Arti Karet Vulkanisir: Bagaimana Ikatan Silang Belerang Mengubah Karet Mentah

Karet vulkanisasi adalah karet mentah yang telah diikat silang secara kimia, biasanya dengan belerang dan panas, sehingga rantai polimer panjangnya diikat menjadi jaringan tiga dimensi. Itulah keseluruhan makna dalam satu kalimat. Segala sesuatu yang melekat pada ungkapan tersebut – belerang, panas, alat pengepres, bau lantai pabrik – ada untuk menghasilkan satu perubahan struktural tersebut.

Konsekuensi praktisnya mudah dilihat. Karet gelang kembali ke bentuk aslinya, bukannya kendur. Tapak ban mampu bertahan dari abrasi ribuan kilometer. Cincin-O masih tersegel setelah bertahun-tahun berada di dalam ruang mesin yang panas. Tak satu pun dari perilaku tersebut ada pada bahan mentah. Mereka hanya muncul setelah pengikatan silang.

Jika Anda mencari bahan-bahan majemuk, menentukan alat pemeras pengawet, atau mencoba mencari tahu mengapa segel menjadi rapuh, definisi tersebut kurang penting dibandingkan dengan angka-angka pada lembar proses Anda. Di situlah kelanjutan artikel ini.

Apa Arti Sebenarnya Kata Vulkanisir

Istilah ini berasal dari Vulcan, dewa api Romawi, dan diterapkan pada karet pada tahun 1840-an ketika Charles Goodyear menemukan bahwa memanaskan karet mentah dengan belerang mengubahnya dari permen karet yang lengket dan sensitif terhadap suhu menjadi padatan elastis yang stabil. Nama tersebut tetap melekat meskipun tidak ada dewa api yang terlibat, dan meskipun produksi modern menggunakan banyak bahan kimia pengikat silang yang tidak mengandung belerang sama sekali.

Secara kimia, vulkanisasi merupakan reaksi ikatan silang. Karet alam mentah adalah rantai unit isoprena, biasanya berjumlah puluhan ribu, dengan ikatan rangkap tersedia pada setiap atom karbon kelima. Selama proses pengawetan, belerang bereaksi pada beberapa ikatan rangkap tersebut dan membentuk jembatan pendek antara rantai yang berdekatan. Jembatan belerang pada umumnya hanya memiliki panjang satu hingga delapan atom belerang, sedangkan rantainya sendiri sangat panjang. Satu ikatan silang untuk setiap beberapa ratus atom karbon sudah cukup untuk mengubah material sepenuhnya.

Ada dua hal yang patut dipisahkan di sini. Vulkanisasi bukanlah pelapisan dan bukan pencampuran sederhana. Menambahkan belerang ke pabrik dan mencampurkannya ke dalam senyawa menghasilkan karet yang tidak divulkanisasi yang berperilaku hampir persis seperti bahan mentahnya. Perubahan hanya terjadi ketika panas memicu reaksi dan jaringan benar-benar terbentuk. Sebelum saat itu Anda memiliki massa plastik. Setelah itu, Anda memiliki padatan elastis. Tidak ada keadaan tengah yang bertahan lama.

Perlu juga diketahui bahwa kata yang sama mencakup pengawetan peroksida, pengawetan oksida logam, pengawetan resin, dan pengawetan radiasi. Karet silikon, EPDM, dan karet fluoro sering kali diikat silang tanpa belerang. Ketika pemasok mengatakan ada bagian yang divulkanisasi, itu berarti jaringannya ada, bukan belerang yang digunakan.

Mengapa Karet Mentah Tidak Dapat Melakukan Pekerjaannya Sendiri

Karet mentah hampir tidak memiliki sifat rekayasa yang berguna. Kekuatan tariknya biasanya berkisar antara 0,5 dan 2 MPa, yang kira-kira sebanding dengan gel kaku. Hangatkan di atas sekitar 50 hingga 60 derajat Celcius dan akan melunak secara dramatis; dinginkan di bawah titik beku dan itu akan menjadi kaku dan bisa menjadi rapuh. Biarkan satu strip di bawah beban pada suhu kamar dan itu akan mengalir secara permanen - istilah teknisnya adalah aliran dingin, dan itulah alasan mengapa karet yang tidak divulkanisasi disimpan sebagai lembaran datar atau dibungkus dalam gulungan daripada digantung.

