Przegląd metod czyszczenia form wulkanizacyjnych

Forma wulkanizacyjna ulega zabrudzeniu w czasie użytkowania. Podczas produkcji wyrobów gumowych na powierzchni gniazd i innych elementach formy tworzy się nalot składający się ze środków smarujących, składników wulkanizowanej mieszanki oraz produktów powstających w procesach wulkanizacji (np. siarczku cynku, stearynianu cynku) i korozji.

Proces ten jest bardzo istotny w przetwórstwie mieszanek gumowych, ponieważ negatywnie wpływa na wygląd i stabilność wymiarów wytłaczanych części, jak również na koszty produkcji. Obniża się wydajność produkcji, utrudnione jest wyjmowanie wyrobów i konieczne są przestoje na oczyszczenie formy. Zabrudzenie formy segmentowej, o bardziej skomplikowanej budowie, może doprowadzić do zatarcia ruchomych elementów.

Istnieją trzy postacie zanieczyszczeń, które można zaobserwować w formie wulkanizacyjnej:

• zmiana barwy całej powierzchni formy
• zanieczyszczenie materiałowe (które może występować również na całej powierzchni),
• warstwowe osadzanie się zanieczyszczeń w określonych miejscach, co prowadzi do powstawania nierówności na powierzchni wyrobu.

Szybkość osadzania się zabrudzeń oraz stopień zanieczyszczenia formy zależy od wielu czynników, wśród których najważniejszymi są:

• skład mieszanki gumowej;
• rodzaj stosowanych środków antyadhezyjnych (stosowanych na powierzchnię gniazda formy wulkanizacyjnej);
• kształt i konstrukcja formy oraz materiał, z którego jest wykonana;
• parametry wulkanizacji (temperatura, ciśnienie) oraz obecność tlenu;
• różnorodne reakcje zachodzące między składnikami mieszanki gumowej.

Jak powszechnie wiadomo, wulkanizacja jest procesem przemiany kauczuku lub mieszanki gumowej w elastyczną gumę o odpowiednich własnościach użytkowych. Podczas wulkanizacji następuje sieciowanie cząsteczek polimerów za pomocą poprzecznych wiązań chemicznych. Równolegle do sieciowania zachodzi zaś proces rewersji, czyli rozpad wiązań sieci.

W formie wulkanizacyjnej zachodzą, więc procesy sieciowania oraz degradacji i utlenienia elastomerów. Kauczuk naturalny ma np. tendencję do rozkładu, zaś kauczuki butadienowo-styrenowe są skłonne do sieciowania lub zwęglenia w wysokich temperaturach. Kiedy kauczuki degradują w znacznym stopniu, wówczas na powierzchni formy powstaje trwała, ściśle przylegająca do niej powłoka zanieczyszczeń (produktów rozkładu). Do zanieczyszczeń należy zaliczyć także produkty reakcji utlenienia lub rozkładu substancji pomocniczych.

Wysoki stopień napełnienia mieszanek gumowych substancjami mineralnymi, w szczególności kaolinem, krzemianem wapnia i strącanymi krzemionkami może być przyczyną osadzania się tych substancji na powierzchni formy bez widocznej obecności utlenionej gumy.

W celu poprawy płynięcia mieszanki gumowej i łatwiejszego usunięcia wulkanizatu z formy, do mieszanki gumowej dodaje się środki antyadhezyjne (oddzielające ang. „releasing agents”). Środki te, niestety, mogą niekiedy w wyższych temperaturach ulegać rozkładowi z wytworzeniem w formie wulkanizacyjnej pozostałości węglowych.

Analiza, z użyciem technik spektrometrii w podczerwieni, próbek pobranych z zanieczyszczonych form wulkanizacyjnych wykazała obecność śladowych ilości pyłu i środków oddzielających takich jak talk oraz stearynianu cynku, siarczek cynku i silikon.

