Характеристика резиновых материалов: виды, свойства, применение

Резина – пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящейся в высокопластическом состоянии.

В резине связующим являются натуральные (НК) или синтетические (СК) каучуки.

На рис. 1 и 2 показаны область применения каучуков и получаемые изделия.

Рис. 1 Применение каучуков

Рис. 2 Изделия, где используются каучуки

Каучуку присуща высокая пластичность, обусловленная особенностью строения их молекул. Линейные и слаборазветвлённые молекулы каучуков имеют зигзагообразную или спиралевидную конфигурацию и отличаются большой гибкостью (рис. 3, верхний). Чистый каучук ползёт при комнатной температуре и особенно при повышенной, хорошо растворяется в органических растворителях. Такой каучук не может использоваться в готовых изделиях. Для повышения упругих и других физико-механических свойств в каучуке формируют редкосетчатую молекулярную структуру. Это осуществляют вулканизацией – путём введения в каучук химических веществ – вулканизаторов, образующих поперечные химические связи между звеньями макромолекул каучука (рис. 3, нижний). В зависимости от числа возникших при вулканизации поперечных связей получают резины различной твёрдости – мягкие, средней твёрдости, твёрдые.

Рис. 3 Структуры каучука и резины

Механические свойства резины определяют по результатам испытаний на растяжение и на твёрдость. При вдавливании тупой иглы или стального шарика диаметром 5 мм по значению измеренной деформации оценивают твёрдость (рис. 4).

Рис. 4 Определение твёрдости резины протектора

При испытании на растяжение определяют прочность Ϭz (МПа), относительное удлинение в момент разрыва εz (%) и остаточное относительное удлинение Ѳz (%) (рис. 5).

Рис. 5 Лабораторная установка для проведения механических испытаний резины

В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (свет, температура, кислород, радиация и др.) резины изменяют свои свойства – стареют. Старение резины оценивают коэффициентом старения Кстар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в термостате при температуре -70оС в течение 144 час, что соответствует естественному старению резины в течение 3 лет. Морозостойкие резины определяется температурой хрупкости Тхр, при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке хрупко разрушается.

Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент Км, равный отношению удлинения δм образца при температуре замораживания к удлинению δо при комнатной температуре.

Что такое резина

Любой человек в своей жизни сталкивался с резиной в тех или иных случаях, причем обычно с самого детства. Резина – это эластичная субстанция, которая получается после протекания реакции вулканизации как натурального, так и синтетических каучуков. Резиновый материал, который еще называют «вулканизат» является эластомером, имеющим трехмерную сшитую структуру, образующуюся при сшивке макромолекул каучуков химическими связями различной природы.
Как было сказано выше, резина по природе эластомер, то есть в отличие от обычных пластмасс, они способны при механическом воздействии возвращаться к своим первоначальным форме и размерам после снятия нагрузки.

Каучук — виды, получение и применение

В наше время почти любая область жизнедеятельности предполагает применение каучука. Это производство шин, кабеля, труб, строительный и отделочный материал, его используют в обувной, медицинской и других областях промышленности. Но что же такое «каучук», каковы виды каучука и как его получают?

Еще в конце 15 века индейцы Северной Америки из сока дерева гевеи научились получать каучук, который использовали при изготовлении обуви и других вещей. При надрезе коры гевеи происходило выделение капель молочно-белого сока – латекса. Этот сок индейцы назвали «слезы дерева», что звучит как кау-учу. Отсюда и название – каучук.

Открытие Америки Христофором Колумбом способствовало распространению чудесного материала в Европу, где путем проб и ошибок впервые получили резину. С появлением автомобильной промышленности в 20 веке спрос на резину, а, значит, и на каучук стал расти. В то время стоимость изделий из каучука была очень высокой. Это связано с тем, что в год с одного дерева гевеи можно получит всего 1—2 кг каучука, а на производство, например, шин требовалось в 50 больше.

Вскоре возникла нехватка, дефицит получаемого из сока гевеи каучука (натуральный каучук). Ученые занялись поиском решений этой проблемы. И, наконец, в 20-е годы 20 века русский учёный С.В. Лебедев получил первый синтетический каучук путем полимеризации 1,3-бутадиена (дивинила) на натриевом катализаторе. Позже натриевый катализатор заменили катализатором Циглера-Натта (Al(C2H5)3∙TiCl4), что дало возможность получения полибутадиена и полиизопрена — синтетического каучука, обладающего нужными свойствами эластичности и прочности. Синтетический каучук стал настолько популярен, что к концу 20 века почти полностью вытеснил натуральный каучук.

