Die Vulkanisation (oder Reinigung ) ist ein chemischer Prozess des Einbaus eines Vulkanisationsmittels ( Schwefel , normalerweise) eines Elastomer- Rohprodukts, um nach dem Backen Brücken zwischen den Molekülketten zu bilden . Insbesondere dieser Vorgang macht das Material weniger plastisch, aber elastischer . Sein Name stammt vom römischen Gott Vulcan .
Die Vulkanisation ist ein Sonderfall der Vernetzung . Nach der Polymerisation bilden die linearen Makromoleküle des reaktiven Elastomers in Gegenwart eines Vulkanisations- und Wärmeenergiesystems ein dreidimensionales Netzwerk ohne Vorzugsrichtung. Bei entsprechender Beanspruchung wird dieses Netzwerk deformiert. Es kehrt in den Ausgangszustand (Elastizität) zurück, wenn die Spannung abgebaut wird, da Brücken vorhanden sind (es bildet sich nur sehr wenig), die mit „Federn“ verglichen werden können.
Ein Gummi- Rohöl (roh, thermoplastisch , nicht vulkanisiert) kriecht mit der Zeit. Wenn wir daraus einen Marmor machen und ihn auf eine ebene Fläche legen, fließt er (diese Erfahrung dauert mehrere Stunden). Somit kann der Gummi auf den ersten Blick elastisch erscheinen und außerdem prallt der zuvor geformte Ball sehr gut ab. Die Van-der-Waals-Kräfte sorgen für eine ausreichende Kohäsion , um eine gewisse Elastizität zu ermöglichen.
Die visuellste Darstellung, um dieses Phänomen zu erklären, ist das Spaghetti- Gericht . Eine Molekülkette kann mit einer Spaghetti verglichen werden. Wenn Sie eine Schüssel Spaghetti haben, können Sie keine einzige Spaghetti greifen. Die Van-der-Waals-Kräfte ( elektrostatische Kräfte ), die sich im Polymer befinden , sorgen für dessen Kohäsion. Wenn Sie sich jedoch die Zeit nehmen, vorsichtig an einer Spaghetti zu ziehen, können Sie sie extrahieren.
Um das Kriechphänomen zu verringern, die Kohäsion und die mechanischen Eigenschaften zu erhöhen, kann Schwefel eingeführt werden, der mit Aktivatoren und Beschleunigern verbunden ist. Dieses System wird mit dem Kautschuk gemischt, und die Aushärtung liefert die Energie, die zum Aufbau chemischer Bindungen zwischen dem Schwefel und den reaktiven Stellen der Molekülketten erforderlich ist. Dies ermöglicht eine Überbrückung und damit einen dauerhaften Zusammenhalt des Gummis. Der Mechanismus der Vulkanisation mit Schwefel ist komplex. Die Schwefeldosierung ist wichtig: Zu viel Schwefel und der Kautschuk sind nicht mehr elastisch (zu viele Polymerketten werden miteinander verbunden, was die Grenze von Ebonit ergibt ), zu wenig Schwefel und die Kohäsion sind unzureichend. Die Einführung von überschüssigem Schwefel verringert letztendlich die Wirkung der Van-der-Waals-Kräfte.
Es ist das Herzstück der Kunst und Wissenschaft der Reifenherstellung , aber auch der Herstellung der meisten Mundstücke mit Klarinette und Saxophon im Ebonitschliff.
In Mesoamerika wird Gummi seit etwa drei Jahrtausenden verwendet. Bereits in der Olmeken- Zivilisation wurden mit diesem Elastomer verschiedene Säfte und Säfte von Kletterpflanzen gemischt, insbesondere weiße Ipomea , die einen hohen Schwefelgehalt enthält, um ihre Molekülstruktur auf eine mit der Vulkanisation vergleichbare Weise zu verändern.
