Vælg Lonnmeter for præcis og intelligent måling!

Ud over blot mekanisk håndtering er viskositetskontrol afgørende for at opnå en ensartet spredning af kritiske forstærkende tilsætningsstoffer, såsom carbon black og silica. Homogeniteten af ​​denne spredning dikterer det endelige materiales mekaniske egenskaber, herunder kritiske metrikker som trækstyrke, slidstyrke og den komplekse dynamiske adfærd, der udvises efter behandlingen.processen med vulkanisering af gummi.

II. Grundlæggende principper for styrenbutadiengummi (SBR)

Hvad er styrenbutadiengummi?

Styrenbutadiengummi (SBR) er en alsidig syntetisk elastomer, der er meget udbredt på grund af dens fremragende forhold mellem pris og ydelse og høje tilgængelighed i volumen. SBR syntetiseres som en copolymer, der hovedsageligt er afledt af 1,3-butadien (ca. 75 %) og styrenmonomerer (ca. 25 %). Disse monomerer kombineres gennem en kemisk reaktion kaldet copolymerisering, hvorved der dannes lange polymerkæder med flere enheder. SBR er specielt designet til anvendelser, der kræver høj holdbarhed og exceptionel slidstyrke, hvilket gør det til et ideelt valg til dækslidbaner.

Fremstillingsproces for syntetisk gummi

SBR-syntese opnås gennem to forskellige industrielle polymerisationsmetoder, som resulterer i materialer med forskellige iboende egenskaber og kræver specifikke viskositetskontroller i den flydende fase.

Emulsionspolymerisation (E-SBR):I denne klassiske metode dispergeres eller emulgeres monomererne i en vandig opløsning ved hjælp af et sæbelignende overfladeaktivt stof. Reaktionen initieres af frie radikalinitiatorer og kræver stabilisatorer for at forhindre produktforringelse. E-SBR kan produceres ved enten varme eller kolde procestemperaturer; kold E-SBR er specifikt kendt for overlegen slidstyrke, trækstyrke og lav elasticitet.

 

Opløsningspolymerisation (S-SBR):Denne avancerede metode involverer anionisk polymerisation, typisk ved anvendelse af en alkyllithiuminitiator (såsom butyllithium) i et kulbrinteopløsningsmiddel, almindeligvis hexan eller cyclohexan. S-SBR-kvaliteter har generelt en højere molekylvægt og en smallere fordeling, hvilket resulterer i forbedrede egenskaber såsom bedre fleksibilitet, høj trækstyrke og betydeligt lavere rullemodstand i dæk, hvilket gør S-SBR til et premium, dyrere produkt.

Afgørende er det, at polymerisationsreaktionen i begge processer skal afsluttes præcist ved at introducere en kædeterminator eller et kortslutningsmiddel i reaktorudløbet. Dette styrer den endelige kædelængde, et trin, der direkte fastlægger den indledende molekylvægt og dermed basen.viskositeten af ​​gummifør sammensætning.

 

Egenskaber af styrenbutadiengummi

SBR er værdsat for en stærk profil af fysiske og mekaniske egenskaber:

Mekanisk ydeevne:Nøglestyrkerne omfatter høj trækstyrke, som typisk ligger fra 500 til 3.000 PSI, kombineret med fremragende slidstyrke. SBR udviser også god modstandsdygtighed over for kompression og høj slagfasthed. Desuden er materialet iboende revnebestandigt, hvilket er en nøgleegenskab, der tillader inkorporering af store mængder forstærkende fyldstoffer, såsom carbon black, for at forbedre styrke og UV-resistens.

Kemisk og termisk profil:Selvom SBR generelt er modstandsdygtigt over for vand, alkohol, ketoner og visse organiske syrer, udviser det bemærkelsesværdige sårbarheder. Det har dårlig modstandsdygtighed over for oliebaserede olier, aromatiske kulbrintebrændstoffer, ozon og halogenerede opløsningsmidler. Termisk bevarer SBR sin fleksibilitet over et bredt område, med en kontinuerlig brugsmaksimum på cirka 120 °C og en lavtemperaturfleksibilitet ned til -15 °C.

 

Viskositet som den primære indikator for molekylvægt og kædestruktur

De reologiske egenskaber ved den rå polymer bestemmes fundamentalt af den molekylære struktur – polymerkædernes længde og forgreningsgrad – der etableres under polymerisationstrinnet. En højere molekylvægt resulterer generelt i højere viskositet og tilsvarende lavere smeltestrømningshastigheder (MFR/MVR). Derfor er måling af den intrinsiske viskositet (IV) umiddelbart ved reaktorudløbet funktionelt ækvivalent med kontinuerlig overvågning af dannelsen af ​​den tilsigtede molekylære arkitektur.

