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मात्र यांत्रिक प्रक्रिया से परे, कार्बन ब्लैक और सिलिका जैसे महत्वपूर्ण सुदृढ़कारी योजकों के एकसमान फैलाव को प्राप्त करने के लिए श्यानता नियंत्रण आवश्यक है। इस फैलाव की समरूपता अंतिम सामग्री के यांत्रिक गुणों को निर्धारित करती है, जिसमें तन्यता शक्ति, घर्षण प्रतिरोध और प्रक्रिया के बाद प्रदर्शित होने वाले जटिल गतिशील व्यवहार जैसे महत्वपूर्ण मापदंड शामिल हैं।रबर के वल्कनीकरण की प्रक्रिया.

II. स्टाइरीन ब्यूटाडीन रबर (एसबीआर) के मूल सिद्धांत

स्टाइरीन ब्यूटाडीन रबर क्या है??

स्टाइरीन ब्यूटाडीन रबर (एसबीआर) एक बहुमुखी सिंथेटिक इलास्टोमर है, जो अपने उत्कृष्ट लागत-प्रदर्शन अनुपात और व्यापक उपलब्धता के कारण व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। एसबीआर का संश्लेषण एक कोपॉलिमर के रूप में किया जाता है जो मुख्य रूप से 1,3-ब्यूटाडीन (लगभग 75%) और स्टाइरीन मोनोमर (लगभग 25%) से प्राप्त होता है। इन मोनोमरों को कोपॉलिमराइजेशन नामक रासायनिक अभिक्रिया के माध्यम से संयोजित किया जाता है, जिससे लंबी, बहु-इकाई बहुलक श्रृंखलाएं बनती हैं। एसबीआर विशेष रूप से उच्च स्थायित्व और असाधारण घर्षण प्रतिरोध की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो इसे टायर के ट्रेड के लिए एक आदर्श विकल्प बनाता है।

सिंथेटिक रबर निर्माण प्रक्रिया

एसबीआर संश्लेषण दो अलग-अलग औद्योगिक बहुलकीकरण विधियों के माध्यम से पूरा किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप अलग-अलग अंतर्निहित विशेषताओं वाली सामग्री प्राप्त होती है और तरल अवस्था के दौरान विशिष्ट चिपचिपाहट नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

इमल्शन पॉलीमराइजेशन (ई-एसबीआर):इस पारंपरिक विधि में, मोनोमर्स को साबुन जैसे सर्फेक्टेंट का उपयोग करके जलीय घोल में फैलाया या पायसीकृत किया जाता है। अभिक्रिया मुक्त मूलक आरंभकर्ताओं द्वारा शुरू की जाती है और उत्पाद की गुणवत्ता में गिरावट को रोकने के लिए स्टेबलाइजर की आवश्यकता होती है। ई-एसबीआर को गर्म या ठंडे प्रक्रिया तापमानों का उपयोग करके उत्पादित किया जा सकता है; विशेष रूप से, ठंडे ई-एसबीआर को बेहतर घर्षण प्रतिरोध, तन्यता शक्ति और कम लचीलेपन के लिए जाना जाता है।

 

विलयन बहुलकीकरण (एस-एसबीआर):इस उन्नत विधि में आयनिक बहुलकीकरण शामिल है, जिसमें आमतौर पर हाइड्रोकार्बन विलायक (सामान्यतः हेक्सेन या साइक्लोहेक्सेन) में एल्काइल लिथियम आरंभकर्ता (जैसे ब्यूटिललिथियम) का उपयोग किया जाता है। एस-एसबीआर ग्रेड में आमतौर पर उच्च आणविक भार और संकीर्ण वितरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप बेहतर लचीलापन, उच्च तन्यता शक्ति और टायरों में काफी कम रोलिंग प्रतिरोध जैसे गुण बेहतर होते हैं, जिससे एस-एसबीआर एक प्रीमियम, अधिक महंगा उत्पाद बन जाता है।

महत्वपूर्ण बात यह है कि दोनों प्रक्रियाओं में, रिएक्टर से निकलने वाले द्रव में चेन टर्मिनेटर या शॉर्ट-स्टॉप एजेंट डालकर पॉलीमराइजेशन प्रतिक्रिया को सटीक रूप से समाप्त करना आवश्यक है। यह अंतिम चेन की लंबाई को नियंत्रित करता है, एक ऐसा चरण जो सीधे प्रारंभिक आणविक भार और परिणामस्वरूप, आधार को निर्धारित करता है।रबर की श्यानतामिश्रण से पहले।

