เทคโนโลยีการคงรูปยาง (vulcanization)


          หลังจากขึ้นรูปผลิตภัณฑ์แล้ว กระบวนการต่อมา คือ การทำให้ยางคงรูป (vulcanization) โดยอาศัยความร้อนกระตุ้นให้สารเคมี (ที่ผสมอยู่ในยางคอมพาวด์แล้ว) เกิดปฏิกิริยาเชื่อมโยงโมเลกุลให้เป็นโครงสร้างตาข่ายสามมิติ ซึ่งจะทำให้ยางคอมพาวด์ (หรือยางดิบที่ยังไม่สามารถใช้งานได้) เปลี่ยนสภาพเป็นยางคงรูป (หรือยางสุก) ที่มีความยืดหยุ่น ทนทาน มีสมบัติที่เสถียรไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ จึงจะสามารถนำผลิตภัณฑ์ยางดังกล่าวไปใช้งานได้

          การคงรูปยางสามารถใช้สารเคมี (บวกกับความร้อน) หรืออาจจะใช้รังสีหรือคลื่นพลังงาน เช่น รังสีแกมมา ลำอิเล็กตรอน คลื่นไมโครเวฟ ก็ได้ แต่การคงรูปโดยใช้รังสีจำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่มีราคาแพงและใช้ได้ดีในกรณีที่เป็นชิ้นงานบางๆ เท่านั้น ดังนั้นการคงรูปที่ได้รับความนิยมในอุตสาหกรรม คือ การใช้สารเคมี (บวกกับความร้อน)

          ระบบการคงรูปที่ใช้สารเคมีแบ่งออกเป็น 3 ระบบใหญ่ๆ ได้แก่

1.   ระบบการคงรูปด้วยกำมะถัน (sulfur vulcanization)

2.   ระบบการคงรูปด้วยเพอร์ออกไซด์ (peroxide vulcanization)

3.   ระบบการคงรูปด้วยสารเคมีอื่นๆ

 

ระบบการคงรูปด้วยกำมะถัน (sulfur vulcanization)

          ระบบการคงรูปด้วยกำมะถันเป็นระบบที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน เพราะเป็นระบบที่มีต้นทุนต่ำ การคงรูปสามารถเกิดขึ้นได้เร็ว และยางคงรูปที่ได้มีสมบัติเชิงกลที่ดี ระบบนี้นิยมใช้กับยางทุกชนิดที่มีพันธะคู่อยู่ในโมเลกุล โดยเฉพาะยางธรรมชาติและยางสังเคราะห์ส่วนใหญ่ เช่น SBR, IR, BR, NBR เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ระบบนี้ก็มีข้อจำกัดหลัก คือ ไม่สามารถใช้ในการคงรูปยางที่ไม่มีพันธะคู่อยู่ในโมเลกุล เช่น ยางซิลิโคน หรือยาง EPM

 

ระบบการคงรูปด้วยเพอร์ออกไซด์ (peroxide vulcanization)

          แม้ว่าระบบการคงรูปด้วยเพอร์ออกไซด์จะสามารถใช้ได้ดีกับยางส่วนใหญ่ (ทั้งที่มีพันธะคู่และไม่มีพันธะคู่ในโมเลกุล) แต่เนื่องจากระบบนี้มีต้นทุนสูงกว่าระบบการคงรูปด้วยกำมะถันและยางคงรูปที่ได้มีสมบัติทั้งเชิงกลและเชิงพลวัตต่ำกว่ายางที่ได้จากการคงรูปด้วยกำมะถัน ประกอบกับเพอร์ออกไซด์จัดเป็นสารเคมีที่ค่อนข้างอันตราย การขนย้ายและการเก็บรักษาต้องทำด้วยความระมัดระวัง ดังนั้นการคงรูปด้วยเพอร์ออกไซด์นั้นจึงนิยมใช้กับยางที่ไม่มีพันธะคู่ในโมเลกุล (เช่น EPM, EVA, CPE หรือ Q เป็นต้น) หรือยางที่มีปริมาณพันธะคู่ในโมเลกุลต่ำมากเท่านั้น (เช่น HNBR, EPDM) สำหรับยางอื่นๆ นิยมคงรูปด้วยกำมะถันมากกว่า ยกเว้นกรณีที่ต้องการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ทนต่อความร้อนได้ดีและ/หรือมีค่าการเสียรูปถาวรหลังกด (compression set) ต่ำเท่านั้น

