Solusi untuk masalah penskalaan cetakan karet

Dalam industri pengolahan karet, penskalaan cetakan adalah fenomena umum. Selama proses curing, lapisan sedimen terbentuk pada dinding cetakan dan secara bertahap terakumulasi dalam siklus produksi selanjutnya. Literatur sebelumnya telah membahas pengaruh berbagai faktor yang menyebabkan kerak cetakan. Sekarang ditemukan bahwa untuk berbagai sulfida (dan seng oksida) yang terkandung dalam campuran karet polimer, seng sulfida adalah produk sampingan reaksi yang paling mengganggu yang menyebabkan kerak selama proses pengawetan. Tidak ada agen pelepas semi permanen atau pelapis (logam) permanen yang dapat menghindari pengendapan semacam ini. Disimpulkan bahwa scaling pada awalnya disebabkan oleh seng sulfida (endapan anorganik) yang menempel pada kapang dan membentuk lapisan endapan berwarna abu-abu. Sebagai fungsi suhu, komponen dengan berat molekul rendah dalam campuran menempel pada mikrokristal seng sulfida dan menyebabkan pengendapan tahap kedua (deposisi organik). Produk oksidasi terbentuk dalam jangka waktu tertentu dan menyebabkan pengendapan karbon.
Dengan memahami penyebab kerak cetakan dan mekanisme internal pembentukan mikrokristal seng sulfida pada permukaan logam cetakan, dimungkinkan untuk menghasilkan metode yang sesuai untuk proses pemrosesan saat ini untuk mengurangi pembentukan seng sulfida dan mencegah pengelupasan cetakan. . Sangat mungkin untuk mengurangi fenomena ini dengan mempelajari penyebab penskalaan.
Ada dua kemungkinan solusi untuk mencegah atau mengurangi pembentukan kotoran: mengubah komposisi campuran atau memperbaiki permukaan cetakan.
Ubah komposisi campuran untuk mengurangi kerak cetakan
Kerak cetakan yang disebabkan oleh seng oksida atau vulkanisasi harus dikurangi atau dihilangkan. Sebagian besar endapan terkait dengan kandungan sulfida dan seng oksida yang tinggi, yang biasanya digunakan dalam produk karet ban. Secara volume, ban merupakan produk karet terbesar di dunia (mencapai 75 persen ). Oleh karena itu, sebagian besar percobaan dilakukan dengan campuran kompon NR/BR dan kompon SBR yang biasa digunakan dalam produksi ban. Dalam aspek pengurangan skala cetakan dengan mengubah komposisi campuran, pengaruh seng sulfida, percobaan vulkanisasi jangka pendek dan pengaruh komposisi senyawa diselidiki.
◆ Penentuan seng sulfida
Penelitian ini diawali dengan penyelidikan pembentukan seng sulfida yang merupakan sumber kotoran asli. Eksperimen vulkanisasi menunjukkan bahwa seng sulfida terbentuk pada permukaan logam. Deteksi deposit sisipan dengan 1000-mikroskop perbesaran lipat untuk menentukan mikrokristalin awal yang terlihat, lalu analisis dengan metode RMA (mikroanalisis Rontgen), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Analisis elemen RMA mendeteksi adanya seng dan belerang. Menurut rasio sulfur dan seng yang terdeteksi, disimpulkan bahwa mikrokristal sebagian besar terdiri dari seng sulfida yang tidak larut (Gbr. 2). Untuk mengetahui keberadaan seng sulfida digunakan metode analisis fisika (AP-TPR) untuk menganalisis kandungan H2S dalam campuran setelah vulkanisasi (metode tidak langsung). Eksperimen vulkanisasi cetakan digunakan untuk menentukan proses pembentukan seng sulfida dengan adanya besi. Eksperimen dilakukan dalam pipa tertutup pada suhu 200 derajat dan tanpa oksigen. Tabung reaksi berisi isotriacontane, seng oksida, belerang dan elemen besi dengan luas permukaan tinggi. Pada percobaan ini, seng sulfida juga terdeteksi oleh RMA. Seperti yang diharapkan, kedua percobaan menunjukkan pembentukan seng sulfida. Namun, tidak ada bukti bahwa seng sulfida terbentuk pada antarmuka antara campuran dan cetakan, atau bahwa ZnS terbentuk sebagai produk sampingan dari reaksi seng dan belerang selama proses pengawetan.
Untuk menentukan kandungan seng sulfida dalam campuran karet, digunakan metode lain. Karet cetakan digiling pada suhu rendah dan dibuat menjadi partikel kecil, yang diekstraksi dengan aseton dan diolah dengan campuran asam klorida dan asam asetat. Logam sulfida terurai. Hidrogen sulfida yang dihasilkan diserap oleh larutan penyangga kadmium asetat, dan kadmium sulfida yang terbentuk ditentukan dengan iodometri. Selain itu, karet yang diekstraksi dihidrolisis dalam asam sulfat dan asam nitrat dalam oven microwave. Hidrolisat dipindai oleh ICP-ES.
Dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa seng sulfida terbentuk sebagai produk reaksi seng oksida dan belerang. Dalam produksi vulkanisasi, produk reaksi ini tersedia dan berguna untuk pembentukan mikrokristal seng sulfida antara produk karet dan permukaan cetakan.
