什么是硫化和硫化橡胶?

硫化橡胶比传统橡胶坚固得多。它可以承受更大的压力和应力,并且弹性更大,这就是为什么许多制造商更喜欢在其业务中使用硫化橡胶。硫化橡胶的强度和弹性增加,使其可以更大程度地拉伸,而不会翘曲或变形。硫化还意味着可以更好地保护橡胶免受刮擦造成的磨损或其他损坏。

但硫化到底是什么?它是如何工作的?在本文中,我们将更详细地了解硫化以及硫化橡胶的历史和用途。

什么是硫化?

橡胶有两种类型:天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶的强度稍强且气味较小,而合成橡胶则更耐热和耐老化。合成橡胶还用于为对天然橡胶中的蛋白质过敏的人提供的产品。目前美国使用的橡胶 70% 是合成橡胶,但这两种类型在全世界都广泛使用。

天然橡胶由聚异戊二烯分子组成。它是从橡胶生产植物的细胞或乳胶管中获得的。虽然有超过 200 种植物能够生产乳胶,但大多数天然橡胶来自橡胶树(Hevea Brasiliensis)。

合成橡胶是由石油副产品生产的人造聚合物。凝固的天然橡胶和合成橡胶在其初始状态下并不是很有用。它具有粘性、热塑性和柔软性,拉伸强度和弹性非常低,这就是为什么它需要经过硫化等过程才能使用。天然橡胶和大多数类型的合成橡胶都可以通过硫化来改善其性能,并使其足够坚韧和坚固以供使用。硫化过程包括添加硫磺并加热橡胶,以提高其弹性和强度。

聚异戊二烯(天然橡胶)和丁苯橡胶(SBR)是最常硫化的聚合物。这些橡胶通常用于制造车辆轮胎。

硫化技术可能有所不同,但通常涉及将生橡胶或其他弹性体材料与 5-30% 硫或其他试剂(引发交联反应)与活化剂、促进剂和缓凝剂混合,形成交联分子网络。

单独使用硫磺的硫化速度非常慢,并且会导致氧化降解,导致机械性能较差。这就是添加促进剂的原因,以便可以在更低的温度下以更高的效率进行硫化。 (这也减少了所需的硫磺量,从而改善了硫化橡胶的老化性能)。

常用的添加剂包括氧化锌(活化剂)、胍类、噻唑类、黄原酸盐、秋兰姆类(促进剂)、乙酸、氯化钙(促凝剂)、胺类、酚类和亚磷酸盐(抗氧化剂)、彩色颜料、油类和消泡剂代理。

在混合阶段必须避免主动硫化,以防止橡胶模制或成型时形成裂纹。

硫化过程背后的科学

硫化彻底改变了橡胶的生产方式及其应用方式。在硫化被发现之前,天然橡胶是通过酸和热来凝固的,以使其具有延展性。在高温下,橡胶会变得粘稠并开始熔化。然而,当温度太低时,它很快就会变脆。使用这些方法在工业环境中使用橡胶既昂贵又不切实际。

那么,橡胶是如何硫化的呢?从树木中提取的天然乳胶汁液含有异戊二烯分子。当乳胶干燥时,分子聚集得更近并攻击相邻分子的碳双键。双键断裂,电子重新将异戊二烯分子键合在一起,将它们变成单体。这个过程一直持续到许多异戊二烯分子结合并形成长链或单体(聚合物)链。

异戊二烯单体链的聚集体称为聚异戊二烯,它通过形成静电键粘在一起。这使得线在拉动时可以相对移动,并在放松时恢复到原始状态,从而赋予橡胶一定程度的自然弹性。

通过添加硫以及合适的温度和压力,硫原子攻击异戊二烯链内碳原子的双键并将其结合。硫原子也与自身结合,然后将不同的异戊二烯链连接在一起。这称为永久状态下的交联。

交联是赋予硫化橡胶拉伸强度的反应机制。用最简单的术语来说,交联是聚合物链连接在一起的化学过程。它可以比作一碗未煮熟的意大利面条。将每根线从碗中拉出来很容易,但是一旦煮熟并干燥,它们就会粘在一起并且很难分开。

未交联的聚合物链可以自由移动,而交联的链在加热或拉力引起的应力下不太可能流动。它们还具有更高的耐溶剂性,可用于更坚固的涂层或粘合应用。

交联形成网状结构,赋予橡胶更稳定的弹性,一旦形成,就根本无法轻易分解。橡胶化学变化的这种永久性称为热固性。

硫化过程分为三个阶段,即诱导阶段、交联阶段和最佳状态:

