硫黄促進剤のサプライヤー
加硫ゴムとは
加硫ゴムは、硫黄と熱で化学処理された天然または合成ゴムで、そのポリマー鎖が永久的な架橋を形成し、柔らかく粘着性があり、温度に敏感な材料を、強く、弾性があり、耐久性のある製品に変えます。 この処理を行う前の生ゴムは、暖かい気候では柔らかくなり、寒さでは硬化してひび割れが発生し、繰り返しの応力により形が崩れてしまいます。加硫後、同じ素材は元の長さの数倍に伸びて元に戻り、熱、油、摩耗に耐え、その構造を何年も保持します。この単一の化学ステップが、ゴムが新しい素材からタイヤ、シール、ホース、履物、そして今日使用されている何千もの工業用部品の骨格に移行した理由です。
実際には、加硫は硬化反応です。硫黄、促進剤、活性剤、充填剤と混合された生のゴムコンパウンドは、加熱され、しばしば圧力下に置かれます。温度が上昇すると、硫黄原子がゴムのポリマー主鎖と反応し、隣接する鎖を短い硫黄橋でつなぎ合わせます。この橋のネットワークが完全に形成されると、ゴムはプラスチックのように溶かして再形成することはできません。それは、成形可能な化合物から固定された弾性のある固体へと状態を永久に変化させます。
この業界の規模は非常に大きいです。世界の天然ゴム消費量は年間 1,400 万トンから 1,500 万トンの範囲にあり、その量の圧倒的大部分は、完成部品になる前に何らかの形式の硫黄加硫を経ます。 （出典：国際ゴム研究会の生産・消費統計） 。合成ゴムはこの数字にさらに数百万トン加えますが、そのほとんども硫黄硬化されています。生の未加硫状態で消費者や技術者に届くゴムはほとんどありません。
加硫の歴史と発見
ゴムは、信頼できるエンジニアリング材料になるずっと前からヨーロッパの貿易業者に知られていました。 1700 年代から 1800 年代初頭に南米から輸入された初期のゴム製品は興味深い珍品でしたが、天候の変化にはほとんど役に立ちませんでした。生ゴムで作られたブーツやコートは、夏の暑さで柔らかくなり悪臭を放ち、冬の寒さで固まって使えなくなってしまいます。生ゴムを中心にビジネスを構築しようとしたメーカーは、素材がその特性を維持できないために何度も失敗しました。
1839 年の偶然の発見
アメリカの発明家チャールズ・グッドイヤーは、限られた資金で何年もかけてゴムやさまざまな添加剤を実験し、暑さと寒さの問題を解決しようとしました。 1839 年、ゴムと硫黄の混合物を扱っているときに、誤ってサンプルを熱いストーブの上に落としてしまいました。サンプルは生ゴムのように溶けるのではなく、表面がわずかに焦げましたが、柔軟性を保ち、ベタベタすることはありませんでした。彼は化学を十分に理解せずに、架橋反応を引き起こしてしまいました。
発見から産業へ
グッドイヤーは 1844 年にこのプロセスの特許を取得しました。同時期、英国ではトーマス・ハンコックが同様のプロセスを独自に開発し、グッドイヤーの国際出願が完了する直前に英国の特許を取得しました。これが信用をめぐる長い論争につながりました。加硫という名前自体は、熱が反応の中心であったため、ローマの火の神ヴァルカンにちなんで、ハンコックの友人であるウィリアム・ブロックドンによって提案されました。数十年以内に、加硫ゴムは実験室での好奇心から、ブーツ、ホース、防水布地コーティングのための大規模生産に移行し、最終的には 20 世紀のゴム需要の多くを決定づけることになる空気入りタイヤ産業に移行しました。
試行錯誤から管理された化学へ
初期の加硫は硫黄のみに依存し、高温で何時間も硬化させたため、バッチ間で結果に一貫性がありませんでした。 1900 年代初頭の有機促進剤の導入により業界は劇的に変化し、硬化時間が数時間から数分に短縮され、配合業者は最終的なゴムの最終的な硬度、強度、耐老化性をより詳細に制御できるようになりました。ゆっくりとした予測不可能な硬化から、迅速かつ正確に制御された硬化への移行により、ゴム製造を今日使用されている大量生産プロセスに拡大することが可能になりました。
ゴムの加硫の背後にある科学
