Резина и технология изготовления изделий из неё
Резина – это продукт химической переработки каучуков. Каучуки – это высокомолекулярные соединения, линейные полимеры с очень большой молекулярной массой. Отличаются способностью к большим обратимым деформациям при обычных и пониженных температурах. Каучуки бывают: натуральные – сок (латекс) каучуковых растений – гевея и искусственные, синтетические.
Резина – это пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим является высокопластичный полимер – каучук.
CH3 CH3 S
| | |
– CH2 – C = CH – CH2 + S → – CH2 – C – CH – CH2
|
S
Для повышения пластичности и долговечности резины используют операцию вулканизации. Сущность вулканизации – химическое взаимодействие каучука с серой (вулканизирующим веществом) по месту двойной связи. После этой операции резины способны выдерживать большие пластические деформации (до 1000 %), что свидетельствует о высокой эластичности.
В процессе эксплуатации на резину могут воздействовать внешние факторы (свет, тепло, холод, озон, вакуум и т. д.), что может привести к необратимым изменениям ее свойств. Для повышения стойкости к воздействию внешних факторов в резины добавляют различные вещества: 1) поверхностно-активные вещества; 2) наполнители (сажа, оксиды, мел, тальк, ткани, проволоку и т. д.); 3) пластификаторы (мягчители) – для улучшения формования; 4) красящие вещества.
Технологический процесс изготовления резиновых изделийзаключается в следующих последовательных операциях:
1. Изготовление резиновых смесей:
а) каучук нарезают на куски и пропускают через нагретые до 40 – 500С валки (вальцевание);
б) смешивают в определенных пропорциях и последовательности с другими ингредиентами: противостарителями; вулканизаторы (S, Ce, Na, металлы и перекиси); ускорители процесса вулканизации (ZnO, PbO, MgO, полисульфиды и др.); в) каландрирование полученной массы - получают сырую (не вулканизированную) резину.
2. Изготовление изделий из резины:
1) прорезинивание ткани в каландрах;
2) выдавливание (трубки, шнуры, полосы);
3) прессование (на гидравлических прессах Р = 5 -10 МПа);
4) литье под давлением: форма заполняется предварительно разагретой смесью под давлением Р = 30 – 150 МПа – самый прогрессивный метод.
3. Армирование стальной проволокой, сеткой, капроновой или стеклянной нитью для прочности и долговечности.
4. Вулканизация – это всегда завершающая стадия технологического процесса. Проводят в котлах или прессах под давлением 130 – 1500С. Среда – горячий воздух, водяной пар, горячая вода, расплав соли. При вулканизации линейная структура каучука преобразуется в пространственную. Можно проводить вулканизацию при tкомн. В этом случае в составе сырой резины не должно быть серы, а изделие обрабатывают в растворе или парах дихлорида серы SCl2 или в атмосфере сернистого газа SO. Можно использовать сверхвысокочастотный или γ – излучатели. В результате вулканизации повышаются прочность и упругость резины, сопротивление старению, действию органических растворителей, изменяются электроизоляционные свойства.
Важным свойством резины является отсутствие электропроводности, что определяет использование резиновых перчаток, ковриков и прорезиненных тканей в качестве средств предохранения от поражения электрическим током.
Композиционные материалы
Композиционныминазывают материалы, состоящие из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолиты и сохраняющих при этом индивидуальные особенности. Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков:
· состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;
· материалы состоят из двух и более компонентов различного химического состава, разделенных в материале границей;
· свойства материалов определяются каждым из его компонентов;
· материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;
· материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;
· материал не встречается в природе, а является созданием человека.
Существующие композиционные материалы можно разделить на три основных класса, отличающиеся микроструктурой: дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и армированные волокном. Все эти материалы представляют собой матрицу из какого-либо вещества или сплава, в которой распределена вторая фаза – обычно более жесткая, чем матрица, которая служит для улучшения того или иного свойства. В основе разделения трех упомянутых классов композиционных материалов лежат особенности их структуры.
Для дисперсно-упрочненных композиций характерной является микроструктура, когда в матрице равномерно распределены мельчайшие частицы размером от 0,01 до 0,1 мкм в количестве от 1 до 15 об.%. В композициях, упрочненных частицами, размер последних превышает 1 мкм, а содержание – 20–25 об.%. Для структуры армировано-упрочненных композитов характерны значительная анизодиаметричность армирующих волокон – их диаметр колеблется от долей микрона до десятков микрон, а длина – от микрон до непрерывных волокон практически неограниченной длины при содержании от нескольких процентов до 70–80 об.%.
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Прерывный компонент, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим (упрочняющим).
В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.
Матрицы на неметаллической основе изготавливают из отвержденных эпоксидных, полиэфирных, фенольных, полиамидных и других смол. Наиболее распространены композиции, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и другими видами волокон.
Композиционные материалы с полимерной матрицей обладают целым рядом достоинств: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами. Недостатки: низкая прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100 - 2000С, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.
Наиболее распространенным конструкционным композиционным материалом являются железобетонные плиты, широко используемые в строительстве. Матрицей в них является бетон (неорганический материал), а армирующим волокном – прутки из малоуглеродистой конструкционной стали, называемые арматурой. Бетон обладает хорошей сопротивляемостью при сжатии, а сталь - высокой прочностью при растяжении. Благодаря сочетанию этих свойств железобетонные плиты являются прочным материалом для строительных конструкций.
Технология производства изделий с полимерной матрицей, армированной волокнами, включает следующие основные операции:
1) подготовка упрочняющих волокон: удаление замасливателя; нанесение на поверхность водоотталкивающих покрытий; основание, т. е. перемотка и укладывание волокон (лент) в однонаправленную полосу – ровнину;
2) приготовление связующего: проверка компонентов связующего; приготовление смеси компонентов (компаунда);
3) пропитка: пропитка волокон связующим; подсушивание и частичное отверждение;
4) формование;
5) отверждение;
6) удаление оправки;
7) контроль качества изделий;
8) механическая доработка и соединение с другими деталями.
Применение композиционных материалов.Стеклопластики (стекловолокниты, стеклотекстолиты) содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна. По применению делят на конструкционные, электротехнические и радиотехнические. Однонаправленные стеклопластики применяют для изготовления труб и различных профилей, неориентированные – в производстве корпусов лодок, автомобилей, катеров, мебели, силовых деталей электрооборудования, с перекрестным армированием – в конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения фюзеляжа самолетов, плиты, трубы, корпуса ракет и др.
Углепластики (карбоволокниты) получили широкое распространение как конструкционный материал в авиации, космонавтике, ядерной технике: лопасти несущего винта вертолетов, корпуса компрессора и вентилятора, панели солнечных батарей баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия.
Бороволокниты используют в конструкциях деталей летательных аппаратов: балок, стрингеров, стоек шасси; широко используют в качестве подкрепляющих усиливающих элементов металлических силовых конструкций, банадажных дисков и роторов компрессоров газотурбинных двигателей.
Органоволокнитыиспользуют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов, применяют для обшивки самолетов и вертолетов, лопастей несущих винтов вертолетов, подкрепляющих элементов балок, в панелях пола, в сотовых конструкциях.
Раздел четвёртый