ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ РЕЗИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
TREATMENT OF RUBBER SURFACE USING LOW PRESSURE PLASMA

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к обработке поверхности веществ с использованием плазмы низкого давления и, в частности, к обработке поверхностей резины для изменения поверхности, чтобы получить определенные требуемые характеристики поверхности.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В производстве всех видов шин транспортных средств заготовку для шины или “сырую шину”, содержащую несколько слоев невулканизированных резиновых смесей, помещают в металлическую форму, при помощи которой создают внешний контур, т.е. профиль, геометрию боковины шины и рисунок протектора шины. Чтобы запрессовать невулканизированную заготовку для шины в контур металлической формы, внутрь сырой шины помещают диафрагму и нагнетают горячим паром. Посредством нагнетаемого горячего пара диафрагма запрессовывает сырую шину в полость формы и нагревает сырую шину и, таким образом, вызывает ее вулканизацию. Диафрагма обычно состоит из резины. В зависимости от размера шины и типа шины этот процесс может занимать около 20-30 минут.
Чтобы предотвратить прилипание сырой шины к диафрагме во время процесса вулканизации, на поверхность диафрагмы, которая соприкасается с сырой шиной, наносят разделительный состав. Если разделительный состав, который наносят на диафрагму, отсутствует или недостаточен, то может быть трудно или невозможно отделить диафрагму от вулканизированной шины. Диафрагма может быть использована для производства около 400-600 шин, после чего, по причинам прочности и механического старения, ее заменяют и утилизируют.
Часто используют разделительные составы, основанные на силиконе или тальке. На практике разделительный состав должен быть нанесен снова после нескольких, скажем, 4 - 6, вулканизаций, потому что некоторая часть разделительного состава на диафрагме переходит внутрь (на внутреннюю оболочку) полученной шины.
Разделительный состав, который остается внутри шины, может вызвать проблемы, в частности, если, например, позже на внутреннюю оболочку будут наносить вещество или компонент.
Примерами таких веществ являются заклеивающие вещества для ремонта и заклеивания проколов. Это сработает, только если на внутренней оболочке не будет разделительного состава.
Другим примером является измерительное оборудование, например для измерения температуры шины.
Следовательно, поверхность внутренней оболочки очищают, используя дорогие и потребляющие много энергии процессы, а также моющие средства, загрязняющие окружающую среду. Но даже очистка работает только с определенными разделительными составами и в таком случае лишь неудовлетворительная.
Другим примером является то, что некоторые автомобилестроительные компании прилепляют полосы акустического пористого материала на внутреннюю оболочку, чтобы снизить шум, вызываемый шиной при качении. В настоящее время это возможно, только если области, к которой будет приклеен пористый материал, механически придать шероховатости, что может повредить внутреннюю оболочку.
Заявитель разработал способы и вещества, например желеобразные или тиксотропные вещества для нанесения на внутреннюю оболочку шины с целью балансировки шины и/или колеса, на которое шина установлена. Чтобы удержать такие вещества, на внутреннюю оболочку наносят ребра и необходимо очистить внутреннюю оболочку и удалить любой разделительный состав перед нанесением ребер.
Были протестированы и применены различные меры, такие как
очистка с растворителями,
очистка с очистителем высокого давления,
нанесение грунтовки,
придание внутренней оболочки шероховатости механически.
Известна плазменная обработка термопластичных материалов и эластомеров. Однако с целью изменения поверхностей, так что другие материалы, такие как краска и другая обработка поверхности, будут затем очень хорошо прилипать. Типичным примером является автомобильная промышленность, где, например, кузовные элементы, такие как бамперы, обрабатывают плазмой низкого давления для получения хорошего прилипания краски к части кузова. Эти бамперы, как правило, изготавливают из PP или EPDM и никакой другой материал не будет хорошо прилипать к этим материалам, и бамперы из этих материалов не могут нормально быть надежно окрашены. Благодаря обработке плазмой низкого давления их поверхности изменяются, так что краска хорошо прилипает. Такие изменения обычно производят в кислородной плазме.
В патенте США 6488992 раскрыто, что эластомерные уплотнения, в том числе эластомерные уплотняющие кольца круглого сечения, могут обладать химически стойкими тонкими пленками, нанесенными техникой полимеризации в плазме на поверхность эластомера, увеличивающими износостойкость и средостойкость без изменения физических свойств эластомера. Пленки могут быть силановым полимером, нанесенным плазменным осаждением в радиочастотном/микроволновом реакторе с двойным источником питания.
В патенте США 5198033 раскрывается приспособление плазменной обработки для обработки материала полосового проката, такого как трубы, проволока, листы и подобное, путем перемещения полосового проката через область плазменной обработки приспособления, что обеспечивает улучшенную стойкость обработки поверхности, если напряжение на материале осталось в пределах заданного диапазона.