生ゴムは長く絡み合ったポリマー鎖でできており、互いに滑りながら通過することができます。これが、未加硫ゴムがベタベタした感じがしたり、伸ばすと永久に変形したりする理由です。加硫により、隣接するポリマー鎖間に架橋として知られる硫黄架橋が導入されます。これらのブリッジはチェーンを 3 次元ネットワークに固定します。ゴムが伸びるとチェーンは真っ直ぐになりますが、力がなくなると硫黄の架橋により元の位置に戻ります。
分子レベルで何が変わるのか
- 個々のポリマー鎖は、単に絡み合うのではなく、化学的に結合します。
- 材料は、プラスチックの成形可能な状態から弾性のある形状記憶状態に移行します。
- ネットワークを引き離すことができなくなるため、一般的な溶媒への溶解度は急激に低下します。
- 内部構造の安定化により耐酸化性、耐オゾンクラッキング性が向上します。
- ガラス転移挙動が変化します。これは、ゴムがより広い温度範囲にわたって柔軟なままであることを意味します。
- 一定の荷重下でのゆっくりとした永久的な伸びであるクリープは、架橋が所定の位置に固定されると大幅に減少します。
硫黄架橋の種類
すべての硫黄ブリッジが同一であるわけではなく、形成されるタイプはパフォーマンスに直接影響します。モノスルフィド架橋には 2 つの鎖を接続する 1 つの硫黄原子が含まれており、最も熱安定性が高いだけでなく、最も剛性も高くなります。ジスルフィド架橋および多硫化架橋は鎖中に 2 つ以上の硫黄原子を含み、ゴムに柔軟性と耐疲労性を与えますが、モノスルフィド架橋よりも耐熱性は若干劣ります。何百万回も屈曲する必要があるタイヤのサイドウォールには、剛性の高いバッテリーケースとは非常に異なるブリッジ要件があるため、コンパウンダーは特にアクセルと硫黄の比率を調整して、どのタイプのブリッジが優先するかを制御します。
架橋密度とその特性への影響
架橋密度と呼ばれるゴムの単位体積あたりの架橋の数は、コンパウンダーが制御する最も重要な変数の 1 つです。架橋密度が低いと、引張強度が低く、柔らかく、伸張性の高いゴムが生成されます。架橋密度が高くなると、弾性率は高くなりますが、伸びは低下しますが、より硬いゴムが生成されます。ある点を超えると、架橋を追加すると強度の向上が止まり、代わりにゴムが脆くなります。そのため、すべての配合物には架橋密度を単に最大化するのではなく、最適な架橋密度が設定されています。
硫黄が加硫プロセスの中心となる理由
硫黄は、管理しやすいコストで強力で柔軟な架橋を形成するため、依然としてゴム業界で最も広く使用されている硬化剤です。加熱中に、硫黄原子がゴムのポリマー主鎖に沿って付着し、別々の鎖を架橋します。使用する硫黄の量は、最終製品の硬さまたは柔らかさを直接制御します。
| 硫黄分 | 結果として得られる材料 | 一般的な使用方法 |
|---|---|---|
| 0.5～2パーセント | 柔らかく柔軟性に優れたゴム | 輪ゴム、ガスケット、チューブ |
| 2～8パーセント | しっかりとした耐摩耗性ゴム | タイヤのトレッド、コンベアベルト、靴底 |
| 25 ～ 35 パーセント | エボナイトとして知られる硬くてもろい材料 | 電池ケース、パイプステム、硬質モールディング |
可溶性硫黄と不溶性硫黄
量だけでなく、硫黄の形態も重要です。ゴム配合業者は一般に、完成部品の表面にブルーミングを防ぐ不溶性硫黄と、より速く反応するが過剰に添加すると移行して粉っぽい膜を残す可能性がある可溶性硫黄のどちらかを選択します。一般に、不溶性硫黄は、厚い切片、使用前に保管されるマスターバッチ、および目に見えるシールや履物などの表面の外観が重要な製品に好まれます。可溶性硫黄は、保管時間が短くコスト効率が優先される、シンプルで短納期の製品として依然として人気があります。
硫黄供与体システム
一部の配合物では、元素硫黄の代わりに、または元素硫黄と併用して、硫黄供与体化学物質を使用します。これらの化合物は硬化中に徐々に硫黄を放出し、より短く、より熱安定性の高いモノスルフィド架橋を形成する傾向があります。硫黄供与体システムは、自動車のボンネット下の部品など、高温に長時間さらされる製品で一般的です。これは、結果として生じる架橋が、何年もの熱サイクルの後でも分解しにくいためです。
現代の加硫における促進剤の役割
