Vulkanisasi adalah pengolahan tahap terakhir pada pembuatan barang jadi karet. Selama proses vulkanisasi terjadi perubahan sifat kompon karet yang plastis menjadi elastis dengan cara pembentukan ikatan silang di dalam struktur molekulnya. Karena itu vulkanisasi merupakan proses irreversible (proses yang tak dapat dibalik).
Dalam reaksi pembentukan ikatan silang tersebut diperlukan energi panas dari luar yang disuplai oleh mesin vulkanisasi ke dalam kompon selama proses vulkanisasi, antara lain dengan cara radiasi, konveksi, maupun konduksi. Makin besar jumlah panas yang disuplai mesin ke dalam compound, makin cepat terjadi reaksi vulkanisasi. Atau dapat dikatakan Makin tinggi suhu vulkanisasi makin cepat berakhir proses vulkanisasi.
Media panas yang dilakukan dalam vulkanisasi yaitu uap jenuh, udara panas, panas listrik, fluid bed, salt- bath, dan gelombang elektomagnetik.
A. FUNGSI DAN PRINSIP OPERASI MESIN VULKANISASI
FUNGSI:
Mesin vulkanisasi digunakan untuk mensuplai energi panas ke dalam kompon karet, guna menghasilkan karet matang atau vulkanisat yang elastis.
Vulkanisasi/Prinsip Pemasakan:
Kompon karet yang dibentuk pada matris atau mesin pembentuk dimasukkan dan dipanasi pada mesin vulkanisasi dalam periode tertentu, sehingga barang karet mempunyai sifat fisik lebih daripada kompon. Cara pemanasan kompon dapat dilakukan secara langsung atau tidak langsung, dan sumber panas dapat diperoleh dari uap, udara panas, atau listrik.
B. MESIN VULKANISASI ACUAN
Pada sat pemasakan dengan mesin vulkanisasi acuan, kompon karet dimasukkan ke dalam rongga matris (sebagai tahap pembentukan), lalu matris ditutup dan ditekan rapat pada piston bertekanan tinggi yang dioperasikan secara hidrolik atau mekanik. Matris/mould dibuat dari nikel kromium yang tahan terhadap tekanan, suhu tinggi dan tidak berkarat.
Berdasarkan cara pemasukan kompon ke dalam matris, mesin vulkanisasi acuan dibagi dalam 4 macam yaitu:
Compression moulding Machine/Mesin acuan kempa
Transfer Moulding Machine/Mesin acuan alih
Injection Molding Machine/Mesin acuan injeksi
Blow moulding Machine/Mesin acuan tiup
B.1. COMPRESSION MOULDING (MESIN ACUAN KEMPA)
Pada compression moulding, mould terdiri dari dua bagian, yaitu bagian bawah dan atas. Pemasukan kompon ke dalam rongga mould dilakukan dalam keadaan matris terbuka. Kedua bagian matris dijepit dan ditekan oleh plat piston yang bergerak vertikal dari bawah ke atas. Plat mesin bagian atas (plat stationer) mesin berfungsi sebagai penahan atau tumpuan gaya tekan plat piston (plat bergerak).
Di bagian dalam plat diam dan plat bergerak dibuat rongga sebagai ruang pemanasan. Kedua plat mesin memanasi kompon karet dengan mengalirkan panas konduksi melalui dinding mould. Berdasarkan banyaknya plat-plat pemanas yang dipasang secara bertingkat/bersusun di antara plat diam dan plat bergerak, mesin acuan tekanan dikelompokkan menjadi mesin acuan kempa tunggal dan mesin acuan kempa ganda/bersusun.
Mesin acuan kempa tunggal hanya dapat berisi satu matris, sedangkan mesin acuan kempa ganda dapat berisi lebih dari satu matris yang diletakkan secara bertingkat pada beberapa pelat pemanas yang dapat naik turun di antara pelat bergerak dan pelat tetap. Demikian juga dengan pelat matris, jika hanya mempunyai satu rongga disebut matris berongga tunggal, dan disebut matris berongga ganda jika mempunya lebih dari satu rongga.
Unit lain yang penting pada mesin acuan kempa, antara lain motor penggerak dan pompa hidrolik; pengatur suhu dan pengatur tekanan uap; pengatur hidrolik dan sistem sirkulasi pemanas, pendingin dan pelumas.
