Ugrás a tartalomhoz

Gumik kémiája és technológiája

Gergó Péter (2012)

Pannon Egyetem

NITRIL KAUCSUK (NBR) [23, 24, 25]

NITRIL KAUCSUK (NBR) [23, 24, 25]

A nitril kaucsuk, akrilnitril-butadién kaucsuk, illetve poli(akrilnitril-butadién) kaucsukok a szintetikus gumik speciális csoportjába tartoznak. Az akrilnitril-butadién kaucsuk szerkezetét a 14. ábra mutatja be.

14. ábra Az akrilnitril-butadién polimer szerkezete

Az akrilnitril-butadién kopolimereket az IG Farbenindustrie szintetizálta 1930-ban emulziós polimerizációs technológiát alkalmazva. Az új kaucsuktípus nagyobb méretű ipari termelése 1934-ben.

Amellett, hogy a vulkanizátum tulajdonságai kiegyensúlyozottak, a nitril kaucsukok könnyen feldolgozhatók és a leggyakoribb vulkanizálás rendszerek alkalmazhatók a térhálósítás során. A vulkanizált kaucsuk kiváló ellenálló képességet mutat az olajokkal, zsírokkal és a motorhajtóanyagokkal szemben (ellenáll a duzzadásnak). Emellett jól ellenáll a levegő behatásainak, jó a kompresszió tűrése és a kopásállósága. A duzzadással szembeni ellenállóképességet elsősorban a polimer akrilnitril tartalma határozza meg. A növekvő akrilnitril tartalommal, amelynek következtében magasabb a polimer polaritása, a duzzadással szembeni ellenállóképessége is növekszik (például 18% akrilnitril tartalmú NBR kaucsuk aromás-nafténes olajtól bekövetkező duzzadása (tömegváltozása) eléri a 60%-ot, míg ez az érték 39% akrilnitril tartalom esetén csak 10%. Azonban ez az ellenálló képesség csak az apoláros vagy csak kissé poláros oldószerekkel szemben áll fenn.

Az NBR vulkanizátumok erősen duzzadnak poláris oldószerekben, úgymint az észterek és ketonok. Egyéb, az ipari felhasználás során fontos tulajdonságait is befolyásolja a kaucsuk akrilnitril tartalma. A keverék akrilnitril tartalmának növekedése csökkenti a kaucsuk gáz-áteresztőképességét, valamint az alacsony hőmérsékleti flexibilitást és elasztikusságot (rugalmasságot). Ezzel szemben a keménység, a kompressziótűrés és a szakítószilárdság növekszik. Így a kiindulási polimer akrilnitril koncentrációját úgy kell megválasztani, hogy a keverék minden tulajdonsága megfeleljen az egyes alkalmazások számára, néhány esetben kompromisszumokat kötve az egyes tulajdonságok terén. A kereskedelmi forgalomban kapható, különböző kategóriákba tartozó akrilnitril kaucsuk akrilnitril-tartalma 15-53 tömeg% között változhat. A felhasználás során legfontosabb osztályba tartozó NBR keverékek akrilnitril-tartalma 28-38 tömeg% között változhat, ezek a keverékek a legkiegyensúlyozottabbak az alacsony hőmérsékletű rugalmasság és a duzzadással szembeni ellenálló képességet tekintve.

A nitril kaucsuk tulajdonságai meleg levegővel történő öregítés után kevésbé változnak, mint a természetes kaucsuk tulajdonságai, azaz jól alkalmazhatók azokon a területeken ahol nagyobb hőnek vannak kitéve az elasztomerek. A nitril kaucsuk maximális üzemi hőmérséklet levegővel történő érintkezés esetén megközelítőleg 120°C (az ASTM D-2000 szabványnak megfelelően). Megfelelő keverés során (ahol a keverék előállítása során könnyű töltőanyagokat, mint a szilikátok és éterek vagy tioéterek, mint lágyítók használnak fel), rövid ideig elviseli a 150°C feletti hőmérsékletet is. Oxigénmentes környezetben az NBR vulkanizátumok hosszabb ideig stabilak 150°C-on.

A standard osztályba tartozó NBR polimerek általában lineárisak vagy csak kevés elágazást tartalmaznak. Az alacsony Mooney viszkozitás értékkel rendelkező nitril kaucsukot (kis moláris tömeg) könnyebben dolgozható, míg a magas Mooney viszkozitás értékű termékeknek jobbak a mechanikai tulajdonságaik, mint például a szakítószilárdság és rugalmasság. A speciális térhálós NBR-eket kopolimerizációval állítják elő, ahol kétfunkciós monomereket alkalmaznak, mint például a divinil-benzolt. Abban az esetben ha a standard és speciálisan térhálósított nitril kaucsukot kevernek össze a keverékgyártás során kiemelkedően jó mérettartóssággal (például extrudálás után) rendelkező termék nyerhető. Ugyanakkor a szakítószilárdságot és a szakadási nyúlást tekintve elmaradnak a standard nitril kaucsuktól.

A nitrilkaucsuk tulajdonságainak fokozására, illetve új, kedvező tulajdonságokkal történő kiegészítésére a nitrilkaucsuk új származékait fejlesztették ki. Ezek a karbilcsoportot tartalmazó, karboxilezett nitrilkaucsuk (XNBR), nitrilkaucsuk polivinilkloriddal alkotott keverékei (NBR/PVC keverékek) és a hidrogénezet nitrilkaucsuk (HNBR).

