Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12010:2017 về Cao su - Hướng dẫn sử dụng thiết bị đo lưu hóa

• Số hiệu: TCVN12010:2017
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2017

1  bộ gia nhiệt 2  nút 3  khuôn dưới 4  khuôn trên 5  trục xi lanh

6  tấm ép trên 7  cảm biến nhiệt độ đã hiệu chuẩn 8  tấm ép dưới 9  đĩa hình nón đôi

Hình 2 - Thiết bị đo lưu hóa đĩa dao động điển hình

Kích thước tính bằng milimet

CHÚ DẪN:

1  hệ đo lực

2  khuôn cố định

3  khuôn dao động

4  cảm biến nhiệt độ

5  mẫu thử

...

...

...

7  bộ gia nhiệt

8  khuôn trên

9  ba via đùn tràn

10  khuôn dưới

11  rãnh

Hình 3 - Thiết bị đo lưu hóa trượt tuyến tính điển hình

a) Nguyên tắc đo

...

...

...

b) Chi tiết của các khuôn

CHÚ DẪN:

1  khuôn cố định

2  khuôn dao động

3  hệ đo mô-men xoắn

4  mẫu thử

5  khuôn dưới

6  Khe hở khuôn

7  khuôn trên

...

...

...

9  Khe hở khuôn > 0,5 mm

10  bộ gia nhiệt

11  ba via đùn tràn

12  rãnh

Hình 4 - Thiết bị đo lưu hóa trượt xoắn khoang mở điển hình

a) Nguyên tắc đo

b) Khuôn (trên và dưới)

...

...

...

c) Kiểm tra mẫu thử

CHÚ DẪN:

1  bộ gia nhiệt

2  khuôn dưới

3  tấm chặn dưới

4  tấm chặn trên

5  khuôn trên

6  cảm biến nhiệt độ

7  hệ đo momen xoắn

...

...

...

9  nút bịt

10  hệ truyền động dao động

11  rãnh

Hình 5 - Thiết bị đo lưu hóa không roto trượt xoắn khoang kín điển hình với cấu trúc khuôn hình nón đôi

a) Các chi tiết của khuôn

b) Mẫu thử

CHÚ DẪN:

...

...

...

2  hệ đo momen xoắn

3  mẫu thử

4  khuôn dưới

5  hệ truyền động dao động

6  cảm biến nhiệt độ

7  khuôn trên

8  rãnh

Hình 6 - Thiết bị đo lưu hóa không roto dạng chóp mũ điển hình

Kích thước tính bằng milimet

...

...

...

CHÚ DẪN:

1  trục hoặc hệ đo momen xoắn

2  cảm biến nhiệt độ

3  bộ gia nhiệt

4  khuôn trên

5  nút bịt trên

6  tấm chặn trên

7  tấm đệm

8  tấm chặn dưới

...

...

...

10  khuôn dưới

11  trục truyền động

12  tấm chặn trên

13  khuôn trên

14  nút bịt trên

15  nút bịt dưới

16  khuôn dưới

17  tấm chặn dưới

Hình 7 - Thiết bị đo lưu hóa trượt xoắn khoang mở điển hình

...

...

...

Hình 7 (kết thúc)

Phụ lục A

(tham khảo)

Ảnh hưởng của các thông số nhiệt đến các đặc tính lưu hóa đo được

A.1  Tổng quan

Lưu hóa là quá trình hình thành sản phẩm cơ bản trong ngành công nghiệp cao su. Để tính toán đặc trưng lưu hóa trong một vật phẩm và từ đó chương trình lưu hóa tối ưu cần phải biết mối quan hệ giữa lưu hóa, thời gian và nhiệt độ cho các hỗn hợp cao su trong điều kiện đẳng nhiệt. Trong thực tế công nghiệp hiện nay, các thông số cơ bản lưu hóa cho cao su được xác định từ các phép đo được thực hiện trên thiết bị đo lưu hóa. Những thiết bị này đo tính chất, có thể được gọi là độ cứng vững, gần tỷ lệ thuận với mô đun trượt nóng. Mẫu có độ cứng vững trước khi xảy ra liên kết ngang bất kỳ và độ cứng vững tăng từ giá trị tối thiểu này đến giá trị cực đại trong quá trình phản ứng lưu hóa, tạo nên sự tăng đối với đường cong hình chữ S quen thuộc. Thời gian lưu hóa tại một nhiệt độ nhất định là thời gian đạt đến 90 % mức biến đổi độ cứng vững này. Các vật liệu phải được khảo sát đặc trưng bằng các phép đo ở các nhiệt độ khác nhau.