Mesin acuan kempa tunggal hanya dapat berisi satu mould, sedangkan mesin acuan kempa ganda/bersusun dapat berisi lebih dari satu mould yang diletakkan secara bertingkat pada beberapa plat pemanas yang dapat naik turun di antara plat diam dan plat bergerak. Demikian juga plat mould, jika hanya mempunyai satu rongga disebut mould berongga tunggal. dan jika mempunyai lebih dari satu rongga disebut mould berongga ganda.
Unit lain yang penting pada mesin acuan kempa, antara lain motor penggerak dan pompa hidrolik, pengatur suhu dan pengatur tekanan uap, pengatur hidrolik dan sistem sirkulasi pemanas, pendingin, dan pelumas.
B.2. TRANSFER MOULDING MACHINE (MESIN ACUAN ALIH)
Pada mesin acuan alih, pengisian kompon ke dalam rongga matris dilakukan dalam keadaan matris tertutup. Sebelum kompon karet dimasukkan ke dalam rongga matris (rongga pemasakan), kompon lebih dahulu dipanasi atau dilunakkan di dalam ruang transfer. Biasanya matris mempunyai lebih dari sebuah rongga dan masing-masing rongga dihubungkan ke ruang transfer dengan saluran yang berbentuk cerat yang disebut sprue. Sprue ini berfungsi sebagai saluran kompon dari ruang transfer ke dalam rongga matris.
Kompon karet yang dipanasi atau dilunakkan di dalam ruang transfer ditekan dan diinjeksikan melalui cerat penghubung ke dalam rongga matris oleh unit injeksi atau piston penekan. Matris yang berisi kompon karet ditekan oleh plunger dan ditahan atau ditumpu oleh pelat penahan.
Dengan menggunakan transduser tekanan, maka dapat diketahui variasi tekanan pada permukaan plunger dan rongga matris yang merupakan fungsi dari waktu. Tekanan pada permukaan plunger naik mendadak pada saat matris tertutup, dan turun lagi pada saat kompon mengalir melalui cerat di atas rongga. Setelah 8 detik rongga paling luar (0) mulai terisi dan tekanannya mulai naik, dan setelah 29 detik tekanan rongga tengah mulai naik. Tekanan pada permukaan matris merata setelah 60 detik.
B.2.1.TRANSFER MOULDING MACHINE WITH SCREW INJECTION (MESIN ACUAN ALIH DENGAN SEKRUP PENYEMPROT)
Mesin ini merupakan kombinasi mesin acuan alih dengan mesin injeksi sekrup. Mesin injeksi sekrup berfungsi sebagai pengumpan kompon lunak ke ruang transfer. Dari ruang transfer, kompon lunak diinjeksi oleh piston penekan (plunger) ke dalam rongga-rongga matris, seperti pada mesin acuan alih tanpa sekrup.
B.3. INJECTION MOULDING MACHINES (MESIN ACUAN INJEKSI)
Seperti pada mesin acuan alih, matris (mould) pada mesin acuan injeksi juga diisi dalam keadaaan tertutup dan dijepit di antara kedua pelat mesin, yaitu pelat bergerk dan pelat diam. Kompon dimasukkan ke dalam silinder panas melalui pintu umpan (hopper), dan unit injeksi menekannya melalui sprue, runner, dan gate ke dalam rongga matris (mould cavity).
Mesin acuan injeksi dapat diklasifikasikan dalam dua jenis, yaitu mesin acuan injeksi ram dan mesin acuan injeksi sekrup.
B.3.1. RAM INJECTION MOULDING MACHINES (MESIN ACUAN INJEKSI RAM)
Pada mesin acuan injeksi ram, pemindahan (injeksi) kompon lunak dari silinder panas (barrel) ke dalam rongga-rongga matris dilakukan dengan menggunakan ram (piston), yang hanya dapat bergerak maju dan mundur di dalam barrel. Piston mendapat tekanan dari pompa hidrolik yang bertekanan tinggi, sehingga pada saat injeksi piston dapat mendorong kompon lunak melalui nozzle, sprue, runner, dan gate hingga ke dalam rongga matris. Kompon yang dimasukkan ke dalam silinder panas melalui pintu umpan adalah kompon bentuk butiran atau potongan-potongan kecil.
