Композиция на основе натурального каучука для пищевого машиностроения
Владельцы патента RU 2247131:
Открытое акционерное общество "Электрокабель "Кольчугинский завод" (RU)
Изобретение относится к композиции - резиновой смеси на основе натурального каучука, предназначенной для амортизационных, силовых деталей, работоспособных в контакте с водой, в интервале температур от минус 45°С до плюс 70°С. Изготавливают композицию, включающую, мас.ч.: натуральный каучук - 100, сульфенамид Ц - 1-3, белила цинковые - 5-15, стеариновую кислоту - 0,5-3,5, противостаритель - 1-2, серу - 2-3. Композиция по изобретению обладает высоким показателем эластичности по отскоку, что позволяет избежать разогрева рабочих деталей из композиции, в частности мембран насоса "Малыш".
Область техники, к которой относится изобретение:
Композиция (резиновая смесь) на основе натурального каучука предназначена для изготовления амортизационных, силовых деталей пищевого машиностроения, работоспособных в условиях экстремальных температур (в интервале от минус 45°С до плюс 70°С), в контакте с водой, в условиях агрессивных сред, высоких скоростей, частот деформации и повышенных нагрузок.
Уровень техники:
В качестве ближайшего известного аналога (прототипа) выступает патент RU 2021307 С1, 15.10.1994, авторы: Забежинская И.М., Иванова Т.П., Хайруллин В.К., Васянина М.А., патентообладатель: Уральский институт резины. В данном изобретении (прототипе) описана резиновая смесь пищевого назначения (для деталей оборудования пищевой промышленности), включающая цис-1,4-полиизопреновый каучук–100, N-циклогексил-2-бензтиазолил-сульфенамид (сульфенамидЦ) - 0,6-1,0, оксид цинка (белила цинковые) - 3-5, стеариновую кислоту - 1-2, серу - 2,3-2,5, мел 15-25, технический углерод с удельной геометрической поверхностью 96-105 м2/г 35-45 и моногидрат гидрохлорида п-диметиламинофенилфосфиновой кислоты БФ С8Н15СlNО3Р 0,3-0,5, компоненты указаны в мас.ч.
Близкий по существенным признакам и назначению аналог композиции на основе натурального каучука - композиция на основе синтетического каучука для пищевого машиностроения.
Композиция представляет собой резиновую смесь, состоящую из каучука (или смеси каучуков), в данном случае синтетического, и различных ингредиентов.
Отличие предложенной композиции от известной по патенту RU состоит в том, что в качестве каучука она содержит натуральный каучук и дополнительно содержит противостаритель, а также компоненты композиции взяты в указанном соотношении.
Композиция на основе натурального каучука для пищевого машиностроения применяется для изготовления деталей - амортизационных, силовых, работоспособных в условиях экстремальных температур (интервал от минус 45°С до 70°С), агрессивных сред, высоких скоростей, частот деформации и повышенных нагрузок, например для использования в насосах “Малыш” и других механизмах, контактирующих с продуктами потребления.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками композиции на основе натурального каучука:
- гибкость, технологичность;
- вулканизирующие агенты,
- ускорители вулканизации,
- вторичный активатор вулканизации.
Наличие в основе композиции натурального каучука определяет такой важный для материала пищевого машиностроения показатель, как экологическая чистота и безопасность. При использовании в композиции синтетического каучука не всегда возможно обеспечить данный критерий.
Сущность изобретения:
Благодаря неповторимой совокупности технических свойств резина стала одним из важнейших конструкционных материалов для производства изделий пищевого машиностроения. Технический прогресс обуславливает все более жесткие требования к резиновым изделиям: они должны быть работоспособными в условиях экстремальных температур, агрессивных сред, высоких скоростей и частот деформации, повышенных нагрузок. В решении этой задачи наряду с совершенствованием конструктивных элементов и технологии изготовления резиновых изделий исключительно важное место принадлежит улучшению физических, технических свойств резиновых смесей.
В связи с этим для пищевого машиностроения и была разработана резиновая смесь на основе натурального каучука. Использование композиции на основе натурального каучука, обладающего высокими гигиеническими свойствами, для изготовления деталей пищевого машиностроения позволяет получать экологически чистые продукты потребления за счет исключения попадания в продукты питания и питьевую воду различных составляющих полимеризации синтетического каучука.
Кроме того, необходимо отметить у заявленной композиции такой параметр (отсутствующий у аналога), как эластичность по отскоку, т.е. отношении энергии, возвращенной резиновому изделию после приложения усилия (удара), к общей энергии, затраченной на усилие (удар), не менее 70%, что является нормативным требованием. Фактически данный показатель смеси, в том числе используемой в деталях насоса “Малыш”, позволяет работать в условиях циклической деформации более 300000 циклов. Высокий показатель эластичности по отскоку обеспечивает снижение гистерезисных потерь, т.е. потерь от трения молекул в составе резиновой смеси, когда кинетическая энергия переходит в тепловую, и происходит сильный разогрев рабочей детали. Использование заявленной композиции для изготовления частей оборудования пищевого машиностроения позволяет избежать сильного разогрева рабочих деталей, в том числе мембран, что позволяет сохранить кинетическую энергию для целей перекачки воды в течение всего срока службы изделий, не позволяя мембране разрушаться и выделять в продукты потребления человеком вредные вещества.