Es ist nicht einfach, den Erfinder des Vulkanisationsprozesses zu identifizieren. Der Amerikaner Charles Goodyear gilt allgemein als der erste, der 1839 durch Zufall das Grundkonzept entdeckte . Er erzählt die Geschichte seiner Entdeckung in seiner Autobiografie Gum Elastica .
Charles Goodyear hat den Prozess nie vollständig verstanden. Über den Atlantik , Thomas Hancock , einen britischen Wissenschaftler und Ingenieur, die Inspiration von Charles Goodyear frühen Proben zog, besser verstanden , den Prozess.
Thomas Hancock war der erste, der ein Patent auf die Vulkanisation von Gummi anmeldete21. Mai 1844. Drei Wochen später meldet Charles Goodyear in den USA ein Patent an.
1850 kaufte der Amerikaner Hiram Hutchinson das Patent von Charles Goodyear für die Verbesserungen bei der Herstellung von Stiefeln, Schuhen und Latexschuhen . Er begann in Châlette-sur-Loing zu produzieren . Die European Soft Rubber Company produziert wasserdichte Schuhe und Kleidung in großem Maßstab. Die Marke À l'Aigle wurde 1853 registriert.
Die erste Marke, die diese Technik in der Kleidung einsetzte, war Puma, die sie ab 1960 bei der Entwicklung von Sportschuhen verwendete.
Das Elastomer ist der Hauptbestandteil einer Mischung, die zwischen zehn und zwanzig Bestandteile umfassen kann (ein Schwefelvulkanisationssystem allein kann etwa zehn Bestandteile umfassen). Einige sind für die Bildung von Brücken (Schwefel, organisches Peroxid usw. ) unerlässlich , andere ermöglichen eine Beschleunigung des Prozesses (vermeiden Sie Beschleuniger, die Nitrosamine erzeugen ). Zum Schutz der anderen ( Antioxidantien , Flammschutzmittel , usw. ), erweichen ( Öle , Fette , Fettsäuren , usw. ), schwellen, Farbe ( Zinkoxid , Lithopon , usw. ) oder auch Parfüm . Die Inhaltsstoffe werden durch Trockenverfahren , dh ohne Lösungsmittel , durch mechanisches Mahlen gemischt , wodurch eine Erwärmung der Inhaltsstoffe erzeugt wird, die die Adsorption der Produkte zwischen ihnen fördert. Diese Erwärmung ist für die Mischung schädlich, da sie nicht vulkanisieren darf, bis das Produkt geformt wurde ; Daher sind die verwendeten Maschinen (interne Mischer vom Typ „Banbury“ oder Mischer vom Typ „Z-Blade“) mit einer Kühlvorrichtung ausgestattet, und die Steuerung der Temperatur des Gemisches während des Mischens ist ein kritisches Merkmal dieses Prozesses.
Das Mischen ist im Allgemeinen ein Chargenverfahren (leerer Mischer; Beladen der Bestandteile; Mischen; Entleeren des Mischers; nach dem Mischen), obwohl seit den 1990er Jahren kontinuierliche Verfahren entwickelt wurden, insbesondere für thermoplastische Polymere (vulkanisierbar oder nicht).
Das Nassmischen (mit nicht chlorierten Lösungsmitteln) ist spezifisch für die Herstellung von Lösungen, dh Klebstoffen auf Gummibasis ( z. B. Neoprenkleber ).
Die Kosten wie Kalziumkarbonat oder Baryt verbessern sein Aussehen. Der Ruß erhöht die Abriebfestigkeit .
Die Vulkanisation in einem Salzbad ist ein üblicher kontinuierlicher Vulkanisationsprozess. Der extrudierte Stab durchläuft eine Hochtemperaturvulkanisationslinie mit einer genau bestimmten Geschwindigkeit.
