Podstawy przetwórstwa mieszanek kauczukowych
Czy wiesz, drogi czytelniku, że i ty możesz osiągnąć finansowy sukces w branży gumowej – podobnie jak Benjamin Franklin Goodrich? Tak, tak… Nic nie stoi na przeszkodzie. Oczywiście nie chodzi o to, aby od razu zbudować wielką fabrykę opon. Zacząć można od niewielkiego warsztatu i jego podstawowego wyposażenia, zaś pierwszym krokiem może być uruchomienie produkcji gumowych wyrobów formowych.
Jakie urządzenia i narzędzia będą nam potrzebne do rozpoczęcia działalności? Musimy postarać się o wagi o różnych zakresach ważenia (powiedzmy, że dwie), walcarkę, prasę hydrauliczną, formy wulkanizacyjne i narzędzia do ich otwierania, kilka ostrych noży oraz parę grubych rękawic roboczych. Do obróbki wykończeniowej przydadzą się ostre nożyczki, szlifierka lub tokarka.
Waga
Wagi mogą posłużyć do odważania surowców – kauczuku, napełniaczy, substancji pomocniczych, składników zespołu wulkanizacyjnego – jeśli zdecydujemy się sami sporządzać mieszanki kauczukowe. Z kolei gdy nie odpowiada nam obecność wszędobylskiej sadzy i innych pylących surowców, bądź ze względu na efektywność pracy decydujemy się na zakup mieszanek od wyspecjalizowanego wytwórcy, wagi będą wykorzystywane do przygotowywania właściwych namiarów na walcarkę oraz naważek konfekcji na wyroby.
Walcarka
Walcarki są, oprócz kalandrów, najstarszymi i najbardziej rozpowszechnionymi urządzeniami stosowanymi do obróbki kauczuków i mieszanek kauczukowych. Stanowią wyposażenie praktycznie każdego zakładu produkującego gumę. Choć na przestrzeni ponad 180 lat ulegały przeobrażeniom w wyniku wprowadzanych udoskonaleń, takich jak np. ogrzewanie/chłodzenie walców, napęd elektryczny, czy osłony i systemy bezpieczeństwa, to zasada ich działania pozostaje niezmienna od 1836 r., kiedy to zgłoszenia patentowego dokonał Edwin M. Chaffee. Składniki mieszanki wprowadza się w szczelinę pomiędzy dwa poziome, równolegle zamontowane metalowe walce, których temperaturę można regulować. Walce obracają się współbieżnie z różną prędkością – zazwyczaj stosunek ich prędkości obwodowych wynosi 1:1,15. Mieszanka kauczukowa tworzy wstęgę na tym walcu, który obraca się wolniej (zazwyczaj znajduje się on bliżej operatora).
Walcarki produkowane są w szerokim zakresie długości i średnic walców, więc możemy dobrać urządzenie adekwatnie do potrzeb. Walcarki laboratoryjne mogą mieć niewielkie wałki – o długości 10 centymetrów i średnicy 3 centymetrów. Walcarki przemysłowe posiadają walce nawet trzymetrowej długości i są w stanie przyjąć namiar 200 kilogramów mieszanki. Wielkość namiaru w dm3 obliczamy ze wzoru v=65DL, gdzie D oznacza średnicę walca przedniego, a L jego długość roboczą w metrach. Jeśli namiar jest dobrany prawidłowo, to przedni, roboczy walec urządzenia jest całkowicie pokryty przetwarzaną masą, a między walcami zbiera się jej niewielki nadmiar w postaci charakterystycznego grzebienia.
Dla uproszczenia przyjmijmy, że posiadamy gotowe mieszanki. W takim przypadku walcarka posłuży nam do odświeżenia i podgrzania mieszanki przed dalszym przerobem oraz do formowania konfekcji. Dlaczego trzeba przeprowadzić te operacje?
Mieszanki kauczukowe przechowujemy zazwyczaj w zaciemnionych pomieszczeniach w temperaturze od -5°C do 25°C (przy czym zalecana jest temperatura 5–15°C), z dala od grzejników i innych źródeł promieniowania, aby zapobiec powstawaniu w nich nierozpuszczalnego żelu uniemożliwiającego właściwą obróbkę. Podczas składowania zachodzą jednak procesy krystalizacji kauczuku oraz migracji niskocząsteczkowych składników (plastyfikatorów, substancji ochronnych) ku powierzchni mieszanki. Dlatego przed przystąpieniem do formowania wyrobów mieszankę należy ponownie uplastycznić i zhomogenizować.
W przypadku produkcji wyrobów formowych warto przygotować odpowiednio konfekcję, czyli nadać mieszance kształt zbliżony do gniazda formy. Czynność ta pozwala zaoszczędzić czas i surowiec oraz właściwie uformować kształtki. Uplastycznioną i podgrzaną na walcarce mieszankę łatwiej się tnie i formuje w odpowiedniej wielkości wałki, kostki, czy paski. Jeśli przygotujemy naważki z tolerancją ±1,5% masy wyrobu, łatwiej nam będzie usunąć powstające podczas wulkanizacji wypływki gumy.