Получение

Резину в современной промышленности производят в основном путем вулканизации резиновых смесей, имеющих достаточно сложную композицию. В составе этих смесей главной составной частью и основой будущей резины являются каучуки, их количество может составлять до 60 процентов от массы смеси. Прочими ее компонентами являются вулканизаторы, ускорители, активаторы, наполнители, противостарители и пластификаторы. Кроме этих основных компонентов в состав смеси возможно введение и других химикатов: регенератов, модификаторов, красителей, порофоров, отдушек и т.д. Вся резиносмесь может состоять из 20-30 веществ.

Конкретный каучук, который будет служить основой той или иной резины и прочие компоненты смеси выбираются исходя из предназначения, условий применения и прочим требованиям к резиновому продукту. Также для свойств продукта важен технологический процесс, который будет использоваться для переработки, экономические и прочие факторы.

Техпроцесс изготовления изделий из рассматриваемого материала состоит из операции смешения каучука с прочими компонентами резиносмеси в смесителях или при помощи вальцевания, изготовления полуфабрикатов, их резку, сборку и прочую постобработку, а также последующую вулканизацию продуктов. Полуфабрикатами могут служить профили, полученные шприцеванием (аналог экструзии пластмасс); листы, полученные каландрованием; прорезиненные ткани; корд и т.п. Непосредственно вулканизация проходит в реакторах периодического типа, например в прессах, котлах, автоклавах циклического или непрерывного типа, например тоннельных, барабанных и прочих.

Рис.1 Автоклав для вулканизации шин

Размеры и конфигурация изделия из-за высокой пластичности исходного материала придаются и фиксируются непосредственно в ходе вулканизации. При переработке активно применяется формование продуктов в вулканизационных прессах, а также метод литья под давлением. В случае использования этих методов формовка и вулканизация совмещаются в рамках единственной технологической операции. Основным вулканизатором для резин является элементарная сера, которая обычно вводится в количестве нескольких процентов от массы смеси. При использовании смесей, имеющих от 30 до 50 процентов серы в составе, на выходе получают эбонитовые изделия или заготовки.

Как получить резину из каучука

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое «КАУЧУК И РЕЗИНА» в других словарях:

Каучук и резина — («Каучук и резина»,) научно технический журнал, орган министерства нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности СССР и Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева. Издаётся с 1927, ежемесячно, в Москве. До 1936… … Большая советская энциклопедия

каучук — а, м. caoutchouc m. Впервые фиксируется во Фр. рус. сл. И. Татищева 1816. // ЭС. 1. Добываемое обычно из млечного сока некоторых растений смолистое вещество, из которого вырабатывается резина. БАС 1. Каучук резина. Вавилов 1856. Каучу. Старое… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

КАУЧУК — (фр. caoutchouc америк. происх.) Вязкий, твердеющий на воздухе сок многих южно американских растений. Если соединить его с серой, то получается вулканизированный каучук, который идет на выделку обуви, одежды, хирургических инструментов и проч.… … Словарь иностранных слов русского языка

Свойства резины

Рассматриваемый материал представляет интерес прежде всего своей эластичностью. Резина, по сути, представляет собой сшитую коллоидную субстанцию, где каучук является дисперсионной, а наполнители – дисперсной фазами. Главное качество резин – это высокая эластичность, она способна подвергаться большим деформациям при различных температурах, которые в свою очередь являются обратимыми.

Резине присущи свойства и твердого тела, и жидкости, и даже газа, например таким качеством является энтропийное качество ее упругости. В общем виде характеристики каждого типа резины зависят главным образом от использованного типа каучука. Ее качества изменяются в широких пределах при применении различных каучуков, их смешения или модификации.

Значения модуля упругости резин при небольших деформациях варьируется от 1 до 10 МПа. Значение коэффициента Пауссона около 0,5. Обратимая деформация в случае растяжения составляет до 10 размеров изделия.

Резины обладают хорошей звукоизоляцией, фрикционными свойствами, износостойкостью, теплоизоляционными показателями. Также они являются хорошими диамагнетиками и диэлектриками. Существуют специальные марки проводящих электрический ток и магнитных резин.

Рассматриваемый материал известен низким водопоглощением и набуханием в органике. Некоторые из резин имеют хорошую масло-, бензо-, водо-, паро-, хим-, радио- и термостойкость. Срок эксплуатации резиновых изделий может в разных случаях составлять от нескольких дней до десятилетий.

Виды каучука

В настоящее время получают различные виды каучука. Все синтетические каучуки принято классифицировать на:

• Каучуки общего назначения. Используются в массовом производстве таких изделий, как шины, транспортерные ленты, резиновая обувь и т.п., в которых реализуется такое свойство резины как эластичность:

1. Бутадиеновый (СКД; СКБ)
2. Изопреновый (СКИ)
3. Хлоропреновый (наирит)
4. Бутадиен-стирольный (CKC, CKMC)
5. Этиленпропиленовый (СКЭП, СКЭПТ)
6. Бутилкаучук (БК) и др.