В заявка на патент США 2009/289396 раскрывается способ для повторного использования полимерных материалов, в частности вулканизированной резины, такой как может быть получена из шин и тому подобного, содержащий получение твердого полимерного материала в форме частиц, полученных из предыдущего предмета или продукта. Частицы полимера подвергают воздействию обработки текучей средой, которая химически изменяет поверхности частиц для предоставления химически активированных поверхностей частиц помимо сохранения характеристик полимера во внутренней части частиц. Частицы полимера с активированной поверхностью комбинируют с текучим связующим материалом или вяжущим материалом. Связующий материал или вяжущий материал затем отверждают, высушивают или подвергают усадке в плотном контакте с поверхностно активированными частицами полимера для формирования массы материала, включающего в себя частицы повторно использованного полимера с поверхностями, присоединенными к отвержденному, высушенному или подвергнутому усадке связующему материалу или вяжущему материалу. Таким образом, большие пропорции материала из частиц могут быть повторно использованы в новых продуктах, которые показывают хорошие характеристики, например эластомерные характеристики.
В патенте США 4214014 раскрыта обработка поверхности для жестких или дегидратированных гидрофильных контактных линз для снижения отложения на них загрязнений, включающая подвергание линзы после формирования и полирования газовому разряду, например, в кислородной атмосфере.
В документе WO 00/01528 A1 предложены способы для химического изменения поверхности частиц с использованием изменения поверхности плазмы. Способ для подготовки обуви, обладающей по меньшей мере двумя компонентами, включает в себя химическое изменение поверхности компонента с использованием изменения поверхности плазмы. Измененную поверхность компонента затем прилепляют к поверхности другого компонента. Функциональности, добавленные поверхности компонента этой техникой, включают в себя функциональности хлора, кислорода и амина. Прилипание подложки усилено в результате химического изменения поверхности подложки с использованием изменения поверхности плазмы для введения в состав функциональностей, содержащих хлор и кислород, функциональностей, содержащих хлор и амин, или функциональностей, содержащих амин и кислород.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение предлагает способ изменения поверхности диафрагм и поверхностей других объектов, содержащих резиновый материал, с использованием плазмы низкого давления. Для производства использована плазма низкого давления, предпочтительно фтористый газ, такой как тетрафторметан и гексафторэтан при низком давлении, таком как 0,3 мбар.
Этот способ придает резиновой поверхности высокие качества отталкивания при контакте с другими материалами. В частности, резиновая диафрагма для использования в производстве шин транспортного средства может быть обработана с использованием способа данного изобретения для получения высоких качеств отталкивания, чтобы при контакте с резиновой смесью внутренней оболочки сырых шин не было прилипания или было небольшое прилипание и диафрагма могла быть отделена от вулканизированной шины.
Потому что фтористый газ используют как плазменный газ, поверхность резинового материала деактивирована, чтобы другие материалы не прилипали. Эти изменения поверхности плазменными газами возможны только в очень тонком слове поверхности, обычно в слое толщиной в нанометровом диапазоне. Эксперименты показывают, однако, что такая толщина достаточна по меньшей мере для обработки поверхности диафрагмы для использования в производстве шин транспортного средства. Тесты на вулканизацию были проведены при обычных параметрах производства и было обнаружено, что такой же эффект отталкивания все еще проявлялся даже после 500 тестов на вулканизацию, что соответствует сроку использования диафрагмы.
Путем использования диафрагм, обработанных по способу данного изобретения, производители шин смогут избежать повторяющегося ручного процесса покрытия диафрагм разделительными составами примерно через каждые пять произведенных шин. Таким образом, данное изобретение экономит труд и время, избегая использования разделительных составов. И нет никакого загрязнения рабочего места и станка, как и окружающей среды. Также можно избежать сложных процессов удаления разделительного состава с внутренней оболочки, который иногда может быть неудовлетворительным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Чертеж схематически иллюстрирует систему, использованную для осуществления способа по данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На всем протяжении этого описания слово “содержать“ или варианты, такие как “содержит” или “содержащий”, следует понимать как включение указанного элемента, целого или этапа, либо группы элементов, целых или этапов, но не исключение любого другого элемента, целого или этапа, либо группы элементов, целых или этапов.
На чертеже показана система 10 с герметичной камерой 11, имеющей достаточный объем, чтобы принять один или несколько объектов для обработки. Откачивающий насос 12 соединен с камерой 11 и может управляться для откачивания воздуха из камеры 11. Подача газа, например, в виде металлического контейнера 13, выполненного для впуска газа, который подвержен формированию плазмы, осуществляется через управляемый вентиль 14 для впуска газа в камеру 11. Чтобы генерировать высокочастотный электрический сигнал и подать высокочастотный электрический сигнала на электрод 16 внутри камеры 11 можно управлять высокочастотным генератором 15, чтобы вызвать формирование плазмы газом в камере. Низкое давление газа, подходящее для формирования и поддержания плазмы в камере 11, создают и поддерживают путем правильного функционирования откачивающего насоса 12 и/или вентиля 14 для впуска газа. Вентиль 17 для впуска воздуха предоставлен для впуска атмосферного воздуха в камеру 11.