硫黄だけではゴムとの反応が遅く、初期の加硫には高熱で数時間かかる可能性があり、エネルギーが無駄になり、ポリマーが劣化します。 促進剤は、強度を犠牲にすることなく硫黄架橋反応を加速し、硬化時間を短縮し、硬化温度を下げることができる化学添加剤です。 これらの添加剤のおかげで、現代の典型的なゴム配合物は数時間ではなく数分で硬化します。
一般的なアクセラレータ ファミリ
- チアゾール。バランスのとれた硬化速度と優れた耐老化性が評価されています。
- スルフェンアミドは遅延作用で知られており、硬化が始まる前に工場がゴムを成形する時間を長くすることができます。
- チウラムは非常に早く硬化し、少量の硫黄と一緒に、または一部の配合物で唯一の硬化剤として使用されることがよくあります。
- ジチオカルバメートは、低温での非常に速い反応で高く評価されており、ラテックス浸漬プロセスで一般的です。
- グアニジンは、単独で作用するのではなく、一次促進剤の活性を高めるための二次促進剤として一般に使用されます。
アクセラレータの選択が重要な理由
アクセルの選択が速度だけを重視することはほとんどありません。大型タイヤにはスルフェンアミド促進剤が選択される可能性があります。その遅延開始により、ゴムが硬化し始める前に工場に安全な処理期間が与えられ、混合および押出時の焦げが防止されるためです。チウラムは、その素早い動作が迅速で連続的な生産ラインに適しているため、薄い浸漬手袋に選択される可能性があります。アクセラレータ システムは、他のほとんどの要素よりも、工場での設備のスケジュール設定と、シフトごとに完成部品の一貫性がどの程度保たれるかを決定します。
活性化剤: サポートする化学物質
促進剤は通常、酸化亜鉛やステアリン酸などの活性剤と組み合わせます。亜鉛イオンは、促進剤と硫黄が結合して活性な錯体を形成するのを助け、硫黄が単独で作用するよりもはるかに効率的にゴム鎖と反応します。この活性化剤システムがなければ、高速の促進剤であっても性能が低下し、硬化したゴムが柔らかくなったり、粘着性になったり、バッチごとにばらつきが生じたりします。酸化亜鉛は通常、重量で標準的なゴム配合物の約 3 ～ 5 パーセントを構成し、レシピ内でより重要な非ポリマー成分の 1 つとなります。
加速器の投与量とスコーチ安全性
すべての加速器システムにはスコーチ タイム、つまり硬化が本格的に始まる前の混合および成形中の時間枠があります。工場の作業が遅すぎて、ミキサーまたは押出機内でコンパウンドが焦げると、バッチが台無しになり、再成形できなくなります。コンパウンダーは、ゴムが金型またはオーブンに到着した後も効率的に硬化しながら、十分な安全マージンを確保するために、促進剤の投与量と混合速度、周囲温度、および装置の滞留時間のバランスをとります。
加硫天然ゴムと合成ゴムの比較
すべてのゴムが同じ方法で硬化するわけではありません。パラゴムノキの木からラテックスとして採取される天然ゴムは、硫黄と容易に反応する化学骨格を持っているため、古典的な硫黄加硫がこれを中心に開発されました。石油由来のモノマーから製造される合成ゴムは、硫黄硬化に対する反応が大きく異なります。
スチレンブタジエンゴム
タイヤのトレッドに使用される最も一般的な合成ゴムの 1 つであるスチレン ブタジエン ゴムは、天然ゴムとほぼ同様の方法で硫黄を使用して硬化しますが、通常、同等の硬化状態に達するにはわずかに異なる促進剤比が必要です。
ニトリルゴム
ホースやシールの耐油性、耐燃料性を考慮して選ばれたニトリルゴムは、硫黄系でも硬化しますが、アクリロニトリル含有量によってもたらされる反応性の低下に対抗するために、特定の促進剤ブレンドと組み合わせることがよくあります。
エチレン・プロピレン・ジエンモノマーゴム
エチレン・プロピレンジエン・モノマーゴムは、オゾンや耐候性に対する優れた耐性があるため、自動車のウェザーシールや屋根材に広く使用されており、その主鎖に沿った反応点は天然ゴムよりもはるかに少ないです。実行可能な硬化速度を達成するには、より高い促進剤の添加と慎重に選択された硫黄供与体システムが必要です。
シリコーンおよびその他の特殊エラストマー