W wyniku przeprowadzonych badań przyjęto hipotezę, że proces zanieczyszczania formy wulkanizacyjnej można podzielić na dwa etapy. W pierwszym z nich, w wyniku reakcji tlenku cynku z siarką w mieszance gumowej powstaje nierozpuszczalny siarczek cynku, który następnie osadza się na powierzchni formy. Stanowi on zanieczyszczenie nieorganiczne.

W etapie drugim, na powstałych krystalitach ZnS osadzają się niskocząsteczkowe składniki mieszanki (np. zmiękczacze), które stanowią zanieczyszczenie organiczne. Z upływem czasu związki organiczne ulegają zwęgleniu.

Formy wulkanizacyjne różnią się budową, od bardzo prostych form tłocznych dla pras wulkanizacyjnych po złożone formy wtryskowe przeznaczone do wtryskarek i pras przetłocznych.

Na szybkość osadzania się zanieczyszczeń wpływa: rodzaj metalu użytego do wykonania formy i jej „złożoność” oraz rodzaj stosowanej substancji ochronnej. I tak na przykład, stopy metali zawierające cynk nie mogą być używane w przetwórstwie mieszanek zawierających siarkę, ponieważ korodują. Natomiast w przetwórstwie wtryskowym polichloroprenu lub miękkich mieszanek nitrylowo-butadienowych, jako materiał do wykonania formy, preferuje się stal niklowo-chromową ze względu na nadmierne brudzenie się form wykonanych z bardziej miękkich stali.

Na stopień zanieczyszczenia formy w istotny sposób wpływa temperatura wulkanizacji. Generalnie podwyższanie temperatury formy w celu skrócenia czasu wulkanizacji i redukcji kosztów przyspiesza proces jej zanieczyszczania. Ze wzrostem temperatury szybkość odkładania się zanieczyszczeń rośnie ekspotencjalnie.

Szybkość osadzania się zanieczyszczeń w formie wulkanizacyjnej zależy również, w sposób liniowy, od ciśnienia w prasie.

Nie bez wpływu na szybkość osadzanie się zanieczyszczeń w formie wulkanizacyjnej pozostaje także dostępność tlenu atmosferycznego. Zaobserwowano, że forma wtryskowa ulega zabrudzeniu najszybciej w strefie odpowietrzania, gdzie ułatwiony jest jego dostęp, a tym samym większa jest szybkość reakcji utleniania kauczuku i pozostałych składników mieszanki gumowej. Kierunek odkładania się zanieczyszczeń jest przeciwny do kierunku wtrysku, co należy również tłumaczyć tym, że wtłaczana świeża mieszanka gumowa ma większą szybkość płynięcia.

W celu zapobieżenia szybkiemu zanieczyszczaniu się form wulkanizacyjnych należy zadbać o:

• właściwą konstrukcję formy (zapewnić jej prawidłowy podział, unikać „martwych” przestrzeni, zadbać o dostępność powierzchni ułatwiającą czyszczenie),
• dobór właściwych materiałów konstrukcyjnych (wysokogatunkowych stali np. chromowo-niklowych),
• utwardzenie powierzchni form - „metalizowanie”,
• zabezpieczenie form - nanoszenie substancji i tworzyw antyadhezyjnych chroniących formę,
• dobór optymalnej temperatury wulkanizacji,
• stosowanie dodatków ułatwiających płynięcie mieszanki gumowej i zmniejszających przyleganie wyrobów do powierzchni formy,
• czystość surowców,
• właściwą konserwację form magazynowanych.

Właściwe użytkowanie form wulkanizacyjnych pozwala jedynie wydłużyć ich efektywne wykorzystanie, jednak etap czyszczenia jest nieunikniony.

