برای اندازه‌گیری دقیق و هوشمند، Lonnmeter را انتخاب کنید!

فراتر از جابجایی مکانیکی صرف، کنترل ویسکوزیته برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت افزودنی‌های تقویت‌کننده حیاتی، مانند کربن سیاه و سیلیس، ضروری است. همگنی این پراکندگی، خواص مکانیکی ماده نهایی، از جمله معیارهای حیاتی مانند استحکام کششی، مقاومت در برابر سایش و رفتار دینامیکی پیچیده‌ای که پس از ... نشان داده می‌شود را تعیین می‌کند.فرآیند ولکانیزاسیون لاستیک.

دوم. اصول اولیه لاستیک استایرن بوتادین (SBR)

لاستیک استایرن بوتادین چیست؟?

لاستیک استایرن بوتادین (SBR) یک الاستومر مصنوعی همه کاره است که به دلیل نسبت عالی هزینه به عملکرد و حجم بالای تولید، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. SBR به عنوان یک کوپلیمر مشتق شده از مونومرهای 1،3-بوتادین (تقریباً 75٪) و استایرن (تقریباً 25٪) سنتز می‌شود. این مونومرها از طریق یک واکنش شیمیایی به نام کوپلیمریزاسیون ترکیب می‌شوند و زنجیره‌های پلیمری بلند و چند واحدی تشکیل می‌دهند. SBR به طور خاص برای کاربردهایی که نیاز به دوام بالا و مقاومت سایشی استثنایی دارند، طراحی شده است و آن را به انتخابی ایده‌آل برای آج لاستیک تبدیل می‌کند.

فرآیند تولید لاستیک مصنوعی

سنتز SBR از طریق دو روش پلیمریزاسیون صنعتی متمایز انجام می‌شود که منجر به موادی با ویژگی‌های ذاتی متفاوت می‌شود و نیاز به کنترل ویسکوزیته خاص در طول فاز مایع دارد.

پلیمریزاسیون امولسیونی (E-SBR):در این روش کلاسیک، مونومرها با استفاده از یک سورفکتانت صابون مانند در یک محلول آبی پراکنده یا امولسیون می‌شوند. واکنش توسط آغازگرهای رادیکال آزاد آغاز می‌شود و برای جلوگیری از تخریب محصول به تثبیت‌کننده نیاز است. E-SBR را می‌توان با استفاده از دمای فرآیند گرم یا سرد تولید کرد؛ E-SBR سرد، به طور خاص، به دلیل مقاومت سایشی برتر، استحکام کششی و جهندگی کم شناخته شده است.

 

پلیمریزاسیون محلولی (S-SBR):این روش پیشرفته شامل پلیمریزاسیون آنیونی است که معمولاً از یک آغازگر آلکیل لیتیوم (مانند بوتیل لیتیوم) در یک حلال هیدروکربنی، معمولاً هگزان یا سیکلوهگزان، استفاده می‌کند. گریدهای S-SBR عموماً وزن مولکولی بالاتر و توزیع باریک‌تری دارند که منجر به خواص بهبود یافته‌ای مانند انعطاف‌پذیری بهتر، استحکام کششی بالا و مقاومت غلتشی به طور قابل توجهی کمتر در لاستیک‌ها می‌شود و S-SBR را به محصولی ممتاز و گران‌تر تبدیل می‌کند.

نکته‌ی بسیار مهم این است که در هر دو فرآیند، واکنش پلیمریزاسیون باید با وارد کردن یک پایان‌دهنده‌ی زنجیره یا عامل توقف کوتاه به خروجی راکتور، به طور دقیق خاتمه یابد. این کار طول نهایی زنجیره را کنترل می‌کند، مرحله‌ای که مستقیماً وزن مولکولی اولیه و در نتیجه، باز را تعیین می‌کند.ویسکوزیته لاستیکقبل از ترکیب.

 

خواص لاستیک استایرن بوتادین

SBR به دلیل مشخصات قوی خواص فیزیکی و مکانیکی ارزشمند است:

عملکرد مکانیکی:نقاط قوت کلیدی شامل استحکام کششی بالا، که معمولاً از ۵۰۰ تا ۳۰۰۰ PSI متغیر است، همراه با مقاومت سایشی عالی است. SBR همچنین مقاومت خوبی در برابر مانایی فشاری و مقاومت بالا در برابر ضربه نشان می‌دهد. علاوه بر این، این ماده ذاتاً در برابر ترک مقاوم است، که یک ویژگی کلیدی است که امکان ترکیب حجم زیادی از پرکننده‌های تقویت‌کننده، مانند کربن سیاه، را برای افزایش استحکام و مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش فراهم می‌کند.