Masukkan ke dalam toluena atau bensin dan larut. Jika terkena sinar matahari dan oksigen, maka akan cepat rusak. Tak satu pun dari perilaku ini yang merupakan cacat; mereka hanyalah apa yang dilakukan oleh polimer yang tidak berikatan silang. Rantai-rantai itu meluncur melewati satu sama lain karena tidak ada yang menahannya.

Inilah sebabnya mengapa tahap peracikan ada sejak awal. Sebelum pengawetan, suatu senyawa mengandung karet, bahan pengisi seperti karbon hitam, bahan pemlastis, antioksidan, dan sistem pengawetan itu sendiri. Pengisi meningkatkan kekuatan dan kekerasan, namun jaringan inilah yang mengunci semuanya pada posisinya. Catatan teknis kami sendiri tentang karakteristik dan sifat bahan karet membahas perbedaan polimer dasar ini sebelum sistem pengawetan apa pun ditambahkan.

Jika Anda melewatkan pengikatan silang seluruhnya, Anda tidak akan mendapatkan bagian karet yang lebih lemah. Anda mendapatkan bagian yang tidak dapat menahan dimensinya selama seminggu.

Apa yang Berubah Secara Fisik Setelah Vulkanisasi

Setelah jaringan ada, materi memperoleh memori. Regangkan dan kembali. Kompres dan pulih. Pemulihan tersebut bukanlah efek permukaan; itu berasal dari ikatan silang yang mencegah selip rantai permanen, sementara segmen di antara ikatan silang tetap bebas bergerak dan terlepas.

Beberapa perubahan terjadi bersamaan:

• Kekuatan meningkat dengan urutan besarnya. Kompon karet alam yang diformulasikan dengan baik biasanya mencapai kekuatan tarik 20 hingga 30 MPa dan perpanjangan putus 400 hingga 700 persen.
• Jendela suhu yang berguna melebar. Karet alam biasa yang diawetkan dengan sulfur bekerja dengan nyaman hingga suhu sekitar 70 derajat Celcius, sementara senyawa EPDM dan silikon jauh melampaui suhu tersebut.
• Resistensi pelarut muncul. Bahannya tidak lagi larut; ia membengkak, dan tingkat pembengkakan menjadi ukuran praktis tentang seberapa padat ikatan silang bagian tersebut.
• Set kompresi meningkat. Segel yang divulkanisasi mempertahankan bentuknya di bawah beban dan bukannya mengalir menjauh dari permukaan segel.
• Ketajaman permukaan menghilang. Karet yang diawetkan terasa kering dan ditangani dengan rapi pada peralatan otomatis.

Perhatikan bahwa kekerasan hampir tidak bergerak. Ikatan silang pada dasarnya bukan tentang kekakuan; ini tentang pemulihan. Anda mengontrol kekerasan terutama melalui pemuatan pengisi, dan Anda mengontrol elastisitas dan mengatur melalui kepadatan ikatan silang. Membingungkan kedua tuas ini adalah salah satu kesalahan formulasi yang paling umum.

Karet Tidak Diawetkan versus Karet Vulkanisasi Berdampingan

Tabel di bawah ini merangkum perbedaan yang paling penting selama evaluasi dan produksi. Nilai merupakan rentang khas yang diambil dari referensi teknologi karet standar seperti Maurice Morton Teknologi Karet dan praktik peracikan umum; angka pastinya bergantung pada jenis polimer, pemuatan pengisi, dan sistem pengawetan.

Baca baris pertama dengan cermat. Lonjakan dari sekitar 1 MPa menjadi lebih dari 20 MPa bukanlah suatu kemajuan kecil; ini adalah kelas material yang berbeda, dicapai dengan menambahkan sebagian kecil dari satu persen berat belerang.

Belerang, Akselerator, dan Fungsi Setiap Aditif

Penyembuhan yang hanya mengandung sulfur secara teknis mungkin dilakukan, namun memerlukan waktu berjam-jam dan menghasilkan khasiat yang buruk. Senyawa nyata menggunakan sistem pengawetan yang terdiri dari tiga atau empat komponen yang bekerja sama.

