3.4. Сушка латексних гелів

Сушка латексних гелів є найтривалішою операцією технологічного процесу виготовлення гумових виробів із латексу. На проведення цієї операції затрачується до 90% всього технологічного часу.

Збільшення товщини висушуваного гелю приводити до непропорційного зростання часу, яке приходиться затрачувати на сушку. Тому асортимент виробів з латексу обмежується товщиною. Як правило, товщи­на виробів не перевищує 1,5...2,0 мм.^Х)

На неефективність процесу сушки гелів вказують дані [32, с. 101...102], відповідно до яких кількість необхідної енергії для видалення вологи з латексних гелів в 10 разів більше тієї енергії, яка потрібна для випаровування відповідної кількості води.

Звичайно для сушки гелю застосовують конвективну сушку, іноді в комбінації з іншими методами.

Сушку латексного гелю не слід розглядати як просте видалення вологи. Під час сушки змінюється структура гелю і суттєво можуть змінитися властивості полімеру. При чому процеси при сушці гелю відбуваються і в ході си­нерезису, а також на заключній стадії технологічного процесу виготовлення виробів з латексу вулканізації, хоча і протікають з різними швидкостями. Так, видалення вологи із гелю відбувається при синерезисі, сушці і продовжується при вулканізації, хоча в останньому випадку з дуже малою швидкістю.

Коалесценція частинок може відбуватися на всіх трьох стадіях технологічного процесу.

Вулканізація полімеру може відбуватися не тільки на кінцевій стадії технологічного процесу, але при сушці, а при певних умовах, як було показане раніше, – при синерезисі.

Тому, розглядаючи процеси сушки гелів, необхідно враховувати як вихідні властивості гелю, так і характер змін структури і властивостей гелю в ході сушки.

Кінетична залежність зміни концентрації полімеру в гелях, сушка яких проводилася при різних температурах, показана на рис. 3.40.

Кінетика характеризується двома періодами сушки: періодом постійної швидкості (лінійна ділянка) і періодом спадаючої швидкості сушки, що ха­рактерно для більшості капілярно-пористих тіл. Збільшення температу­ри призводить до прискорення процесу випаровування вологи як в періоді постійної, так і в періоді спадаючої швидкості. На рис. 3.41 показана залежність тривалості сушки до досягнення концентрації полімеру в гелі 95% від температури, вологості повітря і швидкості повітря.

Рис. 3.40. Кінетична залежність кон­центрації полімеру в гелях, що висушені при різних температурах: 1 – 110°С; 2 – 90°С; 3 – 70°С

Рис. 3.41. Вплив температури (1), відносної вологості (2), швидкості повітря (3) на тривалість сушки гелю до концентрації 95%

Як видно, збільшення відносної вологості повітря призводить до збільшення тривалості сушки, тоді як підвищення температури до 90°С і швидкості обдува до 3 м/хв скорочує тривалість сушки. Слід разом з тим відзначити, що за певних умов (наприклад, висока температура сушки) волога атмосфера, уповільнюючи випаровування вологи, уповільнює утворення на поверхні гелю малопропускаємої плівки і загальна швидкість процесу зростає. Подальше підвищення температури і швидкості обдува не призводить до істотного прискорення сушки і супроводжується, як правило, утворенням дефектів в гелі у вигляді пузирів.

Очевидно, інтенсивне випаровування вологи з поверхневих шарів гелю і коалесценція частинок призводить до утворення малопропускаємої плівки, що перешкоджає видаленню вологи з внутрішніх шарів гелю.

В залежності від методу отримання гелю (желатинування, іонне відкладення, електровідкладення, термосенсибілізація, електроіонне відкладення) або умов синерезису гелю (середовище, тривалість, температура) сушці піддаватиметься гель з різною початковою концентрацією полімеру.

Збільшення початкової концентрації полімеру в гелі призводить до зменшення тривалості сушки до отримання гелю із заданим значенням концентрації (звичайно 95%) полі­меру (рис. 3.42). Залежність, що представлена на рис. 3.42 якісно характерна для гелів з різних типів латексів.

Рис. 3.42. Залежність тривалості сушки до концентрації полімеру в гелі 95% від початкової концентрації полімеру в гелі

Проте абсолютні значення тривалості сушки гелів з різних типів латексів при рівному першопочатковому вмісті води в гелі можуть істотно відрізнятися і залежать від аутогезіонних властивостей полімеру, ступеня його вулканізації, вмісту некаучукових речовин, а також від умов сушки (температури, вологості, швидкості повітря). Відомо [64], що загальний потік вологи усередині капілярно-пористих тіл при сушці гарячим повітрям при темпера­турі до 100ºС^Х) рівний:

де a_і і а_Т –коефіцієнти дифузії термодифузії, відповідно; ρ_о – густина сухого "скелету" тіла, в нашому випадку – густина полімеру; Н і Т – градієнти вологовмісту і температури усередині тіла, відповідно.