مشخصات شیمیایی و حرارتی:اگرچه SBR عموماً در برابر آب، الکل، کتون‌ها و برخی اسیدهای آلی مقاوم است، اما آسیب‌پذیری‌های قابل توجهی از خود نشان می‌دهد. این ماده مقاومت ضعیفی در برابر روغن‌های پایه نفتی، سوخت‌های هیدروکربنی آروماتیک، ازن و حلال‌های هالوژنه دارد. از نظر حرارتی، SBR انعطاف‌پذیری را در طیف وسیعی حفظ می‌کند، حداکثر دمای استفاده مداوم آن تقریباً 225 درجه فارنهایت و انعطاف‌پذیری در دمای پایین تا -60 درجه فارنهایت ادامه دارد.

 

ویسکوزیته به عنوان شاخص اصلی وزن مولکولی و ساختار زنجیره

ویژگی‌های رئولوژیکی پلیمر خام اساساً توسط ساختار مولکولی - طول و درجه شاخه‌بندی زنجیره‌های پلیمری - که در مرحله پلیمریزاسیون ایجاد می‌شود، تعیین می‌شود. وزن مولکولی بالاتر عموماً به ویسکوزیته بالاتر و به تبع آن سرعت جریان مذاب (MFR/MVR) پایین‌تر منجر می‌شود. بنابراین، اندازه‌گیری ویسکوزیته ذاتی (IV) بلافاصله در هنگام تخلیه راکتور، از نظر عملکردی معادل نظارت مداوم بر تشکیل معماری مولکولی مورد نظر است.

 

III. اصول رئولوژیکی حاکم بر فرآیند SBR

 

اصول رئولوژیکی، وابستگی به نرخ برش، حساسیت به دما/فشار.

 

رئولوژی، مطالعه چگونگی تغییر شکل و جریان مواد، چارچوب علمی برای درک رفتار SBR در شرایط فرآوری صنعتی فراهم می‌کند. SBR به عنوان یک ماده ویسکوالاستیک پیچیده شناخته می‌شود، به این معنی که خواصی ترکیبی از پاسخ‌های ویسکوز (جریان دائمی و شبیه مایع) و الاستیک (تغییر شکل قابل بازیابی و شبیه جامد) را از خود نشان می‌دهد. غالب بودن این ویژگی‌ها به طور قابل توجهی به سرعت و مدت زمان بار اعمال شده بستگی دارد.

ترکیبات SBR اساساً سیالات غیر نیوتنی هستند. این به معنای ظاهری بودن آنهاست.ویسکوزیته لاستیکمقدار ثابتی نیست اما اهمیت زیادی داردوابستگی به نرخ برشیبا افزایش نرخ برش، ویسکوزیته به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، پدیده‌ای که به عنوان نازک شدن برشی شناخته می‌شود. این رفتار غیر نیوتنی پیامدهای عمیقی برای کنترل کیفیت دارد. مقادیر ویسکوزیته به‌دست‌آمده در نرخ‌های برشی پایین، مانند مقادیر اندازه‌گیری‌شده در آزمایش‌های سنتی ویسکومتر مونی، ممکن است نمایش ناکافی از رفتار ماده تحت نرخ‌های برشی بالای ذاتی در عملیات مخلوط کردن، ورز دادن یا اکستروژن ارائه دهند. فراتر از برش، ویسکوزیته به دما نیز بسیار حساس است. گرمای فرآیند، ویسکوزیته را کاهش می‌دهد که به جریان کمک می‌کند. در حالی که فشار نیز بر ویسکوزیته تأثیر می‌گذارد، حفظ دمای پایدار و سابقه برشی ثابت بسیار مهم است، زیرا ویسکوزیته می‌تواند به صورت پویا با برش، فشار و زمان پردازش تغییر کند.

 

تأثیر نرم‌کننده‌ها، پرکننده‌ها و کمک‌فرآیندها بر ویسکوزیته SBR

 

فرآوری لاستیکمرحله‌ای که به عنوان ترکیب‌سازی شناخته می‌شود، شامل ادغام افزودنی‌های متعددی است که رئولوژی پلیمر پایه SBR را به طور چشمگیری تغییر می‌دهند:

نرم کننده ها:روغن‌های فرآیند برای بهبود انعطاف‌پذیری و فرآیندپذیری کلی SBR بسیار مهم هستند. آن‌ها با کاهش ویسکوزیته کامپوزیت عمل می‌کنند که همزمان پراکندگی یکنواخت پرکننده‌ها را تسهیل کرده و ماتریس پلیمری را نرم می‌کند.