Asumsi yang paling dapat diterima adalah bahwa seng sulfida terbentuk sebagai produk reaksi seng oksida dan belerang. Reaksi kimia umum ini dijelaskan dalam berbagai manual karet. Mekanisme reaksi yang disederhanakan adalah:
2RH plus Sx plus ZnO plus (katalis) RS (x-1) - R plus ZnS plus H2O
Sebagian besar campuran ban mengandung 5 bagian seng oksida dan sekitar 2 bagian belerang per 100 bagian. Untuk campuran ban, dapat dihitung bahwa formula yang didasarkan pada 100 bagian karet (total sekitar 175 bagian) mengandung 2,8 persen (berat) seng oksida dan 1,1 persen (berat) belerang. Dari rumus reaksi, dapat dihitung bahwa sekitar 0,6 gram seng sulfida akan dihasilkan untuk setiap gram seng oksida. Jelas, sejumlah besar seng sulfida dapat diproduksi. Faktanya, hanya seng sulfida di lapisan atas ban yang merupakan seng sulfida mikrokristalin (kemungkinan disebabkan oleh permukaan logam). Sebelum cetakan harus dibersihkan, sekitar 500 kali pencetakan dapat dilakukan.
◆ Eksperimen
Telah diketahui bahwa sisipan (lembaran logam kecil) yang digunakan sebagai permukaan cetakan pada prinsipnya dapat dengan mudah menganalisis apakah mengandung mikrokristal seng sulfida melalui metode RMA, tetapi ini adalah pengujian yang sangat mahal. Oleh karena itu, metode pengujian sederhana dikembangkan untuk menentukan mikrokristal awal (terlihat) pada sisipan. Dengan bantuan mikroskop optik dengan perbesaran 500, mikrokristal tunggal berukuran 0,5 hingga 1 mikron dapat terlihat. Untuk menghasilkan mikrokristal, dilakukan percobaan vulkanisasi dengan campuran yang berbeda, suhu yang berbeda, dan waktu yang berbeda. Dua campuran dipilih dan ditunjukkan pada Tabel 1, termasuk campuran berdasarkan tapak s-SBR dan campuran antara berdasarkan campuran NR/BR. Kedua campuran tersebut digunakan sebagai senyawa dasar untuk berbagai percobaan vulkanisasi.
Untuk melakukan percobaan vulkanisasi, cetakan tekan sederhana dibuat, yang cocok untuk hingga 8 sisipan. Cetakan tekan ini diproduksi untuk percobaan jangka pendek hingga 20 siklus. Periksa sisipan secara visual setelah setiap 5 siklus berturut-turut. Dengan cara ini, berbagai parameter, seperti parameter campuran aditif yang berbeda, atau parameter terkait sisipan, seperti pemilihan logam, kekasaran, atau lapisan, dapat dideteksi. Eksperimen pendahuluan dilakukan pada dua campuran ban dasar. Campuran ban divulkanisasi pada 160 derajat selama 20 menit dan pada 200 derajat selama 2 menit (data dihitung dari kurva rheometer). Hasil penelitian menunjukkan bahwa tidak ada perbedaan jumlah mikrokristal seng sulfida yang ditemukan dengan pemeriksaan visual. Untuk mempersingkat waktu, semua percobaan lebih lanjut dilakukan pada 200 derajat. Setelah 20 percobaan vulkanisasi dalam waktu singkat, percobaan selanjutnya dilakukan dengan bantuan cetakan injeksi, hingga 500 vulkanisasi.
◆ Pengaruh komposisi campuran
▲ Pemilihan seng
Eksperimen dilakukan pada komposisi campuran. Seperti yang telah ditunjukkan, seng sulfida terbentuk sebagai produk reaksi seng oksida (atau komponen yang mengandung seng) dan belerang. Tidak mudah untuk menghilangkan belerang atau seng sulfida dari formula. Karena kedua komponen ini diperlukan dalam formula karet. Sulfur alami dapat meningkatkan kekuatan mekanik dan ikatan, sedangkan seng oksida dapat mengaktifkan sistem curing.
Eksperimen rheometer menunjukkan bahwa tanpa mengubah torsi maksimum rheometer, tingkat oksida seng dapat dikurangi dari 5 bagian menjadi 3 bagian (setiap 100 bagian karet), yang hampir dapat dikurangi dengan faktor 2 kali lipat. Namun, bahkan dengan penurunan level ini, endapan seng sulfida masih belum mengalami perubahan yang nyata (Tabel 2). Demikian pula, tidak ada perbedaan yang jelas antara penggunaan seng oksida (RS) dan penggantian seng oksida dengan ukuran partikel yang lebih kecil.
Namun, menggunakan 0.25 bagian nano-seng oksida sebagai pengganti seng oksida dengan ukuran partikel 40 nm (nilai maksimum rheometer yang sama), tingkat seng oksida dapat dikurangi hingga 20 kali lipat, dan perbedaan sedimen jelas. Dalam percobaan vulkanisasi jangka pendek dengan nano-seng oksida, berapa kali cetakan digunakan hingga 20 siklus, dan tidak ada pengendapan seng sulfida.