シリコーンゴムなどの一部の特殊エラストマーは、硫黄加硫をまったく使用していません。代わりに、硫黄架橋ではなく炭素間の架橋を形成する過酸化物硬化または白金触媒による付加硬化に依存しています。これらの代替システムが存在する理由は、特定のポリマー主鎖が硫黄反応に抵抗するか、極端な温度や硫黄残留が望ましくない医療グレードの純度要件に適した硬化を必要とするためです。
業界で使用される加硫法の種類
すべてのゴム製品が同じ方法で硬化されるわけではありません。部品の形状、厚さ、使用目的によって、どの加硫方法を選択するかが決まります。
熱風加硫
部品は、通常 140 ～ 220 ℃の循環熱風を使用してオーブン内で硬化されます。この方法は、全周均一な加熱が必要な押出プロファイルや連続ゴムストリップに適しています。熱風硬化は比較的低コストで設定できますが、空気は蒸気や金属との直接接触に比べて熱の伝達効率が低いため、蒸気やプレス硬化よりも時間がかかる可能性があります。
蒸気加硫
加圧された蒸気は高速で均一な熱伝達を実現し、シール、ブーツ、工業用ホースなどの成形品に広く使用されています。水分は、厚い部分の表面の多孔性を防ぐのにも役立ちます。蒸気硬化に使用されるオートクレーブは通常、2 ～ 6 bar の圧力で稼働し、有効硬化温度が大気圧蒸気だけで達成できる温度よりもはるかに高くなります。
プレスまたは圧縮加硫
加熱された金型は、ゴムコンパウンドを圧縮しながら硬化させます。この方法は、正確な寸法が重要となるタイヤ製造、コンベア ベルトの製造、および成形ゴム製品で主流となっています。金型自体が熱源であるため、プレス硬化では優れた寸法精度と表面仕上げが得られますが、工具のコストはオーブンやオートクレーブ法よりも高くなります。
冷間加硫
この方法では、硫黄と熱の代わりに、室温で一塩化硫黄などの化学薬品を使用します。これは主に、加熱装置が実用的ではない薄いゴムシート、修理パッチ、および浸漬製品用に予約されています。冷間硬化は速く、加熱のためのエネルギー入力を必要としませんが、一般に、熱硬化した硫黄系よりも薄く均一でない架橋ネットワークが生成されます。
マイクロ波および超高周波硬化
ドアシールや窓溝などの連続ゴムプロファイルの場合、新しい工場では、熱風硬化と組み合わせたマイクロ波予熱が一般的になっています。マイクロ波エネルギーは、純粋に表面熱伝達に依存するのではなく、内部からゴムコンパウンドを加熱します。これにより、厚い連続部分の硬化が促進され、工場のフロアに必要なオーブンラインの長さが短縮されます。
射出成形加硫
射出成形では、生のコンパウンドを加熱し、密閉された加熱された金型キャビティに高圧下で直接押し込み、そこでほぼ即座に硬化します。この方法は、自動車のグロメットや小型精密シールなどの大量の複雑な形状の部品に適しており、圧縮成形と比較してサイクル時間が短縮され、材料の無駄が最小限に抑えられます。
加硫設備および機械
ゴムの加硫に使用される装置は、サイクルタイム、エネルギーコスト、製品の一貫性に直接影響します。
混合装置
硬化が始まる前に、硫黄、促進剤、活性剤、充填剤を密閉型ミキサーまたは 2 本ロールミルを使用して生ゴムに均一にブレンドする必要があります。混合が不十分だと、促進剤が少なすぎるゴムのポケットは硬化が不十分になる一方、促進剤が多すぎる近くのポケットは早期に焦げてしまうため、単一部品全体で硬化が不均一になります。
養生プレス
油圧硬化プレスは、電気または蒸気で加熱されたプラテンを通して熱と圧力の両方を加えます。最新の印刷機には、温度と時間を正確に追跡するプログラマブル コントローラーが装備されており、多くは大規模な生産工程全体にわたる品質のトレーサビリティのためにデータを自動的に記録するようになりました。
オートクレーブ
オートクレーブ are pressurised steam chambers large enough to cure batches of moulded or extruded parts at once. They are common in hose and cable manufacturing, where continuous lengths need consistent curing along their entire run.