• Каучуки специального назначения.Применяеются в производстве изделий, обладающих не только эластичностью, но и стойкостью к воздействию различных агрессивных сред, тепло- и морозостойкостью и другими уникальными свойствами. Синтетических:

1. Бутадиен-нитрильный (СКН)
2. Полисуль­фидный (тикол)
3. Кремнийорганический (CKT)
4. Уретановый (СКУ)
5. Фторосодержащий (СКФ)
6. Винилпиридиновый, метил­винилпиридиновый (МБП) и др.

Сравнительная характеристика и область применения каучуков представлены в таблице, а получение некоторых из них описано в разделе Свойства и получение алкадиенов:

Виды и область применения каучуков:

Применение

Резину в больших количествах применяют в сельском и домашнем хозяйстве, медицинской технике, строительных материалах, промышленности, спортивной индустрии и т.д. Свыше 50 процентов производимого материала применяется для производства автошин.

Кроме этого, известны десятки тысяч видов изделий из резин, наиболее известные из которых: транспортерные ленты, различные ремни, рукава, шланги, прокладки, кольца, кабели, подошвы, коврики, материалы покрытий, герметики и др.

Рис.2 Покрытие детской площадки резиновой крошкой

Классификация резин

По назначению различают следующие основные группы резин

: общего назначения, теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, стойкие к действию химически агрессивных сред, диэлектрические, электропроводящие, магнитные, огнестойкие, радиационностойкие, вакуумные, фрикционные, пищевого и медицинского назначения, для условий тропического климата и др. (табл. 2); получают также пористые, или губчатые (см. Пористая резина), цветные и прозрачные
резины
.

Натуральные и синтетические компоненты

Основной компонент для производства покрышек – это каучук. Он может добываться как природным путём, так и производиться искусственно в лаборатории. Органический, издавна извлекают с каучуковых деревьев. Для этого в коре дерева прорезают продольные полосы и собирают «его слёзы», то есть сок дерева, так как «каучук» переводится как «древо, которое плачет». Именно этот древесный сок и является основным сырьём для производства резины.

Однако себестоимость такого дорогостоящего метода добывания натурального каучука значительно выше, чем химическое производство его аналога в искусственных условиях. Вторым, не менее важным компонентом, является технический углерод, для производства покрышек его доля составляет не менее 30%. Молекулярная степень свойств углерода позволяет определить его роль среди всех остальных компонентов в качестве хорошего скрепляющего вещества. Углерод (или сажа) благоприятно воздействует на такие способности резины:

• повышает износостойкость;
• увеличивает в разы долговечность;
• усиливает прочность продукта.

Существует более дешёвый аналог сажи. Некоторые производители для снижения себестоимости покрышки при производстве заменяют технический углерод на кремниевую кислоту. Такая замена не всегда себя оправдывает, так как снижается уровень износостойкости колёс. Но из положительных моментов такой замены можно указать, что при этом увеличивается сцепка резины с влажной устилкой дороги.

Масла и смолянистые вещества, дополнительно входящие в структуру резины, снижают жёсткость зимних колёс. Каждый изготовитель делает акцент на том или ином веществе, чтобы вывести на передний план определённые характеристики продукта:

• сцепку с дорогой,
• износостойкость или параметры,
• обеспечивающие хорошее развитие скорости.

Технология производства покрышек

Так как автопокрышки производятся не только из резиновой основы, стоит обратить внимание и на другие составляющие. Основа колеса производится из специальных нитяных кордов. Они подразделяются на:

• стальные;
• текстильные;
• полимерные.

Режим изготовления нитей имеет сходство с работой ткацкого оборудования. Произведённая нить заходит в машину, где обволакивается резиновым покрытием. Затем материал разделяется на ленты различной ширины для разнокалиберных автопокрышек. Для формирования защитного покрытия прорезиненные нити подаются на соответствующее оборудование, где путём продавливания через формирующие отверстия они переходят в состояние протектора.

Защитные края резины при формировании проходят такие стадии:

1. Стальная проволока обволакивается в резиновое покрытие.
2. С учётом параметров автопокрышек материал делится на нужный размер (круги).
3. Специальное оборудование автоматически осуществляет сборку бортов.

Данное оборудование работает в полуавтоматическом режиме. Мастер загружает на него круги и бобины для покрышек. Оборудование компонует все части в единую покрышку и заполняет протектор воздушной массой. Заключительной стадией процесса является вулканизирование и термообработка покрышки паром под высоким давлением. На горячей резине станок продавливает необходимые характеристики с отметкой предприятия, после чего остаётся только стадия тестирования готовой продукции.