 

III. Reologiske principper for SBR-behandling

 

Reologiske principper, forskydningshastighedsafhængighed, temperatur-/trykfølsomhed.

 

Reologi, studiet af hvordan materialer deformeres og flyder, giver den videnskabelige ramme for at forstå SBR's opførsel under industrielle procesforhold. SBR er karakteriseret som et komplekst viskoelastisk materiale, hvilket betyder, at det udviser egenskaber, der blander viskøse (permanent, væskelignende flydning) og elastiske (genoprettelig, faststoflignende deformation) responser. Dominansen af ​​disse egenskaber afhænger væsentligt af hastigheden og varigheden af ​​den påførte belastning.

SBR-forbindelser er fundamentalt ikke-newtonske væsker. Det betyder, at deres tilsyneladendegummiets viskositeter ikke en konstant værdi, men udviser en afgørendeafhængighed af forskydningshastighed; viskositeten falder betydeligt, når forskydningshastigheden øges, et fænomen kendt som forskydningsudtynding. Denne ikke-newtonske adfærd har vidtrækkende konsekvenser for kvalitetskontrollen. Viskositetsværdier opnået ved lave forskydningshastigheder, såsom dem målt i traditionelle Mooney-viskosimetertests, kan give en utilstrækkelig repræsentation af materialets adfærd under de høje forskydningshastigheder, der er forbundet med blandings-, æltnings- eller ekstruderingsoperationer. Ud over forskydning er viskositeten også meget følsom over for temperatur; procesvarme reducerer viskositeten, hvilket hjælper strømningen. Selvom tryk også påvirker viskositeten, er det altafgørende at opretholde en stabil temperatur og ensartet forskydningshistorik, da viskositeten kan variere dynamisk med forskydning, tryk og behandlingstid.

 

Indvirkning af blødgørere, fyldstoffer og proceshjælpemidler på SBR-viskositet

 

DegummiforarbejdningFasen, kendt som compounding, involverer integration af adskillige tilsætningsstoffer, der dramatisk ændrer SBR-polymerens reologi:

Blødgørere:Procesolier er afgørende for at forbedre fleksibiliteten og den samlede forarbejdningsevne af SBR. De fungerer ved at reducere blandingens viskositet, hvilket samtidig fremmer ensartet spredning af fyldstoffer og blødgør polymermatrixen.

Fyldstoffer:Forstærkningsmidler, primært carbon black og silica, øger materialets viskositet betydeligt, hvilket fører til komplekse fysiske fænomener drevet af interaktioner mellem fyldstof og fyldstof og polymer. Opnåelse af optimal dispersion er en balance; midler som glycerol kan bruges til at blødgøre lignosulfonatfyldstoffer, justere fyldstofviskositeten tættere på SBR-matrixens viskositet, hvorved agglomeratdannelse reduceres og homogeniteten forbedres.

Vulkaniseringsmidler:Disse kemikalier, herunder svovl og acceleratorer, medfører betydelige ændringer i den uhærdede forbindelses reologi. De påvirker faktorer som svidningssikkerhed (modstandsdygtighed over for for tidlig tværbinding). Andre specialiserede tilsætningsstoffer, såsom pyrogen silica, kan anvendes strategisk som viskositetsforøgende midler for at opnå specifikke reologiske mål, såsom at producere tykkere film uden at ændre det samlede tørstofindhold.

 

Forbindelse af reologi til vulkanisering af gummiprocessen og den endelige tværbindingsdensitet

 

Den reologiske konditionering, der gives under blanding og formning, er direkte knyttet til den endelige ydeevne af det vulkaniserede produkt.

Ensartethed og spredning:Inkonsistente viskositetsprofiler under blanding – ofte korreleret med ikke-optimal energitilførsel – resulterer i dårlig dispersion og inhomogen fordeling af tværbindingspakken (svovl og acceleratorer).

Processen med vulkanisering af gummi:Denne irreversible kemiske proces involverer opvarmning af SBR-forbindelsen, typisk med svovl, for at skabe permanente tværbindinger mellem polymerkæderne, hvilket forbedrer gummiets styrke, elasticitet og holdbarhed betydeligt. Processen involverer tre faser: induktions- (svidnings-) fasen, hvor den indledende formning finder sted; tværbindings- eller hærdningsfasen (hurtig reaktion ved 112 °C til 202 °C); og den optimale tilstand.

Tværbindingstæthed:De ultimative mekaniske egenskaber styres af den opnåede tværbindingstæthed. Højere D_cværdier hæmmer molekylkædebevægelse, hvilket øger lagringsmodulet og påvirker materialets ikke-lineære viskoelastiske respons (kendt som Payne-effekten). Derfor er præcis reologisk kontrol i de uhærdede forarbejdningstrin afgørende for at sikre, at de molekylære forstadier forberedes korrekt til den efterfølgende hærdningsreaktion.