Dosis belerang menentukan jenis jaringan

Sistem konvensional menggunakan sekitar 1,5 hingga 3,0 bagian per seratus karet. Sistem semi-efisien turun menjadi sekitar 1,0 hingga 1,5 phr dengan lebih banyak akselerator, dan sistem yang efisien turun menjadi 0,3 hingga 0,8 phr. Sulfur yang lebih rendah berarti ikatan silang yang lebih pendek dan lebih stabil secara termal, sehingga meningkatkan penuaan panas namun dapat mengurangi umur kelelahan dalam aplikasi dinamis seperti dudukan mesin.

Akselerator mengatur waktu

Akselerator tidak mengubah tujuan, hanya kecepatannya. Tiazol seperti MBT menyembuhkan cukup cepat dengan waktu tunggu yang singkat. Sulfenamida seperti CBS memberikan waktu penghangusan yang lebih lama dan merupakan pekerja keras untuk bagian cetakan yang tebal dimana aliran harus selesai sebelum reaksi dimulai. Thiuram dan dithiocarbamates sangat cepat dan biasanya disediakan untuk profil tipis atau lateks. Kesalahan dalam menggunakan akselerator adalah penyebab paling umum terjadinya hangus dini pada tong injeksi.

Akselerator Belerang untuk Vulkanisasi Karet Akselerator belerang mempercepat vulkanisasi karet, dimana belerang saja bereaksi dengan lambat. Hal ini relevan ketika memilih kelompok akselerator untuk menyeimbangkan kecepatan pengeringan dengan keamanan gosong dalam pemrosesan karet. Lihat Produk →

Jika Anda menyeimbangkan kecepatan pengeringan dengan keamanan terhadap hangus, titik awal praktisnya adalah grafik kelompok akselerator dengan waktu hangus yang khas pada suhu barel Anda, bukan proses coba-coba di jalur produksi.

Aktivator dan Alat Bantu Proses yang Tidak Dapat Anda Lewati

Akselerator secara mengejutkan tidak efektif. Mereka membutuhkan oksida logam dan asam lemak untuk membentuk kompleks larut yang membawa belerang ke dalam karet. Pasangan itu disebut sistem aktivator, dan mengabaikannya adalah cara diam-diam untuk mengurangi separuh angka kesembuhan Anda.

Seng oksida adalah pilihan standar, biasanya digunakan pada 3 hingga 5 phr. Di bawah sekitar 2 phr penyembuhan menjadi sangat lamban dan kualitas jaringan menurun. Di atas 5 phr hanya ada sedikit manfaat lebih lanjut, dan kelebihan seng oksida berkontribusi terhadap mekarnya permukaan akhir. Ukuran partikel juga penting; permukaan yang diolah dan nilai nano menyebar lebih cepat dalam siklus pencampuran yang singkat, yang sering kali menjadi alasan sebenarnya suatu senyawa tidak merata dalam satu batch.

Seng Oksida Aktif untuk Vulkanisasi Karet Seng oksida aktif menawarkan ukuran partikel kecil dan aktivitas vulkanisasi tinggi. Pada kompon karet, bahan ini mendukung aktivasi pengawetan, dan kualitas yang lebih halus atau permukaan yang diolah dapat menyebar lebih cepat selama siklus pencampuran yang singkat. Lihat Produk →

Asam stearat adalah paruh kedua dari pasangan, biasanya pada 1 hingga 3 phr. Ini melarutkan seng sehingga dapat berpartisipasi dalam reaksi, dan berfungsi ganda sebagai pelumas yang membantu melepaskan bagian-bagian dari cetakan. Terlalu sedikit maka penyembuhannya akan terhenti lebih awal; terlalu banyak dan dapat berpindah ke permukaan, menyebabkan daya rekat yang buruk pada rakitan cetakan bersama atau terikat.

