Состав резины и ее получение
К атегория:
Автомобильные эксплуатационные материалы
-
Состав резины и ее получение
Основным компонентом резины является каучук: его содержание в резиновых изделиях составляет примерно 50…60% по массе. У каучука молекулы представляют собой длинные нити, скрученные в клубки и перепутанные между собой. Такое строение каучука обусловливает его главную особенность - эластичность. При растяжении каучука его молекулы постепенно распрямляются, возвращаясь в прежнее состояние после снятия нагрузки. Однако при слишком большом растяжении молекулы необратимо смещаются друг относительно друга и происходит разрыв каучука.
Вначале в резиновых изделиях использовался только натуральный каучук, который получали из млечного сока (латекса) каучуконосного дерева - бразильской гевеи. В 1932 г. впервые в мире в нашей стране был синтезирован синтетический каучук, который вскоре стал основным сырьем для изготовления резиновых изделий. В настоящее время для этой цели выпускаются десятки разновидностей синтетических каучуков.
Наиболее широкое применение находят стирольные каучуки С KMC (бутадиен-метилстирольный) и СКС (бу-тадиен-стирольный). Эти каучуки превосходят натуральный по. износостойкости, однако уступают ему по эластичности, тепло- и морозостойкости.
-
При производстве шин используют изопреновый (СКИ -3) и бутадиеновый (СКВ ) каучуки. Каучук СКИ -3 по свойствам близок к натуральному каучуку, каучук СКВ отличается высокой износостойкостью. Хорошую маслобензостойкость имеют хлорпреновый (наирит) и нитрильный (СКН ) каучуки. Из них изготавливают детали, работающие в контакте с нефтепродуктами: шланги, манжеты и др.
При изготовлении камер и герметизирующего слоя бескамерных шин используется бутилкаучук, характеризующийся высокой газонепроницаемостью.
Натуральный или синтетический каучук составляет основу резиновой смеси или «сырой» резины, которая самостоятельно из-за низкой прочности находит ограниченное применение - в основном для изготовления клеев и уплотнительных прокладок. Для увеличения прочности каучуков используется процесс вулканизации - химическое связывание молекул каучука с атомами серы. В процессе вулканизации, протекающем при температуре 130… 140 °С, молекулы серы соединяются с линейными молекулами каучука, образуя как бы мостики между ними (рис. 59). В результате получается вулканизированная резина, представляющая собой упругий материал.
Количество серы, используемое при вулканизации, определяется требованиями прочности и эластичности материала. С ростом концентрации серы прочность резины увеличивается, но одновременно уменьшается ее эластичность. Поэтому в резинах, предназначенных для изготовления автомобильных камер и покрышек, добавка серы ограничена 1…3% от общего содержания каучука. При содержании серы 40…60% каучук превращается в твердый материал - эбонит.
Для обеспечения требуемой прочности и износостойкости резин, особенно предназначенных для изготовления шин, применяются наполнители. Главным из наполнителей является сажа, представляющая собой порошкообразный углерод с размерами частиц 0,03…0,25 мкм. В современных резинах содержится значительное количество са-жи - от 30 до 70% по отношению к содержащемуся каучуку. При введении сажи прочность резины увеличивается более, чем на порядок. Для изготовления цветных резин используется так называемая белая сажа (кремнезем и другие продукты). Наряду с сажей применяются неактивные наполнители, служащие для увеличения объема резиновой смеси без ухудшения ее свойств (отмученный мел, асбестовая мука и др.).
Рис. 1. Строение вулканизированного каучука
Для облегчения смешивания компонентов резиновой смеси в нее вводятся пластификаторы или мягчители - обычно жидкие или твердые нефтепродукты. С целью замедления процессов старения, а также для повышения выносливости резины при многократных деформациях, добавляются противостарители (антиокислители). В качестве противостарителей используются специальные химические вещества, связывающие проникающий в резину кислород. В качестве таких веществ применяют неозон Д и сантофлекс А. Для ускорения вулканизации используют присадки ускорителей. Получение пористых губчатых резин обеспечивается с помощью специальных порообра-зователей.
Для увеличения прочности ряда резинотехнических изделий (автомобильные покрышки, приводные ремни, шланги высокого давления и пр.) резины армируются с помощью тканевой или металлической арматуры. Например, в одном из наиболее ответственных и дорогостоящих изделий - автомобильных покрышках используются полиамидный (капроновый), вискозный или металлический корды.
Основным этапом технологического процесса приготовления резин явлется смешение, при котором обеспечивается полное и равномерное распределение в каучуке всех содержащихся инградиентов (составных частей), число которых может доходить до 15. Смешение выполняется в резиносмесителях, обычно в две стадии. Сначала изготавливается вспомогательная смесь без серы и ускорителей, затем на второй стадии вводятся сера и ускорители. Получаемые резиновые смеси используются для изготовления соответствующих деталей и для обрезинивания корда. В последнем случае для обеспечения достаточной прочности связи между кордом и резиной корд обязательно пропитывается латексами и смолами. Заключительной операцией является вулканизация, после которой резинотехническое изделие пригодно для использования.
При ремонте автомобильных шин и камер методом горячей вулканизации широко применяются такие сорта сырой резины, как прослоечная, протекторная и камерная. R этом случае для обеспечения требуемого качества ремонта наряду с высокой температурой процесс вулканизации должен проходить под определенным давлением, обеспечиваемым с помощью различных устройств.