Данный технологический, качественно новый результат достигается использованием в заявленной композиции натурального каучука.
Количественный состав композиции на основе натурального каучука, влияющий на достижение технического результата и отличающий данную композицию от аналога в массовых частях:
| Натуральный каучук | - 100,0 |
| Сульфенамид Ц | - 1,0-:-3,0 |
| Белила цинковые | - 5,0-:-15,0 |
| Стеариновая кислота | - 0,5-:-3,5 |
| Противостаритель | - 1,0-:-2,0 |
| Сера | - 2,0-:-3,0 |
Натуральный каучук, лежащий в основе композиции для изготовления деталей пищевого машиностроения, обладающий высоким пределом прочности при растяжении и высокой эластичностью, дает дополнительные преимущества, которых нет у аналога: возможность изготавливать высокопрочные, низкомодульные, высокоэластичные резины с минимальным количеством наполнителей. Резины из натурального каучука характеризуются хорошей каландруемостью, шприцуемостыо и небольшой усадкой, имеют хорошее сопротивление истиранию и раздиру, высокие газо- водонепроницаемость и хорошие диэлектрические свойства.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:
Для примера приводим способ получения композиции на основе натурального каучука для изготовления деталей пищевого машиностроения в заявленном соотношении. Изготовление резиновой композиции (смеси) осуществляется в цеховых условиях на установленном отечественном и зарубежном оборудовании.
Содержание технологического процесса по изготовлению композиции на основе натурального каучука:
- подготовка материалов: тепловая обработка натурального каучука в распарочной камере, освобождение от упаковки, резка на куски, соответствующие размерам загрузочного отверстия резиносмесителя, и транспортировка к дозировочным платформенным рычажным весам;
- Сульфенамид Ц, стеариновая кислота, неозон Д подаются на участок формирования мелких навесок, где данные компоненты дозируются на настольных весах и комплектуются в навески согласно рецептуре резиновой смеси;
Белила цинковые предварительно просеиваются, взвешиваются на платформенных рычажных весах;
Подготовленные компоненты, соответствующие требуемому нижеуказанному количественному составу, в массовых частях для смеси резиновой, транспортируют к резиносмесителю:
| Натуральный каучук | - 100,0 |
| Сульфенамид Ц | - 2,0 |
| Белила цинковые | - 12,0 |
| Стеариновая кислота | - 1,0 |
| Неозон Д | - 1,0 |
| Сера | - 2,5 |
- Материалы загружаются по ленточному транспортеру в закрытый резиносмеситель типа РСВД 270/20, где происходит смешение, для осуществления следующих операций:
1. загрузка и обработка каучука;
2. загрузка стеариновой кислоты, сульфенамида Ц, неозона Д; перемешивание;
3. загрузка белил цинковых, перемешивание;
4. выгрузка смеси и переход к следующему замесу.
Начальная температура камеры резиносмесителя должна быть не менее 80°С;
- температура выгружаемой смеси не более 120°С;
- смесь разрабатывается на листовальных вальцах;
- производится срез резиновой ленты с листовальных вальцов в виде рулона на приемную тару;
- резиновая смесь охлаждается;
- охлажденная резиновая смесь подвергается обработке на подогревательных вальцах типа Пд 2100 660/660 с вводом серы для последующей вулканизации;
- производится срез резиновой ленты и укладка на поддон для дальнейшего охлаждения и контроля качества;
- упаковка и транспортировка к потребителю.
Физико-механические показатели композиции:
- предел прочности при разрыве
не менее, мПа (кгс/см2), 17,65 (180),
- относительное удлинение
при разрыве не менее, в%, 500
- относительная остаточная деформаци
при разрыве не более, в%, 30
- пластичность, в условных единицах 0,35-:-0,45
- твердость по Шору А,
в условных единицах, не менее 45
- эластичность по отскоку, в%, не менее 70
- усталостная выносливость при многократном
растяжении, тыс.ц 300 (темп.23+2°С, деформ.50%) ГОСТ 261-79
Описание ингредиентов композиции на основе натурального каучука для пищевого машиностроения:
Натуральный каучук, смокед-шитс, SVR; Основа резиновой смеси; определяет физико-химические, физико-механические и электрические свойства. Характеризуется высокими прочностными показателями ненаполненных резин. Натуральный каучук - непревзойденный эталон по эластичности, обладает высокой морозостойкостью, сообщает вулканизатам повышенную температуростойкость.