 

IV. Eksisterende problemer ved viskositetsmåling

Begrænsninger ved traditionel offline testning

Den udbredte afhængighed af konventionelle, diskontinuerlige og arbejdskrævende kvalitetskontrolmetoder pålægger betydelige driftsmæssige begrænsninger for kontinuerlig SBR-produktion, hvilket forhindrer hurtig procesoptimering.

Mooney viskositetsforudsigelse og forsinkelse:Et kernekvalitetsindeks, Mooney-viskositet, måles traditionelt offline. På grund af den fysiske kompleksitet og høje viskositet i den industriellegummifremstillingsproces, kan den ikke måles direkte i realtid i den interne mixer. Desuden er det udfordrende at forudsige denne værdi præcist ved hjælp af traditionelle empiriske modeller, især for forbindelser, der inkorporerer fyldstoffer. Tidsforsinkelsen forbundet med laboratorietestning forsinker korrigerende handlinger, hvilket øger den økonomiske risiko ved at producere store mængder materiale, der ikke lever op til specifikationen.

Ændret mekanisk historie:Kapillær reometri kan, selvom den er i stand til at karakterisere strømningsadfærd, omfattende prøveforberedelse. Materialet skal omformes til specifikke cylindriske dimensioner før testning, en proces der ændrer forbindelsens mekaniske historie. Følgelig afspejler den målte viskositet muligvis ikke nøjagtigt forbindelsens faktiske tilstand under industriel testning.gummiforarbejdning.

Utilstrækkelige enkeltpunktsdata:Standard smeltestrømningshastighedstest (MFR) eller smeltevolumenhastighedstest (MVR) giver kun et enkelt strømningsindeks under faste forhold. Dette er utilstrækkeligt for ikke-newtonsk SBR. To forskellige batcher kan udvise identiske MVR-værdier, men have vidt forskellige viskositeter ved de høje forskydningshastigheder, der er relevante for ekstrudering. Denne forskel kan resultere i uforudsete procesfejl.

Omkostninger og logistisk byrde:At bruge analyser uden for laboratoriet medfører betydelige logistiske omkostninger og tidsforsinkelser. Kontinuerlig overvågning giver en økonomisk fordel ved dramatisk at reducere antallet af prøver, der kræver ekstern analyse.

Udfordringen ved at måle SBR-forbindelser med høj viskositet og flerfasede materialer

Industriel håndtering af gummiblandinger involverer materialer med ekstremt høj viskositet og kompleks viskoelastisk adfærd, hvilket skaber unikke udfordringer for direkte måling.

Skrid og brud:Viskoelastiske gummimaterialer med høj viskositet er tilbøjelige til problemer som vægglidning og elasticitetsinduceret prøvebrud, når de testes i traditionelle åbne grænse-rheometre. Specialudstyr, såsom det oscillerende dysreometer med et savtakket, lukket grænsedesign, er nødvendigt for at overvinde disse effekter, især i fyldte materialer, hvor komplekse polymer-fyldstof-interaktioner forekommer.

Vedligeholdelse og rengøring:Standard online-gennemstrømnings- eller kapillærsystemer lider ofte af tilstopning på grund af polymerers og fyldstoffers klæbrige og højviskøse natur. Dette nødvendiggør omfattende rengøringsprotokoller og fører til dyr nedetid, hvilket er en alvorlig ulempe i kontinuerlige produktionsmiljøer.

Behovet for et robust instrument til intrinsisk viskositet til polymeropløsninger.

I den indledende opløsnings- eller opslæmningsfase, efter polymerisation, er den kritiske måling den indre viskositet (IV), som korrelerer direkte med molekylvægt og polymerens ydeevne. Traditionelle laboratoriemetoder (f.eks. GPC eller glaskapillærer) er for langsomme til realtidskontrol.

Det industrielle miljø kræver en automatiseret og robustinstrument til intrinsisk viskositetModerne løsninger, såsom IVA Versa, automatiserer hele processen ved hjælp af et dobbeltkapillært relativt viskometer til at måle opløsningens viskositet, hvilket minimerer brugerens kontakt med opløsningsmidler og opnår høj præcision (RSD-værdier under 1%). Til inline-applikationer i smeltefasen kan Side Stream Online-Rheometre (SSR) bestemme en IV-Rheo-værdi baseret på kontinuerlige forskydningsviskositetsmålinger ved en konstant forskydningshastighed. Denne måling etablerer en empirisk korrelation, der muliggør overvågning af MW-ændringer i smeltestrømmen.