Резина — продукт вулканизации композиции, содержащей связующее вещество — натуральный или синтетический каучук.В конструкции современных автомобилей используют несколько сот изделий, выполненных из резины. Это шины, камеры, шланги, уплотнители, герметики, детали для электро- и виброизоляции, приводные ремни и т. д. Их масса составляет до 10 % от общей массы автомобиля.
Широкое применение резиновых изделий в автомобилестроении объясняется их уникальными свойствами:
. эластичностью;
. способностью поглощать ударные нагрузки и вибрацию;
. низкой теплопроводностью и звукопроводностью;
. высокой механической прочностью;
. высокой сопротивляемостью к истиранию;
. высокой электроизоляционной способностью;
. газо- и водонепроницаемостью;
. устойчивостью к агрессивным средам;
. низкой плотностью.
Основное свойство резины — обратимая эластичная деформация — способность многократно изменять свою форму и размеры без разрушения под воздействием сравнительно небольшой внешней нагрузки и вновь возвращаться в первоначальное состояние после снятия этой нагрузки.
Подобным свойством не обладают ни металлы, ни древесина, ни полимеры.
На рис. 1 приведена классификация резины .
Резину получают вулканизацией резиновой смеси, в состав которой входят:
. каучук;
. вулканизирующие агенты;
. ускорители вулканизации;
. активаторы;
. противостарители;
. активные наполнители или усилители;
. неактивные наполнители;
. красители;
. ингредиенты специального назначения.
Рис. 1. .Классификация резин
.
Натуральный каучук — природный полимер, представляющий собой непредельный углеводород — изопрен (С5Н8)n.
Натуральный каучук добывают главным образом из млечного сока (латекса) каучуконосных растений, в основном из бразильской гевеи, в котором его содержится до 40 %.
Для выделения каучука латекс обрабатывают уксусной кислотой, под действием которой он свертывается, и каучук легко отделяется. Затем его промывают водой, прокатывают в листы, сушат и коптят для устойчивости против окисления и действия микроорганизмов.
Производство натурального каучука (НК) требует больших затрат и не покрывает промышленных потребностей. Поэтому наибольшее распространение получил синтетический каучук (СК). Свойства СК зависят от строения и состава.
Изопреновый каучук (обозначается СКИ) по своему составу и строению близок к натуральному каучуку, по некоторым показателям уступает ему, а по каким-то превосходит. Резина на основе СКИ отличается газонепроницаемостью, достаточной стойкостью против воздействия многих органических растворителей, масел. Существенные его недостатки — низкая прочность при высоких температурах и низкая озоно- и атмосферостойкость.
Бутадиен-стирольный (СКС) и бутадиен-метилстирольный (СКМС) СК наиболее широко используются в автомобилестроении. Резины на основе этих каучуков имеют хорошие прочностные свойства, высокое сопротивление изнашиванию, газонепроницаемость, морозо- и влагостойкость, однако нестойки при воздействии озона, топлива и масел.
Резина на базе бутадиенового каучука (СКД) эластична, износостойка, имеет хорошие физико-механические свойства при низких температурах, однако существуют трудности при переработке резиновых смесей. Она имеет недостаточно прочную связь с металлокордом при производстве армированных изделий.
Из СК специального назначения бутадиен-нитрильный (СКН) каучук отличается высокой бензомаслостойкостью, сохраняет свои свойства в широком интервале температур, обеспечивает прочную связь с металлами, поэтому применяется для изготовления металлорезиновых изделий, работающих в контакте с нефтепродуктами. Недостаток — быстрое старение.
Резины на основе фторкаучука (СКФ) и акрилатного каучука (АК) обладают очень высокими прочностными свойствами, стойки к воздействию топлив, масел, многих других веществ, высоких температур, однако низкая морозостойкость ограничивает их применение. Комплексом положительных свойств обладают силиконовые каучуки.
Молекулы СК являются полимерными цепями с небольшим числом боковых ответвлений. При нагревании с некоторыми вулканизирующими веществами между молекулами каучука образуются химические связи — «мостики», что резко изменяет механические свойства смеси. Чаще всего в качестве вулканизирующего ингредиента используют серу (1—3 %).
Для ускорения вулканизации в резиновую смесь добавляют ускорители и активаторы.
Чрезвычайно важным ингредиентом резины являются наполнители. Активные наполнители резко усиливают прочностные свойства резины. Чаще всего роль активного наполнителя выполняет технический углерод (сажа). Введение технического углерода делает резину более прочной, повышает износостойкость, упругость, твердость. Неактивные наполнители (мел, асбестовая мука и др.) служат для увеличения объема резиновой смеси, что удешевляет изготовление резины, но ее физико-механических свойств не улучшают (некоторые наполнители даже ухудшают).
Пластификаторы (мягчители) облегчают приготовление резиновой смеси, формование изделий, а также улучшают эластичность резины при низких температурах. В качестве пластификаторов используют высококипящие фракции нефти, каменноугольную смолу, растительные масла, канифоль, синтетические смолы. Для замедления процессов старения резины и увеличения ее ресурса в состав резиновой смеси вводят противостарители (антиокислители, стабилизаторы).
Особая роль отводится армирующим наполнителям. Они не входят в состав резиновой смеси, а вводятся на стадии формования изделия. Текстильная или металлическая арматура снижает нагрузку на резиновое изделие, ограничивает его деформацию. Изготавливают такие армированные резиновые изделия, как шланги, приводные ремни, ленты, автопокрышки, где для усиления прочности используют текстильный и металлический корды.
