что такое вулканизация каучука
Вулканизация
Из Википедии — свободной энциклопедии
Вулканиза́ция — технологический процесс взаимодействия каучуков с вулканизирующим реагентом, при котором происходит сшивание молекул каучука в единую пространственную сетку. При этом повышаются прочностные характеристики каучука, его твёрдость и эластичность, снижаются пластические свойства, степень набухания и растворимость в органических растворителях. Вулканизующими реагентами могут являться: сера, пероксиды, оксиды металлов, соединения аминного типа и др. Для повышения скорости вулканизации используют различные катализаторы-ускорители.
Открыл процесс вулканизации Чарльз Гудьир, запатентовавший его в 1844 году. Процесс назван в честь Вулкана, древнеримского бога огня.
В процессе вулканизации каучук становится резиной.
Вулканизации подвергается обычно смесь каучука с различными компонентами, обеспечивающими необходимые эксплуатационные свойства резин: наполнителями (технический углерод, мел, каолин, полидисперсная кремнекислота и т. д.), пластификаторами (нефтяные и талловые масла, фактис, дибутилфталат и т. д.), противостарителями (бисфенолы, диамины и т. д.), ускорителями вулканизации (ксантогенатами, тиазолами, сульфенамидами и т. д.), активаторами вулканизации (оксидом цинка, оксидом магния и т. д.), замедлителями подвулканизации (фталевый ангидрид, N-нитрозодифениламин и т. д.).
Вулканизация каучука
Вулканизация каучука
Вулканизация каучука — это процесс химической обработки каучука, который включает применение химических веществ — обычно серы — для изменения физических свойств каучука. В своем естественном состоянии каучук обладает многочисленными привлекательными качествами, включая стойкость к ржавчине, коррозии и плесени. Но каучук очень мягкий и эластичный материал, что может ограничивать его применение в определенных условиях. Это привело к тому, что компании-производители резинотехнических изделий используют процесс вулканизации каучука для решения этой проблемы. При этом повышаются прочностные характеристики каучука, его твёрдость и эластичность, снижаются пластические свойства, степень набухания и растворимость в органических растворителях.
История вулканизации
Вулканизация была изобретена Чарльзом Гудьиром (Charles Goodyear) в 1839 году. В своем патенте Гудьир описал процесс использования химических веществ для изменения физических свойств каучука. Гудьир также писал об использовании дополнительных химикатов для ускорения процесса вулканизации при более низких температурах. Эти дополнительные химические вещества, известные как ускорители, часто включают углерод или цинк.
Вулканизация каучука: что нужно знать
Вулканизация обычно включает применение серы. Десятый самый распространенный элемент во вселенной, сера изменяет физические свойства натурального, а также синтетического каучука. Во время процесса вулканизации каучук и сера вместе с другими химическими веществами нагреваются до температуры от 130 до 180 градусов по Цельсию в пресс-форме. Сочетание тепла и химических элементов заставляет каучук стягиваться и затвердевать, при этом происходит сшивание молекул каучука в единую пространственную сетку.
Хотя сера является самым распространенным вулканизующим агентом, существуют и другие химические вещества, которые могут использоваться в процессе вулканизации:
Процессу вулканизации подвергаются бесчисленные резиновые и резинотехнические изделия, в том числе уплотнительные кольца, прокладки, манжеты и даже шины.
Влияние вулканизации на резину
Вулканизация изменяет физические свойства резины, заставляя ее сжиматься. Конечно, существуют механические методы, которые также могут заставить резину сжаться. Разница с вулканизацией, однако, заключается в том, что она сохраняет первоначальную структуру каучука. Когда происходит вулканизация каучука, он сжимается, но при этом, сохраняя свою первоначальную структуру. Вулканизация, по существу, уменьшает размер каучука без деформации или изменения его структуры.
В дополнение к изменению размера каучука при сохранении структуры, вулканизация также защищает резину от будущей деформации. По мере сжатия резина затвердевает и становится менее уязвимой для деформации. Конечно она может деформироваться при воздействии достаточного усилия, но вулканизированная резина не будет деформироваться так же легко, как обычная невулканизированная резина.