Die Vulkanisation von Neopren (Polychloropren, Akronym CR) erfolgt unter Verwendung von Metalloxiden (im Allgemeinen mit einem System auf der Basis von ZnO und MgO ; manchmal mit PbO ) anstelle von Schwefelverbindungen, die üblicherweise mit natürlichen und ungesättigten synthetischen Kautschuken aus Kautschuk verwendet werden . Darüber hinaus unterliegt die Wahl eines Polychloropren-Vulkanisationsbeschleunigers anderen Regeln als bei anderen Dienkautschuken . Ethylenthioharnstoff ( ETU) wird im Allgemeinen gewählt , ein wirksamer und bewährter Beschleuniger für Polychloropren, der jedoch als reproduktionstoxisch eingestuft wird. Die europäische Kautschukindustrie hat daher ein SafeRubber- Forschungsprojekt gestartet , um eine sicherere Alternative zur Verwendung von ETU zu entwickeln.
Schwefelvulkanisation: Bildung von Sulfidbrücken (in blau) zwischen den Ketten eines ungesättigten Elastomers (in schwarz).
Peroxidvulkanisation: Bildung von CC- Brücken zwischen den Ketten eines Elastomers.
Vulkanisation mit Metalloxiden: Etherbrücken zwischen den Ketten eines halogenierten Elastomers .
Es ist nicht bekannt , wie man recyceln vulkanisierten Kautschuk. Die Vulkanisation ist eine quasi irreversible Reaktion, dh das dreidimensionale Netzwerk, das beispielsweise durch Schwefel erzeugt wird, kann nicht leicht durch chemische oder thermische Einwirkung "zerlegt" werden, um ein Gummiteil umzuformen und ihm eine andere Form zu geben. Dies bedeutet, dass ein Gummiartikel nach dem Vulkanisieren entweder konform und daher verwendbar oder nicht konform ist und in diesem Fall der Artikel verworfen wird.
Tatsächlich ist es möglich, das Material dank des speziellen Kreislaufs von Recyclingunternehmen wiederzuverwenden, in dem die vulkanisierten Produkte sowohl einer sehr aggressiven chemischen als auch einer thermischen Behandlung (bei hoher Temperatur) unterzogen werden, bei der das dreidimensionale Netzwerk abgebaut wird (Umkehrung oder Depolymerisation).
Der resultierende Abfall, der als regenerierter Kautschuk bezeichnet wird (auf Englisch : Rückgewinnung ), weist weniger effiziente physikalische Eigenschaften als das ursprüngliche Produkt auf, insbesondere aufgrund der durchgeführten Behandlung. Die Wiederverwendung zu variablen Raten (weniger als 10% bis mehr als 50%) ist jedoch für bestimmte Produkte möglich, wodurch erhebliche Einsparungen erzielt werden. Vor allem aber ermöglicht es ein "Recycling" eines ganz bestimmten Materials, das aufgrund seiner vielfältigen Anwendungen in sehr großen Mengen auf dem ganzen Planeten verfügbar ist.
Die Chemie der Polymere ist sehr vielfältig; Die Chemie ihrer Vulkanisation ist auch (zum Beispiel ist der Schwefel, der zum Vulkanisieren sehr vieler Kautschuke verwendet wird, und der Ruß sind mit den Silikonkautschuken nicht kompatibel , wodurch ihre Vulkanisation verhindert wird).
Der industrielle Vulkanisationsprozess kann eine Quelle von Geruchsbelästigung und manchmal Luftverschmutzung sein .
Das umgekehrte Verfahren wird Devulkanisation genannt ; Es ist beispielsweise möglich, den synthetischen Kautschuk von Reifen durch kontrollierte Oxidation oder durch Mikrowelle unter bestimmten Bedingungen oder - langsamer und an der Oberfläche - durch eine biotechnologische Methode, die die Eigenschaften bestimmter Bakterien nutzt ( Archaea ), zu „ entvulkanisieren “ . Dieser Vorgang kann jedoch viele toxische Verbindungen und Additive freisetzen, die während der Herstellung in das Material des Reifens eingearbeitet wurden.