レオメーターおよび硬化監視装置
可動ダイレオメーターは、小さな加熱チャンバー内でゴムサンプルが硬化する際のトルクを測定し、スコーチ時間、硬化速度、最適な硬化点を示す曲線をプロットします。この単一の実験装置は、単一のフルサイズ部品が製造される前に特定の化合物がどのように挙動するかを明らかにするため、工場現場で行われるほぼすべての硬化スケジュールの決定に役立ちます。
加硫ゴムと生ゴムの違い
| プロパティ | 生ゴム | 加硫ゴム |
|---|---|---|
| 弾力性 | 制限があり、形状が完全に回復しない | 高く、伸ばしても元の形状に戻る |
| 温度安定性 | 熱では柔らかく、冷たでは脆くなる | 広い温度範囲にわたって安定 |
| 耐溶剤性 | 簡単に溶けたり膨潤したりする | 膨潤が少なく、溶けにくい |
| 耐久性 | 摩擦によりすぐに摩耗する | 摩耗や繰り返しの屈曲に強い |
| 臭いとべたつき | 表面がベタベタ、生臭さが強い | 乾燥した安定した表面で臭いも軽減 |
| 形状記憶 | 不良、負荷がかかると永久に伸びてしまう | 強力で、長期間圧縮しても回復します。 |
主要な特性とパフォーマンスデータ
コンパウンダーは、使用中に部品がどのように動作するかを予測する一連の標準測定値を使用して硬化ゴムを記述します。
- 引張強さは、ゴムが引き裂く前にどれだけの伸張力に耐えられるかを示し、通常はメガパスカルで表されます。
- 破断点伸びは、ゴムが破断するまでにどれだけ伸びるかを測定します。汎用コンパウンドの場合、多くの場合、元の長さの数百パーセントに達します。
- ショア A スケールで測定される硬度は、ショア A 30 程度のソフトシールからショア A 90 を超える硬い工業用ローラーまで、表面の硬さを示します。
- 圧縮永久歪みは、ゴムが長期間圧迫された後にどれだけよく戻るかを表し、何年も圧縮されたままのガスケットや O リングにとって重要な数値です。
- 引裂抵抗は、応力下で完全に裂けるまで成長する切り傷や切り傷にゴムがどれだけ耐えるかを測定します。これは、鋭利なエッジやエッジ付近で繰り返し屈曲する製品にとって重要です。
- 耐摩耗性は、繰り返しの摩擦接触によって表面材料がどれだけ失われるかを予測します。これは、タイヤのトレッドとコンベア ベルトのカバーのコンパウンドの重要な数値です。
- 耐熱老化性は、高温に長時間さらされた後にどれだけ引張強さと伸びが失われるかを追跡し、数日間の実験室試験で長年の使用をシミュレートします。
配合の選択がこれらの数値をどのように変化させるか
これらの数値は、硫黄レベル、促進剤の種類、充填剤の含有量、および硬化スケジュールによって変化します。そのため、同一に見える 2 つのゴム部品が、現実の状況では大きく異なる動作をする可能性があります。カーボン ブラックを充填し、中程度の架橋密度まで硬化させたタイヤ トレッド コンパウンドは、高い耐摩耗性を示しますが、伸びは中程度です。一方、高速促進剤と低硫黄含有量で硬化させたソフトディップ グローブ コンパウンドは、非常に高い伸びを示しますが、引裂強度は比較的低くなります。特定の用途に合わせてこれらの特性の適切なバランスを選択することは、ゴム配合者の核となるスキルです。
製品タイプ別の代表的な特性範囲
| 製品タイプ | 一般的な硬度 (ショア A) | 一般的な破断伸び |
|---|---|---|
| シール用Oリング | 60～80 | 150 ～ 300 パーセント |
| タイヤトレッドコンパウンド | 55～70 | 300 ～ 500 パーセント |
| 靴底 | 45～65 | 400 ～ 600% |
| 工業用ローラー | 80～95 | 100 ～ 250 パーセント |
加硫ゴムの一般的な用途
加硫によって得られる特性は、この材料が非常に多くの業界で使用される理由を説明しています。
自動車と輸送
タイヤ、エンジン マウント、ウェザー シール、振動ダンパーはすべて、加硫による耐疲労性と柔軟性に依存しています。乗用車のタイヤだけでも、耐用年数にわたって形状を失うことなく何百万回も屈曲する可能性があり、典型的なタイヤカーカスは、スチールと繊維の補強層に結合されたいくつかの異なる硫黄硬化ゴム化合物を組み合わせています。
産業用および機械部品
