Резина, ее классификация, получения каучука. Технологический процесс изготовления резиновых изделий
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.
Резины общего назначения
К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков — НК, СКБ, СКС, СКИ.
Н К — 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.
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).
СКС — бутадиенстирольный каучук получается при совместной полимеризацией бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2=СН—С6Н5). Это самый распространенный каучук общего назначения.
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.
Резины специального назначения
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.
СКН — бутадиеннитрильный каучук — продукт совместной полимеризации бутадиена с нитрилом акриловой кислоты —СН2—СН =СН—СН2—СН2—СНСN—
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.).
Тиоколы – торговое название полисульфидных каучуков.
Из смеси каучука с серой, наполнителями и другими веществами формуют нужные изделия и подвергают их нагреванию. При этих условиях атомы серы присоединяются к двойным связям макромолекул каучука и «сшивают» их, образуя дисульфидные «мостики». В результате образуется гигантская молекула, имеющая три измерения в пространстве — как бы длину, ширину и толщину. Полимер приобретает пространственную структуру. Если к каучуку добавить больше серы, чем нужно для образования резины, то при вулканизации линейные молекулы окажутся «сшитыми» в очень многих местах, и материал утратит эластичность, станет твёрдым — получится эбонит. До появления современных пластмасс эбонит считался одним из лучших изоляторов.
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.
Получение каучука
Долгое время было неясно, какие именно углеводороды входят в состав каучука; ведь соединений углерода с водородом известно множество. Чтобы ответить на этот вопрос, учёные решили воспользоваться сухой перегонкой каучука, то-есть нагревом его без доступа воздуха.
При сухой перегонке горючие твёрдые вещества разлагаются на составные части. Натуральный каучук подвергали постепенному нагреванию в стеклянной реторте. При температуре 120 градусов каучук размягчался. При 250 градусах он начинал разлагаться — в реторте появлялись белые пары. При дальнейшем повышении температуры каучук превращался в густое масло бурого цвета.
Концом сухой перегонки считалось прекращение выделения паров из реторты. После перегонки на дне реторты оставался чёрный твёрдый кусочек. Выделявшиеся из реторты белые пары, проходя через холодильник, сгущались в жидкость. Эта жидкость являлась смесью различных углеводородов, полученных при перегонке.
Разделение их велось с помощью, так называемой фракционной перегонки. Жидкость медленно нагревалась, и её составные части постепенно, одна за другой, улетучивались. Вначале испарялись части, или фракции, имеющие самую низкую температуру кипения, затем фракции, кипящие при более высокой температуре. Отдельные фракции собирались в чистые сосуды.
После этого определялся их состав. Было выяснено, что в зависимости от условий сухой перегонки каучук даёт фракции различного состава. Но какой бы образец каучука не был взят, каковы бы не были условия перегонки, постоянно обнаруживалась фракция, кипящая при 33—34 градусах. Эту фракцию составлял углеводород изопрен. Химическая формула, то-есть краткое обозначение молекулы изопрена — С5Н8. Эта формула указывает, что молекула изопрена состоит из 5 атомов углерода и 8 атомов водорода.
В настоящее время кроме натурального каучука (НК) резиновая промышленность имеет в своем распоряжении широкий ассортимент синтетических каучуков (СК), что позволяет создавать резиновые изделия с весьма разнообразными свойствами. Возможности резиновой промышленности в этом плане расширяются при использовании метода совмещения каучуков друг с другом или с другими полимерами. Применение различных видов добавок (ингредиентов резиновых смесей) позволяет еще больше разнообразить свойства резин. Невулканизованную смесь каучуков с ингредиентами называют резиновой смесью, и она является основным материалом, из которого изготавливается резиновое изделие. В большинстве резиновых изделий применяются также армирующие материалы - текстильные волокна, нити, ткани, металлическая проволока и различные фасонные металлические изделия.
Технология производства шин и резиновых технических изделий (РТИ) включает в себя ряд операций, переходов и превращений сырья и исходных материалов. Переработка сырья в изделия на заводах резиновой промышленности заключается в изменении его свойств, состояния, формы и размеров в результате физико-механических воздействий и химических превращений. Совокупность целенаправленных действий по превращению сырья и материалов в готовое изделие в промышленности называют технологическим процессом.
Старения резины
Процессы старения резины связаны главным образом с распадом ( деструкцией) молекул или с образованием новых связей ( структурированием) в процессе окисления. Кроме того, при высоких температурах происходят процессы термического разложения, не идентичные окислению. Температурный режим играет решающую роль при эксплуатации резиновых деталей. Для каждого сорта резин существует определенный температурный диапазон возможной работы. Если при нормальных условиях уплотнение может находиться в изделии многие годы, то при предельной температуре работы она может сохранять необходимые свойства только десятки часов. Процесс старения резины заключается главным образом в процессе окисления молекул эластомера.
Условия хранения резины. Резина каждой марки предназначена для работы в определенных условиях. Помещение для хранения резины и резиновых изделий должно быть сухим, отапливаемым и затемненным. Температура воздуха должна быть в пределах 5—20°С, а влажность — в пределах 40—60%. Не допускается хранение резины и резиновых изделий совместно с кислотами, щелочами, растворителями, жидким топливом и маслами. Резиновые изделия необходимо обертывать бумагой или тканью и хранить на деревянных стеллажах. При длительном хранении рекомендуется изменять положение деталей, чтобы исключить возможность образования складок, пролежней и трещин. Автопокрышки при хранении нельзя складывать стопкой; их рекомендуется ставить на протекторную часть в ряд на стеллажах. Автокамеры нужно хранить в развернутом виде без упаковки в слегка надутом состоянии подвешенными на деревянных крючьях, а резиновые шланги — растянутыми в горизонтальном положении на стеллажах. Губчатую резину следует хранить в штабелях высотой не более 250 мм.