加硫の説明: 定義、化学、プロセス、装置、パラメーター

加硫とは何ですか?直接的な答え

加硫は、ポリマー鎖間に架橋を形成することによって、粘着性で流動性のある生ゴムを強く、弾性があり、耐久性のある製品に変える化学プロセスです。ほとんどの汎用エラストマーの場合、 硫黄は架橋剤であり、反応は熱、時間、圧力によって引き起こされます。 。このプロセスは不可逆的です。ゴムは一度加硫されると、溶かしたり、再形成したりすることはできません。

この発見は、1839 年にチャールズ グッドイヤーが硫黄処理した天然ゴムを熱いストーブの上に誤って落とし、その材料が再び粘着性を示さずに硬化したことに気づいたというものとされています。この観察が現代のゴム産業を生み出しました。今日、O リングやホースから靴底やコンベア ベルトに至るまで、あらゆるゴム製品は、その機能を発揮する前に加硫工程を経ます。

留意すべき重要な事実:

• 軟質成形品の硫黄添加量は、通常 1.0 ～ 3.5 phr (ゴム 100 個あたりの部数) です。
• 加硫天然ゴムは、ガムコンパウンドでは 20 ～ 30 MPa の引張強度に達しますが、補強用充填剤を使用するとそれ以上になります。
• 硬化温度は、ポリマーと硬化システムに応じて 140 ～ 200 °C の範囲になります。
• 適切に加硫された部品は、変形後に元の形状に戻り、加熱しても柔らかくなりません。

加硫の背後にある化学

硫黄がゴムチェーンを架橋するしくみ

天然ゴムやその他のジエンポリマーは、その主鎖に二重結合を含んでいます。硬化温度では、これらの結合が開き、硫黄と反応して、隣接する鎖の間に硫黄架橋が形成されます。架橋は、モノスルフィド、ジスルフィド、またはポリスルフィドのいずれであっても、鎖を三次元ネットワークに固定します。加硫前、チェーンは応力を受けて互いに滑ります。加硫後、ネットワークは伸びて弾性的に戻ります。 架橋密度として知られるブリッジの数によって、最終部品の硬度、弾性率、および弾性が決まります。

促進剤と活性化剤により硬化が実用化される

硫黄単独では反応が非常に遅いため、直接加熱すると結果が不均一になります。実際の化合物は、反応の速度を上げて制御するために、促進剤 (チアゾール、スルフェンアミド、チウラム、ジチオカルバメート) や酸化亜鉛、ステアリン酸などの活性化剤に依存します。代表的な汎用硬化パッケージには、1.5 ～ 2.5 phr の硫黄、0.5 ～ 1.5 phr の促進剤、3.0 ～ 5.0 phr の酸化亜鉛、および 1.0 ～ 2.0 phr のステアリン酸が含まれています。促進剤と硫黄の比率によって架橋タイプが決まります。高硫黄、低促進剤のシステムは、優れた疲労寿命を備えた柔軟な多硫化物結合を形成しますが、低硫黄、高促進剤 (EV) システムは、より低い圧縮永久ひずみを備えた熱安定性の一硫化物結合を形成します。

多くの工場では、購入することで投与を簡素化し、計量ミスを回避しています。 プレブレンド硫黄促進剤パッケージ 配合サプライヤーから。硬化パッケージの一貫した分散により、バッチ間の硬化の一貫性が直接的に向上します。

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加硫によってゴムの特性がどのように変化するか

生ゴムと加硫ゴム

その違いは劇的です。生の天然ゴムは粘着性があり、温めると柔らかくなりますが、寒い季節には硬化して亀裂が入り、継続的な負荷がかかると永久に流動します。加硫ゴムは、天然ゴムに比べて約 -40 ～ 100 °C で弾性を保ち、油や溶剤に対する耐性がはるかに優れており、繰り返し変形しても元の形状に戻ります。 ほとんどのコンパウンドでは、引張強さの変化だけでも 5 ～ 10 倍向上します。

架橋密度が決定要因となる理由

架橋が少なすぎると、部品は弱い、硬化が不十分な製品のように動作します。多すぎると、ネットワークが非常に硬くなり、ゴムが伸びるのではなく壊れてしまいます。効果的なコンパウンド設計は、用途に合った架橋密度をターゲットとしています。防振マウントにはスキージ ブレードとは異なるバランスが必要であり、どちらも印刷ローラーとは異なります。理解する ゴム素材の特性 これにより、すべての用途に対して硬化レベルが慎重に設定される理由がわかりやすくなります。

硬化システムの比較

すべての加硫に同じ化学薬品が使用されるわけではありません。最終部品の機械的および熱的要求によって、どのシステムが選択されるかが決まります。

治療システムの選び方

タイヤ、マウント、ショックアブソーバーなどの動的荷重を対象とした天然ゴムおよび SBR 製品は、通常、耐疲労性を高めるために従来型または準 EV システムを使用します。エンジン コンパートメント シールなどの耐熱用途には、EV または過酸化物システムが適しています。過酸化物硬化 EPDM およびシリコーンは圧縮永久歪みが最も低くなりますが、過酸化物の種類はポリマーの熱履歴と部品の肉厚に適合する必要があります。

