Renkaan vulkanointiaikaan vaikuttavat tekijät

Abstract

Vulkanointi tarkoittaa renkaan valmistusprosessissa vaihetta, jolloin rengasaihio kuumennetaan muottipuristimessa ja lämmön vaikutuksesta kumin elastomeeriketjut ristisilloittuvat vulkanointisysteemin avulla. Vulkanoinnin kemiallinen reaktio muuttaa kumin ominaisuuksia elastisemmaksi sekä kulutusta kestäväksi. Tämä kandidaatintyö tarkastelee vulkanointireaktion etenemiseen ja sen myötä vulkanointiaikaan vaikuttavia tekijöitä kinetiikan ja termodynamiikan näkökulmista. Työn tavoitteena on selvittää, mitkä tekijät ovat määritettävä kumisekoituksen komponenteista ja käytettävästä muottipuristimesta, jotta optimivulkanointiaika voidaan arvioida. Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena hyödyntämällä tutkimusaineistoa liittyen vulkanoinnin kemialliseen reaktioon sekä kumin läpi menevään lämpövirtaan vulkanoinnin aikana. Rengastuotteelle saavutetaan optimaaliset ominaisuudet, kun muottipuristin aukeaa vulkanointiasteen ollessa 90 %. Sitä pienemmällä ajalla kumi jää raa’aksi, eikä parhaita mahdollisia ominaisuuksia saavuteta. Sitä suuremmalla ajalla voi tapahtua reversio, jolloin kumi yli-vulkanoituu ja saavutetut ominaisuudet heikkenevät muodostuneiden ristisiltojen hajotessa. Tietyn kumisekoituksen vulkanointireaktiota ja saavutettavia lujuusominaisuuksia ennustetaan reometrikokeella, jonka saadusta datasta määritetty optimivulkanointiaika muutetaan vastaamaan koko rengasaihion kokoista kappaletta. Optimivulkanointiaikaan vaikuttaa halutun vulkanoitumisasteen lisäksi induktiojakson pituus ja vulkanointinopeus. Niihin voidaan vaikuttaa kiihdyttimillä ja aktivaattoreilla sekä muuttamalla vulkanointilämpötilaa. Työssä havaittiin, että reometrikokeesta arvioitu optimivulkanointiaika rengasaihiolle ei ota huomioon kumin huonoa lämmönjohtavuutta. Rengasaihion paksuus tuo haasteen, sillä aihion keskipiste saavuttaa vulkanointilämpötilan aihion pintaa myöhemmin. On löydettävä aika, jolla samaan aikaan muotin kanssa kosketuksissa oleva kumi ei yli-vulkanoidu, ja aihion keskiosa saavuttaa tarpeeksi korkean vulkanoitumisasteen. Lämpövirtaa lähestytään työssä ensin yksiaksiaalisesti. Siihen vaikuttavia tekijöitä havaittiin olevan kumiseoksen ominaislämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja tiheys sekä vulkanoitumisreaktiosta aiheutuva lämmönvapautusnopeus. Ominaislämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja tiheys muuttuvat lämpötilan ja ristisilloitustiheyden mukaan. Lämmön vapautumisen nopeus riippuu vuorostaan vulkanoitumisnopeudesta. Jotta renkaalle löydetään oikea optimivulkanointiaika, on yhdistettävä reometrikokeista saatu data sekä matemaattisesti määritetty lämpövirta. Rengastuotteen vaihteleva paksuus ja vaihtelevat pinnanmuodot vaativat kolmiulotteisen lämpövirran määrittämisen. Sen numeerinen approksimointi esimerkiksi elementtimenetelmällä vaatii lisätutkimusta.