Подбором соответствующих каучуков, рецептуры резиновой смеси, условий вулканизации создают материалы, имеющие определенные свойства, что позволяет получать изделия, обладающие различными эксплуатационными свойствами, причем устойчиво сохраняющие свои качества продолжительное время и обеспечивающие функциональное назначение деталей и работоспособность узлов и агрегатов.
Из отработавших резинотехнических изделий изготовляют по специальной технологии регенерат, который добавляют в резиновую смесь в качестве заменителя части каучука. Однако резина, в состав которой входит регенерат, не отличается хорошими эксплуатационными свойствами, а потому из нее изготовляют изделия (коврики, ободные ленты), к которым не предъявляют высоких технических требований.
К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков -- НК, СКБ, СКС, СКИ. НК -- натуральный каучук является полимером изопрена (С5Н8)n. Он растворяется в жирных и ароматических растворителях (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и др.), образуя вязкие растворы, применяемые в качестве клеев. При нагреве выше 80 - 100°С каучук становится пластичным и при 200°С начинает разлагаться. При температуре - 70°С НК становится хрупким. Обычно НК аморфен. Однако при длительном хранении возможна его кристаллизация.
Кристаллическая фаза возникает также при растяжении каучука, что значительно увеличивает его прочность. Для получения резины НК вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами: v = 31014 231018 Омсм; = 2,5.
СКБ -- синтетический каучук бутадиеновый (дивинильный) получают по методу С. В. Лебедева. Формула полибутадиена (С4Н6)n. Он является некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить усиливающие наполнители. Морозостойкость бутадиенового каучука невысокая (от - 40 до - 45 °С). Он набухает в тех же растворителях, что и НК. Стереорегулярный дивинильный каучук СКД по основным техническим свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.
СКС -- бутадиенстирольный каучук получается при совместной полимеризацией бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2=СН--С6Н5). Это самый распространенный каучук общего назначения.
В зависимости от процентного содержания стирола каучук выпускают нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука зависят от содержания стирольных звеньев. Так, например, чем больше стирола, тем выше прочность, но ниже морозостойкость. Из наиболее распространенного каучука СКС-30 получают резины с хорошим cопротивлением старению и хорошо работающие при многократных деформациях. По газонепроницаемости и диэлектрическим свойствам они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-10 можно применять при низких температурах (от - 74 до - 77 °С). При подборе соответствующих наполнителей можно получить резины с высокой механической прочностью.
СКИ -- синтетический каучук изопреновый -- продукт полимеризации изопрена (С5Н8). Получение СКИ стало возможным в связи с применением новых видов катализаторов. По строению, химическим и физико-механическим свойствам СКИ близок к натуральному каучуку. Промышленностью выпускаются каучуки СКИ-3 и СКИ-ЗП, наиболее близкие по свойствам к НК; каучук СКИ-ЗД, предназначенный для получения электроизоляционных резин, СКИ-ЗВ -- для вакуумной техники.
Резины общего назначения могут работать в среде воды, воздуха, слабых растворов кислот и щелочей. Интервал рабочих температур составляет от - 35 до 130°С. Из этих резин изготовляют шины, ремни, рукава, конвейерные ленты, изоляцию кабелей, различные резинотехнические изделия.
Специальные резины подразделяют на несколько видов: маслобензостойкие, теплостойкие, светоозоностойкие, износостойкие, электротехнические, стойкие к гидравлическим жидкостям.
Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового (наирит), СКН и тиокола. Наирит является отечественным хлоропреновым каучуком. Хлоропрену соответствует формула СН2==ССI--СН=СН2.
Вулканизация может проводиться термообработкой даже без серы, так как под действием температуры каучук переходит в термостабильное состояние. Резины на основе наирита обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, озоностойкостью, устойчивы к действию топлива и масел, хорошо сопротивляются тепловому старению. Окисление каучука замедляется экранирующим действием хлора на двойные связи.
По температуроустойчивости и морозостойкости (от - 35 до - 40 °С) они уступают как НК, так и другим СК. Электроизоляционные свойства резины на основе полярного наирита ниже, чем у резины на основе неполярных каучуков. За рубежом полихлоропреновый каучук выпускается под названием неопрен, пербунан-С и др.
СКН -- бутадиеннитрильный каучук -- продукт совместной полимеризации бутадиена с нитрилом акриловой кислоты:
СН2--СН =СН--СН2--СН2--СНСN--
В зависимости от состава каучук выпускают следующих марок: СКН-18, СКН-26, СКН-40 (зарубежные марки: хайкар, пербунан, буна-N и др.).
Присутствие в молекулах каучука группы СN сообщает ему полярные свойства. Чем выше полярность каучука, тем выше его механические и химические свойства и тем ниже морозостойкость (например, для СКН-18 от 50 до - 60°С, для СКН-40 от - 26 до - 28°С).
Вулканизируют СКН с помощью серы. Резины на основе СКН обладают высокой прочностью (в = 35 МПа), хорошо сопротивляются истиранию, но по эластичности уступают резинам на основе НК, превосходят их по стойкости к старению и действию разбавленных кислот и щелочей. Резины могут работать в среде бензина, топлива, масел в интервале температур от -30 до 130 °С. Резины на основе СКН применяют для производства ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых деталей (уплотнительные прокладки, манжеты и т. п.).