Перший член цього рівняння визначає дифузійний потік вологи, що обумовлений наявністю градієнта вологовмісту між внутрішнім і зовнішнім шарами висушуваного тіла. Цей потік вологи направлений від центру тіла до його поверхні. Другий член рівняння визначає потік вологи, що обумовлений градієнтом температури. Напрям цього потоку співпадає з направ­ленням потоку тепла.

При конвективній сушці латексних гелів, коли температура внутрішніх шарів нижче за температуру периферійних, термодифузійний потік вологи має напрям від периферії до внутрішніх шарів. В цьому випадку термодифузійний потік віднімається з дифузійного потоку, що обумовлений градієнтом вологовмісту, і, тим самим, зменшує загальний потік вологи до периферії.

Щоб зменшити термодифузійний потік, що призводить до зменшення швидкості сушки, необхідно підвищити температуру в глибинних шарах гелю і, тим самим, зменшити температур­ний градієнт. Останнє може бути досягнуте попереднім нагрівом в киплячій воді [65] фор­ми з гелем, що знаходиться на ній. При подальшій конвективній сушці перепад температур між шарами гелю буде істотно зменшений, що збільшить потік воло­ги до зовнішньої поверхні і, як наслідок, збільшить швидкість сушки (рис. 3.43).

Рис. 3.43. Кінетика зміни концентрації полімеру в гелях, що піддавалися попередньому прогріванню на формах в киплячій

воді (1) і без прогрівання (2) в процесі сушки при 90°С

Прискорення процесу сушки в цьому випадку відбувається не тільки за рахунок зменшення градієнта температури між зовнішніми і внут­рішніми шарами гелю, але і за рахунок прогрівання всієї товщі гелю, що приз­водит до збільшення коефіцієнта дифузії, який прямо пропор­ційний температурі [64, с. 425]. Наслідком цього є збільшення потоку вологи до поверхні, що у свою чергу зменшує можливість утворення на поверхні гелю малопропускаємої плівки, перешкоджаючої видаленню вологи з внутрішніх шарів гелю.

Крім того, зменшення початкового вмісту вологи в гелі в результаті синерезису при прогріванні форми з гелем в киплячій воді також сприяє прискоренню процесу сушки.

Вирівнювання температури по товщині гелю і зменшення тим самим термодифузійного потоку вологи від поверхні до внутрішніх шарів можливо здійснити, застосовуючи сушку в полі СВЧ енергії. Крім істотного збільшення швидкості сушки (рис. 3.44), тривалість сушки гелю в полі СВЧ енергії, на відміну від конвективної сушки, відносно мало залежить від товщини гелю (рис.3.45). В процесі сушки гелю відбувається його усадка, величина якої за інших рівних умов залежить від вологовмісту гелю. Перепади, що існують при конвективній сушці гелю, вологовмісту і температури по його товщині, обумовлює різну усадку в поверхневих і глибинних шарах гелю.

Рис. 3.45. Тривалість сушки гелів різної товщини в полі СВЧ-енергії (1) і в конвекційній сушці (2)

Рис. 3.44. Кінетична залежність з­міи концентрації полімеру в гелі при сушці в полі СВЧ-енергії (1) і в конвекційній сушці (2)

В результаті випаровування вологи з поверхні гелю і усадкою, що розвивається внаслідок цього, яка за певних умов (наприклад, при високих аутогезіонних властивостях полімеру) супроводжується коалесценцією латексних частинок, на поверхні гелю утворюється монолітна плівка, що різко уповільнює дифузію вологи з глибинних шарів до поверх­ні. Крім того, нерівномірна усадка гелю по товщині є однією з основних причин утворення тріщин при сушці.

Нижче розглядаються можливі способи, що уповільнюють процес утворення малопропускаємої плівки на поверхні гелю при його сушці. Такими способами можуть бути прийоми, що зменшують при сушці коалесценцію частинок, введення в латексну композицію інгредієнтів, що здатні зменшити усадку гелю і, тим самим, перешкодити істотному зменшенню його капілярності, або здатних створити структуру гелю, яка сприяла б дифузії вологи з внутрішніх шарів поверхні.