Резина также становится более твердой при вулканизации, что впоследствии увеличивает ее прочность на разрыв и снижает риск физического повреждения.
В отличие от термопластичных химических процессов, эффекты вулканизации являются постоянными. После вулканизации резинового материала или изделия, этот процесс нельзя повернуть вспять.
Вулканизация каучука
ВУЛКАНИЗАЦИЯ каучука, технический прием обработки каучука для придания ему более совершенной и постоянной эластичности и нерастворимости. Сырой каучук не годится для готовых изделий, т. к. его эластичность слишком невелика и слишком сильно меняется от температуры. При нуле он становится более твердым и при дальнейшем охлаждении даже хрупким; начиная же с 30° постепенно размягчается и при дальнейшем нагревании (около 150°) постепенно расплавляется, становится клейким и при охлаждении не возвращается вновь в прежнее состояние. Помимо этого, сырой каучук легко растворяется в некоторых растворителях (сероуглероде, бензоле, хлороформе, четыреххлористом углероде, бензине, скипидаре, керосине). Способов вулканизации несколько, но все они основаны главным образом на действии серы в той или другой форме. Указываемые в некоторых руководствах в качестве вулканизующих агентов сернистые соединения металлов могут считаться таковыми лишь постольку, поскольку они содержат свободную серу; в противном случае они могут влиять на процесс вулканизации наравне с окисями и другими, не содержащими серы соединениями металлов, присутствие которых сказывается на конечном эффекте вулканизации. Точно также и предлагавшиеся в свое время в качестве вулканизаторов фосфор, селен, тринитробензол и другие, представляя теоретический интерес, практического значения не имеют.
2) К сырому каучуку вместе с необходимыми примесями прибавляют (на вальцах) 5—10% серы в зависимости от качества, назначения и твердости желаемого изделия; т. н. роговой каучук, или эбонит, содержит 25—50% серы. Сформированные из полученного теста изделия подвергают затем вулканизации, т. е. нагреванию, которое производится различными способами. Формованные изделия в металлических формах (или закатанные в ткань или просто положенные на слой талька на противнях) помещают в воздушную печь при температуре 130—140°, причем давление может быть повышенное; в других случаях формы помещают в автоклавы с перегретым водяным паром при тех же температурах или, наконец, зажимают в нагреваемых прессах. Эта форма вулканизации, хронологически первая, сейчас наиболее распространена; подавляющее количество резиновых изделий вулканизуется именно по этому способу.
Нетрудно видеть, что площадь АВСЕ изображает работу, затраченную на растяжение. Площадь A1DCE изображает работу, возвращенную каучуком. Отношение площади А1DСЕ ко всей затраченной работе АВСЕ и есть мерило полезной упругости. Ее удобнее всего изображать в процентах. Совершенно ясно, что в случае идеальной эластичности никакой работы поглощаться не будет, и это отношение равно 1, или, соответственно, полезная упругость равна 100%.