B.3.1. SCREW INJECTION MOULDING MACHINES (MESIN ACUAN INJEKSI SEKRUP)
Mesin acuan injeksi sekrup menggunakan batang berulir (sekrup) untuk mengumpan kompon ke dalam silinder (barrel) melalui hopper, dan mendorong (menginjeksi) kompon lunak ke dalam rongga matris. Selain mempunyai gerakan maju dan mundur, batang sekrup juga dapat berputar sambil menarik (mengumpan) kompon ke dalam barrel.
Kompon yang diumpankan ke dalam barrel berbentuk pita panjang dan tipis. Konstruksi sekrup dibuat sedemikian rupa sehingga sekrup dapat mengumpan kompon, melunakkan (menghancurkan), dan menginjeksi kompon. Besar diameter sekrup sepanjang batang tidak sama, akan tetapi disesuaikan dengan kondisi kompon di dalam silinder di mana ulir pada pangkal sekrup berdiameter lebih kecil daripada ulir pada ujung sekrup.
Bagian pangkal sekrup disebut zona padat (feed section), bagian tengah sekrup disebut zona peralihan (transition zone), dan bagian ujung sekrup disebut zona lunak (metering zone). Pada ujung sekrup terdapat katup alir balik yang berfungsi sebagai piston atau penekan kompon lunak ke dalam rongga matris berturut-turut melalui nozzle, sprue, runner dan gate, dan pencegah aliran balik kompon melalui alur sekrup pada saat injeksi. Nozzle yang terdapat pada ujung barrel berfungsi sebagai pengarah dan pencepat aliran kompon dari barrel ke dalam rongga matris.
B.4. BLOW MOULDING MACHINE (MESIN ACUAN TIUP)
Barang karet yang berongga, seperti botol karet, bola karet, dll, dapat dibuat dengan menggunakan mesin vulkanisasi acuan tiup. Matris yang digunakan adalah matris berongga yang dapat dibelah (terpisah) dengan bentuk rongga sama dengan bentuk barang karet yang dibuat.
Cara pembuatannya :
Kompon lunak dari ekstruder disemprotkan melalui matris berkepala silang (cross head) ke dalam rongga matris hingga mencapai ujung saluran udara (spigot) pada bagian bawah matris. Kompon karet yang keluar dari matris cross head berbentuk pipa atau tabung berongga yang disebut “parison”.
Ujung kompon (parison) diikat pada spigot dan lobang atas matris tertutup pada saat kedua belahan matris disatukan. Melalui spigot udara ditiup ke dalam rongga sehingga parison mengembang dan menyentuh dinding rongga sehingga parison mengembang dan menyentuh dinding rongga di dalam matris. Di dalam matris, kompon dimasak selama periode tertentu, dan matris dibuka (dipisah) pada saat pengeluaran vulkanisat.
C. OTOKLAF
Otoklaf adalah suatu bejana uap yang bertekanan sedang dengan sumber uap dari ketel uap. Otoklaf digunakan untuk memvulkanisasi kompon karet yang berbentu k rumit dan tidak praktis jika divulkanisasi pada mesin vulkanisasi lain, seperti kompon karet dari mesin extruder dan kalender, sepatu karet olah raga, sepatu karet tinggi, roll karet, dll.
Suhu vulkanisasi di dalam otoklaf dapat diatur pada pengatur tekanan uap (steam pressure regulator), dan kondensat dapat terbuang secara otomatis melalui perangkap uap (stream trap). Pemasukan kompon ke dalam otoklaf atau pengeluaran vulkanisat dari otoklaf dilakukan dalam keadaan otoklaf terbuka. Suhu vulkanisasi sekitar 145°C pada tekanan uap jenuh 3 – 3.5 atm, dan lama vulkanisasi ± 40 – 60 menit.
D. MESIN PELAPIS
Mesin pelapis digunakan untuk memvulkanisasi larutan kompon karet kental yang dilapiskan pada permukaan tenunan tekstil. Mesin vulkanisasi mempunyai meja berongga yang berisi uap denga lebar meja 1.8 meter, panjang 6 meter, dan tebal 4,3 cm.