Раніше в розділі 3.1 (рис. 3.4) було показано, що вулканізація полімеру на стадії латексу перешкоджає коалесценції частинок, а плівки, отримані з цього латексу, мали глобулярну структуру. На рис. 3.46 представлена кінетична залежність сушки гелів, що отримані з натурального латексу, і цього ж латексу, полімер якого піддавався вулканізації на стадії латексу

Рис. 3.46. Кінетична залежність суш­ки гелів натурального латексу (1) і цього ж латексу, полімер якого піддавався вулканізації

на стадії латексу (2)

З представлених даних виходить, що швидкість сушки гелю з предвулканізованого латексу вища, ніж у початкового латексу, причому ця відмінність в швидкостях виявляється на ділянці спадаючої швидкості. Це особливо істотно, якщо врахувати, що падіння швидкості сушки на цій ділянці, в основному, пов'язане з утворенням малопропускаємої для вологи плівки.

Очевидно, глобулярна структура плівки, що утворюється на поверхні гелю, що отриманий з предвулканізованного латексу, у меншій мірі перешкоджає дифузії вологи з глибинних шарів гелю до його поверхні і, тим самим, прискорює процес сушки. Проте застосовувати цей метод прискорення сушки слід з урахуванням того, що високий ступінь вулканізації полімеру на стадії латексу може негативно позначитися на міцнісних властивостях виробу,що виготовляється (рис. 3.5, розділ 3.1).

Високі аутогезіонні властивості полімеру штучного латексу 1,4-цис-поліізопрену є однією з основних причин надзвичайно низької швидкості сушки гелів з цього латексу.

Введення в штучний латекс 1,4-цис-поліізопрену (СКІ-3) високостирольного латексу СКС-85ГП дозволяє збільшити швидкість сушки гелів з цього латексу (рис. 3.47). Введення латексу СКС-85ГП, мабуть, перешкоджає коалесценції частинок, порушуючи при сушці моно­літність поверхневої плівки гелю, і збільшує її проникність по відношенню до вологи. Аналогічне збільшення швидкості сушки гелю має місце при введенні в натуральний латекс дисперсії полівінілхлориду.

Введення в натуральний латекс крейди призводить до збільшення швидкості сушки гелю з цього латексу (рис. 3.48).

Рис. 3.47. Кінетична залежність суш­ки гелів з штучного латексу СКІ-3 (1) і цього ж латексу з добавкою високостирольного

латексу СКС-85ГП (2)

Рис. 3.48. Кінетика зміни концентрації полімеру в гелі при сушці: 1 -натуральный латекс; 2 - латексна компо­зиція натурального

латексу, що містить 50 частин маси крейди на 100 частин маси полімеру латексу

Відмічено також, що цьому випадку підвищення температури при сушці аж до 120С не викликає появи в гелі дефектів у вигляді бульбашок.

Існує багато точок зору, що пояснюють роль наповнювачів при сушці гелів.

По одній з точок зору наповнювачі знижують усадку гелю при сушці і, тим самим, перешкоджають зменшенню діаметрів мікрокапілярів в структурі гелю, що у свою чергу запобігає уповільненню дифузії вологи з поверхнею.

Не виключено також, що гідрофільний наповнювач при достатньо високому наповненні утворює в гелі безперервні ланцюгові структури, які на додаток до мікрокапілярів створюють сприятливі умови для дифузії вологи.

Непряме підтвердження такої можливості приводиться в роботі [7, с. 99... 100], де на прикладі бентоніту указується, що ланцюжки гідрофільного наповнювача в плівці є тими шляхами, по яких йде дифузія води.

На закінчення необхідного відзначити, що хоча сушка гелів розглядалася поза зв'язком з подальшою технологічною операцією — вулканізацією, розділення цих технологічних операцій слід вважати умовним. У тих випадках, коли полімер латексу здатний при підвищених температурах самоструктуруватися, а також, якщо гель одержаний з латексної композиції, що містить вулканізуючі агенти, в ході сушки гелю відбувається структуризація полімеру.

Ступінь структуризації полімеру при сушці гелів, природно, залежить від тривалості сушки, температури, природи полімеру, дозувань і активності вулканізуючих агентів.

При застосуванні ультраприскорювачів в процесі сушки гелю може практично повністю зв'язатися вся сірка, передбачена рецептом латексної композиції. В цьому випадку подальша термообробка при вищій температурі, при якій зазвичай проводять вулканізацію, не приведе до подальшої структуризації і може викликати реверсію.

Дані про вплив структуризації полімеру, що відбувається в ході сушки гелю, на сам процес сушки, практично, відсутні. Можна лише припускати, що структуризація полімеру в ході сушки приводить до утворення міжглобулярних зв'язків, які можуть перешкоджати ущільненню гелю із-за фіксації розташування латексних частинок, що створює сприятливіші умови для видалення вологи з гелю.