A.2  Độ lệch so với các điều kiện đẳng nhiệt

...

...

...

Có một vấn đề nữa với thiết bị đo lưu hóa loại roto. Nhiệt bị mất liên tục bởi sự truyền nhiệt từ roto xuống trục truyền động, làm cho roto nguội hơn so với các tấm ép. Nhiệt độ trung bình của mẫu thử do đó thấp hơn so với nhiệt độ được thiết lập và quá trình lưu hóa chậm hơn.

Khe hở giữa các tấm ép trong thiết bị đo lưu hóa không roto phải được thiết lập sao cho mẫu thử luôn được giữ dưới một áp lực dương trong quá trình đo. Điều đó không chỉ để loại bỏ các vấn đề với độ xốp, mà còn vì đã được báo cáo rằng khi không có áp lực thì thời gian lưu hóa quá dài.^[1] Áp lực có thể có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lưu hóa-phản ứng, hoặc nó có thể tác động đến việc truyền nhiệt giữa các bề mặt của tấm ép và mẫu thử.

Nếu thiết bị đo lưu hóa chỉ sử dụng để kiểm soát chất lượng, cân nhắc ở trên có thể không quan trọng, trừ khi để so sánh kết quả từ các loại thiết bị khác nhau. Để đáp ứng điều này, phải thực hiện các việc sau. Để thu được các đặc tính lưu hóa có khả năng so sánh với các đặc tính thu được trên thiết bị đo lưu hóa đĩa dao động được mô tả trong ISO 3417, bộ gia nhiệt của thiết bị đo lưu hóa không roto phải được điều chỉnh để có thể cấp nhiệt cho mẫu thử đạt được nhiệt độ quy định trong thời gian 6 min. Điều đó cho kết quả tương đương đối với nhiều loại hỗn hợp với hàm lượng chất độn trung bình của các loại cao su quan trọng nhất. Quy trình này chỉ nên được áp dụng với sự thận trọng tối đa.

Mặt khác, nếu kết quả trên thiết bị đo lưu hóa được sử dụng để tính toán thời gian xử lý, người vận hành phải nhận thức được kích thước và ảnh hưởng của sai lệch bất kỳ so với điều kiện đẳng nhiệt.^[2] Ví dụ, ở 150 °C thiết bị đo lưu hóa đĩa dao động có thể đánh giá thời gian lưu hóa quá dài với hệ số bằng 2. ^[3], [4] Hệ số tăng ở các ở nhiệt độ cao hơn. Sự tương quan này không tuyến tính và phải được xác định bằng thực nghiệm.

A.3  Tính toán thời gian lưu hóa

Sau khi thu được dữ liệu lưu hóa đẳng nhiệt mà thiết bị đo lưu hóa cho phép ở các nhiệt độ khác nhau, cần hai loại thông tin để tính toán mức lưu hóa tại bất kỳ điểm nào trong vật phẩm. Thứ nhất, cần phải đo hoặc tính toán nhiệt độ trong vật phẩm khi nhiệt độ thay đổi theo thời gian. Thứ hai, cần phải có một mô hình của quá trình lưu hóa.

Để kinh tế, các chu trình gia nhiệt và làm nguội phải được giữ càng ngắn càng tốt, nhưng vì sự đồng nhất trong các sản phẩm hoàn thiện, sự biến thiên nhiệt độ trong một vật phẩm phải được giảm thiểu bằng cách tăng thời gian của chu trình. Những yêu cầu trái ngược nhau này càng trở nên nghiêm trọng hơn đối với các vật phẩm lớn do thời gian nâng nhiệt cho phần tâm tỷ lệ thuận với bình phương của độ dày. Điều tương tự cũng áp dụng cho các vật phẩm nhỏ khi lưu hóa ở nhiệt độ rất cao.