Obsługiwanie walcarki wymaga wprawy i pomimo, że nowoczesne urządzenia muszą posiadać odpowiednie zabezpieczenia, zalecana jest duża ostrożność. Naważkę mieszanki wprowadzamy pomiędzy maksymalnie ściśnięte walce, aby nie przeciążyć maszyny i przyspieszyć uplastycznienie surowca. Gdy jest on już podgrzany, stopniowo zwiększamy szczelinę i pozwalamy, by utworzyła się wstęga, którą kilkakrotnie ścinamy i narzucamy między walce. Czas mieszania powinien być możliwie najkrótszy.
Prasa hydrauliczna
Kiedy już dysponujemy przygotowaną konfekcją, możemy przystąpić do formowania wyrobów w prasie hydraulicznej wyposażonej w elektrycznie ogrzewane płyty. Dostępne na rynku prasy wulkanizacyjne mogą mieć różną konstrukcję – różną liczbę półek, rozmiary, wielkość siły zwarcia i przestrzeń między płytami – zależnie od przeznaczenia. Mogą być zamykane przez ruch płyty dolnej (prasy dolnotłokowe) lub górnej (prasy górnotłokowe). Możliwy jest montaż elementów formujących do półek.
Konfekcję umieszczamy w formach wulkanizacyjnych ogrzanych do temperatury 150°C (lub wyższej) i zaciskamy prasę. Do operowania gorącymi formami potrzebne nam będą grube rękawice robocze. Ciśnienie, czas i temperatura wulkanizacji zmieniają się w zależności od właściwości stosowanej mieszanki (czas i temperaturę wulkanizacji producent zamieszcza zazwyczaj w karcie charakterystyki mieszanki).
Formy wulkanizacyjne
W prasach wulkanizacyjnych możemy formować wyroby gumowe, gumowo-metalowe i gumowo-tkaninowe. W tym celu wykorzystujemy formy tłoczne lub przetłoczne. Zależnie od wielkości produkcji i gabarytów wyrobu wykonuje się formy jedno- lub wielogniazdowe. Jeśli konstrukcja prasy wulkanizacyjnej na to pozwala, można zamontować je do półek grzewczych, co ułatwia obsługę.
Konstruując formę wulkanizacyjną należy pamiętać o doborze właściwego materiału do jej wykonania i obróbce utwardzającej powierzchnię gniazd formujących. Ponadto trzeba uwzględnić optymalną liczbę gniazd, pozwalającą na szybkie rozłożenie konfekcji oraz łatwość czyszczenia formy. Konfekcję musimy rozłożyć wystarczająco szybko, aby zapewnić właściwe płynięcie mieszanki w formie podczas prasowania. Formy wulkanizacyjne należy co jakiś czas czyścić, ponieważ w trakcie produkcji na ich powierzchni tworzyć się będzie osad z napełniaczy mineralnych oraz produktów reakcji utleniania lub rozkładu substancji pomocniczych mieszanki kauczukowej pogarszający jakość wyrobów i utrudniający ich usuwanie z gniazd.
Formy tłoczne składają się z dwóch połówek. Metalowe płaszczyzny ograniczają gniazdo formujące i układ odpowietrzająco-wylewowy, do którego w czasie prasowania przetłaczane jest powietrze i nadmiar mieszanki. Właściwe położenie płyt względem siebie zapewniają elementy prowadzące, które rozmieszczone są asymetrycznie względem osi formy. Ponadto formy, które nie są montowane do półek muszą być zaopatrzone w uchwyty oraz podcięcia umożliwiające ich otwarcie.
Najprostsze formy przetłoczne składają się z dwóch płyt oraz tłoka przeciskającego mieszankę kauczukową z cylindra płyty górnej przez dyszę do gniazda. Stosujemy je, kiedy produkujemy wyroby o specyficznych kształtach lub kiedy ze specyfikacji technicznej wyrobu wynika, że pewne powierzchnie nie mogą mieć śladów po wylewach. Ze względu na fakt, że podczas przetłaczania przez dyszę mieszanka kauczukowa ogrzewa się w całej masie, czas niezbędny do zwulkanizowania wyrobu w formach przetłocznych jest krótszy niż w formach tłocznych. Do formowania mat gumowych i gumowo-tkaninowych różnej grubości wystarczą metalowe ramki i płyty.
Obróbka wykończeniowa
Przy niewielkiej skali produkcji obróbkę końcową wyrobów – usuwanie wylewów, możemy przeprowadzić ręcznie przy użyciu ostrego nożyka (żyletki), nożyczek, czy kamienia ściernego. Wraz ze zwiększaniem wydajności produkcji warto wyposażyć się jednak w proste urządzenie do usuwania nadmiaru gumy. Tego typu urządzenia działają w oparciu o powierzchniowe wychładzanie powierzchni detali poniżej temperatury zeszklenia polimeru. W rotującym bębnie umieszcza się detale wraz z czynnikiem gradującym i czynnikiem chłodzącym, którym może być zestalony dwutlenek węgla (tzw. suchy lód).
Tak, w wielkim skrócie, można przedstawić cykl produkcyjny formowych wyrobów gumowych i podstawy przetwórstwa mieszanek kauczukowych. Sukces w branży, drogi czytelniku, zależy od tego, czy podejmiesz wyzwanie i uczynisz pierwszy krok.
Dr Karol Niciński