Химия и химические технологии/1. Пластмассы,

полимерные и синтетические материалы и их производство

К.т.н. Болгова И.Н., к.т.н. Смирных А.А., к.т.н. Наумченко И.С.

Воронежский государственный университет инженерных технологий, Россия

К вопросу совершенствования процесса сборки покрышек

Для обеспечения высокой прочности связи (адгезии) между слоями и деталями при сборке шин широко применяются процессы нанесения клеевых покрытий на шприцованные резиновые заготовки с последующей их сушкой. Вследствие сравнительно низкой интенсивности удаления растворителя из клеевой композиции покрытия в процессе сушки традиционными способами и техническими решениями время сушки до необходимого влагосодержания чрезмерно велико. Поэтому досушка зачастую происходит при вылежке полуфабрикатов, что приводит к ухудшению качества изделий из-за недосушки клея к моменту сборки, загрязнений, липкости заготовок и т.п.

Резиновые клеи – коллоидные растворы каучука или резиновой смеси в органических растворителях (бензине, этил ацетате и др.) и по концентрации подразделяются на густые клеи (пасты), средние и жидкие. При этом контроль конфекционных свойств (клейкости) деталей шин при их изготовлении, хранении и сборке остается актуальным. Одним из существенных недостатков шинных резиновых смесей на основе синтетических каучуков является их низкие конфекционные свойства, что обуславливает необходимость применения бензина БР-1 (бензин «калош») для освежения поверхности деталей покрышек перед конфекционной сборкой покрышек. Бензин БР-1 относится к углеводородам наименее вредным, так как его предельно-допустимая концентрация составляет (в пересчете на углерод) 0,3·10^-3 кг/м³. Однако его концентрация у сборочных станков может достигать (18…20)·10^-3 кг/м³. Вылежка деталей покрышек резко снижает их конфекционные свойства вследствие окисления поверхностного слоя, выцветания серы и других ингредиентов на поверхность, а также осаждения производственной пыли. Так, прочность связи между слоями обрезиненного корда, дублированных сразу после каландрования, составляет в среднем 35 кг/м, тогда как дублирование этих же слоев после хранения в течение 5 часов позволяет достичь прочности связи между ними лишь 15 кг/м.

Работы, посвященные повышению конфекционных свойств шинных смесей на основе синтетических каучуков путем введения различных смол, не привели к устранению этого недостатка, и применение бензина БР-1 при сборке покрышек практикуется на всех отечественных шинных заводах. При этом освежение поверхности деталей бензином, воспринимаемое как удаление выцветших серы и ингредиентов, и осевшей на поверхность производственной пыли при хранении деталей, в действительности является процессом образования на поверхности деталей микрослоя клея с диспергированными в нем кристаллическими частицами серы, ускорителей, а также пыли. Механизм образования микрослоя клея на поверхности деталей покрышек можно представить следующим образом. При нанесении бензина на поверхность детали каркаса сборщик не смывает с поверхности выцветшие ускорители и серу, а только смачивает их бензином. При этом часть макромолекул каучука растворяется в бензине с образованием микрослоя клея, тогда как частицы серы и ускорителей, которые мигрировали на поверхность при хранении, не растворяются в бензине, а переходят в суспензию в клеевую прослойку. Следует отметить, что часть бензина не успевает испариться перед наложением очередного слоя детали на освеженную поверхность. Кроме того, при обычной температуре бензин испаряется от поверхности микрослоя клея, что приводит к образованию поверхностной пленки, препятствующей испарению молекул бензина из нижней части клеевого слоя, и тех молекул, которые уже успели внедриться в обкладочную смесь глубже. Остатки легколетучего бензина обуславливают снижение прочности связи между брекером и протектором, а в каркасе при температурах вулканизации пары бензина могут привести к микропорам, способствующим уменьшению срока службы шин. Кроме того, кристаллические частицы серы и ускорителей, оставшиеся между дублированными поверхностями деталей, способствуют образованию в поверхности контакта этих деталей тонкого перевулканизованного слоя, что также приведет к уменьшению прочности связи между ними и сокращению срока службы шин из-за более высокого теплообразования в таких прослойках в покрышке. При этом, чем больше количество выцветших на поверхность кристаллических серы и ускорителей, тем больше вероятность образования перевулканизованного слоя в поверхности контакта двух деталей. Для уменьшения количества бензина в растворителе представляет интерес применение смеси бензина с этиловым спиртом. В данном случае можно ожидать одновременное растворение каучука и ингредиентов, мигрировавших на поверхность при условии, если добиться смешения этих растворителей друг в друге (например, при добавлении небольшого количества третьего буферного растворителя). Однако наиболее перспективным является исключение применения бензина, что требует повышения конфекционных свойств поверхности деталей покрышек после их вылежки.

