Versa, automatizují celý proces pomocí dvoukapilárního relativního viskozimetru k měření viskozity roztoku, čímž se minimalizuje kontakt uživatele s rozpouštědly a dosahuje se vysoké přesnosti (hodnoty RSD pod 1 %). Pro inline aplikace v taveninové fázi mohou Side Stream Online-Rheometers (SSR) určit hodnotu IV-Rheo na základě kontinuálních měření smykové viskozity při konstantní smykové rychlosti. Toto měření vytváří empirickou korelaci, která umožňuje monitorování změn MW v proudu taveniny.