Способ для определения тепловых эффектов реакции вулканизации резины

 

ОПИСАН- 93 K

Сома Советских

Социалистических

Республмк

8453 (6l) Дополнительное к авт. свил-ву(22} Заявлено 11, 08. 76 (21) 2391442/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23} Приоритет

Кл.

G 01 N 25/02

Госудврственнвб немнтет

СССР не делам нзаеретеннй н атнрмтнй

ДК 678. 028.

4 (088.8) Опубликовано 25. 04. 79. Бюллетень № 15

Дата опубликования описания 25. 04. 79 (72) Авторы изобретения

А. И. Лукомская и Т. Г. Точилова (7l} Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА

РЕАКЦИИ ВУЛКАНИЗАЦИИ РЕЗИНЫ

Изобретение относится к технике определения тепловых эффектов реакции вулканиэации резиновых образцов и изделий и может быть применено для получения исходных данных, необходимых для разработки технологических режимов вулканизации резиновых толстостенных иэделий с учетом тепловыделений за счет теплоты реакции вулканизации беэ разрушения изделий. Оно может быть использовано также как один иэ блоков системы автоматической корректировки режимов вулканизации изделий, построенной на принципе физического и математического моделирования процесса неразрушающими методами.

Известны калориметрические способы для определения тепловых эффектов реакции вулканизации, основанные на измерении подъема температур в вулканиэационной среде, по которому в последующем, в соответствии с теорией явления, расчитывается суммарный тепловой эффект реакции вулканизации (1).

Однако этим способам свойственны ограниченная точность и трудоемкость, отсутствие возможности получения кинетики тепловыделений, не учитываются потери тепла в окружающего среду; .теория расчета не учитывает температурную зависимость теплоемкости исследуемого вещества.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения теплового эффекта реакции вулканизации резины, состоящий в вулканизации неограниченных пластин толщиной не более 5 мм при постоянных температурах термостатирующей среды в интервале от 140 до 200 СГ21

Этот способ основан на измерении временных зависимостей температуры середины плоского образца и перепада температур между серединой и поверхностью образца в процессе вулканизации. Тепловой эффект реакции вулканизации расчитывается как сумма количества тепла, аккумулированного в обр зце и отведенного из образца теплопроводностью. Однако при определении последнего пользуются приближением теории, как — то предположением о параболическом распределении температур в плоском вулканизуемом образце. Кроме того, отсутствует прессование вулканизуемого образца, что вносит искажения в результаты опреде лений из-за порообразования в лабораторных об. разцах и получения резин, отличающихся от форми658453 руемых в толстостенных изделиях, процесс вулканизации которых проводится при прессов анни.

Целью изобретения является повышение точности определения теплового эффекта реакции вулканизацт1и. 5

Достигается это тем, что в предлагаемом способе вулканизацию проводят при создании прессующего давления на образец не менее 10 атм, обеспечивают полную аккумуляцию выделившегося тепла, измеряют распределение температур вдоль оси 10 пресс-формы, по которому определяют суммарныи, тепловой эффект реакции вулканизации к данному моменту времени вулканизации от единицы объема образца. Далее расчетным путем определяют теплоту вулканизации по формуле

15 где S ° 8 = 1 (единичная площадь полуформ .20

1 и образца); д; — среднее расстояние между симметрично расположенными термопарами;

С1 — локальная удельная теплоемкость; о

71-- локальная плОтнОсть;

Dt — средняя ло каль ная разность температур в симметричных участках;

Ьт — временной интервал;

О - — толщина испытуемого образца; об

m — половинное число участков между сосед- 30 ними термопарами в системе полуформаобраэец-полуформа.

Данный способ позволяет производить взаимопроверку распределений температур по их совпадению в обеих полуформах.