Do najprostszych metod czyszczenia form wulkanizacyjnych zalicza się metody ręczne z użyciem materiałów ściernych o twardości mniejszej od materiału formy (pasty, proszki, wata stalowa lub szczotki druciane). Metody te mogą być stosowane jedynie w przypadku pojedynczych, prostych form w małych zakładach. Taki sposób czyszczenia może niestety być przyczyną uszkodzeń powierzchni gniazd.

Kiedy zachodzi konieczność oczyszczenia większej ilości form stosowane są specjalne urządzenia czyszczące w sposób mechaniczny lub chemiczny. W większości przypadków, wymagany jest demontaż form (zwłaszcza wielogniazdowych i wielkogabarytowych) z pras hydraulicznych.

Wśród aktualnie stosowanych metod czyszczenia form wulkanizacyjnych należy wymienić:

• metody mechaniczne - strumieniowo-ścierne,
• metody chemiczne,
• metody termiczne,
• metody z wykorzystaniem ultradźwięków,
• metody z użyciem lasera.

Metody mechaniczne (strumieniowo-ścierne) pozwalają na czyszczenie form wulkanizacyjnych za pomocą urządzeń czyszczących w strumieniu gazu, pary lub cieczy. Silny strumień powietrza lub cieczy, zawierający cząstki stałe, wyrzucany jest z dyszy urządzenia i usuwa nalot uderzając w powierzchnię formy.

Jako substancje ścierne wykorzystywane są: łupiny orzechów włoskich, granulaty z tworzyw sztucznych, granulat szklany, piasek, śrut, oraz ostatnio również stały CO₂ tzw. „suchy lód”.

Metody strumieniowo-ścierne z użyciem tworzyw sztucznych zdobywają coraz większe uznanie. Stosuje się w nich granulaty o różnej twardości i gęstości - poliestrowe, melaminowe, czy poliwęglanowe. Zastosowanie tworzyw termoutwardzalnych pozwala na czyszczenie gorącej formy, co przynosi wymierny efekt związany ze skróceniem czasu przestoju prasy. W tabeli 2 zestawiono czasy czyszczenia form o różnej budowie.

Właściwie dobrany granulat skutecznie obniża zużycie form wulkanizacyjnych, co można prześledzić porównując ubytki ich masy po 60 minutach oczyszczania granulatem szklanym i granulatem z tworzywa sztucznego.

Jako zaletę granulatów z tworzyw sztucznych należy wymienić również możliwość ich wielokrotnego wykorzystania. Po etapie czyszczenia ok. 88% materiału nadaje się do ponownego użycia. Testowany preparat: Multi Blast MB-2 (poliuretan 20/30 mesh) Ciśnienie: 4 atm Zużycie (szybkość przepływu) granulatu: 70 kg/h.

Przy stosowaniu granulatów z tworzyw sztucznych należy pamiętać o konieczności właściwego uziemienia maszyny, ponieważ w czasie czyszczenia powstaje ładunek elektrostatyczny, wskutek czego granulat może przywierać do czyszczonej formy.

W ostatnich latach popularyzuje się również metodę wykorzystującą jako substancję ścierną stały dwutlenek węgla, tzw. „suchy lód”. Urządzenie czyszczące z wykorzystaniem suchego lodu działa na tej samej zasadzie, co maszyny wykorzystujące tradycyjne media ścierające. Granulki suchego lodu o temperaturze -78°C wyrzucane w silnym strumieniu sprężonego powietrza uderzają z dużą siłą o zabrudzoną powierzchnię formy. W zetknięciu z gorącą powierzchnią formy (o temp. >150°C) granulki resublimują - CO₂ w postaci gazu zwiększa swoją objętość 700-krotnie. W wyniku gwałtownego schłodzenia zanieczyszczenia zamarzają, kurczą się i odrywają od powierzchni formy.

Granulki CO₂ są wytwarzane w granulatorze i przechowywane w izolowanych termicznie kontenerach (mogą być dostarczane przez firmę zewnętrzną lub produkowane na miejscu).