Техника безопасности. При холодной вулканизации в воздух мастерской поступают пары ядов. Полухлористая сера при разложении водой выделяет пары сернистого ангидрида SO2, иногда в воздух попадают и пары сероводорода. Особенно большое значение для здоровья работающих имеют растворители (бензин, бензол и в первую очередь сероуглерод), вызывающие тяжелые отравления. Замена сероуглерода тетрахлоруглеродом, этилентетрахлоридом и трихлорэтиленом лишь несколько ослабляет опасность отравлений и их интенсивность, но отнюдь не делает холодную вулканизацию совершенно безвредной. С другой стороны, сероуглерод и другие растворители представляют собой вещества легко воспламеняющиеся, чему способствует их электризация при движении. Вместе с тем пары растворителей в смеси с воздухом могут при известных условиях образовать взрывчатую смесь. Для устранения этих опасностей и вредностей требуется: 1) устраивать отделение холодной вулканизации в особых изолированных помещениях и притом отнюдь не под другими мастерскими; 2) снабжать мастерские приточно-вытяжной вентиляцией, причем для сероуглерода, в виду его большого удельного веса, отсасывание должно производиться вниз, а подача свежего воздуха сверху; 3) устраивать автоматические приспособления (например, с применением легко перегорающего шнура), которые, в случае воспламенения растворителей, тотчас же закрывали бы сосуд для вулканизации герметической крышкой или заполняли его водой; 4) применять в отделении вулканизации только герметическую электрическую арматуру, причем рубильники должны находиться вне помещений, где м. б. пары растворителей; 5) хранение и подачу растворителей лучше всего производить при помощи инертного газа, например, по системе Мартини и Гюнеке. Во всяком случае, в рабочем помещении должен храниться запас не более дневного потребления и притом в герметически закрытых сосудах.
Горячая вулканизация является значительно менее опасной и вредной. В этом отношении следует отметить: 1) поступающую в воздух мастерской тальковую пыль; 2) высокую температуру и влажность при разгрузке вулканизационных котлов; 3) опасность от аварий и взрывов этих котлов, работающих под давлением 4—5 atm; 4) сильные мускульные напряжения и возможность несчастных случаев при ручном перемещении вулканизуемых предметов. Для предупреждения этих опасностей и вредностей необходимо: 1) устраивать над местом разгрузки котлов вытяжные зонты, соединенные с эксгаустером, для удаления паров; 2) снабдить котлы манометрами и предохранительными клапанами, следить за их состоянием и подвергать их периодическим освидетельствованиям, согласно правилам НКТ; 3) механизировать перемещение тяжелых предметов, подлежащих вулканизации, при помощи подъемных устройств (кошек и т. п.); 4) снабдить котлы приспособлениями для легкого и надежного открывания и закрывания крышек. На фиг. 2 изображен вулканизационный котел с подвешенной крышкой и байонетным затвором.
При вращении маховичка выступы кольца котла заходят за выступы крышки.
Кроме всего этого к работам по вулканизации не должны допускаться женщины и подростки. Все работающие при холодной вулканизации должны подвергаться регулярному медицинскому осмотру, причем при первых признаках отравления сероуглеродом они должны сниматься с работы. Все рабочие холодной вулканизации пользуются сокращенным 6-часовым рабочим днем (пост. НКТ СССР 7/VI—1923 г.), дополнительным 2-недельным отпуском (пост. НКТ СССР 28/VI—1923 г.) и получают по бутылке молока в день (пост. НКТ СССР 27/IX—1923 г.). Рабочие горячей вулканизации пользуются дополнительным 2-недельным отпуском при условии тяжелой физической работы.
Каучук
Каучуки — натуральные или синтетические материалы, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём специальной обработки получают резину. Природный каучук получают из жидкости молочно-белого цвета, называемой латексом, — млечного сока каучуконосных растений.
Натуральный каучук получают коагуляцией млечного сока (латекса) каучуконосных растений. Основной компонент каучука — углеводород полиизопрен (91-96%). Природный каучук встречается в очень многих растениях, не составляющих одного определённого ботанического семейства. В зависимости от того, в каких тканях накапливается каучук, каучуконосные растения делят на:
-паренхимные — каучук в корнях и стеблях;
-хлоренхимные — каучук в листьях и зелёных тканях молодых побегов.
-латексные — каучук в млечном соке.
-травянистые латексные каучуконосные растения из семейства сложноцветных (кок-сагыз, крым-сагыз и другие), произрастающие в умеренной зоне, в том числе в южных республиках, содержащие каучук в небольшом количестве в корнях, промышленного значения не имеют.
Некоторые виды синтетических каучуков (например полизобутилен, силиконовый каучук) представляют собой полностью предельные соединения, поэтому для их вулканизации применяют органические перекиси, амины и др. вещества. Отдельные виды синтетических каучуков по ряду технических свойств превосходят натуральный каучук.