Способ может быть осуществлен, например, в устройстве дпя определения теплового эффекта реакции вулканизации резиновых неограниченных пластин, содержащем прессующее приспособление и 40 пресс-форму, состоящую иэ двух симметричных разъемных полуформ, вдоль оси которых íà рас-стоянии, не превышающем 4-5 мм друг от друга, вмонтированы термопары, полуформы ограничены по высоте металлическими плитами, связанны- 45 ми между собой с щержащими пружины тягами, поСредством которых осуществл ено крепление пресс-формы к крышке камеры, причем полуформы выполнены из гипса и имеют высоту 50-80 мм, а прессующее приспособление — в виде ходового 50 винта, В данном способе образцы в виПе тонких неограниченных резиновых пластин толщиной не более

5 мм вулканиэуют при прессовании на специальном устройстве в полости пресс-формы, состоящей из 2-х симметричных разъемных полуформ, аккумулируют выделившееся при рсакции вул капиэации тепло, контролируя при этом условия полной аккумуляции, экспериментально измеряют распре. деление температур вдоль оси полуформ, Для этого прогреваюг термостатирующую среду и помещенную в нее пресс-форму до необходимой температуры вулканизации, лежащей в интервале 140 — 200 С; прогревают в термостате вулканизуемый образец до требуемой температуры вулканиэации.Температуру образца контролируют с помощью термопарыгорячий спай которой. помещен в середину образца.При этом толщину образца подбирают достаточно малой с тем,чтобы образец прогревался значительнораньше,чем закончится индукциопный период вулканизации при выбранной температуре: закладывают подлежащую вулканизацип заготовку резиновой смеси с горячим спаем термопары в центре в гнездо пресс-формы; прессуют заготовку доP = 10 кгс/смг и помещают прессформу с образцом в термостат для вулканизации. При этомследят затем, чтобы пресс-форма с образцом была возвратцена в термостат прежде, чем закончится индукционный период вулканизации и начнется собственно вулканиэация, сопровождающаяся вьщелением тепла Контроль

;за началом вулканиэации осуществляетСЛ с IIoмощью термопары,находящейся в середине образца; вулканизуют образец при постоянной температуре термостатирующей среды и измеряют распределение температур с помощью системы термопар, горячие спаи которых расположены вдоль оси полуформ, а также термопарой в середине образца; сравнивают распределения температур в обеих полуформах, осуществляя таким образом их вза, имопроверку; по измеренным распределениям температур при известных удельных теплоемкостях материалов вулканизуемого образца и кондуктометра определяют суммарный тепловой эффект реакции вулканизации к данному моменту времени вулканизации от единицы объема образца по формуле (1); в процессе вулканизации следят за тем, чтобы температураторцовых частей полуформ кондуктометров не отличались от температуры термоста.тирующей среды, что определяет отсутствие утечек выделившегося тепла через торцы кондуктометра и условие полного его аккумулирования; процесс тепловыделекий можно считать завершенным, когда суммарный эффект тепловыделения перестает изменяться по времени; при этом завершается реакция структурирования при вулканиэации и достигается оптимум вулканизации, измерения прекращают и заканчивают вулканиэацию.

„В устройстве испытуемые образцы вулканиэу ют при создании прессуюшего усилия (не менее г

10 кгс/см ) в полости пресс-формы (что позволяет исключить порообраэование), состоящей иэ двух симметричных разъемных полуформ, которые одновременно служат кондуктометрами (проводниками), аккумуляторами (накопителями), что ло658453 стигается подбором материала, размерами прессформы и pc(.истраторами температур. для чего вдоль оси полуформ на расстоянии, не превышаюшем

4--5 мм,друг от друга вмонтированы термопары.

Такое устройство пресс-формы позволяет при вул- 5 канизации производить измерения распределений температур вдоль оси полуформ и их взаимопроверку,контролируя выполнение условий равенства измеряемых температур и температуры среды в конце индукционного периода вулканиэации и условий 10 полного аккумулирования выделившегося из вулканизуемых материалов тепла в полуформах в (1ериод собственно вулканизации по равенству температур среды и вблизи торцов на полуформах, определяя по разностям температур в полуформах, 15 полученным не менее, чем в 10-ти соседних точках по высоте полуформы суммарные тепловые эффекты на данный момент времени вулканиэации,, и завершая вулканизацию при достижении постоянных значений тепловых эффектов. 20

Пресс-формы устройства должны быть выполнены из таких материалов и таких размеров, чтобы обеспечить полное аккумулирование выделившегося при реакции вулканизации тепла, исключая его утечки, и позволит с необходимой точностью определить это тепло, что достигается подробным изучением распределения температур, изменяюшихся из-за Мьщелившегося, проведенного по кондуктометру и аккумулированного в нем тепла, для чего кондуктометр должен быть определенной протяженности и по оси его должен располагаться ряд термопар (не менее 10-ти на полуформу), Таким образом, пресс-формы должны обладать определенным комплексом теплофиэических и геометрических характеристик, или ( где Ч1 — объем;