Metoda z zastosowaniem suchego lodu pozwala ograniczyć czas przestoju prasy wulkanizacyjnej, ponieważ nie trzeba wymontowywać formy. Eliminuje potrzebę stosowania detergentów lub innych substancji chemicznych w celu odtłuszczenia formy. Poza tym, nie ma innych odpadów, oprócz usuniętego zanieczyszczenia. Sposób, w jaki zestalony CO₂ oddziałuje z powierzchnią formy nie powoduje uszkodzeń.

Obok metod mechanicznych do czyszczenia form wulkanizacyjnych stosowane są metody chemiczne. Metody te często się wzajemnie uzupełniają.

Do czyszczenia chemicznego można używać substancji zarówno organicznych, jak i nieorganicznych. Forma poddawana jest np. działaniu środków fluorujących w atmosferze azotu. Środki te zmiękczają (spęczniają) przylegającą gumę, którą następnie można usunąć mechanicznie. Powierzchnie zanieczyszczone węglowodorami odmywa się kolejno roztworami zasad i kwasów.Stosuje się też rozpuszczalniki organiczne - chlorowęglowodory np.: 1,1,1-trichloroetan.

Do czyszczenia formy wulkanizacyjnej można też wykorzystać mieszanki gumowe o określonym składzie. Przykładowy skład takiej mieszanki przedstawiono w tabeli 3. Aktywnie działającym składnikiem mieszanki jest 2-amino-2-metylo-1-propanol (APM), który reaguje z siarczkiem cynku na powierzchni formy.

Równie aktywne jak APM są inne związki aminowe, a także mieszaniny związków zawierających grupy aminowe i hydroksylowe, np. monoizopropropanoloamina, trietanoloamina, 2-(hydroksyetoksy)-metyloamina,czy 2-aminoetylopropanodiol.

Metody termiczne, które również są wykorzystywane do oczyszczania form wulkanizacyjnych polegają na wygrzewaniu formy. Formę wygrzewa się w piecu, indukcyjnie (stosując prąd o wysokiej częstotliwości), bądź przy użyciu palnika gazowego. Preferuje się metodę indukcyjną, ponieważ dzięki zjawisku Kelvina, najpierw nagrzewa się powierzchnia formy i krótszy jest czas jej chłodzenia. Metody te są mniej lub bardziej efektywne, w zależności od stopnia zabrudzenia formy wulkanizacyjnej. Jeśli forma jest mocno zabrudzona metody termiczne nie są w pełni efektywne i w następnym etapie formę trzeba poddać czyszczeniu ultradźwiękami lub strumieniowo - ściernemu.

Do usuwania zanieczyszczeń z form wulkanizacyjnych stosuje się także złoża fluidalne (zawiesinowe), w których formy odbierają ciepło od „omywającego” je medium. Są to metody, które nie powodują korozji i zapewniają dobrą kontrolę temperatury. Części formy oczyszcza się wstępnie w złożu fluidalnym, w temp. 500°C,a następnie schładza się je w łaźni wodnej o temperaturze 85°C. Końcowy etap polega na czyszczeniu mechanicznym np. za pomocą strumienia wody z pyłem szklanym.

Metoda ultradźwiękowa polega na zanurzeniu formy w wannie wypełnionej wodą o temperaturze 75-85°C z dodatkiem detergentów (lub roztworem kwasu lub zasady - o ile łączymy metodę ultradźwiękową z chemiczną).

Generator dźwiękowy wytwarza w kąpieli fale dźwiękową o częstotliwości 25 lub 40 kHz. Fale te wskutek zjawiska kawitacji powodują wytworzenie w roztworze olbrzymiej ilości pęcherzyków pary, które usuwają zanieczyszczenia z powierzchni formy.