A karboxilezett nitrilkaucsuk előállítása során a polimerizálás során az akril-nitril mellett, karboxilsavat (akril vagy metakrilsavat) is alkalmaznak. Ezáltal a polimerláncban karboxilcsoportok is jelen lesznek ezáltal nő a polimerlánc reakcióképessége, valamint az adhéziós tulajdonságok is javulnak. Továbbá a szakítószilárdság és a kopásállóság is javul a hagyományos nitrilkaucsukhoz képest.

AZ EMULZIÓS NBR KAUCSUK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS SÉMÁJA

Az NBR termelés során alkalmazott emulzió polimerizációs eljárás tartalmazza a polimerizáció, gáztalanítás, csapadékképzés, mosás, szárítás, és a befejező lépések technológiai berendezéseit. A különböző NBR gyártók gyártási eljárásai között természetesen eltérések vannak. A polimerizációs folyamat lehet szakaszos vagy folyamatos, illetve az egyes berendezések (vagy a berendezések kombinációja) az ezt követő feldolgozási lépésben felhasználásra kerül vagy sem. További különbségek vannak az alkalmazott összetevőkben, mint például az emulgeálószerek, módosítószerek, iniciátorok, lánczáró adalékok és antioxidánsok. A polimerizációs folyamatok lépéseinek végrehajtása azonos hőmérsékleti tartományban történik.

A folyamatos polimerizációs technológia során kevert tankreaktorokat alkalmaznak. Az alkalmazott nyomás 2 és 7 bar között változhat. A termék összetétele és minősége függ a monomer arányától, a módosítószer tartalomtól és az esetlegesen felhasznált egyéb komonomerektől (térhálósítószer vagy XNBR termék előállítása esetén metakrilsav). Az eljárás sémáját a 15. ábra szemlélteti.

15. ábra Az NBR kaucsukok előállításának sémája

A monomer aránya határozza meg a végtermék akrilnitril tartalmát. Az akrilnitril és butadién azeotrópot képeznek 38 tömeg% akrilnitril és 62 tömeg% butadién monomer aránynál, ezért ha a kiindulási monomerek aránya ezzel megegyezik, a teljes reakcióidő alatt a polimer molekulák azonos kémiai összetételűek lesznek. Első lépésben a monomerek emulgeálása történik meg vizes közegben egy vagy akár több fajta emulgeátor alkalmazásával. Ezt követően adagolják a polimerizációt elindító iniciátort. Emulgeálószerként aril-alkil-szulfonsavak, gyanta savak, hosszú szénláncú telített és telítetlen (C12-C18) zsírsavak, alkil-szulfonsavak alkáli sóit, alkil-szulfátokat és ezek keverékeit alkalmazzák. Iniciátorként a redox rendszerek dominánsak, szerves peroxidok keverékei, hidroperoxidok vagy perszulfátok és redukáló szerek, mint a nátrium-ditionit keverékei.

Kiegészítő katalizátorként alkalmazhatók fémsók, például a vas-szulfát. Ha az alkalmazott technológia során a reakció lúgos közegben zajlik, komplexképző anyagok, mint például EDTA hozzáadásával a vas oldatban tartható. A polimerizációs lépés során alacsony hőmérséklet alkalmazásával (technológiától függően 0-30°C) jó hozam érhető el. A termék moláris tömegének kontrollálására hosszú szénláncú (C8-C16) merkaptánt vagy merkaptánok keverékét, mint módosítószert adagolnak. Gélmentes termék előállítása érdekében a reakciót megközelítőleg 70-80%-os konverziónál befagyasztják lánczáró vegyület alkalmazásával. Az utóbbi lehet, például egy redukálószer, mely gyorsan leköti az iniciátorként alkalmazott peroxidot. Lánczáró vegyületként alkalmaznak vízben és szerves közegben egyaránt oldódó vegyületeket, mint például a nátrium-ditionitot vagy hidrokinont. Ezt követően a nem reagált monomereket desztillálással vagy gőzzel sztrippelve távolítják el a gáztalanító toronyban. Azért, hogy a terméket megvédjék a feldolgozás és az azt követő tárolás során az oxidációtól stabilizátort adagolnak a keverékhez. Ezek a stabilizáló szerek lehetnek sztérikusan gátolt fenolok vagy difenil-aminok.

A stabilizált kaucsukot ezután elektrolitokkal (NaCl, CaCl2 , vagy Al2(SO4 )3 ) csapadék formájában választják le, majd a következő lépésben mosással eltávolítják a maradék emulgeátor és iniciátor maradványtól. A csapadékképzés 80°C-on végzik, amely során szemcsés struktúra jön létre, amely a hatékonyabb mosást is elősegíti. A mosást követően a víz nagy részét csigás megoldással távolítják el. A kaucsuk további szárítására fluidágyas vagy alagútszárítókat alkalmaznak, a szárítás után a termék maradó nedvességtartalma kisebb, mint 1%. Végső lépésként a kaucsukszemcséket bálákba préselik, majd ezt követően csomagolják.

A NITRIL KAUCSUKOK FELHASZNÁLÁSA

A nitril kaucsukokat főként ott alkalmazzák, ahol olaj-, motorhajtóanyag, valamint zsírral szembeni ellenálló képességre van szükség (pl. az autóipar és az olajipar egyes ágazatai). Elsősorban műszaki gumitermékekben alkalmazzák, így például tömítések, O-gyűrűk, szelepek és membránok gyártása során. Továbbá a nitril kaucsukot felhasználják tartálybevonatok és fékbetétek gyártása során, illetve az élelmiszeriparban is alkalmazható megfelelő keverék összetétel esetén. A karboxilcsoportot tartalmazó nitrilkaucsukot elsősorban a textiliparban alkalmazzák, de tömítések alapanyagául is szolgálhat.