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Vulkanisation

Durch die Vulkanisation wird Kautschuk / Gummi formstabil gemacht. Dabei werden durch eine chemische Reaktion, die durch eine Temperatur zwischen 120 und 160° C und die Zugabe von Schwefel entsteht, die langkettigen Kautschukmoleküle vernetzt.

Charles Goodyear entdeckte 1839 durch Zufall, dass Kautschuk beim Erhitzen mit Schwefel und Bleioxyd seine Löslichkeit, Klebrigkeit und Plastizität verliert und für seine praktische Verwendung günstigere elastische Eigenschaften annimmt. Thomas Hancock stellte wenige Jahre später fest, dass Schwefel bei der Herstellung brauchbarer Kautschukartikel eine wichtige Rolle spielte. Ein Freund Hancocks, William Brockedon, benannte diesen Vorgang schließlich „Vulkanisation“.

Heutzutage wird dieser Begriff für alle Verfahren verwendet, durch die Kautschuk / Gummi (und andere Elastomere) aus dem Zustand vorwiegender Plastizität, in einen Zustand vorherrschender Hochelastizität gebracht wird. Für dieses wichtige Verfahren für die Nutzung von Naturkautschuk gibt es mittlerweile viele Mittel und Arten. Neben chemischen Füll- und Reaktionsstoffen, die zur Vulkanisation benötigt werden, den sogenannten Beschleunigern, werden Geräte / Maschinen zum Erhitzen des Kautschuks / Gummis benötigt:

Vulkanisierkessel

Diese werden zum Vulkanisieren von Spritzartikeln, Schläuchen, Platten, Schuhteilen und auch Reifen verwendet. Die Vulkanisierkessel gibt es in horizontaler  und vertikaler Ausführung. Ein typischer Vulkanisierkessel ist ein sogenannter Autoklav. Der Kesselkörper ist hier zylindrisch mit einem Deckel am Kopfende. Dieser Deckel wird mit einem Bajonettverschluss verschlossen. Üblicherweise werden die zu vulkanisierenden Produkte auf einem Wagen auf Schienen in den Vulkanisierkessel gefahren.

Je nach Produktart erfolgt die Vulkanisation mithilfe von Druck und  Wasserdampf oder Heißluft.

 

Vulkanisierpressen

Vulkanisierpressen werden zum Erhitzen von Transportbändern, Reifen, Platten und technischen Gummiwaren benötigt. Um das gewünschte Ergebnis zu erlangen, müssen Pressen dem jeweiligen zu vulkanisierenden Artikel angepasst werden. Es gibt Etagenpressen für technische Formartikel, Platten usw. und Spezialpressen für Transportbänder, Riemen etc. Bei Vulkanisierpressen werden die Produkte immer in Formen, Rahmen oder Blechen vulkanisiert.

Dazu wird das Werkzeug mit einer Materialmenge gefüllt, die größer ist, als das Endprodukt. Durch die Erhitzung und den Druck fließt das Material in alle Hohlräume bis der Überschuss aus dem Werkzeug austritt und die Vulkanisation einzusetzen beginnt. Der vorher entstandene Ausdehnungsdruck bleibt jetzt noch weiterbestehen und muss von der Form abgefangen werden. Daher ist es nötig, dass die Formen mit hoher Kraft zusammengehalten werden (verschraubt oder gepresst). Als Drucksystem eigenen sich Gewindespindeln, hydraulische oder Kniehebeltriebe, dazu eine Pressplatte, mit der die Pressform gegen eine Festplatte gedrückt wird. Die Gewindespindeln und das Kniehebelsystem werden heute nur noch bei Laborpressen oder behelfsmäßigen Vulkanisiereinrichtungen genutzt. Im Allgemeinen haben sich hydraulische Vulkanisierpressen durchgesetzt. Hier ist die Presseplatte ein Presstisch, der an einem Tauchkolben befestigt ist. Die hydraulischen Vulkanisierpressen gibt es als Säulenpressen und als Rahmenpressen. Bei der Säulenpresse werden Pressenunterteil und Pressenkopf durch Stahlsäulen zusammengehalten. Hier kann der Pressraum von allen Seiten eingesehen werden. Bei der Rahmenpresse werden Stahlplattenrahmen verbaut, zwischen denen der Hydraulikzylinder und der Pressenkopf eingebaut sind. Das Vulkanisiergut wird durch Heizplatten erwärmt, die auf dem Pressentisch und unter dem Presskopf befestigt sind. Die Heizplatten werden mit Dampf, Öl oder elektrisch beheizt. Die Heizplatten müssen planparallel sein und gleichmäßig erwärmt werden. Daher werden sie aus hochwertigem Stahl hergestellt und an den Pressflächen geschliffen. In den Heizplatten befinden sich gebohrte Leitungskanäle, durch die das Heizmedium geführt wird.

Ein häufig verbreiteter Pressentyp ist die Etagenpresse. Hier können mehrere übereinanderliegende Formen / Platten gleichzeitig erhitzt werden. Dabei befindet sich zwischen je zwei Formenhälften eine Heizplatte, die diese von unten und oben beheizen. Üblich sind hier Zwei-Etagen-Pressen, Vier-Etagen-Pressen und Sechs-Etagen-Pressen.

Compression Moulding

Compression Moulding, auch Formpressen ist ein Formverfahren für Kunststoffe. Hier wird der Rohling in dir Form eingelegt und unter Temperatur und mit hohem Druck zusammengepresst. Das Formpressen eigenen sich für mittelgroße Serien und für Faserverbundwerkstoffe.