コンベヤ ベルト、駆動ベルト、ホース、ローラーは、工場の床での絶え間ない摩擦、圧力、温度の変動に対処するために加硫ゴムに依存しています。たとえば、採掘用コンベア ベルトは、鉱石や岩石による絶え間ない摩耗に耐えると同時に、一度に何年もローラーの上を連続的に走行できる十分な柔軟性を維持する必要があります。
消費財
履物の底、スポーツ用品、家庭用シールには、グリップ力、快適さ、繰り返しの曲げに対する耐久性を高めるために加硫ゴムが使用されています。スポーツボール、運動器具のグリップ、ゴムバンドはすべて同じ架橋化学に依存しており、非常に異なる硬度と伸びの目標に合わせて調整されています。
建設とインフラストラクチャー
橋のベアリング、伸縮継手、防水膜には、数十年にわたる屋外暴露を想定して設計された厚い加硫ゴム部分が使用されています。これらの部品は、小型の消費者向け製品のように簡単に交換できないため、オゾンや紫外線への耐性に特別な注意を払って配合されています。
医療および実験装置
医療や研究室で使用されるチューブ、ストッパー、およびフレキシブルシールは、化学的不活性性と一貫した柔軟性を実現するために配合された加硫ゴムに依存することがよくあります。これは、ストッパーやチューブの硬度が一貫していない場合、密封されたサンプルや流体ラインが損なわれる可能性があるためです。
海洋および海洋用途
ドックのフェンダーシステム、海上プラットフォームのホースカップリング、水中機器のシールは、弾性を失うことなく、一定の海水への曝露、圧力サイクル、および衝撃荷重に耐えることができる加硫ゴムに依存しています。
加硫温度と加硫時間に関する考慮事項
硬化温度と時間は直接関係しています。温度が高くなると硬化時間は短縮されますが、過剰な熱により硫黄の架橋が分解し始め、ゴムが意図したよりも柔らかくなり、ゴムが弱くなる状態である戻りの危険性があります。一般的な硫黄硬化温度は摂氏 140 ～ 190 度で、硬化時間は薄い浸漬品の場合は数分から、厚い成形ブロックの場合は 1 時間以上となります。
治癒曲線の読み取り
工場では、レオメーターを使用してコンパウンドが時間の経過とともにどのように硬化するかをプロットし、復元が始まる前に架橋密度がピークになる最適な硬化点を特定します。この点を超える硬化はエネルギーを無駄にし、完成品を弱める可能性がありますが、この点より前に硬化させるとゴムが硬化不足になり永久変形しやすくなります。得られるグラフは通常、低い始動トルクから上昇し、架橋が加速するにつれて急激な上昇を経て、プラトーになるか、逆戻りしやすい化合物の場合はピーク後にわずかに低下します。
厚い切片の硬化スケジュールの調整
厚いゴム部品は、熱が表面から中心まで伝わるのに時間がかかるため、特に注意が必要です。表面温度のみを考慮して硬化スケジュールを設定すると、表面が完全に硬化したように見えた後でも、厚いブロックの幾何学的中心が大幅に硬化不足のままになる可能性があります。エンジニアは一般に、量産硬化スケジュールを最終決定する前に、コアが必要な温度に十分な時間到達することを確認するために、厚いプロトタイプ部品の中心に埋め込まれた熱電対を使用します。
品質管理と試験方法
一貫した加硫は、完成部品の目視チェックだけではなく、あらゆる段階でのテストに依存します。
物理的試験
標準的な引張試験では、ダンベル型のゴムサンプルを破断するまで引っ張り、引張強度と伸びを記録します。硬度試験では、デュロメーターをゴム表面に押し付けて、ショア A またはショア D の読み取り値を記録します。圧縮永久歪み試験では、サンプルを一定温度で一定時間圧縮し、解放後にどれだけ元に戻らないかを測定します。
硬化状態の検証
生産前に取得したレオメーター曲線を超えて、工場では完成部品の断面を切断して、閉じ込められた空気や湿気が硬化を妨げた場合に形成される可能性のある不均一な硬化、空隙、または多孔性をチェックすることがよくあります。小さなゴムサンプルを溶媒に浸し、その体積の増加を測定する膨潤試験は、間接的ではあるが信頼性の高い架橋密度の指標を与えます。
環境と経年変化のシミュレーション
加速老化チャンバーは、ゴムサンプルを高温、オゾン、または紫外線に一定期間曝露して、実際の環境で何年も曝露された後に材料がどのように機能するかを予測します。加速老化後に過度の亀裂や引張強度の大幅な低下が見られる部品は、本格的な生産に達する前にフラグが立てられます。