Asam Stearat untuk Kompon Karet Asam stearat bekerja bersama seng oksida dalam vulkanisasi karet, biasanya pada 1 hingga 3 phr, melarutkan seng dan membantu pelepasan jamur. Kelebihan dapat bermigrasi dan merusak adhesi pada rakitan yang terikat. Lihat Produk →

Bersama-sama, seng oksida dan asam stearat harganya sangat murah per kilogramnya tetapi mempengaruhi tingkat penyembuhan, kepadatan ikatan silang, penampilan permukaan dan daya rekat. Jika suatu batch berperilaku tidak konsisten, pemeriksaan keakuratan berat kedua bahan ini biasanya lebih cepat daripada pemeriksaan ulang polimer.

Membaca Kurva Vulkanisasi Seperti Manajer Produksi

Uji moving-die rheometer menghasilkan kurva yang memberitahu Anda apakah suatu senyawa siap untuk diproduksi. Empat angka paling penting.

• Torsi minimum, atau ML, menunjukkan viskositas senyawa yang tidak divulkanisasi. Meningkatnya ML pada batch yang berturut-turut menunjukkan masalah hangus atau dispersi bahan pengisi.
• Torsi maksimum, atau MH, mencerminkan kepadatan ikatan silang. Bandingkan MH antar batch untuk mendeteksi kesalahan pemberian dosis dalam sistem pengawetan.
• Waktu hangus, ditulis ts2, adalah berapa lama senyawa bertahan pada suhu pengujian sebelum torsi mulai meningkat. Ini adalah batas praktis waktu tinggal barel Anda.
• Waktu penyembuhan optimal, tertulis t90, adalah ketika kenaikan torsi telah terjadi sebesar 90 persen. Waktu penyembuhan produksi biasanya ditetapkan sedikit melebihi t90, bukan pada t90.

Ketergantungan pada suhu sangat tinggi. Sebagai aturan praktis, menaikkan suhu pengawetan sebesar 10 derajat Celsius secara kasar akan menggandakan laju reaksi, itulah sebabnya cetakan pada suhu 150 derajat Celsius yang dikeringkan dalam delapan menit dapat selesai dalam empat menit pada suhu 160. Aturan yang sama menjelaskan mengapa tong yang dipanaskan sedikit dapat menghanguskan material lama sebelum siklusnya berakhir.

Pertahankan kurva untuk setiap senyawa dalam file yang dapat diambil. Ketika pengaduan diterima delapan belas bulan kemudian, nilai MH dan t90 asli adalah cara tercepat untuk membuktikan apakah senyawanya berubah atau prosesnya berubah.

Divulkanisasi, Disembuhkan, Diikat Silang: Memilah Kosakata

Dalam percakapan sehari-hari, ketiga kata tersebut dapat dipertukarkan, namun memiliki bobot yang sedikit berbeda dalam dokumen teknis.

• Tautan silang adalah istilah kimia umum untuk bergabung dengan rantai polimer. Ini berlaku untuk karet, plastik, perekat dan gel.
• Pengobatan adalah langkah prosesnya. Di pabrik, proses curing berarti bagian tersebut telah menghabiskan waktu yang diperlukan dalam pengepresan atau jalur kontinu.
• Vulkanisasi adalah nama historis dan komersial untuk pengikatan silang karet, dan digunakan bahkan untuk sistem peroksida dan radiasi yang tidak mengandung belerang.

Satu peringatan dalam susunan kata: bagian yang disembuhkan tidak secara otomatis merupakan bagian yang disembuhkan dengan benar. Karet yang kurang diawetkan akan terasa lembut dan menunjukkan tingkat kompresi yang tinggi, sedangkan karet alam yang terlalu diawetkan dapat kembali menjadi lengket dan lemah. Kedua kegagalan tersebut terlihat seperti kesalahan material bagi pelanggan, dan keduanya merupakan kesalahan proses pada kenyataannya.

Kesalahan yang Muncul di Lantai Toko

Kebanyakan permasalahan vulkanisasi bukanlah permasalahan kimia. Ini adalah masalah pengendalian, dan hal ini berulang di seluruh pabrik.