 

ระบบการคงรูปด้วยสารเคมีอื่นๆ

          นอกจากระบบหลักๆ 2 ระบบดังที่กล่าวมาแล้ว ยังมีการนำสารทำให้ยางคงรูปชนิดอื่นๆ มาใช้ในการคงรูปด้วยเช่นกัน แต่มีการใช้น้อยหรือใช้ในกรณีที่จำเป็น เช่น การคงรูปของยางคลอโรพรีน (chloroprene; CR) เป็นต้น สารเคมีอื่นๆ ได้แก่ ซีลีเนียม เทลลูเรียม โลหะออกไซด์ (ซิงก์ออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ ออกไซด์ของตะกั่ว) สารประกอบที่มีหมู่ฟังก์ชัน 2 หมู่ (difunctional compounds)

 

เทคนิคที่ใช้ในการคงรูป (vulcanization techniques)

          เทคนิคที่ใช้ในการคงรูปมีหลายวิธี ขึ้นกับความเหมาะสมและรูปร่างของผลิตภัณฑ์

1.   การคงรูปของยางที่ขึ้นรูปโดยใช้แม่พิมพ์

ผลิตภัณฑ์ยางที่ขึ้นรูปโดยใช้แม่พิมพ์จะทำให้ยางคงรูปได้ด้วยวิธีอัด (press) โดยวางแม่พิมพ์ที่มียางคอมพาวด์อยู่ภายในลงบนแผ่นกดอัด (platen) ของเครื่องกดอัดระบบไฮดรอลิก (hydraulic press) ที่สามารถเลื่อนขึ้นลงได้ (ดูการขึ้นรูปโดยใช้แม่พิมพ์แบบกดอัดประกอบ)

2.   การคงรูปของยางที่ขึ้นรูปด้วยวิธีอัดผ่านดายโดยใช้เครื่องเอ็กซทรูด

              การคงรูปของเอ็กซทรูดเดตแบ่งได้เป็น 2 เทคนิค ได้แก่ เทคนิคการคงรูปแบบไม่ต่อเนื่อง (การคงรูปในหม้ออบไอน้ำความดันสูง) และ เทคนิคการคงรูปแบบต่อเนื่อง (การคงรูปในถังของเหลว หรือ การคงรูปใน fluidized bed)

              1. การคงรูปในหม้ออบไอน้ำความดันสูง

              หม้ออบไอน้ำความดันสูงหรือที่เรียกกันว่า หม้อออโตเครฟ (autoclave) รูปทรงกระบอกวางในแนวตั้งหรือแนวนอน มีไอน้ำเป็นตัวให้ความร้อน อุณหภูมิของไอน้ำจะขึ้นกับความดันภายในหม้ออบ นำเอ็กซทรูดเดตที่ได้จากการขึ้นรูปส่งผ่านไปยังถังใส่สารหล่อลื่นเพื่อป้องกันการติดกันก่อนที่จะถูกส่งต่อไปพันรอบ วงล้อกลมและนำเข้าไปอบในหม้อออโตเครฟ

 

รูปที่ 12 หม้ออบไอน้ำความดันสูง (autoclave) [15]

 

              2. การคงรูปในถังของเหลว

              ถังของเหลวมีลักษณะคล้ายรางน้ำที่มีขนาดไม่กว้างมากนักแต่จะค่อนข้างยาวและมักจะวางต่อจากเครื่องเอ็กซทรูด เมื่อเอ็กซทรูดเดตผ่านออกมาจากหัวดายแล้วจะถูกส่งต่อไปยังถังของเหลวอย่างต่อเนื่อง ความร้อนจากของเหลวจะทำให้ยางเกิดการคงรูป (เอ็กซทรูดเดตจะต้องจุ่มอยู่ใต้ระดับของเหลวตลอดเวลา) ของเหลวที่สามารถใช้เป็นตัวกลางความร้อน ได้แก่ ซิลิโคน กลีเซอรีน และที่นิยมใช้มากที่สุด คือ เกลือผสม (salt mixtures)