工業用加硫装置および加硫方法

加熱プレスでの圧縮成形

成形品の主力は油圧加硫プレスです。オペレーターは、予備成形されたブランクを加熱した金型に配置し、プレスを閉じ、必要な硬化時間の間圧力を保持します。プラテン温度は 150 ～ 180 °C、クランプ圧力は 15 ～ 25 MPa が一般的です。 真空プレスはこれをさらに一歩進め、完全にクランプする前にキャビティを真空にし、複雑な部品の空気の閉じ込め、膨れ、未充填のコーナーを防ぎます。

密度と表面の要件が厳しい技術部品の場合、 真空ホットプレス加硫機 が推奨される製造上の選択肢です。硬化前に空気を除去することは、厚い部分や高硬度の化合物に対して特に有益です。

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大量精密部品の射出成形

射出成形では、スクリューユニット内でゴムを可塑化し、密閉された加熱された金型に射出し、そこで硬化が行われます。コンパウンドはすでに加熱されたキャビティに到達するため、圧縮成形よりもサイクル時間が短くなります。 O リング、コネクタ シール、小型精密ガスケットは通常、この方法で製造されます。トレードオフとして、工具や機械のコストが高くなるため、投資を償却できるほど生産量が多ければ、射出成形の方が効果的です。

大面積製品用のオートクレーブおよびベルト プレス

ローラー、ゴムで裏打ちされたタンク、ケーブルジョイント、コンベアベルトは標準的な印刷機内に収まりません。これらの製品は、加圧蒸気または熱風下でオートクレーブ内で硬化するか、連続ベルト プレスやロトキュアで硬化します。主な利点は、広い表面に均一な圧力がかかることであり、これはゴムと布地または金属基材との間の接着にとって重要です。

押し出されたプロファイルの連続硬化

自動車のウェザーストリップ、シールプロファイル、ホース、コードは、押出機から出るときに連続的に硬化されます。 3 つの主要な方法は、熱風トンネル、マイクロ波トンネル、塩浴 (LCM) です。マイクロ波硬化により、プロファイルが体積的に加熱されるため、厚い断面の硬化が速くなります。塩浴は熱伝導に優れていますが、その後部品を徹底的に洗浄する必要があります。

A ゴム共押出およびマイクロ波硬化ライン 押出機、マイクロ波トンネル、熱風セクション、冷却槽、引き取りを 1 つの制御されたプロセスに組み合わせたものであり、そのため、高生産性プロファイル生産の標準的な選択肢となっています。

カスタムゴム共押出およびマイクロ波硬化生産ライン メーカー、S 複合ゴムのマイクロ波連続加硫生産ラインにおいて、製造時の環境保全対策に関する研究を行っています。 製品を見る→

プロセスパラメータと硬化曲線

レオメーター曲線の読み方

可動型レオメーターは、固定温度での硬化状態を経時的に記録します。製造では 3 つの数値が重要です。スコーチ時間 (ts2)、架橋の開始。 tc90、完全硬化の 90% に達する時間および実際の硬化時間。そしてプラトーまたは復帰スロープ。 安定したプラトーは、製品が小さな時間変動を許容できることを意味します。急峻な戻り勾配は、厳密な温度制御が重要であることを意味します。

熱伝達と部品の厚さ

ゴムの熱伝導率は低く、およそ 0.15 ～ 0.25 W/(m・K) で、鋼鉄の約 10 分の 1 です。圧縮金型では、厚い部品の中心は、外皮よりかなり遅れて完全硬化に達します。業界の慣例では、壁厚が 1 ミリメートル増えるごとに硬化時間が約 1 ～ 2 分長くなります。そのため、厚い製品では、内部の硬化が不十分なまま表面の過剰硬化を避けるために、より低い金型温度が使用されます。

加硫前の配合と準備

加硫は配合室で始まります。硬化パッケージが不均一な場合、印刷機では補正できません。 3 つの準備ステップは、最終的な品質に大きな影響を与えます。

1. 正確な計量: 硫黄のわずか 0.1 phr の変動により、tc90 が数パーセント変化する可能性があるため、デジタル秤と自動バッチシステムが推奨されます。
2. 冷却した最終混合: 硫黄と促進剤は 2 ロールミルまたは最終内部ミキサーパス (通常は 加圧ニーダー 、焦げ温度以下に保たれます。
3. 汚染物質の除去: 多くの植物は化合物を通過させます。 ホットフィードゴムストレーナ 予備成形前に目の細かいスクリーンを装着し、流線やブローホールの原因となる未分散の凝集物や異物を除去します。