Vật phẩm dày không chỉ cần nhiều thời gian để gia nhiệt mà còn cần nhiều thời gian để hạ nhiệt sau khi lấy ra khỏi khuôn và trong một số trường hợp, trên một nửa tổng mức lưu hóa tại vùng tâm có thể diễn ra trong quá trình làm nguội. Điều này phải được tính đến trong việc tính toán mức lưu hóa bất kỳ.^[5] Cũng cần phải đảm bảo rằng mức lưu hóa tại vùng tâm vào cuối giai đoạn gia nhiệt là đủ để ngăn ngừa xốp khi áp lực được giải phóng^[6] và đồng thời phải đảm bảo rằng bề mặt không bị quá lưu.

Bảng dưới đây đưa ra thời gian gia nhiệt gần đúng cho vùng tâm của tấm để đạt đến cùng nhiệt độ của bề mặt khi được gia nhiệt từ cả hai bên như trong đúc nén. Khi vật phẩm được lấy ra khỏi khuôn, thời gian làm nguội phải dài hơn do các điều kiện bề mặt khác nhau.

...

...

...

1 mm

6 mm

12 mm

18 mm

Thời gian

6 s

3,6 min

14,4 min

32,4 min

...

...

...

Đối với các ứng dụng có nhu cầu nhiều hơn, phân bố nhiệt phải được tính toán. Giả sử rằng độ dẫn nhiệt của hỗn hợp cao su là đã biết, phân bố nhiệt có thể được tính toán bằng cách áp dụng các phương pháp phân tích đã công bố^[7] vào phương trình nhiệt tổng quát hoặc bằng cách sử dụng một phương pháp số trên máy tính. Phương pháp sau linh hoạt hơn và có thể áp dụng cho dải các dạng rộng hơn^[8], [9]

Trong quá trình đúc phun, cao su đi vào khuôn nóng và cần ít thời gian để đạt đến phân bố nhiệt độ đồng nhất. Tuy nhiên, do quá trình phức tạp hơn so với đúc ép, việc phân tích đường cong lưu hóa cho đúc phun tốt nhất là được thực hiện bằng cách mô phỏng trên máy tính.^[10],^[11]

Tốc độ lưu hóa tại thời điểm bất kỳ trong phản ứng lưu hóa là hàm số của nhiệt độ và mức lưu hóa tức thời. Các bộ phần mềm máy tính sẵn có có thể phân tích dữ liệu từ các thiết bị đo lưu hóa đẳng nhiệt để thu được dạng sát thực cho hàm số này. Điều này sau đó có thể được kết hợp với quá trình nhiệt độ của điểm bất kỳ trong vật phẩm để tính mức lưu hóa tại điểm đó.^[12],^[13]

Nếu chương trình máy tính không có sẵn, phương pháp tiếp cận thông thường là tách những ảnh hưởng của mức lưu hóa và nhiệt độ đến tốc độ lưu hóa. Tuy nhiên, dạng thức của hàm số đối với sự phụ thuộc của mức lưu hóa nói chung chưa được biết. Cách thông thường để tránh trở ngại này là coi thời gian lưu hóa là như nhau tại một nhiệt độ tham chiếu tùy ý. Các dạng thức của hàm số do vậy trở nên không quan trọng

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ có thể được biểu thị bằng năng lượng hoạt hóa hoặc bằng hệ số nhiệt độ. Phương pháp hệ số nhiệt độ dễ sử dụng hơn và thường là chính xác hơn. Phương pháp này được định nghĩa là tỉ số giữa các thời gian lưu hóa cho mỗi thay đổi nhiệt độ lưu hóa 10 °C. Giá trị theo quy tắc ngón tay cái đối với các hệ số nhiệt độ là hai. Giá trị thực tế có thể thu được từ đồ thị logarit thời gian lưu hóa đẳng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ. Năng lượng hoạt hóa có thể thu được từ đồ thị logarit thời gian lưu hóa đẳng nhiệt phụ thuộc vào nghịch đảo của nhiệt độ tuyệt đối. Mức lưu hóa tương đương tại phần tâm khi đó có thể so sánh được với mức lưu hóa ở bề mặt và với lưu hóa lý tưởng từ thiết bị đo lưu hóa. ^[14]

Phụ lục B

(tham khảo)

Yêu cầu cụ thể đối với thiết bị đo lưu hóa đĩa dao động

...