Tenunan tekstil yang dilapisi larutan kompon dijalankan pada kecepatan ± 6m/menit melalui permukaan meja panas dengan tarikan rol yang digerakkan motor listrik. Larutan kompon karet dituang pada permukaan tenunan tekstil sebelum memasuki meja panas. Selama melalui meja panas, kompon karet sudah masak (tervulkanisasi), dan bahan pelarut menguap di dalam ruang vulkanisasi. Uap bahan pelarut disedot blower dari ruang vulkanisasi, lalu diembunkan di dalam kondensor, kemudian kondensatnya ditampung di dalam bejana untuk digunakan lagi sebagai bahan pelarut. Tenunan tekstil yang telah berlapis karet dikeluarkan dari mesin dan digulung pada rol penarik.
E. MESIN VULKANISASI KONTINU
Untuk memvulkanisasi kompon karet yang panjang atau lebar digunakan meisn vulkanisasi kontinu. Biasanya pembentukan kompon karet yang divulkanisasi mesin ini dilakukan pada mesin ekstruder atau mesin kalender, seperti pada pembuatan selang karet, ban pengangkut, dll. Mesin vulkanisasi kontinu dikelompokkan dalam 5 jenis berdasarkan pada cara pemasakan kompon karet yaitu mesin vulkanisasi udara panas, salt-bath, fluid bed, UHF-channel, dan rotocure.
E.1. Mesin Vulkanisasi Udara Panas (HAV)
Mesin vulkanisasi ini sangat sederhana, dan masih digunakan untuk memvulkanisasi karet spons (closed cell sponge) dan karet padat dengan profil tertentu. Udara yang dipanasi dengan gas pembakaran atau pembakaran listrik digunakan sebagai media pemanas.
Kompon karetyang divulkanisasi adalah kompon yang dibentuk dalam ekstruder, dan selama melalui ruang udara panas, kompon mengalami blow dan curing atau ekspansi dan vulkanisasi. Metal link (belt) digunakan untuk memindahkan bahan dari ekstruder hingga keluar dari ruang vulkanisasi.
Panjang produk karet yang dihasilkan mencapai 100 – 300 feet, kecepatan bergerak 20 – 75 fpm, dan suhu oven ±350 – 600 °F (162°C – 300°C). Laju pemindahan panas HAV, 5 -10 BTU/hr/ft/°F.
E.2. Mesin Vulkanisasi Salt-Batch (Liquid Cure Media = LCM)
Mesin salt-batch terdiri atas bak vulkanisasi, bak pendingin, dan bak pengering. Bak vulkanisasinya berisi leburan garam campuran yang panas, dengan suhu sekitar 180° – 250°C. Garam-garam tersebut antara lain campuran KNO3 (45 – 55%), NaNO2 (35-45%), dan NaNO3 (5 – 10%). Salt-batch ditempatkan dekat ujung ekstruder, dan kompon yang divulkanisasi adalah kompon yang keluar dari ekstruder. Panjang tangki LCM: 40 – 80 ft, kecepatan hingga 100 fpm. Laju pemindahan panas LCM, antara 240 – 360 BTU/hr/ft2/°F, atau 40 kali lebih besar dari HAV.
Unit-unit LCM umumnya terdiri atas beberapa tangki logam yang berisi garam lebur dan dipanasi dengan pemanas “electric immersion”. Ujung-ujung (terminal) elemen pemanas ditempatkan di bagian luar yang jauh dari garam lebur.
Kompon karet yang dibentuk dalam matris ekstruder diteruskan melalui bak vulkanisasi dengan cara mencelupkannya di dalam leburan garam campuran hingga kompon tervulkanisasi. Vulkanisat diteruskan ke bak pengering untuk dikeringkan. Pemindahan kompon atau vulkanisat mulai dari ekstruder hingga ke bak pengering berlangsung secara kontinu dan biasanya dengan menggunakan conveyor atau rol-rol berputar.
E.3. Mesin Vulkanisasi Fluid Bed (Ballotoni)
Mesin vulkanisasi fluid bed hanya terdiri dari bak bola (Ballotoni), yang diameternya antara 0,004 – 0,008 inci, dan dilengkapi dengan rol-rol pemindah (pengangkut). Lapisan butir kaca dipanasi oleh udara atau uap panas yang dialirkan dari bawah lapisan butir kaca (beads) akibat tiupan udara panas diharapkan secara konstan. Mesin vulkanisasi ini digunakan untuk memasak kompon yang dibentuk ekstruder, dan mesin ditempatkan dekat dengan ekstruder. Kompon karet yang keluar dari ekstruder diteruskan melalui bak vulkanisasi dan kompon telah matang (tervulkanisasi) pada saat keluar dari bak. Panjang bak antara 50 – 100 ft, dan kecepatan gerak kompon dan vulkanisat selama vulkanisasi sama dengan kecepatan kompon yang keluar dari ekstruder yaitu antara 30 – 80 fpm. Laju pemindahan panas fluid bed, antara 80 – 120 BTU/hr/ft2/°F, atau 14 kali lebih besar dari HAV.