Ср„— объемная теплоемкость;

˄— теплопроводность; с1 — температуропроводность. определяемая. ( так же комплексом теплофиэических и геометрических характеристик испытуемого образца, или

Q g )Ч2)СР2 Q2)U2

2 Л С1

2 2 50 где 32- тепловой эффект реакции вулканизации;

Ч2 — объем;

Ср — обьемная теплоемкость;

Л2.- теплопроводн()сть: а2 — TeMBepa Typo(/pi)BoJl (с (ь

1(3 есть, су(цествует определенное соотношение между К,(и К-, при котором вьпи(лняе гся услос вие полного аккуму((((1)о(и(((и((((ы((с)(ившегося в

55 результате реакции вулканизации тепла за весь период вулканиза ции.

=const.

Площадь кондуктометра по горизонтальному сечению примерно равна плошади гнезда для образца, поэтому

K z (с)))))))с)) 3

Q2 tl„ где П вЂ” толщина пресс-формы:

И2 — толщина испытуемого образца.

Образец имеет толщину не более 5 мм,.которая не менее, чем в 10 раз меньше его ширины и длины.

При указанных размерах образца (неограниченная пластина) незначительные потери тепла с его торцов не влияют на измеряемую температуру в центре образца (по оси системы) .

Тепловой эффект (в отличие от интенсивности тепловыделений) мало зависит от температуры вулканизации и определяется прежде всего количеством вулканиэующего агента. У мягких резин он составляет 8 — 9 кал/г (33,5 — 38 10 ДЖ/кг) .

Целесообразно выбирать материалы пресс-фор- мы с теплофизическими характеристиками близкими к теплофизическим характеристикам резин.

Рекомендуемые ((p), 3. и g — это соответственно

S (8,4:25) 10 ДЖ/м - град; 0,165 —:1,08 вт/м град;

-7 (2,2 — 4,2) ° 10 м /сек. Таким материалом является гипс.

Определено, что при укаэанных выше теплофизических характеристиках материалов пресс-форм в диапазоне применяемых температур вулканизации о от 140 до 200 С и принятых размерах вулканизу; емого образца, (1 — 5 мм) высотаполуформ должна составлять 50 — 80 мм, чтобы обеспечить полное аккумулирование выделивШегося в рЕэультате реакции вулканизации тепла. Это значит, что реакция вулканизации и тепловыделения в указанном интервале температур закончится раньше, чем проведется тепло по оси (высоте) полуформ, В результате чего температура на торцах полуформ не будет превышать температуру окружающей среды и будет сохраняться на постоянном уровне начальной температуры.

На.чертеже изображена схема устройства для осуI шествления способа.

Оно включает вулканиэационную пресс-форму 1, изготовленную иэ гипса и имеющую высоту 50 — 80 мм, помещенную в камеру 2 с термостатирующей средой 3 и состоящую иэ 2-х полуФопм. которые представляют собой кондуктометры-аккумул((торы и измерители тепла и содержат ряд горячих спаев термопар 4, расположенных по оси (вдоль высоты). Пресс-форма имеет гнездо 5 для вулканизуемого образца. Ходовой винт г) служит для прес1

658453

Формула изобретения

7 вулканизуемого образца, что, позволит исключить порообразование и создать хороший контакт с поверхностью пресс-формы. Полуформы ограничены по высоте металлическими плитами 7, которые служат для их соединения, осу- 5 ществляемого с помощью металлических тяг 8, а также для передачи давления на полуформы,создаваемого ходовым винтом б. Плита 7 нижней ло-. луформы жестко связана с тягами 8, а плита 7 верхней полуформы свободно перемещается по тягам 10

8. Ее крайние верхнее и нижнее положения определяются пружинами 9, насаженными на тяги 8 и опирающимися на бортики 10.Пружины 9 обеспечивают быстрое раскрытие пресс-формы прн снятии .давления. В металлическую крышку 11, которая 15 надевается на стенки камеры 2 и запирается запором 12, вмонтированы ходовой винт 6 и тяги 8, посредством которых осуществляется жесткое крепление пресс-формы 1 к крышке 11. Колпак

13 служит для теплоизоляции системы, Колпак 13 20 и металлическая крышка 11 имеют отверстия 14 для вывода термопроводников к регистратору и регулятору температуры термостатирующей среды, а также регистратору температур образца и кондуктометров; автдМатически рассчитывающему тепло- 25 вой эффект вулканизации.