...

...

Phụ lục C

(tham khảo)

Yêu cầu cụ thể đối với thiết bị đo lưu hóa không roto

C.1  Khoang khuôn

Thể tích của khoang khuôn không được lớn hơn 5 cm^3. Khuyến nghị áp dụng thể tích từ 1,5 cm^3 đến 2,5 cm^3 đối với loại khuôn hình nón đôi để đạt được điều kiện cận đẳng nhiệt. Kích thước điển hình cho các thiết bị chuyển dịch qua lại là đường kính 30 mm và chiều cao 4 mm; cho thiết bị dao động hình nón đôi là đường kính 40 mm, góc từ 7° đến 18° và khoảng cách chiều cao khe hở tại các tâm > 0,5 mm; cho thiết bị dao động đĩa phẳng là đường kính 44 mm và độ dày 2 mm và cho các loại thiết bị “chóp mũ” dao động là đường kính ngoài 25 mm, chiều cao 15 mm và khe hở khuôn 0,5 mm.

C.2  Gia nhiệt và kiểm soát nhiệt độ

Phải tạo ra bộ phận để đặt cảm biến nhiệt độ vào vùng thử nghiệm để kiểm tra phân bố nhiệt độ.

Thiết bị cần phải có khả năng gia nhiệt vùng thử nghiệm đến nhiệt độ lưu hóa quy định trong vòng 1,5 min kể từ khi đóng khoang khuôn, và phân bố nhiệt trong vùng thử nghiệm không được lớn hơn ± 1 °C. Một số thiết bị có thể cho phép các vùng thử nghiệm đạt được nhiệt độ thử nghiệm trong vòng 0,5 min. Độ chênh lệch giữa nhiệt độ tham chiếu đo được trong khuôn và nhiệt độ vùng thử nghiệm trung bình không được vượt quá 2 °C.

...

...

...

Thư mục tài liệu tham khảo

[1] NORMAN R.H. Polym. Test. 1980, 1 (4) trang 247

[2] MICHAELI W., TIETZ W., HARMS R., KALWA M. Kautsch. Gummi Kunstst. 1990, 43 (10) trang 899

[3] HANDS D., NORMAN R.H., STEVENS P. Kautsch. Gummi Kunstst. 1986, 39 (4) trang 330

[4] SEZNA J.A. Rubber World. 1992, 205 (4) trang 21

[5] KHOUIDER A., & VERGNAUD J.M. J. Appl. Polym. Sci. 1986, 32 (6) trang 5301

[6] FLETCHER W. J.I.R.I. 1971, 5 (6) trang 249

[7] CARSLAW H.S., & JAEGER J.C. Conduction of Heat in Solids. Oxford, Second Edition, 1959

[8] HANDS D., & HORSFALL F. ACS Rubb. Div., 124th meeting, Oct. 1983, trang 11

...

...

...

[10] Thomas, M.D.H., Horsfall, F., and Dolbey, P.C.: Computer simulation of Thermoset, Thermoplastic and Rubber Injection Moulding, Plastics Injection Moulding in the 1990s, Conf., Rapra Technology Ltd, Nov. 1990.

[11] KREHWINKEL T., & SCHNEIDER C. Kautsch. Gummi Kunstst 1988, 41 (2) trang 164

[12] DENG J.S. ACS Rubb. Div., 140th meeting, Oct. 1991, trang 55

[13] KREHWINKEL T., & SCHNEIDER C. Kautsch. Gummi Kunstst. 1988, 41 (6) trang 564

[14] HILLS D. A. Heat Transfer and Vulcanization of Rubber (Truyền nhiệt và lưu hóa cao su). Elsevier, 1971

[15] ISO 3417, Rubber - Measurement of vulcanization characteristics with the oscillating disc curemeter (Cao su - Đo các đặc trưng lưu hóa bằng thiết bị đo lưu hóa đĩa dao động)