E.4. Mesin Vulkanisasi UHF Channel
Mesin Vulkanisasi UHF Channel terdiri atas sebuah bak UHF (Ultra High Frequency) dan sebuah bak vulkanisasi. Kompon karet yang divulkanisasi adalah kompon yang dibentuk ekstruder. Bak vulkanisasi berisi udara panas yang bersuhu ± 250°C.
Pertama-tama kompon yang keluar dari ekstruder diteruskan melalui bak UHF. Karena pengaruh gelombang mikromagnetron dalam bak UHF, bahan polar pada karet bergetar, dan kompon menimbulkan panas dengan suhu sekitar 220 – 250°C. Bahan polar menyerap energi microwave, dan terjadi eksitasi molekul yang menimbulkan panas. Jumlah panas yang timbul bergantung kepada karakteristik penyerapan (polar) kompon dan juga bentuk profil atau komposisi.
Kompon yang panas, dari bak UHF, diteruskan lagi ke bak vulkanisasi untuk dimasak. Kompon divulkanisasi selama perjalanan melalui bak vulkanisasi, dan telah menjadi vulkanisat pada saat keluar dari bak. Pada umumnya pengoperasian UHF channel dibatasi sebagai berikut:
Pemakaian microwave 915 – 2450 MHz atau 2450 MHz, power supply 0,75 – 10 KW untuk pemanas microwave. Untuk daya 10 KW, kenaikan suhu antara 160 – 200°F pada laju 600 lbs/hr. Suhu vulkanisasi di dalam UHF oven:
Suhu vulkanisasi di dalam UHF: 400°F
Suhu masuk UHF: 175 – 220°F
Suhu keluar UHF: 355 – 400°F
Kenaikan suhu ( δT): 180°F.
Hubungan antara kenaikan suhu dengan kecepatan, daya, dan kapasitas, δT °F/ second/Lb/Kw = 2 – 3°F.
E.5. Mesin Vulkanisasi Rotocure
Mesin vulkanisasi rotocure digunakan untuk memvulkanisasi lembaran kompon yang panjang dan lebar, dan dibentuk pada mesin kalender, seperti lantai karet dan sabuk pengangkut. Mesin ini mempunyai tiga buah rol panas dan sebuah rol penegang/pengendor lembaran baja. Rol-rol panas mendapat panas dari uap yang mengalir di dalam rongga rol dan panas radiasi lampu yang dipasang di atas rol. Lembaran baja berfungsi sebagai penerus putaran dari rol penggerak ke rol-rol lain dan sekaligus sebagai dudukan lembaran kompon karet.
Selama vulkanisasi, rol berputar dan lembaran kompon karet mengikuti gerakan lembaran baja mengitari rol. Kecepatan berputar dan suhu silinder dapat diatur sedemikian rupa, sehingga karet akan tepat matang pada saat keluar dari rol. Vulkanisasi berakhir pada saat lembaran karet mencapai rol peregang di bagian belakang mesin.
Daftar Pustaka:
Anthony, J.G., (1977) Comperative Aspects of Continuous Vulcanization Systems. Illionis, Chicago-ACS, Rubber Division, 84p
Gardiner, RA (1985) Vulkanization Methods and Equipment. In Harrylong, Basic Compounding and Processing of Rubber, New Jersey, Goodal Rubber Company Trenton, p. 156 – 169.
Penn, WS. (1969) Injection Moulding of Elastomer, 1st ed. London, Maclaren and Sons, p. 8 – 15
Walker, JS. ER. Martin (1966) Injection Moulding of Plastics, 1st ed, London The Plastic Insitute p. 1 – 6
Whelan, JS.A & JL craft ( 1978 ) Development in Injection Moulding 1, 1st ed, London, Applied Science Publisher Ltd, p.101 – 131
Willshaw H (1956). Cavelender For Rubber Processing 1st ed, London, Lakeman Co, 61p
Produk Karet dan Logam - Industri dan Konstruksi 