 

स्टाइरीन ब्यूटाडीन रबर के गुणधर्म

एसबीआर को इसके मजबूत भौतिक और यांत्रिक गुणों के कारण महत्व दिया जाता है:

यांत्रिक प्रदर्शन:इसकी प्रमुख खूबियों में उच्च तन्यता शक्ति शामिल है, जो आमतौर पर 500 से 3,000 पीएसआई तक होती है, साथ ही उत्कृष्ट घर्षण प्रतिरोध भी। एसबीआर संपीड़न सेट के प्रति अच्छा प्रतिरोध और उच्च प्रभाव प्रतिरोध भी प्रदर्शित करता है। इसके अलावा, यह सामग्री स्वाभाविक रूप से दरार-प्रतिरोधी है, जो एक महत्वपूर्ण विशेषता है जिसके कारण कार्बन ब्लैक जैसे बड़ी मात्रा में सुदृढ़कारी भरावों को शामिल करके इसकी मजबूती और यूवी प्रतिरोध को बढ़ाया जा सकता है।

रासायनिक और ऊष्मीय प्रोफाइल:हालांकि एसबीआर आमतौर पर पानी, अल्कोहल, कीटोन और कुछ कार्बनिक अम्लों के प्रति प्रतिरोधी होता है, लेकिन इसमें कुछ उल्लेखनीय कमियां भी हैं। पेट्रोलियम आधारित तेलों, एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन ईंधन, ओजोन और हैलोजेनेटेड सॉल्वैंट्स के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता कम होती है। तापीय रूप से, एसबीआर लगभग 225°F के निरंतर उपयोग की अधिकतम सीमा और -60°F तक के निम्न तापमान पर भी लचीलापन बनाए रखता है।

 

आणविक भार और श्रृंखला संरचना के प्राथमिक सूचक के रूप में श्यानता

कच्चे पॉलीमर के रियोलॉजिकल गुणधर्म मूलतः आणविक संरचना द्वारा निर्धारित होते हैं—पॉलीमर श्रृंखलाओं की लंबाई और शाखाओं की संख्या—जो पॉलीमरीकरण चरण के दौरान स्थापित होती है। उच्च आणविक भार आमतौर पर उच्च श्यानता और उसके अनुरूप कम गलनांक प्रवाह दर (MFR/MVR) को दर्शाता है। इसलिए, रिएक्टर से निकलने के तुरंत बाद आंतरिक श्यानता (IV) को मापना, इच्छित आणविक संरचना के निर्माण की निरंतर निगरानी के समान है।

 

III. एसबीआर प्रसंस्करण को नियंत्रित करने वाले रियोलॉजिकल सिद्धांत

 

रियोलॉजिकल सिद्धांत, अपरूपण दर निर्भरता, तापमान/दबाव संवेदनशीलता।

 

पदार्थों के विरूपण और प्रवाह के अध्ययन, रियोलॉजी, औद्योगिक प्रसंस्करण स्थितियों के तहत एसबीआर के व्यवहार को समझने के लिए वैज्ञानिक ढांचा प्रदान करती है। एसबीआर को एक जटिल श्यान-लोचदार पदार्थ के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिसका अर्थ है कि यह श्यान (स्थायी, तरल-समान प्रवाह) और प्रत्यास्थ (पुनर्प्राप्त करने योग्य, ठोस-समान विरूपण) प्रतिक्रियाओं का मिश्रण प्रदर्शित करता है। इन विशेषताओं का प्रभुत्व लगाए गए भार की दर और अवधि पर काफी हद तक निर्भर करता है।