Состав современные шин

Автомобили сегодняшнего дня имеют резиновые покрышки, которые могут иметь в основе натуральный каучук или синтетический каучук, произведённый в лаборатории искусственно. Каучук (того или иного вида) стандартно занимает львиную часть во всей резиновой смеси, его доля приблизительно составляет 40-50% от общего объёма резины.

Затем в резину домешивают технический углерод (сажу). Его часть в общем объёме равняется 25-30%. Автопокрышка становится крепкой именно благодаря техническому углероду, он является скрепляющим звеном в молекулах каучука. Материал получает возможность хорошо переносить воздействие высоких температур. Колёса с высокими примесями сажи хорошо справляются с резкими торможениями. Их эксплуатационный срок вырастает в целых 10-15 раз.

Ещё один компонент – кремниевая кислота. Её себестоимость значительно дешевле технического углерода, а свойства, придающие колесу прочность благодаря хорошей сцепке молекул каучука, практически идентичные. Поэтому некоторые изготовители покрышек заменяют сажу именно кремниевой кислотой. Однако, есть производители, которые не используют этот компонент, считая его недостаточно износостойким.

Если проанализировать рынок покрышек известных производителей и состав их шин, можно прийти к выводу, что сажа довольно часто присутствует в составе покрышек. Ведущие компании автомобильных аксессуаров делают акцент, что именно этот компонент повышает способность хорошего реагирования машины на мокрой трассе. В среднем её доля в общей массе покрышки занимает около 10%.

Компонентом с незначительной долей в общем объёме являются масла или смолы. Их количество аналогично примеси сажи составляет 10%. Более значительное количество смол присутствует в зимнем варианте резины, они смягчают весь состав, чтобы покрышки не «дубели» при низких температурах, что отрицательно сказывается на качестве езды. В летнем варианте покрышек доля смол слегка снижена.

И конечный ингредиент всей смеси – это секретные компоненты, которые производители не разглашают, но они порой оказывают сильное влияние на заключительный результат и качество готовой покрышки. Из изучения всей смеси для производства резины можно сделать вывод, что синтетический каучук ещё не готов полностью заменить натуральный по своим качествам, поэтому они часто комбинируются совместно.

Что представляет собой каучук

Материал каучук добывают с каучуконосных деревьев с древних времён. Самый известное название такого дерева – бразильская Гевея. Из этой древесной породы также изготавливают мебельные изделия высокой прочности. Так как этот материал не впитывает в себя влагу, надёжно выдерживает натиски вредителей, не подвергается гниению.

Плантации деревьев в основном располагаются в Малайзии, а также имеют азиатское происхождение. Природный каучук может находиться и в соке таких каучуковых деревьев, как Кастилья.

Кастилья имеет природный размер более 50 метров, и сок в таком дереве может находиться в коре, листьях и цветках дерева. Обычно сок вытекает в месте отрыва ветки или коры, в случае искусственного добывания этого вещества кора дерева принудительно обрезается. Бразильская Гевея также имеет внушительные габариты до 50 метров в длину, и у выросшего десятилетнего дерева делаются диагональные надрезы, которые и дают возможность собрать сок в ёмкость.

С попаданием в воздух каучуковый сок становится более плотным и тягучим. В основном сборы каучуковой жидкости происходят с этих двух видов каучуконосных деревьев: Гевеи и Кастильи. Во многих странах Азии, Америки, Перу, Малайзии расположены целые насаждения этих деревьев, которые выращиваются только для добывания ценного каучука. Поэтому многие местные жители активно принимают участие в прибыльном каучуковом бизнесе, многие из них занимаются этим всю жизнь.

История каучука

Первым в Европу привёз каучук из своих путешествий Колумб в виде эластичного мячика. Индейцы уже пробовали делать из каучукового сока обувь, ткань, ёмкости для воды и даже игрушки для детей. Затем все забыли о каучуке до начала 18 века, когда экспедиция из Франции вновь нашла дерево, выделяющее тянущийся материал. Шотландец Ч. Макинтош предложил идею прокладывания резинового материала между двумя слоями ткани.

Появились плащи, которые не промокали под дождём, галоши и шляпы. Резиновый материал укладывали даже на крыши домов. Но зимой такие изделия затвердевали и трескались, а летом становились мягкими, с неприятным запахом. Однако, американец Ч. Гудьир в начале 19 века нашёл способ улучшения прочности и эластичности материала – он добавил в состав серу и подверг смесь нагреванию. Так появилась прочная и довольно качественная резина.