加硫におけるコストと効率の要因
加硫は化学的な決定だけでなく、経済的な決定でもあります。硬化時間は、プレスまたはオーブン ラインがシフトごとに生産できる部品の数を直接決定するため、大量の硬化サイクルを数秒でも短縮するだけで、年間の生産全体で意味のあるコスト削減につながります。
エネルギー消費量
大型の硬化プレス、オートクレーブ、またはオーブンの加熱には、特に長い硬化時間を必要とする厚い工業用部品の場合、かなりのエネルギーが消費されます。より高速な加速器システムと最適化された硬化スケジュールにより、直接的なエネルギーコストと、長時間の高温サイクルに伴う装置の磨耗の両方が削減されます。
材料効率
部分的に硬化した塊は一般に再加工できないため、混合または成形中に焦げが生じると、配合ゴムのバッチ全体が無駄になります。慎重な促進剤の選択とプロセス制御により、スクラップ率が削減されます。これは、単一の小さなバッチで発生するよりも大規模な場合に重要です。
工具と設備への投資
圧縮および射出成形には精密な金属工具が必要であり、これには多額の初期費用がかかります。一方、熱風およびオートクレーブ硬化にはそれほど特殊な工具は必要ありませんが、実行サイクルが遅くなることがよくあります。メーカーは、新しい製品ラインに適した加硫方法を選択する際に、生産量と工具コストを比較検討します。
よくある問題とその回避方法
硫黄ブルーム
反応しなかった過剰な硫黄は表面に移動し、チョーク状の膜が残ることがあります。これは、不溶性硫黄グレードを使用し、硬化中に化合物が完全に吸収できるレベル内に硫黄含有量を維持することで軽減されます。
灼熱
スコーチとして知られる混合中または保管中の早期硬化は、型に到達する前にバッチを台無しにしてしまいます。遅延作用の促進剤と制御された混合温度は、これを防ぐのに役立ちます。
復帰
硬化中に過熱すると、形成後に架橋が破壊され、ゴムが軟化する可能性があります。レオメーターのデータに基づいて硬化温度と時間を慎重に制御することで、これを抑制します。
厚い部分の硬化が不均一
厚いゴム部品の中心には熱が伝わるまでに時間がかかるため、表面は完全に硬化しても中心部は硬化が不十分なままになる可能性があります。段階的な加熱と調整された金型設計は、これを平準化するのに役立ちます。
気孔率と閉じ込められたガス
コンパウンド内の水分や閉じ込められた空気は、加熱中に膨張して硬化部品の内部に小さな空隙を形成し、表面が許容範囲内に見えても内部が弱くなる可能性があります。真空下で適切に混合するか、成形中に通気を制御することで、このリスクが軽減されます。
カビの汚れ
サイクルを繰り返すと硬化型内に残留物が蓄積すると、表面欠陥や後の部品への固着が発生する可能性があります。定期的な金型洗浄スケジュールと内部または外部の離型剤の使用により、長期にわたる生産工程にわたって一貫した部品品質を維持することができます。
持続可能性と耐用年数終了に関する考慮事項
硫黄架橋は化学的に永久的なため、加硫ゴムは熱可塑性プラスチックのように簡単に再溶解して再形成することはできません。このため、毎年数千万トンの硬化ゴム製品を生産する業界にとって、耐用年数が終了した後の処理は、エンジニアリング上および環境上の真の課題となっています。
リサイクルの取り組み
最も一般的なリサイクル ルートは、使用済みのゴム、最も目に見えて古いタイヤを粉砕してクラムラバーにします。この材料は、遊び場の表面、ランニングトラック、ゴム入りアスファルト、および成形マットで第二の生命を見出し、元の架橋構造は化学レベルで逆転するのではなく、単に小さな粒子に破壊されます。
脱硫
より高度なプロセスでは、熱、機械的せん断、マイクロ波、または化学薬品を使用して、下にあるポリマー主鎖をほぼそのまま残しながら硫黄架橋を選択的に破壊することで、実際の脱硫を試みます。得られた脱硫ゴムは、ブレンドして新しいコンパウンドに戻すことができますが、通常、タイヤのトレッドなどの高性能用途において、特性の顕著な低下なしにバージンゴムを完全に置き換えることはできません。
エネルギー回収
機械的リサイクルが現実的ではない場合、使用済みの加硫ゴム（これも最も一般的なスクラップタイヤ）は、セメントキルンやその他の高温工業プロセスで燃料源として処理され、埋立地に送られる材料からエネルギー価値を回収することがあります。
