Снижение вязкости резинового клея ультразвуком

УДК 544.57:678

Е. В. МИРОНОВА

Омский государственный технический университет

СНИЖЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РЕЗИНОВОГО КЛЕЯ УЛЬТРАЗВУКОМ

Воздействие ультразвука на бензиновые растворы сырой резиновой смеси (резиновый клей), изготовленной на основе каучука, приводит к существенному снижению вязкости клея, что позволяет повысить концентрации раствора, уменьшить время испарения растворителя в процессах склеивания резин, улучшить свойства смачиваемости клея поверхности резин.

Ключевые слова: резиновый клей, ультразвуковая обработка, диффузионные процессы, вязкость резинового клея, молекулярная масса резиновой смеси.

Резиновая смесь — это сложная многокомпонентная система, состоящая из каучуковой основы и различных наполнителей — ингредиентов. До вулканизации резиновую смесь называют сырой, после вулканизации называют резиной или вулканизатом. Сырая резиновая смесь обладает некоторыми свойствами пластмасс, а именно, плавится при нагревании, растворяется в растворителях, в частности в бензине. Растворяется основа смеси — каучук. В резинотехнической промышленности этими свойствами сырых резиновых смесей широко пользуются, изготавливая резиновый клей путем растворения сырой резиновой смеси в бензине «галоша».

Полученный раствор выполняет функции адге-зива и используется в качестве склеивающей прослойки в процессах дублирования при создании различных резинокордных конструкций с последующей и вулканизацией.

Чтобы резинокордные конструкции после вулканизации были прочными, необходимо при их сборке в сыром виде все элементы надежно и качественно соединять между собой. Для обеспечения качественных соединений поверхности сырых заготовок перед дублированием активируют, покрывая слоем клея.

Если на этапе сборки сырых заготовок в резино-кордную конструкцию не достигнуто качественное соединение элементов, то в процессе вулканизации этот дефект не устраняется и конструкция после ее вулканизации будет иметь несплавления, пустоты, газовые пузыри, что приведет к быстрому выходу ее из строя при эксплуатации. Поэтому к резиновым клеям предъявляется ряд требований [1], основные из которых — это низкая вязкость, высокая прочность адгезива после вулканизации и др.

Низкая вязкость клея обеспечивает его проникновение в мельчайшие поры и несплошности на поверхностях резин, поддлежащих дублированию, а также возможность его нанесения распылительными форсунками. Клеевая прослойка между соединяемыми поверхностями после совулканизации должна иметь равнопрочность основному материалу дублируемых элементов конструкции.

В настоящее время на предприятиях, занимающихся производством резинотехнических изделий, резиновый клей получают путем механического перемешивания сырой резиновой смеси и бензина. Такая технология получения клея не позволяет повысить его технологические свойства. Хотя снижение вязкости клея и достигается путем снижения

концентрации резиновой смеси в бензине до 1:20 и ниже. Однако чем больше в клее бензина, тем длительнее время выдержки для его испарения после нанесения на дублируемые поверхности. Остаток бензина в клее снижает прочность прослойки адге-зива после вулканизации конструкции.

В настоящей публикации представлены результаты исследований влияния мощного низкочастотного ультразвука на изменение вязкости резинового клея.

Исследования выполнялись на клеях, полученных на основе натурального каучука. Для приготовления клея использовали сырую резиновую смесь, состав которой приведен в табл. 1.

Резиновый клей для исследований получали традиционным способом применяемым в резинотехнических производствах. Сырую резиновую смесь перемешивали на лабораторных вальцах в течение 40 — 50 минут, при этом первым в вальцы подавался каучук, затем остальные ингредиенты. Приготовленную смесь растворяли в бензине «галоша» в лабораторной вертикальной мешалке в течение нескольких часов при концентрации 5 %, т.е. пять массовых частей сырой резиновой смеси на сто массовых частей растворителя. Перемешивание раствора прекращалось при достижении наименьшей вязкости клея, которая составляла 80 — 85 с прохождения клея в вискозиметре ВЗ-1.

Далее резиновый клей подвергали ультразвуковой обработке в лабораторной установке, схематичный чертеж которой представлен на рис. 1.