1. Dengan asumsi pers berada pada suhu yang disetel. Pelat yang terbaca 155 derajat pada pengontrol dapat berada pada 140 derajat di permukaan setelah periode idle yang lama. Ukur rongga cetakan, bukan panelnya.
2. Mengabaikan jeda termal pada bagian yang tebal. Bagian 20 mm membutuhkan lebih panjang daripada bagian 2 mm pada suhu pelat yang sama. Waktu pengeringan harus disesuaikan dengan kuadrat ketebalannya, bukan linier.
3. Menimbang aktivator berdasarkan volume. Seng oksida dan asam stearat diberi dosis dalam jumlah kecil, dan penambahan berbasis sendok bervariasi sebesar 20 persen atau lebih antar operator.
4. Menggunakan kembali flash yang telah dipotong. Flash yang diawetkan tidak dapat dicampur kembali ke dalam batch baru; itu tidak akan pernah berikatan silang lagi dan akan muncul sebagai cacat permukaan permanen.
5. Menyimpan lembaran majemuk terlalu lama sebelum diawetkan. Bahkan pada suhu kamar, senyawa yang rawan hangus akan melayang, dan kumpulan yang tersisa pada akhir pekan mungkin tidak mengalir dengan cara yang sama pada hari Senin.

Masing-masing masalah ini murah untuk diperbaiki dan mahal untuk diabaikan. Survei suhu mingguan dan penimbangan rutin bahan kimia kecil yang terkalibrasi menghilangkan sebagian besar masalah tersebut.

Apa Artinya bagi Peralatan dan Keputusan Pembelian

Setelah Anda menerima bahwa vulkanisasi adalah reaksi waktu-suhu-tekanan, pilihan peralatan menjadi lebih mudah untuk dibenarkan. Mesin press dengan suhu pelat yang tidak merata akan menghasilkan komponen dengan kondisi pengerasan yang berbeda pada cetakan yang sama. Sistem takaran yang tidak dapat mempertahankan akurasi bahan kimia kecil akan menghasilkan batch yang bervariasi dalam MH. Konveyor pendingin yang bekerja terlalu pendek akan menyebabkan bagian-bagian yang tebal terus mengalami proses curing secara off-line, yang sama merusaknya dengan proses curing yang kurang.

Untuk profil kontinyu perhitungannya berubah lagi. Saluran microwave dan saluran udara panas disembuhkan dengan melewatkan ekstrudat melalui terowongan pemanas, sehingga kecepatan saluran, ketebalan profil, dan reaktivitas senyawa harus disesuaikan. Garis rendaman garam menangani bagian tebal dan geometri kompleks yang akan melorot di terowongan udara panas. Memilih di antara keduanya tergantung pada ketebalan bagian dan stabilitas bentuk, bukan preferensi pemasok.

Logika yang sama juga berlaku di hulu. Akurasi awal menentukan seberapa konsisten bobot blanko, dan bobot blanko menentukan seberapa konsisten pengisian rongga. Kinerja saringan menentukan apakah partikel asing dapat bertahan di bagian akhir. Ini bukanlah topik yang terpisah dari vulkanisasi; itulah kondisi yang membuat jadwal penyembuhan berhasil.

Jika Anda ingin titik awal untuk memetakan proses pengawetan ke perangkat keras, telusuri rangkaian peralatan pemrosesan karet lengkap dan cocokkan kategori mesin dengan tahapan yang sedang Anda geluti.

Pertanyaan Yang Sering Diajukan Tentang Karet Vulkanisasi

Apakah karet vulkanisasi selalu mengandung belerang?

Pengawetan belerang mendominasi pada karet alam, SBR, dan karet nitril, namun sistem peroksida umum digunakan pada EPDM dan silikon, serta oksida logam seperti karet kloroprena ikatan silang seng oksida dan magnesium oksida. Perawatan radiasi tidak menggunakan bahan kimia sama sekali. Ciri khasnya adalah jaringan ikatan silang, bukan keberadaan belerang.

Bisakah vulkanisasi dibatalkan?

Sama sekali tidak mengembalikan karet mentah aslinya. Pemanasan karet alam yang diawetkan dalam waktu yang cukup lama menyebabkan terjadinya pembalikan – jaringan rusak dan bahan menjadi lengket dan lemah – namun akibatnya adalah karet yang terdegradasi, bukan bahan mentah yang dapat digunakan. Inilah sebabnya mengapa potongan yang sudah diawetkan digiling dan dijual sebagai bahan pengisi, bukan diolah kembali sebagai bahan campuran.

Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk vulkanisasi?

Durasinya berkisar antara kurang dari satu menit hingga beberapa jam. Komponen cetakan injeksi tipis dalam sistem yang efisien dapat mengeras dalam 30 hingga 60 detik pada suhu 170 hingga 180 derajat Celcius. Blok cetakan kompresi yang tebal mungkin memerlukan waktu 30 menit atau lebih. Jalur ekstrusi kontinyu menyeimbangkan panjang terowongan dengan kecepatan jalur dibandingkan menjalankan siklus waktu tetap.

Mengapa bau karet yang tidak diawetkan berbeda dengan karet yang diawetkan?

Bau tersebut sebagian besar berasal dari bahan-bahan peracikan yang mudah menguap dan dari produk samping reaksi yang dikeluarkan selama proses pengawetan. Banyak akselerator yang rusak selama reaksi dan menghasilkan sejumlah kecil amina atau spesies mudah menguap lainnya, itulah sebabnya bagian yang baru diawetkan biasanya diberi ventilasi atau pasca-perawatan sebelum dikemas.

Bagaimana cara mengetahui apakah suatu bagian sudah sembuh total?

Metode yang dapat diandalkan adalah kurva rheometer pada senyawa ditambah uji pengembangan pelarut pada bagian akhir. Indikator lapangan meliputi set kompresi, penyimpangan kekerasan setelah penuaan, dan kelengketan permukaan. Bagian yang terasa agak lunak dan mengeras secara permanen setelah 24 jam di bawah kompresi biasanya kurang matang, bukan kurang terisi.

Apakah kandungan sulfur yang lebih tinggi berarti karet yang lebih kuat?

Hanya sampai pada titik tertentu, dan tidak seperti yang diharapkan kebanyakan orang. Peningkatan sulfur meningkatkan kepadatan ikatan silang, yang meningkatkan modulus dan mengurangi perpanjangan. Dorong cukup jauh dan material menjadi rapuh, dengan ketahanan lelah yang buruk. Untuk komponen dinamis, sistem semi-efisien dengan sulfur lebih rendah dan akselerator lebih tinggi sering kali lebih tahan lama dibandingkan senyawa konvensional bersulfur tinggi.

Apakah karet vulkanisasi sama dengan karet silikon?

Tidak. Karet silikon adalah keluarga polimer yang berbeda, dibangun di atas tulang punggung silikon-oksigen, bukan rantai karbon, dan biasanya berikatan silang dengan penambahan katalis peroksida atau platinum, bukan dengan belerang. Silikon juga divulkanisasi dalam arti luas, namun kisaran suhu dan perilaku kimianya sangat berbeda.

Apa yang menyebabkan bagian yang sembuh kembali?

Pembalikan terjadi terutama pada karet alam ketika disimpan pada suhu pengeringan terlalu lama atau pada suhu yang berlebihan. Ikatan silang polisulfida pecah dan tersusun kembali menjadi struktur siklik yang tidak berkontribusi pada jaringan, sehingga material menjadi lunak. Beralih ke sistem semi-efisien atau efisien, atau menurunkan suhu pengawetan dengan siklus yang lebih lama, adalah solusi standarnya.

Ringkasnya: karet vulkanisasi berarti karet yang rantai polimernya telah digabungkan secara kimia menjadi suatu jaringan. Jaringan itulah yang mengubah permen karet yang lembut, lengket, dan peka terhadap suhu menjadi bahan yang membawa beban, menutup tekanan, dan memulihkan bentuknya.

Segala sesuatu yang praktis mengikuti dari situ. Dosis sulfur menentukan jenis jaringan. Akselerator mengatur kecepatan. Seng oksida dan asam stearat menentukan apakah reaksi berjalan efisien. Pers, terowongan, saluran pendingin, dan pembentuk awal menentukan apakah setiap bagian dalam batch mendapat perlakuan yang sama. Selaraskan keempat hal tersebut dan materi akan sesuai dengan definisi yang dijanjikan.