Молекулярное строение натурального каучука:
Структурная формула:
Натуральный каучук представляет собой продукт сополимеризации изопрена состава (C5H8)n
Вулканизирующий агент (сера):
Вулканизирующие вещества выполняют основной акт процесса вулканизации - сшивание молекулярных цепей каучука (образуя химические поперечные связи) в пространственные структуры. Возникновение таких структур сопровождается резким возрастанием прочностных показателей, эластичности, ростом значений равновесного модуля и потерей растворимости в ароматических соединениях. Основным вулканизирующим веществом каучуков общего назначения является сера.
Сера:
Желтый, серо-желтый или зеленоватый порошок высокой степени частоты и дисперсности: d=2,0; температура плавления 114°С; температура воспламенения 261°С. Частично растворяется в холодном сероуглероде, слабо в спирте, в эфире и бензине - при нагревании.
Структурные изменения каучука, происходящие при вулканизации, приводят к резкому улучшению физико-механических и других технических свойств каучука.
Активатор (стеариновая кислота, ГОСТ 6484-96):
Активаторы вулканизации улучшают технические свойства резин и несколько сокращают время достижения оптимума вулканизации. С применением активаторов получаются резины с более высоким значением модуля. Активаторы повышают сопротивление разрыву и раздиру, а также динамическую выносливость резин.
Кислота стеариновая, ГОСТ 6484-96:
Стеариновая кислота - предельная жирная кислота состава C17 Н35 СООН. Температура застывания стеарина 49-56°С, цвет белый или с легким желтоватым оттенком. Плотность 0,96 г/см.
Техническая стеариновая кислота (технический стеарин, ГОСТ 6484-96) кроме стеариновой кислоты нормального строения содержит небольшое количество пальмитиновой, оксистеариновой и изоолеиновой кислот. Фракционный состав стеарина технического следующий (в%): кислоты С12 – 6, C14-C16 - 35, C18 - 59.
В резиновых смесях стеарин технический проявляет комплексное действие, являясь активатором ускорителей, диспергатором наполнителей и пластификатором.
Стеариновая кислота, являясь хорошим мягчителем, одновременно облегчает диспергирование наполнителей и других ингредиентов в каучуке, снижает температуру композиции в процессе изготовления и шприцевания, а также улучшает качество поверхности изоляции и оболочки. В присутствии стеариновой кислоты клейкость композиций уменьшается.
Наполнители:
Наполнители вводят в состав резиновых композиций с целью: улучшения технологических свойств смесей, придания необходимых физико-механических и электроизоляционных свойств, снижения себестоимости. В данной композиции используется активный наполнитель, который увеличивает предел прочности при растяжении резины, сопротивление растиранию и раздиру. В качестве наполнителя в композиции используются белила цинковые.
Белила цинковые (или окись цинка):
Химическая формула - ZnO. Порошок белого цвета с плотностью 5,47 г/см3. Средняя величина частиц 0,8-:-2,0 мк. Окись цинка только в сочетании с натуральным каучуком обладает свойствами усилителя.
Противостарители:
Для защиты резин от теплового старения применяют органические соединения, называемые противостарителями или антиоксидантами.
Неозон Д
Порошок от светло-коричневого до серого цвета; выпускается также в виде чешуек: d=1,23; температура плавления 104-108°С. Легко растворяется в бензоле, толуоле, хлороформе, ацетоне, этилацетате; растворим в спирте и четыреххлористом углероде. Нерастворим в воде. Антиоксидант общего назначения эффективно защищает каучуки и резины от теплового старения, повышает сопротивление резин разрушению при многократных деформациях.
В качестве противостарителей возможно применение ацетонанила Р, ацетонанила Н, крафанила У.
Ускорители вулканизации (сульфенамид Ц):
Ускорители вулканизации интенсифицируют процесс вулканизации, существенно влияют на характер образующихся вулканизационных структур и, тем самым, во многом предопределяют механические свойства резин.
Сульфенамид Ц:
Кремово- или желто-белый порошок; d=1.30, температура плавления 103°С. Растворим почти во всех органических растворителях; не растворим в воде, разбавленных кислотах и щелочах. Растворимость в каучуке около 0,5 вес.ч. Эффективный ускоритель с замедленным действием в начальной стадии вулканизации. Уменьшает опасность подвулканизации.
Таким образом, наличие в основе заявленной композиции натурального каучука в сочетании с вышеуказанными ингредиентами в заявленном интервале устраняет недостатки аналога - композиции на основе синтетического каучука для пищевого машиностроения, а также дает дополнительные преимущества в применении.
Композиция на основе натурального каучука для деталей пищевого машиностроения, работающих в условиях экстремальных температур - в интервале от минус 45°С до плюс 70°С, агрессивных сред, высоких скоростей, частот деформации и повышенных нагрузок, включающая натуральный каучук, сульфенамид Ц, белила цинковые, стеариновую кислоту, противостаритель, серу при следующем соотношении компонентов, маc.ч.:
Натуральный каучук 100,0
Сульфенамид Ц 1,0-3,0
Белила цинковые 5,0-15,0
Стеариновая кислота 0,5-3,5
Противостаритель 1,0-2,0
Сера 2,0-3,0