適切な加硫ゴム配合物の選択
新しいアプリケーション用の化合物を選択するには、単一の特性を単独で最適化するのではなく、いくつかの変数を相互に比較検討する必要があります。
- 完成部品が使用中に通常経験する動作温度範囲。
- 油、燃料、溶剤、またはオゾンにさらされると、時間の経過とともに不適切な種類のゴムが劣化する可能性があります。
- 部品が果たさなければならない機械的機能に必要な硬度と柔軟性。
- 予想される耐用年数と、交換前に経年劣化による物的損失がどの程度許容されるか。
- 生産量は、圧縮成形、射出成形、または連続押出硬化のいずれが経済的に合理的であるかに影響します。
通常、エンジニアと配合者はこれらの要素を協力して検討します。多くの場合、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムなどの既知のベースポリマーから開始し、硬化特性が上記の用途要件に一致するまで硫黄レベル、促進剤パッケージ、および充填剤システムを調整します。
よくある質問
加硫ゴムは天然ゴムと同じです
いいえ、天然ゴムはゴムの木から採取される原料です。加硫ゴムは、弾性と耐久性を得るために硫黄と熱で化学処理した後の同じ生ゴム、または合成同等品です。
加硫ゴムはリサイクルできますか
硬化すると、硫黄の架橋によりゴムが再溶解したり、プラスチックのように再形成されにくくなります。リサイクルには通常、床材、遊び場、アスファルト添加剤として使用するために粉砕してクラムラバーにするか、再利用のために架橋を部分的に破壊する脱硫プロセスが含まれます。
加硫ゴムと生ゴムの匂いが違うのはなぜですか
硫黄反応は、配合中に使用される促進剤やその他の添加剤とともに、材料の表面化学を変化させ、未加工の生ゴムに特有の強いラテックス臭を軽減します。
加硫プロセスにはどのくらい時間がかかりますか
硬化時間は、部品の厚さ、温度、使用する促進剤システムによって大きく異なり、薄い浸漬ラテックス製品の場合は 1 分未満から、大きな工業用成形ブロックの場合は 1 時間をはるかに超えるまでの範囲です。
硫黄が多ければ常にゴムが強くなるのか
必ずしもそうとは限りません。硫黄レベルが低いと柔らかく、弾性の高いゴムが生成され、硫黄レベルが中程度だと丈夫で耐摩耗性のゴムが生成され、硫黄レベルが非常に高いとエボナイトと呼ばれる硬くて脆い材料が生成されます。適切な量は、完成した部品の使用目的によって完全に異なります。
すべての加硫ゴム製品に促進剤が必要ですか?
最新のコンパウンドのほとんどは、硬化時間を短縮し、エネルギーコストを削減し、一貫性を向上させるため、促進剤を使用しています。一部のゆっくりとした特殊な硬化は依然として硫黄のみに依存していますが、大規模製造ではこれははるかに一般的ではありません。
ゴムが硬化不足または硬化しすぎた場合はどうなりますか
硬化が不十分なゴムは柔らかく、粘着性があり、永続的に伸びやすくなりますが、硬化しすぎたゴムは脆くなったり、復元の場合は架橋破壊により予想外に柔らかくなったりする可能性があります。どちらの状態も完成部品の耐用年数を短くします。
すべてのゴムは加硫に硫黄が必要ですか?
いいえ。シリコーン ゴムなどの一部の特殊エラストマーは、硫黄の代わりに過酸化物または白金触媒システムによって硬化し、特定のポリマー構造に適したさまざまなタイプの架橋を形成します。
同じベースポリマーであっても、一部のゴム部品が他のゴム部品より硬く感じるのはなぜですか
完成部品の硬度は主に、ベースポリマー単独によるものではなく、特定のコンパウンドに使用される硫黄レベル、架橋密度、充填剤の配合量によって決まります。同じ出発ゴムから作られた 2 つの製品は、配合方法や硬化方法によって最終的に非常に異なる硬度になる可能性があります。
ゴム製品が適切に加硫されているかどうかを確認するにはどうすればよいですか
適切に加硫されたゴムは、粘着性ではなく乾いた感触があり、引き伸ばしたり圧縮した後すぐに元の形状に戻り、生ゴムの臭いが残らない必要があります。同じ部品全体で硬度が一貫していない場合、または通常の条件下で表面が粘着性のままである場合は、硬化が不完全または不均一であることを示している可能性があります。