Работа устройства осуэцествляется следующим образом.

В гнездо 5 гипсовой пресс-формы 1, предварительно прогретой в термостатирующей среде 3 при 30 выбранной температуре вупканизации, лежащей в о о интервале температур от 140 до 200 С, закладывают подлежащую вулканизации заготовку образца, также предварительно прогретую до необходимой температуры, с горячим спаем термопары 4 в цент- 35 ре. Затем закрывают пресс-форму, для чего поворачивают ходовой винт 6 до упора, создавая давление на металлическую плиту 7 верхней полуформы не менее 10 кгс/см, под действием которого плита перемещается по тягам 8 вниз, пружины 9 сжима- 4о ются и верхняя полуформа смыкается с нижней.

Надевают металлическую крышку 11 с qpecc- формой 1, запирают запоры 12 и закрывают камеру

2 колпаком 13. Пресс-форму с заготовкой термостатируют, осуществляя контроль и регулирова- 45 ние температуры среды. С помощью системы тер1мо1тар 4, горячие спаи которых расположены вдоль оси полуформ (кондуктометров), измеряют распределение температур, а с помощью термопары, заложенной в середину образца, осуществляют кон- зв троль за началом вулканизации. Сигналы термопар кондуктометраи образца передают в устройство, контролирующее начальные температурные условия, условия аккумулирования, автоматически рассчитывающее тепловые эффекты вулканиэации и прекращающее процесс по достижении постоянства тепловых эффектов или при нарушении контролируемых условий, По окончании испытания снимают колпак 13, поднимают металлическую крышку

11 с пресс-формой 1, извлекая последнюю из термостатирующей среды. Поворотом ходового винта 6 снимают давление, вследствие чего пружины 9 разжимаются и под действием их упругих сил металлическая плита 7 с верхней полуформой перемешается вверх, при этом происходит раскрытие прессформы 1. Выгружают вулканизат, закрывают камеру, созцают равномерную начальную температуру термостатирующей среды и пресс-формы, если устройство подготавливается к следующему циклу вулканизации.

Применение предлагаемого способа позволяет повъ сить объективность и точность определения теплоты реакции вулканиэации (за счет изъятия априорных допущений при обработке результатов и вулканизации монолитных резин). Кроме того, позволяет провести неразрушающую корректировку режимов вулканизации (с учетом тепловых эффектов реакции вулканизации) при расчетной разработке режимов вулканизации и управлении ими с помощью систем, содержащих вычислительные машины.

Зкономический эффект от применения неразрушающих методов разработки режимов вулканизации в 9-й пятилетке в шинной промышленности составил минимум 200 тыс. руб. в год. Применение данного способа позволит увеличить данную сумм> на 10-1%.

Способ определения теплового эффекта реакции вулканизации резины, состоящий в вулканиэации неограниченных пластин толщиной не более 5 мм при постоянных температурах те1эмостатирующей среды в интервале от 140 до 200 С, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения теплового эффекта, вулканизацию проводят при создании прессующего давления на образец не менее 10 атм, обеспечивают полную аккумуляцию выделившегося тепла, измеряют распределение температур вдоль оси пресс-формы, по которому определяют суммарный тепловой эффект вулканизации к данному моменту времени вулканизации от единицы объема образца.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лукомская А. И. и др. Тепловые основы вулканизации резиновых иэделий, М., 1972, с. 100-105, 2. Журнал "Известия вузов", сер. "Химия и химическая технология", т.2, вып.3, 1950, с. 437.

658453

11

Составитель А. Волков Техред М.Петро Корректор Н. Григорук

Релак1ор F.. Гончар

Заказ 2045/38

Тираж 1089 Подписное

UHHHIIH Государственного комитета СССР ю делам изобретений и открытий! 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4