Полисульфидный каучук, или тиокол, образуется при взаимодействии галоидопроизводных углеводородов с многосернистыми соединениями щелочных металлов:
СН2--СН2--S2--S2-- ...
Тиокол вулканизуется перекисями. Присутствие в основной цепи макромолекулы серы придает каучуку полярность, вследствие чего он становится устойчивым к топливу и маслам, к действию кислорода, озона, солнечного света. Сера также сообщает тиоколу высокую газонепроницаемость (выше, чем у НК), поэтому тиокол - хороший герметизирующий материал. Механические свойства резины на основе тиокола невысокие. Эластичность резин сохраняется при температуре от - 40 до - 60°С. Теплостойкость не превышает 60 - 70°С. Тиоколы новых марок работают при температуре до 130°С.
Акрилатные каучуки -- сополимеры эфиров акриловой (или метакриловой) кислоты с акрилонитрилом и другими полярными мономерами -- можно отнести к маслобензостойким каучукам. Каучуки выпускают марок БАК-12, БАКХ-7, ЭАХ. Для получения высокопрочных резин вводят усиливающие наполнители. Достоинством акрилатных резин является стойкость к действию серосодержащих масел при высоких температурах; их широко применяют в автомобилестроении. Они стойки к действию кислорода, достаточно теплостойки, обладают адгезией к полимерам и металлам. Недостатками БАК являются малая эластичность, низкая морозостойкость, невысокая стойкость к воздействию; горячей воды и пара.
Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ.
СКТ -- синтетический каучук теплостойкий, представляет собой кремнийорганическое (полисилоксановое) соединение с химической формулой:
Si(СНз)2 -- O -- Si(СНз)2 -- ...
Каучук вулканизуется перекисями и требует введения усиливающих наполнителей (белая сажа). Присутствие в основной молекулярной цепи прочной силоксановой связи придает каучуку высокую теплостойкость. Так как СКТ слабо полярен, он обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Диапазон рабочих температур СКТ составляет от - 60 до 250 °С. Низкая адгезия, присущая кремнийорганнческим соединениям (вследствие их слабой полярности), делает СКТ водостойким и гидрофобным (например, применяется для защиты от обледенения). В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую прочность, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию. При замене метильных групп (СН3) другими радикалами получают другие виды силоксановых каучуков.
Каучук с винильной группой (СКТВ) устойчив к тепловому старению и обладает меньшей текучестью при сжатии, температура эксплуатации от - 55 до 300°С. Вводя фенильную группу (С6Н5), получают каучук (СКТФВ), обладающий повышенной морозостойкостью (от - 80 до - 100°С) и сопротивляемостью к действию радиации. Можно сочетать различные радикалы, обрамляющие силоксановую связь.
Так, фенилвинилсилоксановый каучук имеет повышенные механические свойства. Если ввести в боковые группы макромолекулы СКТ атомы Р или группу СМ, приобретается устойчивость к топливу и маслам. Введение в основную цепь атомов бора, фосфора дает возможность повысить теплостойкость резин до 350 - 400°С и увеличить их клеящую способность. Силоксановые резины сгорают при 600 - 700°С, а в течение нескольких секунд выдерживают 3000°С.
Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие температуры стеклования. Например, резины на основе СКС-10 и СКД могут работать при температуре до - 60°С; НК, СКБ, СКС-30, СКН до - 50°С, СКТ ниже - 75°С. Светоозоностойкие резины вырабатывают на основе насыщенных каучуков - фторсодержащих (СКФ), этиленпропиленовых (СКЭП), бутилкаучука. Фторсодержащие каучуки получают сополимеризацией ненасыщенных фторированных углеводородов (например, СF2 = СFCl, СН2 = СF2 и др.).
Отечественные фторкаучуки выпускают под марками СКФ-32, СКФ-26; зарубежные - кель-Ф и вайтон. Каучуки устойчивы к тепловому старению, воздействию масел, топлива, различных растворителей (даже при повышенных температурах), негорючи. Вулканизованные резины обладают высоким сопротивлением истиранию. Теплостойкость длительная (до 300°С). Недостатками является малая стойкость к большинству тормозных жидкостей и низкая эластичность. Резины из фторкаучуков широко применяют в авто- и авиапромышленности.
СКЭП - сополимер этилена с пропиленом - представляет собой белую каучукообразную массу, которая обладает высокой прочностью и эластичностью, очень устойчива к тепловому старению, имеет хорошие диэлектрические свойства.
Кроме СКЭП выпускают тройные сополимеры СКЭПТ (за рубежом близкие по свойствам каучуки - висталом и дутрал). Резины на основе фторкаучуков и этиленпропилена стойки к действию сильных окислителей (HNOз, Н2О2 и др.), применяются для уплотнительных изделий, диафрагм, гибких шлангов и т. д., не разрушаются при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет.
Хлорсульфополиэтилен (ХСПЭ) является насыщенным полимером. Его вулканизация основана на взаимодействии с группами SО2Сl и Сl. Вулканизаты ХСПЭ имеют высокую прочность (в=1626 МПа), относительное удлинение = 280 560 %. Они обладают повышенным сопротивлением истиранию при нагреве, озоно-, масло- и бензостойки, хорошие диэлектрики. Интервал рабочих температур от - 60 до 215°С. Применяют эти резины как конструкционный и защитный материал (противокоррозионные, не обрастающие в морской воде водорослями и микроорганизмами покрытия, для защиты от воздействия -излучения).