 

รูปที่ 13 ถังของเหลว (liquid bath) [16]

 

              3. การคงรูปด้วย fluidized bed

              การคงรูปด้วย fluidized bed มีหลักการคล้ายกับการคงรูปในถังของเหลว แต่มีตัวกลางการให้ความร้อนต่างกัน คือ ในถัง fluidized bed จะมีการปล่อยก๊าซให้ไหลจากด้านล่างขึ้นสู่ด้านบนผ่านชั้นของเม็ดลูกแก้วกลมเล็กๆ ที่เรียกว่า บัลโลตินี่ (ballotini) เม็ดบัลโลตินี่จะฟุ้งกระจายและแขวนลอยอยู่ในก๊าซที่เคลื่อนที่อยู่ภายในถัง ความร้อนจากเม็ดบัลโลตินี่จะถูกถ่ายเทให้กับยางทำให้ยางเกิดการคงรูปขึ้นได้ การคงรูปด้วยวิธีนี้เหมาะสำหรับเอ็กซทรูดเดตที่บิดเบี้ยวได้ง่าย

              นอกจากนี้ยังมีการคงรูปด้วยวิธีอื่นๆ เช่น การใช้อากาศร้อนในอุโมงค์ (hot air tunnel) การใช้คลื่นไมโครเวฟหรืองรังสีที่มีพลังงานสูง เป็นต้น

 

3.   การคงรูปของยางที่ขึ้นรูปด้วยเครื่องคาเลนเดอร์

              ยางที่ขึ้นรูปด้วยเครื่องคาเลนเดอร์สามารถคงรูปได้โดยใช้หม้ออบความดันสูงหรือการใช้อากาศร้อน แต่ปัจจุบันมีเทคนิคการคงรูปแบบใหม่ที่เรียกว่า เทคนิคการคงรูปแบบหมุน (rotational vulcanization or rotorcure)” ซึ่งประกอบกอบด้วยลูกกลิ้ง 3 ลูก ติดตั้งห่างกันเป็นรูปสามเหลี่ยม บริเวณตรงกลางของลูกกลิ้งทั้งสามจะมีการติดตั้งลูกกลิ้งขนาดใหญ่ที่เรียกว่า “drum” โดยที่ภายใน drum จะมีการเจาะรูเป็นโพรงให้ไอน้ำหรือตัวกลางความร้อนชนิดอื่นๆ ไหลผ่าน ลูกกลิ้งทั้งสามและ drum จะเชื่อมกันด้วยแถบเหล็กลักษณะคล้ายสายพาน ยางจะถูกป้อนเข้ามาตามแถบเหล็ก เมื่อ drum หมุนทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของยางซึ่งจะถูกกดให้แนบติดกับ drum ความร้อนจาก drum ทำให้เกิดการคงรูป

 

http://i01.i.aliimg.com/img/pb/804/092/368/368092804_391.jpg

รูปที่ 14 เครื่องการคงรูปแบบหมุน (rotorcure) [17]

 

ขั้นตอนการตกแต่งผลิตภัณฑ์ (finishing)

หลังจากผ่านการคงรูปและแกะผลิตภัณฑ์ออกจากแม่พิมพ์ (หรือการคงรูปด้วยวิธีอื่น) ขั้นตอนสุดท้ายคือ การตกแต่งผลิตภัณฑ์ ซึ่งมีวิธีการหลายแบบขึ้นอยู่กับลักษณะของผลิตภัณฑ์ เช่น การตกแต่งโดยใช้กรรไกรขลิบหรือตัดเศษยางส่วนเกิน (scrap) หรือใช้เครื่องตกแต่งขัดผิวหน้าผลิตภัณฑ์ เป็นต้น


เอกสารแนบ: vulcanization_3405_1.pdf

















04/08/2013