پرکننده‌ها:عوامل تقویت‌کننده، عمدتاً کربن سیاه و سیلیس، ویسکوزیته ماده را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند و منجر به پدیده‌های فیزیکی پیچیده‌ای می‌شوند که توسط برهمکنش‌های پرکننده-پرکننده و پرکننده-پلیمر هدایت می‌شوند. دستیابی به پراکندگی بهینه یک تعادل است؛ عواملی مانند گلیسرول می‌توانند برای نرم کردن پرکننده‌های لیگنوسولفونات استفاده شوند و ویسکوزیته پرکننده را به ویسکوزیته ماتریس SBR نزدیک‌تر کنند، در نتیجه تشکیل کلوخه‌ها را کاهش داده و همگنی را بهبود می‌بخشند.

عوامل ولکانیزه کننده:این مواد شیمیایی، از جمله گوگرد و شتاب‌دهنده‌ها، تغییرات قابل توجهی در رئولوژی ترکیب پخت نشده ایجاد می‌کنند. آن‌ها بر عواملی مانند ایمنی در برابر سوختگی (مقاومت در برابر پیوند عرضی زودرس) تأثیر می‌گذارند. سایر افزودنی‌های تخصصی، مانند سیلیس دودی، ممکن است به صورت استراتژیک به عنوان عوامل افزایش دهنده ویسکوزیته برای دستیابی به اهداف رئولوژیکی خاص، مانند تولید لایه‌های ضخیم‌تر بدون تغییر در کل محتوای جامد، استفاده شوند.

 

ارتباط رئولوژی با ولکانیزاسیون فرآیند لاستیک و چگالی نهایی اتصالات عرضی

 

شرایط رئولوژیکی ایجاد شده در طول ترکیب و شکل‌دهی، مستقیماً با عملکرد نهایی محصول ولکانیزه شده مرتبط است.

یکنواختی و پراکندگی:پروفیل‌های ویسکوزیته ناهمگون در طول اختلاط - که اغلب با ورودی انرژی غیر بهینه مرتبط است - منجر به پراکندگی ضعیف و توزیع ناهمگن بسته پیوند عرضی (گوگرد و شتاب‌دهنده‌ها) می‌شود.

فرآیند ولکانیزاسیون لاستیک:این فرآیند شیمیایی برگشت‌ناپذیر شامل گرم کردن ترکیب SBR، معمولاً با گوگرد، برای ایجاد پیوندهای عرضی دائمی بین زنجیره‌های پلیمری است که به طور قابل توجهی استحکام، خاصیت ارتجاعی و دوام لاستیک را افزایش می‌دهد. این فرآیند شامل سه مرحله است: مرحله القا (سوختگی) که در آن شکل‌دهی اولیه رخ می‌دهد؛ مرحله پیوند عرضی یا پخت (واکنش سریع در دمای ۲۵۰ تا ۴۰۰ درجه فارنهایت)؛ و حالت بهینه.

تراکم پیوند عرضی:خواص مکانیکی نهایی توسط چگالی پیوند عرضی حاصل شده تعیین می‌شود. D بالاتر_cمقادیر، مانع حرکت زنجیره مولکولی می‌شوند، مدول ذخیره را افزایش می‌دهند و بر پاسخ ویسکوالاستیک غیرخطی ماده (که به عنوان اثر پین شناخته می‌شود) تأثیر می‌گذارند. بنابراین، کنترل دقیق رئولوژیکی در مراحل فرآوری پخت نشده ضروری است تا اطمینان حاصل شود که پیش‌سازهای مولکولی به درستی برای واکنش پخت بعدی آماده شده‌اند.

 

IV. مشکلات موجود در اندازه‌گیری ویسکوزیته

محدودیت‌های تست آفلاین سنتی

اتکای گسترده به روش‌های کنترل کیفیت مرسوم، ناپیوسته و پرزحمت، محدودیت‌های عملیاتی قابل توجهی را بر تولید مداوم SBR تحمیل می‌کند و از بهینه‌سازی سریع فرآیند جلوگیری می‌کند.

پیش‌بینی ویسکوزیته مونی و تأخیر:یک شاخص کیفیت اصلی، ویسکوزیته مونی، به طور سنتی به صورت آفلاین اندازه‌گیری می‌شود. به دلیل پیچیدگی فیزیکی و ویسکوزیته بالای صنعتیفرآیند تولید لاستیک، نمی‌توان آن را مستقیماً و در لحظه در داخل میکسر داخلی اندازه‌گیری کرد. علاوه بر این، پیش‌بینی دقیق این مقدار با استفاده از مدل‌های تجربی سنتی، به‌ویژه برای ترکیباتی که حاوی پرکننده‌ها هستند، چالش‌برانگیز است. تأخیر زمانی مرتبط با آزمایش‌های آزمایشگاهی، اقدامات اصلاحی را به تأخیر می‌اندازد و ریسک مالی تولید مقادیر زیادی از مواد خارج از مشخصات را افزایش می‌دهد.