Бутилкаучук (Б К) получают совместной полимеризацией изо-бутилена с небольшим количеством изопрена (2-3%). В бутилкаучуке мало ненасыщенных связей, вследствие чего он обладает стойкостью к кислороду, озону и другим химическим реагентам. Каучук кристаллизующийся, что позволяет получать материал с высокой прочностью. Каучук обладает высоким сопротивлением истиранию и высокими диэлектрическими характеристиками. По температуростойкости уступает другим резинам, превосходя их по газо- и паронепроницаемости. Бутилкаучук - химически стойкий материал. В связи с этим он в основном предназначен для работы в контакте с концентрированными кислотами и другими химикатами; кроме того, его применяют в шинном производстве (срок службы покрышек в 2 раза выше, чем покрышек из НК).
Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков СКУ. Полиуретановыв каучуки обладают высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением истиранию, маслобензостойкостью. В структуре каучука нет ненасыщенных связей, поэтому он стоек к кислороду и озону, его газонепроницаемость в 10-20 раз выше, чем газопроницаемость НК. Рабочие температуры резин на его основе составляют от - 30 до 130°С.
На основе сложных полиэфиров вырабатывают каучуки СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основе простых полиэфиров -- СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ. Последние, отличаются высокой морозостойкостью (для СКУ-ПФ до -75 °С) и гидролитической стойкостью. Уретановые резины стойки к воздействию радиации. Зарубежные названия уретановых каучуков - вулколлан, адипрен, джентан, урепан. Резины на основе СКУ применяют для автомобильных шин, конвейерных лент, обкладки труб и желобов для транспортирования абразивных материалов, обуви и др.
Электротехнические резины включают электроизоляционные и электропроводящие резины. Электроизоляционные резины, применяемые для изоляции токопроводящей жилы проводов и кабелей, для специальных перчаток и обуви, изготовляют только на основе неполярных каучуков НК, СКБ; СКС, СКТ и бутилкаучука. Электропроводящие резины для экранированных кабелей получают из каучуков НК, СКН, наирита, особенно из полярного каучука СКН-26 с введением в их состав углеродной сажи и графита (65-70 %). Для них v = 102 104Ом/см.
Резину, стойкую к воздействию гидравлических жидкостей, используют для уплотнения подвижных и неподвижных соединений гидросистем, рукавов, диафрагм, насосов; для работы в масле применяют резину на основе каучука СКН, набухание которой в жидкости не превышает 1- 4 %. Для кремнийорганических жидкостей применимы неполярные резины на основе каучуков НК, СКМС-10 и др.
резина каучук вулканизация фрикционный
Резина - широко известный материал, который применяется практически во всех сферах человеческой жизни. Медицина, сельское хозяйство, промышленность не могут обойтись без этого полимера. Во многих производственных процессах также используется резина. Из чего делают этот материал и в чем его особенности, описано в статье.
Что такое резина
Резина являет собой полимер с высокой эластичностью. Его структура представлена хаотично расположенными цепочками углерода, скрепленными атомами серы.
В нормальном состоянии углеродные цепочки имеют скрученный вид. Если резину растянуть, цепочки углерода раскрутятся. Способность растягиваться и быстро возвращаться в прежнюю форму сделала незаменимым во многих сферах такой материал, как резина.
Из чего делают ее? Обычно резину получают путем смешивания каучука с вулканизирующим веществом. После нагрева до нужной температуры смесь густеет.
Отличие каучука от резины
Каучук и резина - высокомолекулярные полимеры, полученные натуральным или синтетическим способом. Эти материалы отличаются физико-химическими свойствами и способами производства. Натуральный каучук являет собой вещество, изготовленное из сока тропических дерев - латекса. Он вытекает из коры при ее повреждении. Синтетический каучук получают путем полимеризации стирола, неопрена, бутадиена, изобутилена, хлоропрена, нитрила При вулканизации искусственного каучука образуется резина.
Из чего делают разные типы каучуков? Для отдельных видов синтетических материалов применяют органические вещества, позволяющие получить материал, идентичный натуральному каучуку.
Свойства резины
Резина является универсальным материалом, который обладает следующими свойствами:
- Высокая эластичность - способность к большим обратным деформациям в широком диапазоне температур.
- Упругость и стабильность форм при малых деформациях.
- Аморфность - легко деформируется при незначительном нажатии.
- Относительная мягкость.
- Плохо поглощает воду.
- Прочность и износостойкость.
- В зависимости от типа каучука резина может характеризоваться водо-, масло-, бензо-, термостойкостью и стойкостью к действию химических веществ, ионизирующих и световых излучений.
Резина со временем утрачивает свои свойства и теряет форму, что проявляется разрушением и снижением прочности. Срок службы резиновых изделий зависит от условий использования и может составлять от нескольких дней до нескольких лет. Даже при длительном хранении резина стареет и становится непригодной к эксплуатации.
Производство резины
Резина изготовляется методом вулканизации каучука с добавлением смесей. Обычно 20-60% перерабатываемой массы составляет каучук. Другие компоненты резиновой смеси - наполнители, вулканизующие вещества, ускорители, пластификаторы, противостарители. В состав массы могут также добавляться красители, душистые вещества, модификаторы, антипирены и другие компоненты. Набор компонентов определяется требуемыми свойствами, условиями эксплуатации, технологией использования готового резинового изделия и экономическими расчетами. Таким способом создается высококачественная резина.