Najnowszą metodą czyszczenia form wulkanizacyjnych jest metoda z wykorzystaniem lasera. Technologia została opracowana przez firmę JET Lasersysteme z Huckelhoven z Niemiec. Pozwala ona na zautomatyzowanie procesu czyszczenia form do wulkanizacji opon i skrócenie przestojów o 75%. Obecnie system ten jest eksploatowany przez największych światowych producentów opon, m.in.: Continental.

Stosowane są dwa rodzaje rozwiązań technicznych dla produkowanych urządzeń. Pierwsze stanowi przenośna jednostka, która może być używana do oczyszczenia gorącej formy na stanowisku pracy.

W skład jednostki ruchomej wchodzą: zespół źródła światła (laser), układ chłodzący, system usuwania ścieru oraz filtr. Całość zamontowana jest na wózku z napędem elektrycznym. Głowica czyszcząca znajduje się z boku jednostki centralnej, na teleskopowym wysięgniku z systemem luster kierujących światłem lasera.

Drugim rozwiązaniem jest stanowisko z laserem, które umożliwia oczyszczenie mniejszych form po ich uprzednim zdemontowaniu. Usuwanie zanieczyszczeń za pomocą lasera nie powoduje uszkodzeń powierzchni formy, ponieważ jej metaliczna powierzchnia odbija i rozprasza wiązkę promieniowania. W rezultacie, nie ulegają zniszczeniu fragmenty grawerowane (żłobienia lub wypukłości).

Firma JET twierdzi, że metoda z zastosowaniem lasera pozwala ograniczyć przestój prasy z 8-16 godzin do 3-4 godzin, o ile forma wulkanizacyjna jest czyszczona bez demontażu. Sugeruje nawet, że w związku z tym formy można czyścić z większą częstotliwością, aby poprawić jakość i wygląd produktów.

Jeżeli jednak forma musi być wymontowana z prasy i czyszczona poza ciągiem produkcyjnym, na przeprowadzenie wszystkich operacji z tym związanych potrzeba około 15 godzin (w tym 10 godzin przestoju prasy - schłodzenie/rozgrzanie).

Aby wyczyścić formę, operator musi ustawić jednostkę z laserem obok prasy wulkanizacyjnej z zabrudzoną formą i ręcznie umieścić głowicę czyszczącą wewnątrz formy. Każda część formy wulkanizacyjnej czyszczona jest w odrębnym cyklu, więc operator musi zmienić położenie głowicy.

Oto kilka informacji na temat maszyn produkowanych przez firmę JET Lasersysteme. Urządzenia wyposażone są w 12 programów dostosowanych do różnego rodzaju form. Operacja czyszczenia podzielona została na 12 etapów, z których każdy przypisany jest określonej powierzchni formy. Każdy etap pozwala na ustawienie określonych parametrów, zapisanie ich w komputerze sterującym urządzeniem i późniejsze ponowne wywołanie.

Jednostka firmy JET przeznaczona jest do pracy ciągłej. Wymaga jedynie 30 minut dozoru technicznego na tydzień (oczyszczenie luster i filtrów). Co 4 tygodnie zalecana jest ok. 60 minutowa kontrola głównych elementów. Jednostki są wyposażone w modem, co pozwala na zdalną kontrolę stanu urządzenia.

System jest zaprojektowany do pracy w temperaturze do 170°C, a więc w temperaturze pracy prasy wulkanizacyjnej. Długość procesu czyszczenia zależy od częstotliwości czyszczenia formy, składu mieszanki gumowej i stanu powierzchni formy. Najlepsze rezultaty uzyskuje się dla nowych form, które nie były jeszcze czyszczone materiałami ściernymi. Bardziej zużyte formy mogą początkowo wymagać dłuższego czasu czyszczenia, ponieważ na ich powierzchni znajdują się drobne wżery spowodowane przez użyte materiały ścierne.

Standardowe jednostki firmy JET zostały zaprojektowane do czyszczenia form wulkanizacyjnych do produkcji opon dla samochodów osobowych i półciężarowych, motocyklowych, a także lotniczych.