एसबीआर यौगिक मूलतः गैर-न्यूटनियन द्रव होते हैं। इसका अर्थ है कि उनका स्पष्टरबर की चिपचिपाहटयह एक स्थिर मान नहीं है बल्कि एक महत्वपूर्ण बदलाव दर्शाता है।अपरूपण दर निर्भरताअपरूपण दर बढ़ने पर श्यानता में काफी कमी आती है, इस घटना को अपरूपण पतलापन (शीयर थिनिंग) कहा जाता है। यह गैर-न्यूटनियन व्यवहार गुणवत्ता नियंत्रण के लिए महत्वपूर्ण है। कम अपरूपण दरों पर प्राप्त श्यानता मान, जैसे कि पारंपरिक मूनी विस्कोमीटर परीक्षणों में मापे गए मान, मिश्रण, गूंधने या एक्सट्रूज़न प्रक्रियाओं में निहित उच्च अपरूपण दरों के तहत सामग्री के व्यवहार का अपर्याप्त प्रतिनिधित्व कर सकते हैं। अपरूपण के अलावा, श्यानता तापमान के प्रति भी अत्यधिक संवेदनशील होती है; प्रक्रिया ऊष्मा श्यानता को कम करती है, जिससे प्रवाह में सहायता मिलती है। यद्यपि दाब भी श्यानता को प्रभावित करता है, स्थिर तापमान और सुसंगत अपरूपण इतिहास बनाए रखना सर्वोपरि है, क्योंकि श्यानता अपरूपण, दाब और प्रसंस्करण समय के साथ गतिशील रूप से बदल सकती है।

 

एसबीआर की चिपचिपाहट पर प्लास्टिसाइज़र, फिलर्स और प्रोसेसिंग एड्स का प्रभाव

 

रबर प्रसंस्करणइस चरण को कंपाउंडिंग के नाम से जाना जाता है, जिसमें कई योजकों को एकीकृत किया जाता है जो मूल एसबीआर पॉलिमर के रियोलॉजी को नाटकीय रूप से संशोधित करते हैं:

प्लास्टिकराइज़र:एसबीआर की लचीलता और समग्र प्रसंस्करण क्षमता को बेहतर बनाने के लिए प्रोसेस ऑयल महत्वपूर्ण हैं। ये यौगिक की समग्र चिपचिपाहट को कम करके कार्य करते हैं, जिससे फिलर्स का समान रूप से फैलाव आसान हो जाता है और पॉलिमर मैट्रिक्स नरम हो जाता है।

फिलर्स:मुख्य रूप से कार्बन ब्लैक और सिलिका जैसे सुदृढ़ीकरण कारक, सामग्री की श्यानता को काफी हद तक बढ़ा देते हैं, जिससे फिलर-फिलर और फिलर-पॉलिमर अंतःक्रियाओं द्वारा संचालित जटिल भौतिक घटनाएँ उत्पन्न होती हैं। इष्टतम फैलाव प्राप्त करना एक संतुलन है; ग्लिसरॉल जैसे कारकों का उपयोग लिग्नोसल्फोनेट फिलर्स को नरम करने के लिए किया जा सकता है, जिससे फिलर की श्यानता एसबीआर मैट्रिक्स की श्यानता के करीब आ जाती है, जिससे समूह निर्माण कम हो जाता है और समरूपता में सुधार होता है।

वल्कनीकरण कारक:सल्फर और त्वरक जैसे ये रसायन, अपरिष्कृत यौगिक की रियोलॉजी में महत्वपूर्ण परिवर्तन लाते हैं। ये कारक झुलसने से सुरक्षा (अपरिपक्व क्रॉस-लिंकिंग के प्रति प्रतिरोध) जैसे कारकों को प्रभावित करते हैं। फ्यूम्ड सिलिका जैसे अन्य विशेष योजकों का उपयोग विशिष्ट रियोलॉजिकल लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए श्यानता बढ़ाने वाले एजेंटों के रूप में रणनीतिक रूप से किया जा सकता है, जैसे कि कुल ठोस सामग्री को बदले बिना मोटी परतें बनाना।

 

रबर के वल्कनीकरण प्रक्रिया और अंतिम क्रॉस-लिंक घनत्व को रियोलॉजी से जोड़ना

 

मिश्रण और निर्माण के दौरान प्रदान की गई रियोलॉजिकल कंडीशनिंग सीधे वल्कनीकृत उत्पाद के अंतिम सेवा प्रदर्शन से जुड़ी होती है।