Из чего делают резиновые полуфабрикаты? Для этой цели на производствах применяется технология смешивания каучука с другими компонентами в специальных смесителях или вальцах, предназначенных для изготовления полуфабрикатов, с последующей порезкой и раскройкой. В производственном цикле используются прессы, автоклавы, барабанные и тоннельные вулканизаторы. Резиновой смеси придается высокая пластичность, благодаря которой будущее изделие приобретает необходимую форму.
Изделия из резины
На сегодняшний день резина используется в спорте, медицине, строительстве, сельском хозяйстве, на производстве. Общее количество изделий, изготовляемых из резины, превышает более 60 тыс. разновидностей. Наиболее популярные из них - уплотнители, амортизаторы, трубки, сальники, герметики, прорезиненые покрытия, облицовочные материалы.
Изделия из резины массово используются в производственных процессах. Этот материал также незаменим в производстве перчаток, обуви, ремней, непромокаемой ткани, транспортных лент.
Большая часть производимой резины используется для изготовления шин.
Резина в производстве шин
Резина является основным материалом в производстве автомобильных шин. Этот процесс начинается с приготовления резиновой смеси из натурального и синтетического каучука. Затем к резиновой массе добавляется силика, сажа и другие химические компоненты. После тщательного перемешивания смесь отправляется по в печь. На выходе получаются резиновые ленты определенной длины.
На следующем этапе происходит обрезинивание корда. Текстильный и металлический корд заливается горячей резиновой массой. В такой способ изготавливается внутренний, текстильный и брекерный слой шины.
Из чего делают резину для шин? Все производители автомобильных шин используют разные рецептуры и технологии изготовления резины. Для придания готовому изделию прочности и надежности могут добавляться разные пластификаторы и усиливающие наполнители.
Для производства шин используют натуральный каучук. Его добавление в резиновую смесь уменьшает нагревание покрышки. Большую часть резиновой смеси занимает синтетический каучук. Этот компонент придает шинам упругость и способность выдерживать большие нагрузки.
Резина (от лат. resina – смола) (вулканизат), эластичный материал, образующийся в результате вулканизации натурального и синтетических каучуков. Представляет собой сетчатый эластомер – продукт поперечного сшивания молекул каучуков химическими связями.
Получение резины
Резину получают главным образом вулканизацией композиций (резиновых смесей), основу которых (обычно 20-60% по массе) составляют каучуки. Другие компоненты резиновых смесей – вулканизующие агенты, ускорители и активаторы вулканизации, наполнители, противо-старители, пластификаторы (мягчители). В состав смесей могут также входить регенерат (пластичный продукт регенерации резины, способный к повторной вулканизации), замедлители подвулканизации, модификаторы, красители, порообразователи, антипирены, душистые вещества и другие ингредиенты, общее число которых может достигать 20 и более. Выбор каучука и состава резиновой смеси определяется назначением, условиями эксплуатации и техническими требованиями к изделию, технологией производства, экономическими и другими соображениями.
Технология производства изделий из резины включает смешение каучука с ингредиентами в смесителях или на вальцах, изготовление полуфабрикатов (шприцеванных профилей, каландрованных листов, прорезиненных тканей, корда и т.п.), резку и раскрой полуфабрикатов, сборку заготовок изделия сложной конструкции или конфигурации с применением специального сборочного оборудования и вулканизацию изделий в аппаратах периодического (прессы, котлы, автоклавы, форматоры-вулканизаторы и др.) или непрерывного действия (тоннельные, барабанные и др. вулканизаторы). При этом используется высокая пластичность резиновых смесей, благодаря которой им придается форма будущего изделия, закрепляемая в результате вулканизации. Широко применяют формование в вулканизационном прессе и литье под давлением, при которых формование и вулканизацию изделий совмещают в одной операции. Перспективны использование порошкообразных каучуков и композиций и получение литьевых резин методами жидкого формования из композиций на основе жидких каучуков. При вулканизации смесей, содержащих 30-50% по массе S в расчете на каучук, получают эбониты.
Свойства резины
Резину можно рассматривать как сшитую коллоидную систему, в которой каучук составляет дисперсионную среду, а наполнители – дисперсную фазу. Важнейшее свойство резины – высокая эластичность, т.е. способность к большим обратимым деформациям в широком интервале температур.
Резина сочетает в себе свойства твердых тел (упругость, стабильность формы), жидкостей (аморфность, высокая деформируемость при малом объемном сжатии) и газов (повышение упругости вулканизационных сеток с ростом температуры, энтропийная природа упругости).
Резина – сравнительно мягкий, практически несжимаемый материал. Комплекс ее свойств определяется в первую очередь типом каучука; cвойства могут существенно изменяться при комбинировании каучуков различных типов или их модификации.
Механические свойства вулканизованной резины характеризуются рядом показателей, важнейшие из которых определяют при испытаниях ее на растяжение и сжатие, для чего в соответствии с ГОСТ 270-75 используют те же методы и такого же типа машины, какие применяются для оценки прочности металлов.