Примером системы 10, который может быть использован для осуществления способа данного изобретения, является система TETRA-150-LF-PC, доступная от Diener electronic GmbH+Co. KG, Nagoldestrasse 61, D-72224 Ebhausen, Germany. Для меньших элементов может быть использована их серия систем TETRA 30. Разумеется, также могут быть использованы специально спроектированные и сконструированные приспособления для плазмы низкого давления или приспособления от других поставщиков.
Другим примером системы 10, который может быть использован для осуществления способа данного изобретения, является их система TF 5000 PC.
На чертеже также показан объект 20 для обработки в системе. Показанный объект 20 является диафрагмой для использования в процессе по изготовлению шин транспортного средства. Диафрагма содержит резиновый материал с поверхностью, которую будут обрабатывать для получения требуемых качеств отталкивания, чтобы предотвратить прилипание к внутренней оболочке шин, которые производят с использованием диафрагмы. Другие резиновые объекты также могут быть обработаны для получения качеств отталкивания.
Когда объект 20 помещают в камеру 11, для откачивания воздуха из камеры управляют откачивающим насосом 12. Когда в камере получено подходящее низкое давление, управляют вентилем 14 для впуска газа, чтобы открыть контейнер 13 для впуска газа и впустить газ в камеру 11. В этом примере, где объектом 20 для обработки является диафрагма, содержащая резиновый материал, газ содержит фтористый газ, такой как тетрафторметан или гексафторэтан, или их смесь, и давление должно быть низким, таким как 0,3 мбар.
Другой газ может содержать фтористый газ, такой как тетрафторметан или гексафторэтан, трехфтористый азот (NF3) или их смесь. Давление должно быть низким, таким как примерно от 0,3 мбар до 0,5 мбар.
Затем для генерирования высокочастотного электрического сигнала, который подают на электрод 16 внутри камеры 11, управляют высокочастотным генератором 15 и в камере генерируется электромагнитное поле. Частота высокочастотного электрического сигнала является подходящей, чтобы вызвать формирование плазмы фтористым газом в камере и может быть в диапазоне кГц, МГц или ГГц.
Время обработки зависит от требуемого результата и от напряженности электромагнитного поля. Плазма фтористого газа изменяет поверхность объекта в толщине в нанометровом диапазоне. В случае если объектом является диафрагма, предпочтительно для получения толщины измененного поверхностного слоя, это может продлевать предполагаемый срок службы диафрагмы при предполагаемых условиях эксплуатации. Тесты, проведенные на образцах, соответствующих используемым в промышленности диафрагмам, показали, что возможно получение долговременных качеств отталкивания, которые будут выдерживать несколько сотен вулканизаций шин транспортного средства, т.е. соответствующие сроку службы диафрагм, используемых в промышленности. Это значит, что диафрагмы не будут требовать какой-либо повторяемой или “дополнительной” обработки во время их предполагаемого срока службы и что будет необходима только начальная обработка. Тесты в коммерческой системе, как упоминалось выше, показывают, что время обработки менее чем один час будет достаточным.
Другие тесты показывают, что время обработки 45 минут будет достаточным.
Поскольку обработанная плазмой диафрагма будет надута, что означает растянута, во время процесса производства шины, обработанная плазмой низкого давления площадь диафрагмы также будет растянута и станет тоньше при растягивании. Усовершенствованием здесь является плазменная обработка диафрагмы в растянутом положении, что означает помещение диафрагмы в форме растянутого положения в камеру 11 и проведение процесса плазменной обработки с растянутой диафрагмой. Растягивание может быть выполнено с помощью механического оборудования. В этом случае должно быть использовано устройство для механического растягивания, которое растягивает диафрагму таким же или подобным образом, как это происходит с диафрагмой во время процесса изготовления шины. Растягивание также может быть выполнено с помощью давления воздуха или газа внутри диафрагмы. В этом случае отверстия диафрагмы должны быть закрыты с помощью закрывающих устройств. С использованием впуска воздуха в закрывающие устройства давление воздуха или газа может быть приложено к диафрагме, чтобы растянуть диафрагму таким же образом, как это происходит с диафрагмой во время процесса изготовления шины.
Другая возможность для растягивания диафрагмы содержит помещение резинового рукава внутрь диафрагмы, накачивание рукава воздухом или газом под давлением и растягивание диафрагмы при помощи накачанного рукава таким же или подобным образом, как это происходит с диафрагмой во время процесса изготовления шины.
Касательно величины давления воздуха внутри диафрагмы или рукава перед обработкой низким давлением, следует принять во внимание, что в вакуумной камере происходит дополнительное накачивание из-за низкого давления.