プリフォームにも注目です。すべてのキャビティが同じ熱履歴と同じ圧力分布で同じ方法で充填されるため、一貫した重量と形状のブランクは硬化のばらつきを軽減します。

一般的な加硫欠陥とその回避方法

適切に設計されたコンパウンドであっても、加硫が制御されていない場合は、欠陥部品が生成される可能性があります。以下の欠陥は、ゴム成形および押出成形における不良品の大部分を占めます。

• スコーチ: ミキサー、プレフォーマー、または射出バレル内での早期架橋。それは、粗い表面、短い成形品、または硬い塊として現れます。防止: プロセス温度を下げ、スコーチ防止剤を追加し、滞留時間を短縮します。
• 硬化が不十分: 圧縮永久歪みが大きい、柔らかくて弱い部品。予防策: プローブで実際の金型温度を確認し、硬化時間を tc90 まで延長し、問題が再発する場合はレシピを再確認します。
• 戻り: 天然ゴムは、高温に長時間保持されると強度と弾力性を失います。予防策: 金型温度を下げる、セミ EV または EV 硬化システムに切り替える、または耐逆戻り性ポリマーを使用します。
• 多孔性と膨れ: 閉じ込められた空気、湿気、または揮発性成分による内部空隙。予防策: 真空プレスを使用し、すべての配合成分を乾燥させ、プリフォームを正確に作成します。
• フロー マークとショート ショット: キャビティは完全に充填されず、多くの場合、薄いエッジで発生します。予防: 材料の流量を増やし、射出またはクランプ圧力を上げ、プリフォームの形状を改善し、射出速度を上げます。

よくある質問

加硫は硬化と同じですか?

はい。ゴム業界では、この言葉は同じ意味で使用されます。厳密に言うと、加硫とは元々はジエンゴムの硫黄架橋を意味していましたが、現在ではこの用語は、過酸化物や金属酸化物系を含むゴム化合物を弾性製品に変換するあらゆる架橋反応をカバーしています。

すべてのゴムを硫黄で加硫できますか?

いいえ。天然ゴム、SBR、NBR、EPDM、ブチルなどの二重結合を持つジエンゴムは、硫黄硬化によく反応します。シリコーン (VMQ)、多くのフッ素ゴム (FKM) グレード、EPM、一部の HNBR 化合物など、二重結合を持たないゴムには、過酸化物または特殊な硬化システムが必要です。

加硫にはどのくらいの温度が必要ですか?

工業用硬化は通常 140 ～ 200 °C で実行されます。ほとんどの成形品は 150 ～ 180 °C で硬化します。温度が高いとサイクルタイムは短縮されますが、焦げや戻りのリスクが増加します。ゴムは熱の伝導が遅いため、厚い物品は低温で硬化します。

加硫にはどのくらい時間がかかりますか?

薄い成形ガスケットは 160 °C で 3 ～ 8 分で硬化します。厚いベアリングやローラーの場合は 30 ～ 60 分以上かかる場合があります。連続マイクロ波ラインは、押し出されたプロファイルを 1 ～ 5 分で硬化させ、大型ローラーのオートクレーブ硬化は数時間実行できます。

ゴムが過加硫されるとどうなりますか?

過剰硬化すると硬度が増加し、伸びが低下します。天然ゴムでは、長時間の熱により多硫化物の架橋が破壊され、表面が柔らかく粘着性になる戻りが起こる可能性があります。 したがって、製品の硬化時間は、絶対最大硬化状態ではなく、完全硬化の 90% に達する時間である tc90 に設定されます。

加硫ゴムはリサイクルできますか?

加硫ゴムは熱硬化性であるため、熱可塑性ゴムのように再溶解したり再成形したりすることはできません。これを粉砕して、床材、遊び場の表面、成形されたリサイクル製品用のクラムラバーにできます。脱硫プロセスは存在しますが、広範な工業規模ではまだ経済的ではありません。

結論: 加硫はゴム製造の核心です

加硫は、ポリマー化合物を、予測可能な強度、弾性、耐久性を備えたエンジニアリング材料に変えるステップです。硬化システム、成形または押出方法、およびプロセスパラメータの選択によって、部品の品質と製造コストの両方が決まります。

生産管理者やプロセス エンジニアにとって、不良品を減らし部品あたりのコストを下げるための最も直接的な方法は、バッチごとに硬化曲線を管理し、金型温度を定期的に確認し、コンパウンドを汚染から守ることです。適切に設計された硬化パッケージをレオメーターで測定し、適切なプレス機または連続ラインと組み合わせると、バッチごとに同じ結果が得られます。

加速器から硬化プレスやマイクロ波ラインに至るまで、化学と機械の両方を提供するサプライヤーは、この統合を大幅に簡素化します。テスト済みのレシピと適切な製造設備を使用して開始すると、加硫工程から推測に頼る作業がほとんどなくなります。