Пределом прочности при растяжении (разрывной прочностью) называется напряжение, возникающее в резине к моменту разрыва образца. Численно предел прочности 52 равен частному от деления максимальной нагрузки Р, зафиксированной при разрушении образца, на площадь его поперечного сечения, измеренную до начала растяжения.
Относительным удлинением при разрыве е2 называется выраженное в процентах отношение прироста длины образца резины в момент разрыва к его первоначальной длине.
Остаточным удлинением при разрыве 02 называется выраженное в процентах отношение прироста длины разорванного образца к его первоначальной длине.
Совокупность относительного и остаточного удлинений характеризует эластичность резинового материала. Чем больше разность между этими показателями, тем лучше эластичность материала, которая должна соответствовать назначению детали.
При деформации сжатия разрушение образца из различных сортов монолитных (беспористых) резин наступает примерно при двукратном уменьшении его размера в направлении сжимающей нагрузки, или, иначе говоря, при относительном сжатии порядка 50 %.
Чрезвычайно важные эксплуатационные выводы вытекают из анализа способности резины обеспечивать остаточные деформации. В вулканизатах всех каучуков (кроме эбонита) происходит явление, внешне сходное с ползучестью металлов при повышенных температурах или с хладотекучестью термопластов. Сущность этого явления состоит в том, что в резине, находящейся в напряженном состоянии, возникают и накапливаются необратимые деформации. Чем длиннее срок пребывания в таком состоянии и выше действующая нагрузка, тем больше будут остаточные деформации, которые достигают при разрушающих напряжениях нескольких десятков процентов. Поэтому сильно деформированные резиновые детали с течением времени безвозвратно изменяют свою форму и размеры, что особенно заметно на тонкостенных изделиях, листовых материалах и т.д. Например, длительно хранящиеся навалом чисто резиновые и даже армированные шланги приобретают сплющенную форму, а резкие перегибы, допускаемые при складывании прорезиненной ткани, очень быстро и настолько устойчиво на ней фиксируются, что устранить их в последующем невозможно.
Чтобы обеспечить на возможно больший срок высокую работоспособность резиновых деталей, необходимо при их хранении, а также при эксплуатации создавать такие условия, при которых бы возникающие в этих деталях напряжения и деформации были возможно меньшими.
Например, такие дорогие и ответственные по выполняемым функциям изделия, как автомобильные покрышки, не допускается хранить плашмя положенными друг на друга. Их хранят только на специальных стеллажах поставленными вертикально в один ряд по высоте и к тому же при периодической (через 2...3 мес.) смене места контакта протектора со стеллажом для сохранения профиля и размеров.
Правилами технической эксплуатации шин предписывается не допускать их перегрузки и поддерживать в них нормальное давление (не снижая давление в тех случаях, когда оно становится выше нормы за счет нагрева шин). Оба требования продиктованы не только заботой о сохранении формы и размеров шин, но и стремлением не снизить их долговечность, предотвратить чрезмерное тепловыделение в них и перерасход топлива.
(металлы, минералы, пластмассы и т. д.), указывается ее твердость. Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего твердого тела, вдавливаемого под действием определенной силы.
Наиболее широко для оценки твердости резины применяется твердомер ТМ-2, мерой твердости по которому служит глубина погружения притуплённой в форме усеченного конуса иглы, выраженная в условных делениях шкалы прибора. При испытании твердомер ТМ-2 надо прижимать к изделию с минимальным усилием, но достаточным для того, чтобы обе его нижние площадки плотно (без просветов) прилегали к поверхности резины. При этом следует иметь в виду, что толщина образца /г, к которому прижимается твердомер, должна быть не менее 6 мм.
С целью облегчения формования изделий из сырой резины ей придают путем специальной обработки - пластикации каучука - необходимую пластичность. При измерении твердости такой резины игла твердомера непрерывно погружается в испытуемый образец, в результате чего показание прибора убывает и через несколько минут становится близким кнулю. Из-за повышенной пластичности сырой резины игла оставляет на образце не исчезающую со временем лунку. В процессе вулканизации пластичность резины убывает и на конечном этапе практически полностью исчезает, а твердость и эластичность, непрерывно возрастающие по мере вступления в реакцию новых порций серы, достигают в готовом вулканизате определенных значений.
На изменении пластичности основан один из методов контроля степени вулканизации, как целых деталей, так и отдельных их участков, ремонтируемых с помощью сырой резины. Стабильное, укладывающееся в рамки технических требований показание твердомера, сочетающееся с тем, что его игла не оставляет заметного следа на вулканизате, свидетельствует о правильности выбранного режима вулканизации.
Оценка износостойкости (сопротивления истиранию) и стремление к ее повышению преимущественно касается резины, идущей на изготовление деталей, которые по условиям работы перемещаются путем скольжения или качения относительно других предметов и при этом подвергаются износу. Из резиновых изделий для автомобилей к этой категории, в первую очередь, относятся пневматические шины, которым приходится работать в исключительно тяжелых условиях, сочетающих в себе восприятие высоких ударных нагрузок в очень широком диапазоне температур, царапающее и абразивное воздействие полотна дороги и грунта, неблагоприятное влияние влаги, солнца, кислорода и т.д.
Экспериментальное определение износостойкости резин производится в соответствии с ГОСТ 426-77 на специальной установке, которая позволяет при нормированных условиях подвергать истиранию образец резины, прижимаемый к наждачной шкурке с давлением 32,5 кПа. Показатель износостойкости, называемый удельным показателем истирания, определяется потерей объема испытуемого образца, вычисленной по отношению к единице работы, затраченной на истирание. Для резин, идущих на изготовление протекторов автомобильных покрышек для легковых автомобилей, этот показатель должен составлять не более 0,08 мм3/Дж, а для грузовых - не более 0,14 мм3/Дж.