एकरूपता और फैलाव:मिश्रण के दौरान चिपचिपाहट प्रोफाइल में असंगति - जो अक्सर गैर-इष्टतम ऊर्जा इनपुट से संबंधित होती है - के परिणामस्वरूप क्रॉस-लिंकिंग पैकेज (सल्फर और त्वरक) का खराब फैलाव और असमान वितरण होता है।

रबर के वल्कनीकरण की प्रक्रिया:इस अपरिवर्तनीय रासायनिक प्रक्रिया में एसबीआर यौगिक को गर्म किया जाता है, आमतौर पर सल्फर के साथ, जिससे बहुलक श्रृंखलाओं के बीच स्थायी क्रॉस-लिंक बनते हैं, जो रबर की मजबूती, लोच और स्थायित्व को काफी हद तक बढ़ाते हैं। इस प्रक्रिया में तीन चरण होते हैं: प्रेरण (स्कॉर्च) चरण जहां प्रारंभिक आकार निर्धारण होता है; क्रॉस-लिंकिंग या क्यूरिंग चरण (250 ℉ से 400 ℉ पर तीव्र प्रतिक्रिया); और इष्टतम अवस्था।

क्रॉस-लिंक घनत्व:अंतिम यांत्रिक गुणधर्म प्राप्त क्रॉस-लिंक घनत्व द्वारा निर्धारित होते हैं। उच्चतर D_cये मान आणविक श्रृंखला की गति को बाधित करते हैं, जिससे भंडारण मापांक बढ़ जाता है और पदार्थ की गैर-रेखीय श्यानतात्मक प्रतिक्रिया (जिसे पायने प्रभाव के रूप में जाना जाता है) प्रभावित होती है। इसलिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि आणविक अग्रदूत बाद की उपचार प्रतिक्रिया के लिए सही ढंग से तैयार हैं, अपरिष्कृत प्रसंस्करण चरणों में सटीक रियोलॉजिकल नियंत्रण आवश्यक है।

 

IV. श्यानता मापन में मौजूदा समस्याएं

परंपरागत ऑफ़लाइन परीक्षण की सीमाएँ

परंपरागत, असंतत और श्रम-प्रधान गुणवत्ता नियंत्रण विधियों पर व्यापक निर्भरता निरंतर एसबीआर उत्पादन पर महत्वपूर्ण परिचालन बाधाएं डालती है, जिससे तीव्र प्रक्रिया अनुकूलन बाधित होता है।

मूनी श्यानता पूर्वानुमान और विलंब:एक प्रमुख गुणवत्ता सूचकांक, मूनी श्यानता, परंपरागत रूप से ऑफ़लाइन मापा जाता है। औद्योगिक सामग्री की भौतिक जटिलता और उच्च श्यानता के कारणरबर निर्माण प्रक्रियाआंतरिक मिक्सर में इसे वास्तविक समय में सीधे मापा नहीं जा सकता। इसके अलावा, पारंपरिक अनुभवजन्य मॉडलों का उपयोग करके इस मान का सटीक अनुमान लगाना चुनौतीपूर्ण है, विशेष रूप से फिलर्स युक्त यौगिकों के लिए। प्रयोगशाला परीक्षण में लगने वाला समय सुधारात्मक कार्यों में देरी करता है, जिससे बड़ी मात्रा में गैर-मानकीकृत सामग्री के उत्पादन का वित्तीय जोखिम बढ़ जाता है।

परिवर्तित यांत्रिक इतिहास:कैपिलरी रियोमेट्री, प्रवाह व्यवहार का वर्णन करने में सक्षम होने के बावजूद, व्यापक नमूना तैयारी की आवश्यकता होती है। परीक्षण से पहले सामग्री को विशिष्ट बेलनाकार आयामों में पुनः ढालना पड़ता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो यौगिक के यांत्रिक इतिहास को बदल देती है। परिणामस्वरूप, मापी गई श्यानता औद्योगिक प्रक्रिया के दौरान यौगिक की वास्तविक स्थिति को सटीक रूप से प्रतिबिंबित नहीं कर सकती है।रबर प्रसंस्करण.