Formy mogą być czyszczone w każdej z popularnie używanych pras pionowych lub tylno-uchylnych (włącznie z NRM, McNeill BOM, Kobelco, Krupp, Mitsubishi i Herbert). W zależności od budowy prasy, niezbędne są dodatkowe narzędzia (elementy) pozwalające dopasować głowicę czyszczącą do formy.

Podsumowaniem powyższego przeglądu metod czyszczenia form wulkanizacyjnych niech będą tabele 4 i 5. W pierwszej z nich zestawiono informacje na temat czasochłonności danej metody, stopnia oczyszczenia i zużycia formy oraz nakładów inwestycyjnych i operacyjnych. W drugiej zaś, przedstawiono dane na temat typu uszkodzeń powierzchni formy oraz odpadów powstających w procesie czyszczenia i ich szkodliwości.

dr Karol Niciński

Foto
Designed by Freepik

Literatura:

1. R. Cieślak, J. Olszewski, L. Pabiś, Guma – Poradnik Inżyniera i Technika, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1981, rozdz. 6, str. 553
2. K. McDuff, RAPRA Bulletin 6, 130, 1969
3. J.G. Sommer, H.N. Grover, P.T. Suman, Rubber Chemistry & Technology 49(5), 1129, 1976
4. R. Gaczyński, Guma – Poradnik Inżyniera i Technika, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1981, rozdz. 1, str. 35
5. A. Maclean, RAPRA Members’ J. 2, 296, 1974
6. R.W. Sambrook, A. Maclean, RAPRA Bulletin 12, 371, 1972
7. L.M. Glanville, „Injection Molding of Elastomers”, W.S. Penn, Ed., Gordon & Breach Science Publ., Nowy Jork, 1969, rozdz. 10, p. 129
8. B. Van Baarle, Rubber World 225(3), 34, 2001
9. B. Van Baarle, Rubber World 231(3), 25, 2004
10. Rubber & Plastic Age 44, 1457, 1963
11. J.C. Bament, „Injection Molding of Elastomers”, W.S. Penn, Ed., Gordon & Breach Science Publ., Nowy Jork, 1969, rozdz. 10, p. 129
12. J.B. Class, Rubber World 220(5), 35, 1999
13. R. Cieślak, J. Olszewski, L. Pabiś, Guma – Poradnik Inżyniera i Technika, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1981, rozdz. 6, str. 553
14. M.A. Golubski, Rubber World 213(3), 18, 1995
15. F.C. Young, Rubber World 227(3), 39, 2002; Informacje i zdjęcia: CRYONOMIC, Kleimoer 3, B 9030 GENT, Belgium - www.cryonomic.com
16. F. Young "State-of-the-art in CO2 blast tire mould cleaning, new nozzles, new techniques, new automation", Akron, Ohio USA - www.emeraldinsight.com (2000)
17. J.C. Baker (Ohio Rubber Company) US 2 571 328
18. H. Maze, R. Reinhold (Compagnie de Raffinage „Shell Berre”) FR 1 163 663
19. J.G. Sommer, H.N. Grover (The General Tire & Rubber Co.) US 3 476 599
20. Philips Electrical Industries, LTD. GB 929 998
21. P.H. Summers, Plast. Des. Process. 14, 20, 1974
22. Rubber Mold Cleaner Bulletin”, Deltrasonics, Inc., 1451 E 28th Str. Long Beach, Kalifornia, 90 806
23. Anonim., Rubber Age 107(11), 24, 1975
24. Jorg Jetter, Quality laser mould cleaning systems, Tire Technology Int. Annual Rev. 2002 pp. 136-140; www.jetlaser.de
25. Anna Kochan, In-press mould cleaning in the tyre industry, Industrial Robot: An International Journal Volume 28 Number 2 2001 pp. 112-114
26. J. Menough, Rubber World 202(5), 14, 1990