Применение резины
Для получения прорезиненных тканей берут льняную или бумажную ткань и резиновый клей, представляющий резиновую смесь, растворенную в бензине или бензоле. Клей тщательно и равномерно размазывают и впрессовывают в ткань; после просушки и испарения растворителя получают прорезиненую ткань. Для изготовления прокладочного материала, способного выдерживать высокие температуры, применяют паронит, представляющий резиновую смесь, в которую введено асбестовое волокно. Такую смесь смешивают с бензином, пропускают через вальцы и вулканизируют в виде листов толщиной от 0,2 до 6 мм.
Для получения резиновых трубок и профилей сырую резину пропускают через шприц-машину, где сильно разогретая (до 100-110°) смесь продавливается через профилирующую головку. В результате получают профиль, которую подвергают вулканизации.
Изготовление дюритовых рукавов происходит следующим образом: из каландрованной резины вырезают полосы и накладывают их на металлический дорн, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру рукава. Края полос смазывают резиновым клеем и прикатывают роликом, затем накладывают один или несколько парных слоев ткани и промазывают их резиновым клеем, а сверху накладывают слой резины. После этого собранный рукав подвергают вулканизации.
Автомобильные камеры изготовляют из резиновых труб, шприцованных или склеенных вдоль камеры. Существует два способа изготовления камер: формовый и дорновый. Дорновые камеры вулканизируют на металлических или изогнутых дорнах. Эти камеры имеют один или два поперечных стыка. После стыкования, камеры в месте стыка подвергают вулканизации. При формовом способе, камеры вулканизируют в индивидуальных вулканизаторах, снабженных автоматическим регулятором температуры. Чтобы избежать склеивания стенок, внутрь камеры вводят тальк.
Автомобильные покрышки собирают на специальных станках из нескольких слоев особой ткани (корд), покрытой резиновым слоем. Тканевый каркас, то есть скелет шины, тщательно прикатывают, а кромки слоев ткани заворачивают. Снаружи каркас покрывают в беговой части толстым слоем резины, называемым протектором, а на боковины накладывают более тонкий слой резины. Подготовленную таким образом шину подвергают вулканизации.
Каучук имеет огромное народнохозяйственное значение. Чаще всего его используют не в чистом виде, а в виде резины. Резиновые изделия применяют в технике для изоляции проводов, изготовления различных шин, в военной промышленности, в производстве промышленных товаров: обуви, искусственной кожи, прорезиненной одежды, медицинских изделий.
Резина – высокоэластичное, прочное соединение, но менее пластичное, чем каучук. Она представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из полимерной основы (каучука) и различных добавок. Наиболее крупными потребителями резиновых технических изделий являются автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение. Степень насыщенности резиновыми изделиями – один из основных признаков совершенства,
надёжности и комфортабельности массовых видов машиностроительной продукции. В составе механизмов и агрегатов современных автомобиля и трактора имеются сотни наименований и до тысячи штук резиновых деталей, причём одновременно с увеличением производства машин возрастает их резиноёмкость. Я остановлюсь на обувных товарах, выпускаемых на основе резины.
Обувные резины – это обширная группа искусственных материалов для низа обуви. Процесс производства этих резин состоит из следующих операций:
1) Подготовка материалов включает сушку, измельчение и просеивание исходных материалов, а также проверку их качества. Каучук распаривают, измельчают, перетирают. В результате повышается пластичность каучука и однородность резиновой смеси.
2) Приготовление резиновой смеси состоит в смешивании всех компонентов наполнителей, вулканизирующих веществ, ускорителей вулканизации, активаторов, мягчителей, противостарителей, красителей и других. Сначала к каучуку добавляют мягчители, а в последнюю очередь вулканизирующие вещества и порообразователи. Для предания полученной резиновой смеси формы плоских листов производят её листование на вальцах.
3) Каландрирование (формование) – метод производства сырых резиновых заготовок в виде непрерывной ленты нужной толщины и ширины. Каландрирование улучшает физико-химические свойства резиновой смеси, от него зависит расход резиновых смесей и качество изделий.
4) Штампование резиновых заготовок для получения отдельных деталей обуви, производят на штампах-прессах специальными резаками.
5) Вулканизация – завершающая операция производства резины. Резину выпускают в виде пластин, штампованных и формованных деталей: подошв, каблуков, подошв с каблуками и другое.
Резиновая промышленность - один из важнейших поставщиков комплектующих деталей и изделий для многих отраслей народного хозяйства. Р. - незаменимый материал в производстве шин, различных амортизаторов и уплотнителей; её применяют также для изготовления конвейерных лент, приводных ремней, рукавов, разнообразных изделий бытового назначения, в частности обуви. Из Р. изготовляют изоляцию кабелей, эластичные электропроводящие покрытия, протезы (например, искусственные клапаны сердца), детали наркозных аппаратов, катетеры, трубки для переливания крови и многое др. Объём мирового производства изделий из Р. в 1974 превысил 20 млн. т. Наиболее крупные потребители Р. - шинная промышленность (свыше 50%) и промышленность резинотехнических изделий (около 22 %).