अपर्याप्त एकल-बिंदु डेटा:मानक मेल्ट फ्लो रेट (MFR) या मेल्ट वॉल्यूम रेट (MVR) परीक्षण स्थिर परिस्थितियों में केवल एक ही फ्लो इंडेक्स प्रदान करते हैं। यह नॉन-न्यूटनियन SBR के लिए अपर्याप्त है। दो अलग-अलग बैचों में MVR मान समान हो सकते हैं, लेकिन एक्सट्रूज़न के लिए प्रासंगिक उच्च शियर दरों पर उनकी श्यानता में बहुत अधिक अंतर हो सकता है। यह असमानता अप्रत्याशित प्रसंस्करण विफलताओं का कारण बन सकती है।

लागत और रसद संबंधी बोझ:बाहरी प्रयोगशाला विश्लेषण पर निर्भर रहने से रसद संबंधी लागत और समय की देरी काफी बढ़ जाती है। निरंतर निगरानी से आर्थिक लाभ मिलता है क्योंकि इससे बाहरी विश्लेषण की आवश्यकता वाले नमूनों की संख्या में काफी कमी आती है।

उच्च श्यानता और बहु-चरणीय एसबीआर यौगिकों के मापन की चुनौती

रबर यौगिकों के औद्योगिक प्रबंधन में अत्यधिक उच्च श्यानता और जटिल श्यानता-लोचदार व्यवहार प्रदर्शित करने वाली सामग्री शामिल होती है, जो प्रत्यक्ष माप के लिए अद्वितीय चुनौतियां पैदा करती है।

फिसलना और फ्रैक्चर:उच्च श्यानता और विस्कोइलास्टिक रबर सामग्री को पारंपरिक ओपन-बाउंड्री रियोमीटर में परीक्षण करते समय वॉल स्लिप और लोच-प्रेरित नमूना फ्रैक्चर जैसी समस्याओं का सामना करना पड़ता है। इन प्रभावों को दूर करने के लिए, विशेष रूप से उन भरी हुई सामग्रियों में जहां जटिल पॉलिमर-फिलर अंतःक्रियाएं होती हैं, दांतेदार, बंद-सीमा डिजाइन वाले ऑसिलेटिंग डाई रियोमीटर जैसे विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है।

रखरखाव और सफाई:पॉलिमर और फिलर्स की चिपचिपी और उच्च श्यानता प्रकृति के कारण मानक ऑनलाइन फ्लो-थ्रू या केशिका प्रणालियाँ अक्सर अवरुद्ध हो जाती हैं। इससे जटिल सफाई प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है और भारी लागत के साथ उत्पादन बंद हो जाता है, जो निरंतर उत्पादन व्यवस्था में एक गंभीर हानि है।

पॉलिमर विलयनों के लिए एक मजबूत आंतरिक श्यानता मापक यंत्र की आवश्यकता।

पॉलीमराइजेशन के बाद प्रारंभिक विलयन या स्लरी अवस्था में, महत्वपूर्ण माप आंतरिक श्यानता (IV) है, जो आणविक भार और पॉलीमर के प्रदर्शन से सीधे संबंधित है। पारंपरिक प्रयोगशाला विधियाँ (जैसे, जीपीसी या कांच की केशिकाएँ) वास्तविक समय नियंत्रण के लिए बहुत धीमी हैं।

औद्योगिक वातावरण में स्वचालित और मजबूत प्रणाली की आवश्यकता होती है।आंतरिक श्यानता उपकरणआईवीए वर्सा जैसे आधुनिक समाधान, विलयन की श्यानता मापने के लिए दोहरी केशिका सापेक्ष विस्कोमीटर का उपयोग करके पूरी प्रक्रिया को स्वचालित बनाते हैं, जिससे विलायकों के साथ उपयोगकर्ता का संपर्क कम से कम हो जाता है और उच्च परिशुद्धता (आरएसडी मान 1% से कम) प्राप्त होती है। पिघले हुए पदार्थ की अवस्था में इनलाइन अनुप्रयोगों के लिए, साइड स्ट्रीम ऑनलाइन-रियोमीटर (एसएसआर) एक स्थिर अपरूपण दर पर निरंतर अपरूपण श्यानता माप के आधार पर आईवी-रियो मान निर्धारित कर सकते हैं। यह माप एक अनुभवजन्य सहसंबंध स्थापित करता है जो पिघले हुए पदार्थ की धारा में आणविक भार (एमडब्ल्यू) परिवर्तनों की निगरानी की अनुमति देता है।