Faktoren, die die Schrumpfung von Gummimischungen beeinflussen

1. Einleitung

1.1 Bedeutung der Schrumpfrate von Gummiprodukten

Ein entscheidender Leistungsindikator für Gummiwaren ist ihre Schrumpfrate. Sie hat direkte Auswirkungen auf die Leistung, das Aussehen und die Maßhaltigkeit der Artikel. Eine hohe Schrumpfrate kann zu Oberflächenfehlern, Produktgrößenabweichungen und anderen Problemen führen, die sich negativ auf die Qualität des Produkts auswirken. Daher ist eine der wichtigsten Technologien im Gummiherstellungsprozess die Kontrolle und Maximierung der Schrumpfrate von Gummiwaren.

1.2 Übersicht über die wichtigsten Faktoren, die die Schrumpfungsrate beeinflussen

• Gummiformel: Die Schrumpfungsrate variiert je nach Art und Menge der im Gummi verwendeten Füllstoffe, Weichmacher und Rohstoffe.
• Formverfahren: Das Schrumpfungsverhalten variiert je nach Art der verwendeten Formgebung, z. B. Spritzguss oder Kompressionsguss.
• Formbedingungen: Die Schrumpfungsrate wird maßgeblich durch die Wahl der Prozessparameter wie Temperatur, Druck und Haltezeit beeinflusst.
• Nachbearbeitung: Die endgültige Schrumpfungsrate wird auch durch spätere Prozessschritte wie Entformen, Abkühlen und Wärmebehandlung beeinflusst.

2. Der Einfluss von Formelfaktoren auf die Schrumpfungsrate

2.1 Der Einfluss verschiedener Gummiarten auf die Schrumpfrate

2.1.1 Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk usw.

Einer der wichtigsten Faktoren, die die Schrumpfrate beeinflussen, ist die Gummiart. Das Schrumpfverhalten verschiedener Gummiarten variiert aufgrund von Unterschieden in ihrer Molekülstruktur, Polarität, Vernetzungsdichte und anderen Eigenschaften.

• Da Naturkautschuk (NR) eine längere Molekülkette und eine geringere Vernetzungsdichte – normalerweise zwischen 10 und 15 Prozent – ​​hat, schrumpft er schneller.
• Dem Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) wird Styrolmonomer zugesetzt, was im Vergleich zu Naturkautschuk eine erhöhte Molekularpolarität, eine höhere Vernetzungsdichte und eine geringere Schrumpfungsrate (normalerweise 5–10 %) zur Folge hat.
• Chloroprenkautschuk (CR) zeichnet sich durch das Vorhandensein von Chloratomen, eine höhere Vernetzungsdichte, eine stärkere Molekülpolarität und eine geringere Schrumpfungsrate (oft 3-8 %) aus.
• Andere, darunter Nitrilkautschuk (NBR) und Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM), weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekülpolaritäten und -strukturen unterschiedliche Schrumpfeigenschaften auf, die einer weiteren Untersuchung bedürfen.

2.2 Einfluss des Füllstoffgehalts auf die Schwindung

2.2.1 Anorganische Füllstoffe vs. organische Füllstoffe

Die Schrumpfrate von Gummiprodukten wird auch erheblich von der Art und Menge der verwendeten Füllstoffe beeinflusst. Normalerweise werden sie in zwei Gruppen unterteilt: anorganische und organische Füllstoffe.

• Zu den häufigsten anorganischen Füllstoffen zählen Talk, Dolomitpulver, weißer Ruß und Ruß. Da diese Füllstoffe steifer sind und einen höheren Elastizitätsmodul aufweisen, können sie in der Regel die Schrumpfung der Gummimatrix begrenzen.
• Da organische Füllstoffe wie Zellulose und Holzmehl stärker schrumpfen als andere Füllstoffe, kann eine zu hohe Zugabemenge zu einem Anstieg der Gesamtschrumpfung führen.

2.2.2 Zusammenhang zwischen Füllstoffgehalt und Schwindung

Generell gilt: Je mehr Füllstoff vorhanden ist, desto weniger schrumpft das Gummiprodukt. Dies liegt daran, dass steife Füllstoffe verhindern können, dass sich die Gummimatrix durch Schrumpfen verformt.