Исключение бензина при сборке покрышек возможно следующими способами.

1. Поверхность деталей освежить механическим способом, например, вращающейся проволочной щеткой. При этом произойдет шероховка тонкого слоя, и получится развитая поверхность контакта, что обеспечит надежную когезию между слоями каркаса. Нагрев такой поверхности будет способствовать увеличению прочности связи между дублируемыми деталями за счет повышения пластичности резиновых смесей и достижения более полного контакта между поверхностями. Известно, что интенсивное возрастание прочности связи между дублируемыми слоями деталей при нагреве наблюдается в интервале температур 35 – 60⁰С как для невулканизованных (с 21 до 37 кг/м), так и для вулканизованных (с 500 до 560 кг/м) образцов деталей покрышек на основе синтетических каучуков. Нагрев поверхности деталей покрышек на основе синтетических каучуков оказывает положительное влияние и при использовании клеевого слоя и освежения бензином. Это обусловлено тем, что нагрев поверхности перед освежением бензином или промазкой клеем ведет к испарению бензина из клеевой прослойки от нижних слоев клея к верхним с полным удалением растворителя с дублируемых поверхностей. Это способствует повышению монолитности покрышек и увеличению прочности связи между деталями.

2. Уменьшение снижения конфекционных свойств поверхности деталей покрышек при вылежке возможно при введении в резиновые смеси компонентов серных вулканизующих систем в виде предварительно полученных эвтектических смесей из нескольких порошкообразных ингредиентов и их гранулирования в расплавленном состоянии. Это исключает выцветание серы, ускорителей и других ингредиентов на поверхность, однако из-за низкой конфекционной клейкости резиновых смесей на основе СК обогрев поверхности, является необходимым.

Расчет энергии, необходимой для обогрева поверхности деталей покрышек при сборке. Диаметр сборочного барабана принимаем в среднем 0,6 м. Тогда его периметр составит: П = πd = 3,14·0,6 = 1,884 м ≈ 1,9 м.

Ширина слоя корда на цилиндрической части барабана примерно равна:

h = 0,6 м. Отсюда рассчитаем поверхность обрезиненного слоя корда для обогрева: S = П·h = 1,9·0,6 = 1,14 м².

При обогреве с помощью электрического излучателя происходит нагрев тонкого поверхностного слоя резиновой смеси толщиной l = 0,1·10^-3 м. Следовательно, масса нагреваемой резиновой смеси на поверхности слоя корда составит: M = S·l·ρ = 1,14·0,1·10^-3·1150 = 0,131 кг,

где ρ – плотность резиновой смеси, кг/м³.

Рассчитаем количество тепла, необходимое для повышения температуры массы резиновой смеси в количестве 0,131 кг с 20 ⁰С (температура в сборочном цехе) до 60 ⁰С (достижение максимального значения прочности связи между дублирующими слоями).

Теплоемкость резины составляет 2091 Дж/(кг·К).

Тогда для повышения температуры поверхностного слоя кордной резиновой смеси до 60 ⁰С необходимо

Q = C_р·m(60 - 20) = 2091·0,131·40 = 10956,84 Дж.

Тепловые потери на проникновение тепла вглубь заготовки за счет теплопроводности резиновой смеси и через текстолитовый корпус излучателя примем равными 5% от полезного тепла, что составит 548 Вт.

Следовательно, для повышения температуры поверхностного слоя одной детали до 60 ⁰С необходимо сообщить тепло в количестве:

Q_общ = 10956,84 + 548 = 11504,84 Вт.

Такое количество тепловой энергии на поверхность деталей покрышек, находящихся на сборочном барабане, можно сообщить с помощью двух электрических отражателей или излучателей суммарной мощностью 4 кВт, т.е. один отражатель должен иметь четыре лампочки по 500 Вт каждая.

Определяем продолжительность обогрева поверхности одной детали при вращении сборочного барабана:

τ = Q_общ/Q_отр = 11504,84/4000 = 2,88 с ≈ 3 с.

Учитывая другие тепловые потери, продолжительность нагрева поверхности каждой детали принимаем 10с при противоположном расположении отражателей по диаметру сборочного барабана. Это время значительно меньше продолжительности освежения поверхности одной детали бензином (не менее 20 с).

Обогрев поверхности деталей покрышек на сборочном барабане может обеспечить необходимые конфекционные свойства лишь при выполнении одного из следующих условий:

- при предварительной шероховке поверхности деталей проволочной щеткой для удаления выцветших серы, ускорителей и пыли;

- при введении в резиновые смеси компонентов серных вулканизующих систем в виде гранулированных молекулярных комплексов, полученных гранулированием бинарных и сложных эвтектических расплавов.