Таблица 1

Состав резинового клея, использованного в исследовании

Ингредиенты резиновой смеси Массовая доля ингредиентов

Натуральный каучук 100

Сера 3

Сульфанамид БТ 2

Белила цинковые 5

Канифоль 3

Неозон «Д» 1

Продукт 4010 №А 1

Технический углерод ПМ-100 30

Рис. 1. Сема ультразвуковой обработки резинового клея: 1 — ультразвуковой плоский излучатель; 2 — магнитострикционный пакет; 3 — обрабатываемый резиновый клей; 4 — ультразвуковая камера; 5 — манометр давления; 6 — подача газа в камеру для обеспечения давления

Рис. 2. Зависимость вязкости резинового клея от времени ультразвуковой обработки (ту) при различных давлениях (Р) воздуха в ультразвуковой камере: 1 — 0; 2 — 0,1 МПа; 3 — 0,55 МПа; 4 — 0,45 МПа; 5 — 0,2 МПа; 6 — 0,3 МПа

Ультразвуковые колебания частотою 18 КГц создавались магнитострикционным преобразователем (пакетом), питаемым ультразвуковым генератором УЗГ-2-4М. Интенсивность ультразвуковых колебаний на поверхности излучателя составляла 20 Вт/см2.

Определяли влияние на вязкость резинового клея длительности воздействия ультразвука, давления в ультразвуковой камере и различных газовых сред, которыми наполняли ультразвуковую камеру.

На рис. 2 представлены зависимости вязкости резинового клея от длительности воздействия ультразвука при различных давлениях воздуха в ультразвуковой камере. Из полученных зависимостей следует, что при различных давлениях воздуха требуется различное время воздействия ультразвука для достижения наименьшей вязкости, обрабатываемого резинового клея. Исследования показали, что наибольшая скорость снижения вязкости и наименьшее ее значение достигается при давлении Р = 0,3 МПа и времени воздействия ультразвука в пределах 7 — 9 минут. При всех других давлениях ту возрастало до 10— 14 минут. Следует также констатировать, что вязкость клея, обработанного ультразвуком при давлении в камере Р = 0,3 МПа снижалось примерно в 2,5 — 3,0 раза в сравнении с исходной вязкостью.

На рис. 3 представлены зависимости вязкости резинового клея при ультразвуковой обработке и при фиксированном времени воздействия ультразвука и плавном изменении давления воздуха в ультразвуковой камере.

Из полученных зависимостей следует, что при давлении воздуха Р = 0,25 — 0,35 МПа и при неизменных всех других параметрах проведения эксперимента достигалась наименьшая вязкость резинового клея.

При таком давлении обеспечивалась наибольшая степень кавитирующего воздействия ультразвука при режимах нашего эксперимента [2, 3]. Как при более низком, так и при более высоком давлении наблюдалось как снижение скорости уменьшения вязкости, так и невозможность достижения минимальной вязкости резинового клея.

В работах [4, 5] указывалось, что на процессы, возникающие в резино-бензиновых растворах при воздействии ультразвуком существенно влияют различные газовые среды в ультразвуковой камере. Нами выполнялись исследования с целью определения

Рис. 3. Зависимость вязкости резинового клея от избыточного давления воздуха

в ультразвуковой камере (Р) при значениях продолжительности ультразвуковой обработки(ту): 1 — 2 мин; 2 — 6 мин; 3 — 10 мин; 4 — 14 мин

вакуума, нейтрального газа аргона, кислорода и воздуха на изменение вязкости резинового клея при различной длительности ультразвуковой обработки на оптимальном давлении в камере (Р = 0,3 МПа).

На рис. 4 представлены экспериментальные зависимости, из которых следует, что род газообразной среды существенно влияет на скорость снижения вязкости и ее значение при окончании обработки ультразвуком. Характерным является то, что чем химически агрессивнее газовая среда, тем интенсивнее снижается вязкость и тем меньше ее абсолютное значение после окончания обработки (кривая 4, кислород), а чем меньше химическая активность газовой среды, тем ниже эффект ультразвуковой обработки. Ультразвуковая обработка клея в вакууме приводит к обратному эффекту, т.е. вязкость клея повышается (кривая 1, вакуум).