  • 在诱导(或焦烧)阶段,缓慢的交联反应在 180°F 至 230°F 之间的温度开始。模压橡胶通常在加热之前成型,因为交联使得橡胶无法成型;
  • 在交联或固化阶段,形成永久交联。将混合物加热至 250-400°F 以加速硫化,从而实现快速交联。
  • 在最佳状态下,硫化橡胶在张力作用下经过十次变形循环后可以恢复到原来的长度。如果固化过程继续超出最佳状态,则称为过度固化。硫化或过硫化的最终最佳状态意味着橡胶化合物的所有性能都在形成,直到达到弹性行为。

形成的交联取决于硫化剂的量、反应时间、温度和橡胶本身的性质。

什么是硫化和硫化橡胶
硫化橡胶比天然橡胶更坚固、更有弹性。

橡胶硫化是谁发明的?

人类使用橡胶已有数千年的历史。古代奥尔梅克人是橡胶科学最早的实践者,他们将藤蔓汁液和煮沸的橡胶汁液混合,制造出他们自己的硫化橡胶。这用于防水,当然,也是早期形式的篮球!

1820 年代,化学家查尔斯·麦金托什 (Charles Macintosh) 与发明家托马斯·汉考克 (Thomas Hancock) 合作改进了这一工艺。他们将天然橡胶溶解在苯中并加热,生产橡胶板和防水织物。后来几年,硫磺被添加到该过程中。

然而,我们所知道的现代硫化技术可归功于查尔斯·固特异 (Charles Goodyear)。固特异在杂货店看到救生衣后就迷上了橡胶。固特异将所有的时间和资源都投入到了橡胶领域。有一天,他不小心将橡胶和口香糖的混合物洒在热炉上,它“像皮革一样烧焦”并变硬。他相信在正确的时间停止该过程将使橡胶更具粘合性和稳定性。固特异开始“固化”橡胶并将样品发送给托马斯·汉考克。汉考克注意到表面有硫,并开始在橡胶加工中添加硫。

在汉考克击败固特异获得英国专利几周后,固特异获得了美国硫化专利。硫化一词来自汉考克的一位朋友,指的是罗马火神伏尔甘。

固特异的发现引发了一场工业革命,但遗憾的是他的坚持并没有得到回报,他去世时还欠下了超过 20 万美元的债务。著名的固特异轮胎公司后来以他的名字命名,以表彰他对行业的重要贡献。

如前所述,在硫化过程中单独使用硫磺并不是非常有效、快速或经济,这就是为什么橡胶没有被广泛使用,直到美国化学家乔治·奥恩斯拉格 (George Oenslager) 发现在硫化过程中添加促进剂可以改善硫化过程。 1912年,他发明的硫化方法至今仍大量使用。

硫化橡胶的用途和优点是什么?

硫化可提高弹性、硬度、撕裂强度以及耐有机溶剂性和耐磨性。它还具有出色的弹性、低吸水性和抗氧化性,是一种出色的电绝缘体。

如果天然橡胶正确硫化,它将保留并增强其优点,而不会出现分子水平上存在的弱点。硫化后,新设计的聚合物链增强了橡胶;它会收缩并变得更硬。这使得硫化橡胶不易损坏或变形,并提高了拉伸强度。

这种耐用性使其成为许多产品的理想材料,在恶劣的活动中耐用性和防水性至关重要(例如运动表带或橡胶鞋底)。硫化橡胶最常见的用途是在轮胎中。轮胎通常用炭黑增强,以提高强度。全球每年生产超过 10 亿条轮胎。

硫化橡胶还用于生产橡胶软管、鞋底、绝缘材料、减振器、橡皮擦、减震器、儿童玩具、传送带、衬胶罐等。

硫化橡胶环保吗?

硫化橡胶比天然橡胶更坚韧且不易分解,但有证据表明硫化橡胶会在热堆肥箱中生物降解。硫化的好处是橡胶产品非常耐用,因此可以轻松翻新或重新利用。旧橡胶轮胎可以翻新或重新用作沥青、景观覆盖物、草坪填充物或牲畜垫。它也可以添加到化合物中。

结论

硫化以经济有效的方式生产出更坚固、更坚韧、更耐用的橡胶产品。感谢汉考克和固特异等发明家,硫化橡胶已成为一种价格实惠且易于使用的产品,可以年复一年地使用和重复使用。

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