Andererseits würde ein übermäßiger Füllstoffgehalt die mechanischen Eigenschaften und die Formbarkeit des Produkts beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, die Schrumpfungskontrolle zu optimieren und mit anderen Leistungsanforderungen in Einklang zu bringen.

Die Kontrolle des Füllstoffgehalts zwischen 30 und 50 Prozent ist oft eine kluge Entscheidung, da dadurch die Schrumpfung erfolgreich minimiert werden kann, ohne andere Leistungsparameter übermäßig zu beeinflussen. Es ist notwendig, Füllstoffart und -gehalt entsprechend den besonderen Anforderungen des Produkts zu filtern und zu ändern.

2.3 Der Einfluss anderer Additive

2.3.1 Weichmacher, Stabilisator, Farbstoff usw.

Weichmacher:

Gummi kann sich durch Weichmacher ausdehnen und plastischer werden, allerdings nimmt auch die Schrumpfung zu. Im Allgemeinen nimmt die Schrumpfung mit zunehmender Weichmacherkonzentration zu.

Stabilisator:

Durch Erhöhung der Vernetzungsdichte des Gummis können Stabilisatoren wie bestimmte Antioxidantien und Ozonschutzmittel zugesetzt werden, um die Schrumpfung zu verringern. Allerdings kann auch eine zu hohe Zugabe zu Versprödung führen.

Zusatzstoff:

Sofern die Zugabemenge nicht sehr hoch ist, hat die Zugabe von Farbmitteln wie Pigmenten und Farbstoffen im Allgemeinen keinen erkennbaren Einfluss auf die Schrumpfung.

Andere:

Eine kleine Menge Vulkanisationsmittel, Vulkanisationsbeschleuniger, Schaummittel usw. kann sich ebenfalls auf die Schrumpfung auswirken.

3. Der Einfluss prozesstechnischer Faktoren auf die Schrumpfung

3.1 Einfluss der Mischbedingungen auf die Schwindung

3.1.1 Geschwindigkeit, Temperatur, Zeit usw.

Mischgeschwindigkeit:

Eine zu hohe Geschwindigkeit zerstört die Molekülkette des Gummis, verringert das Molekulargewicht und erhöht die Schrumpfung. Eine Regelung zwischen 30 und 60 U/min ist oft vorzuziehen.

Mischtemperatur:

Jede zu hohe Temperatur kann den thermischen Abbau der Gummimoleküle beschleunigen und zu weiterem Schrumpfen führen. Die Mischtemperatur wird normalerweise zwischen 110 und 160 Grad gehalten.

Zeitaufwand für das Mischen:

Eine zu lange Mischzeit kann zu Schrumpfung und zusätzlicher Molekulargewichtsreduzierung führen. Zu kurze Zeit verhindert jedoch die vollständige Dispergierung der Füllstoffe. Eine Kontrolle von drei bis zehn Minuten ist oft ausreichend.

Reihenfolge des Mischens:

Um die Schrumpfung zu minimieren und eine Agglomeration des Füllstoffs zu verhindern, empfiehlt es sich, zuerst harte Füllstoffe und anschließend weichen Gummi aufzutragen.

3.2 Einfluss der Vulkanisationsbedingungen auf die Schrumpfung

3.2.2 Vulkanisationstemperatur, Zeit, Druck usw.

Vulkanisationstemperatur:

Eine zu hohe Temperatur kann die Vernetzung und den thermischen Abbau der Gummiketten beschleunigen, was zu einer verstärkten Schrumpfung führt. Normalerweise ist es besser, die Temperatur zwischen 150 und 180 Grad zu halten.

Vulkanisationszeit:

Eine übermäßige Zeitspanne kann das Schrumpfen beschleunigen und die Vernetzungsreaktion fördern. In zu kurzer Zeit ist die Vulkanisation jedoch nicht vollständig abgeschlossen. Normalerweise innerhalb von 10 bis 30 Minuten.

Druck während der Vulkanisation:

Durch zu hohen Druck wird das Volumen des Gummis komprimiert, was das Schrumpfen beschleunigt. Es empfiehlt sich, den Druck zwischen 5 und 15 MPa zu halten.