Рис. 4. Зависимость вязкости (11) резинового клея от времени ультразвуковой обработки (ту при озвучивании в условиях разных газообразных сред: 1 — в условиях вакуума при давлении в ванне 10-1 мм рт. ст.; 2 — в среде аргона под давлением 0,3 МПа; 3 — в воздушной среде под давлением 0,3 МПа; 4 — в среде кислорода под давлением 0,3 МПа

ультразвуковой обработки резинового клея на его вязкость позволяет констатировать, что ультразвуковые технологии можно использовать в резинотехническом производстве для существенного повышения технологических возможностей резинового клея. После обработки ультразвуком резиновые клеи становятся, по существу, новыми материалами, обладающими новыми приобретенными свойствами и могут использоваться как в основном резинотехническом производстве, так и в технологиях ремонта изношенных шин, транспортерных лент, резиновых рукавов и др.

2. Экспериментальная ультразвуковая обработка резинового клея позволила установить, что наименьшая вязкость достигается при давлении в ультразвуковой камере, равном 0,25 — 0,35 МПа для воздуха, что приводит к снижению вязкости в 3 раза. При подаче в ультразвуковую камеру кислорода, при том же давлении, вязкость снижается в 3,5 — 4,0 раза в сравнении с исходной вязкостью, а время воздействия снижается до 5 — 7 минут.

Библиографический список

Наименьшая вязкость резинового клея была получена при ультразвуковой обработке в течение 5 — 7 минут, при давлении Р = 0,3 МПа, в среде кислорода и была меньше в 3,0 — 3,5 раза вязкости исходного клея. Эти экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при ультразвуковой обработке резинового клея возникающие в жидкой среде высокочастотные знакопеременные напряжения и кавитация [6, 7] приводят к разрыву длины макромолекул каучука с образованием активных радикалов [2], которые дезактивируются кислородом, что приводит к снижению вязкости клея. Если в клее отсутствует кислород или иные функциональные группы, то появляющиеся при ультразвуковой обработке радикалы рекомбинируют, что приводит к повышению вязкости резинового клея.

При обработке ультразвуком резинового клея в нем возникают вторичные эффекты, такие как кавитация, сжимающие и растягивающие усилия, сдвиговые напряжения и деформации, реологические потоки и др. Эти процессы оказывают физическое и химическое воздействие на резиновый клей, заключающееся не только в деструкции каучука, но и в физическом воздействии на другие ингредиенты. Эти ингредиенты существенно измельчаются, диспергируются, растворяются, что приводит к гомогенизации клеевого раствора и снижению его вязкости.

Заключение.

1. Анализ результатов выполненных экспериментальных исследований по определению влияния

1. Шилдз, Дж. Клеящие материалы: Справочник / под ред. В. П. Батизата ; пер. с англ. Раращенко и др. — М. : Машиностроение, 1980. — 368 с.

2. Барамбойм, Н. К. Механохимия высокомолекулярных соединений / Н. К. Барамбойм. — М. : Химия, 1971. — 264 с.

3. Симионееку, К. Механохимия высокомолекулярных соединений / К. Симионееку, К. Опреа // К. Симионееку ; пер. с румынского ; под ред. Н. К. Барамбойма. — М. : Мир, 1970. - 358 с.

4. Изучение свойств резиновых клеев, обработанных ультразвуком / И. В. Мозговой [и др.] // Производство шин, РТИ и АТИ. - 1980. - № 7. - С. 20-22.

5. Физико-химическое воздействие ультразвука в технологии резин / И. В. Мозговой [и др.] // Омский научный вестник. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - № 1 (107). - С. 327-329.

6. Мозговой, И. В. Физико-химическая модель механизма образования соединения при ультразвуковой сварке пластмасс / И. В. Мозговой // Прогрессивные технологические процессы заготовительного производства : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. проф. А. К. Машкова. - Новосибирск : Изд-во НИСИ, 1978. - С. 147-162.

7. Мозговой, И. В. Ультразвуковые технологии переработки полимерных материалов : моногр. / И. В. Мозговой. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 296 с.

МИРОНОВА Екатерина Владимировна, аспирантка кафедры «Нефтехимические технологии и оборудование».

Адрес для переписки: mkv_1985@mail.ru

Статья поступила в редакцию 10.03.2013 г. © Е. В. Миронова