تاریخچه مکانیکی تغییر یافته:رئومتری مویینگی، اگرچه قادر به توصیف رفتار جریان است، اما نیاز به آماده‌سازی گسترده نمونه دارد. ماده باید قبل از آزمایش به ابعاد استوانه‌ای خاص تبدیل شود، فرآیندی که تاریخچه مکانیکی ترکیب را تغییر می‌دهد. در نتیجه، ویسکوزیته اندازه‌گیری شده ممکن است به طور دقیق منعکس کننده وضعیت واقعی ترکیب در طول فرآیند صنعتی نباشد.فرآوری لاستیک.

داده‌های تک‌نقطه‌ای ناکافی:آزمایش‌های استاندارد نرخ جریان مذاب (MFR) یا نرخ حجمی مذاب (MVR) تنها یک شاخص جریان واحد را در شرایط ثابت ارائه می‌دهند. این برای SBR غیر نیوتنی کافی نیست. دو دسته مختلف ممکن است مقادیر MVR یکسانی را نشان دهند اما در نرخ‌های برشی بالا مربوط به اکستروژن، ویسکوزیته‌های بسیار متفاوتی داشته باشند. این اختلاف می‌تواند منجر به شکست‌های پردازشی پیش‌بینی نشده شود.

هزینه و بار لجستیکی:تکیه بر تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی خارج از سایت، هزینه‌های لجستیکی و تأخیرهای زمانی قابل توجهی را به همراه دارد. پایش مداوم با کاهش چشمگیر تعداد نمونه‌هایی که نیاز به تجزیه و تحلیل خارجی دارند، یک مزیت اقتصادی ارائه می‌دهد.

چالش اندازه‌گیری ترکیبات SBR با ویسکوزیته بالا و چند فازی

جابجایی صنعتی ترکیبات لاستیکی شامل موادی است که ویسکوزیته بسیار بالایی دارند و رفتار ویسکوالاستیک پیچیده‌ای از خود نشان می‌دهند و چالش‌های منحصر به فردی را برای اندازه‌گیری مستقیم ایجاد می‌کنند.

لغزش و شکستگی:مواد لاستیکی ویسکوالاستیک با ویسکوزیته بالا، هنگام آزمایش در رئومترهای سنتی با مرز باز، مستعد مشکلاتی مانند لغزش دیواره و شکستگی نمونه ناشی از خاصیت ارتجاعی هستند. تجهیزات تخصصی، مانند رئومتر قالب نوسانی با طراحی دندانه‌دار و با مرز بسته، برای غلبه بر این اثرات، به ویژه در مواد پر شده که در آنها برهمکنش‌های پیچیده پلیمر-پرکننده رخ می‌دهد، ضروری است.

نگهداری و تمیز کردن:سیستم‌های استاندارد جریان آنلاین یا مویرگی به دلیل ماهیت چسبنده و ویسکوزیته بالای پلیمرها و پرکننده‌ها، اغلب دچار گرفتگی می‌شوند. این امر مستلزم پروتکل‌های تمیزکاری دقیق است و منجر به زمان از کارافتادگی پرهزینه می‌شود که یک عیب جدی در محیط‌های تولید مداوم است.

نیاز به یک ابزار قوی برای اندازه‌گیری ویسکوزیته ذاتی محلول‌های پلیمری

در فاز اولیه محلول یا دوغاب، پس از پلیمریزاسیون، اندازه‌گیری بحرانی، ویسکوزیته ذاتی (IV) است که مستقیماً با وزن مولکولی و عملکرد پلیمر مرتبط است. روش‌های آزمایشگاهی سنتی (مانند GPC یا لوله‌های مویین شیشه‌ای) برای کنترل در زمان واقعی بسیار کند هستند.

محیط صنعتی نیازمند یک سیستم خودکار و قدرتمند است.ابزار ویسکوزیته ذاتیراه‌حل‌های مدرن، مانند IVA Versa، کل فرآیند را با استفاده از یک ویسکومتر نسبی دو مویرگی برای اندازه‌گیری ویسکوزیته محلول، به حداقل رساندن تماس کاربر با حلال‌ها و دستیابی به دقت بالا (مقادیر RSD زیر 1٪) خودکار می‌کنند. برای کاربردهای درون خطی در فاز مذاب، رئومترهای آنلاین جریان جانبی (SSR) می‌توانند مقدار IV-Rheo را بر اساس اندازه‌گیری‌های ویسکوزیته برشی پیوسته با سرعت برشی ثابت تعیین کنند. این اندازه‌گیری یک همبستگی تجربی ایجاد می‌کند که امکان نظارت بر تغییرات MW در جریان مذاب را فراهم می‌کند.