3.3 Einfluss des Formprozesses auf die Schrumpfung

3.3.1 Spritzguss vs. Extrusion

Schnelle Einspritz- und Abkühlvorgänge beim Spritzgießen führen zu einer stärkeren Schrumpfung. Beim Extrusionsgießen schrumpft es weniger schnell und ist vergleichsweise träge.

3.3.2 Abkühlrate

Die Schrumpfungsrate erhöht sich mit der Abkühlgeschwindigkeit. Die Kontrolle der Abkühlrate ist daher wichtig, um eine Überkühlung zu verhindern.

4. Einfluss von Umweltfaktoren auf die Schrumpfung

4.1 Einfluss der Temperatur auf die Schrumpfung

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Gummi steigt mit der Temperatur, wodurch die Schrumpfungsrate beschleunigt wird.

Bei hohen Temperaturen kommt es außerdem zu einer Vernetzung und einem thermischen Abbau der Gummimolekülketten, was das Schrumpfen verstärkt.

Auch Gummis mit unterschiedlicher Zusammensetzung sind temperaturempfindlich. Bestimmte Gummiarten reagieren empfindlicher auf Temperaturschwankungen.

Um das Schrumpfen zu minimieren, sollten bei der Verwendung und Lagerung von Gummiprodukten möglichst hohe Temperaturen vermieden werden. Für wichtige Komponenten können passive oder aktive Temperaturmanagementtechniken eingesetzt werden.

4.2 Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Schwindung

Im Allgemeinen hat Feuchtigkeit nur einen geringen Einfluss auf die Schrumpfung von Gummi. Andererseits führt die Aufnahme von Feuchtigkeit dazu, dass sich einige Gummiwaren mit absorbierenden Füllstoffen ausdehnen, wodurch das Gesamtvolumen zunimmt und die Schrumpfung abnimmt.

Gummi nimmt leicht Feuchtigkeit auf und wird in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit weicher, was zu instabilen Produktgrößen führen kann. Übermäßiges Trocknen kann sich auch auf die Schrumpfung auswirken und zur Versprödung des Gummis führen.

Daher ist es wichtig, bei der Verwendung und Lagerung von Gummiprodukten eine angemessene Luftfeuchtigkeit von normalerweise 40 bis 70 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Bei Bedarf können feuchtigkeitsbeständige Maßnahmen ergriffen werden.

5. Umfassende Optimierung und Kontrolle

5.1 Optimierung der Formulierungsfaktoren

1. Wählen Sie Gummirohstoffe mit geringer Schrumpfung, wie etwa Silikon- oder Nitrilkautschuk.
2. Um das Schrumpfen zu verringern, wählen und kombinieren Sie unterschiedliche Füllstoffe – wie Talk, Weißruß und Industrieruß – mit Bedacht.
3. Fügen Sie bestimmte schrumpfkontrollierende Substanzen hinzu, wie Polyethylen, Polypropylen mit niedrigem Molekulargewicht usw.
4. Verbessern Sie das Vernetzungssystem durch Zugabe nützlicher Chemikalien, Veränderung des Schwefelgehalts usw.

5.2 Optimierung der Prozessparameter

• Regulieren Sie Tempo, Zeitpunkt und Temperatur des Mischens, um eine übermäßige Zersetzung zu verhindern.
• Um den Grad der Vernetzung zu regulieren, passen Sie die Parameter Vulkanisationstemperatur, Zeit und Druck an.
• Entscheiden Sie sich für eine geeignete Formtechnik, etwa Extrusion oder Spritzguss, und regulieren Sie die Abkühlrate.
• Die Überwachung und Anpassung der Prozessparameter in Echtzeit sollte in Verbindung mit Online-Erkennung und anderen Techniken erfolgen.

5.3 Kontrolle der Umgebungsbedingungen

1. Meiden Sie heiße Umgebungen und ergreifen Sie bei Bedarf entsprechende Maßnahmen zur Temperaturkontrolle.
2. Um ein Übertrocknen oder eine Feuchtigkeitsaufnahme zu vermeiden, sollte eine moderate Luftfeuchtigkeit aufrechterhalten werden.
3. Bei wichtigen Bauteilen können unterstützende Maßnahmen wie Feuchtigkeitsresistenz und Wärmedämmung zum Einsatz kommen.