Transfer Moulding

Hier wird die Mischung in eine dreiteilige Form eingelegt. Im Mittelteil befindet sich der Angusskanal, durch den die Mischung beim Zufahren in die Formnester des Formenunterteils gedrückt wird.

Nach der Vulkanisation wird der Anguss entfernt . Ein Anguss kann aber auch durch die  Konstruktion der Form vermieden werden. Das Transfer Moulding ist für klein- und mittelgroße Serien mit einem hohen Faservolumen geeignet.

Injection Moulding (Spritzgußverfahren)

Das modernste Verfahren, das Gleichzeitig auch die Herstellung komplizierter  Formteile ermöglicht, ist das Spritzgußverfahren ( Injection Moulding ).

Die Spritzgusspressen bestehen aus einer Plastifiziereinheit und dem Einspritzteil. Eine rotierende Schnecke zieht den Fütterstreifen ein, dabei wird die Mischung  plastifiziert und vorgewärmt. Die Mischung sammelt sich in dem Einspritzteil, je nach eingestellter Menge, und wird mit hohem Druck in die Form gespritzt. Danach füllt sich der Einspritzteil erneut für den nächsten Einspritzvorgang. Durch die Vorwärmung im Einspritzteil und dem hohen Einspritzdruck verkürzt sich der Vorgang erheblich.

Durch die höheren Kosten für Werkzeug und Spritzgießmaschinen lohnt sich dieses Verfahren nur bei höheren Stückzahlen.

Vulkanisiermaschinen

Vulkanisierpressen sind nicht für das Vulkanisieren von Gummiplattenmaterial geeignet. Aus diesem Grund wurde die kontinuierlich arbeitende Automatische Matten-Vulkanisiermaschine (Auma) entwickelt. Diese besteht aus zwei kräftigen Ständern, zwischen denen sich in der Mitte ein Heizzylinder befindet. Davor sitzen zwei Umlenkwalzen und dahinter eine Spannwalze. Vor der Maschine steht der Abwickelbock für das zu vulkanisierende Material, auf der Rückseite der Aufwickelbock für das vulkanisierte Produkt. Alle Walzen und Zylinder werden von einem endlosen Druckband umschlossen. Das zu vulkanisierende Material läuft dann am Stück durch die verschiedenen Zonen der Auma, wo es am Heizzylinder entlang erwärmt und vulkanisiert wird.

Neben den genannten diskontinuierlichen Vulkanisationsarten gibt es auch die kontinuierlichen. Dazu gehören Heißluftkanäle, Mikrowellen und Salzbäder. Hier wird das Kautschuk / Gummi in Form von Profilen oder Dichtungen direkt in die jeweilige Maschine hineinextrudiert.

Heißluftkanäle

Hier läuft das Extrudat ( als Profil aus dem Extruder ) auf einem hitzebeständigen Fließband durch einen Kanal. Durch diesen Kanal wird ein Heißluftstrom mit hoher Luftgeschwindigkeit geleitet. Durch die Heißluft wird die Wärme in die Profiloberflächen gebracht. Wärmeübertragende Luftmoleküle sorgen durch hohe Luftgeschwindigkeit an der Extrudatoberfläche für einen optimalen Wärmeübergang. Die Beheizung der Luft erfolgt über Strom oder über Erd- bzw. Flüssiggasbrenner und beträgt üblicherweise 260-300°C.

Heißluftkanäle werden oft in Modulbauweise ausgeführt. Die Module sind meistens  3 m lang. Je nach Verwendung können mehrere Module zu einem langen Kanal verbunden werden. Die typische Länge liegt zwischen 9 und 21 m.

Ein besonderer Kanal-Typ ist der Schockkanal, es gibt zwei Varianten, den IR- Schockkanal und den Heißluft-Schockkanal. Hier wird auf einer Strecke von 3-6 m eine Temperatur von 500 - 600° C mittels intensiver IR Strahlung oder durch eine effektivere Luftführung und hoher Luftgeschwindigkeit erzielt. Diese Anlagen werden für Profile eingesetzt, bei denen eine schnelle Oberflächenvernetzung nötig ist.

Mikrowellen-Anlagen (UHF-Anlagen)

Ultrahochfrequenz-(UHF-) Anlangen erzeugen ultrahochfrequente Mikrowellen. Durch diese soll in möglichst kurzer Zeit eine Erwärmung des Werkstoffs erzielt werden.( Voraussetzung ist eine Bipolare Mischung ) Das Kautschuk / Gummi absorbiert die Mikrowellen, setzt sie in Wärme um und vulkanisiert dadurch. Der UHF Kanal muss mit anschließenden Heißluftkanälen ergänzt werden um eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Produkt sicherzustellen und die Vulkanisationszeit zu erreichen.

Salzbäder

Bei der Salzbadvulkanisation wird das Gummiprofil aus dem Extruder direkt in das geschmolzene Salz  geführt. Es handelt sich dabei um eine drucklose Vulkanisation. So werden Dichtungen, und Profile mit glatten, dichten Oberflächen (Fensterdichtungen, Antriebsriemen, Wischblätter u.ä.) hergestellt. Die Vulkanisation im Salzbad eignet sich besonders für große massive Profile (Bauprofile, Tunnelprofile etc.)

 

vgl. Boström, 1960; Köster, Perz, Tsiwikis, 2007, chemie.de

Zuletzt aktualisiert am 19.01.2016 von Viktoria Schütz.

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