По области применения синтетические каучуки разделяют на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относят каучуки с комплексом достаточно высоких технических свойств (прочность, эластичность и др.), пригодных для массового изготовления широкого круга изделий. К каучукам специального назначения относят каучуки с одним или несколькими свойствами, обеспечивающими выполнение специальных требований к изделию и иго работоспособности в часто экстремальных условиях эксплуатации.
Каучуки общего назначения: изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и др.
В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолётов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также производства промышленных товаров и медицинских приборов.
1. Натуральный каучук
Каучук существует столько лет, сколько и сама природа. Окаменелые остатки каучуконосных деревьев, которые были найдены, имеют возраст около трёх миллионов лет. Первое знакомство европейцев с натуральным каучуком произошло пять веков назад, а в США вещи из каучука стали популярными в 1830-х годах, резиновые бутылки и обувь, сделанные южноамериканскими индейцами, продавались в больших количествах. В 1839 году Американский изобретатель Чарльз Гудьир (Charles Goodyear) обнаружил, что нагревание каучука с серой устраняет его неблагоприятные свойства. Он положил на печь кусок покрытой каучуком ткани, на которую был нанесён слой серы. Через некоторое время он обнаружил кожеподобный материал — резину. Этот процесс был назван вулканизацией. Открытие резины привело к широкому её применению: к 1919 году было выпущено на рынок уже более 40 000 различных изделий из резины.
Природные каучуконосы
Слово «каучук» происходит от двух слов языка тупи-гуарани: «кау» — дерево, «учу» — течь, плакать. «Каучу» — сок гевеи, первого и самого главного каучуконоса. Европейцы прибавили к этому слову всего одну букву. Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и молочай, которые тоже содержат млечный сок.
Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают; из них наиважнейшее — гевея бразильская (Hevea brasiliensis), дающая по разным оценкам от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.
Сырой каучук из других растительных источников обычно засорён примесями смол, которые должны быть удалены. Такие сырые каучуки содержат гуттаперчу — продукт некоторых тропических деревьев семейства сапотовых (Sapotaceae).
Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора известна как «каучуковый пояс». Здесь каучук добывается и поступает для продажи во все страны мира.
Физические и химические свойства натурального каучука
Натуральный каучук — аморфное, способное кристаллизоваться твёрдое тело.
Природный необработанный (сырой) каучук — белый или бесцветный углеводород.
Он не набухает и не растворяется в воде, спирте, ацетоне и ряде других жидкостей. Набухая и, затем, растворяясь в жирных и ароматических углеводородах (бензине, бензоле, эфире и других) и их производных, каучук образует коллоидные растворы, широко используемые в технике.
Натуральный каучук однороден по своей молекулярной структуре, отличается высокими физическими свойствами, а также технологическими, то есть, способностью обрабатываться на оборудовании заводов резиновой промышленности.
Особенно важным и специфическим свойством каучука является его эластичность (упругость) — способность каучука восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших деформацию. Каучук — высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет.
При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10 °C — хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C — мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C — превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200—250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.
Каучук — хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость. Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется. Легко окисляется химическими окислителями, медленно — кислородом воздуха. Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.
Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен — он сохраняет форму, приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом.
При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы.
При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.
Вообще все каучуки, как и многие полимерные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.
Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.
Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства. Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука — перехода его из твёрдого в пластичное состояние.
Состав и строение натурального каучука
Натуральный (природный) каучук (НК) представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C5H8)n (где величина n составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена.
Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея). Другой природный продукт — гуттаперча — также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.
Длинную молекулу каучука можно было бы наблюдать непосредственно при помощи современных микроскопов, но это не удаётся, так как цепочка слишком тонка: диаметр её, соответствует диаметру одной молекулы. Если макромолекулу каучука растянуть до предела, то она будет иметь вид зигзага, что объясняется характером химических связей между атомами углерода, составляющими скелет молекулы.
Звенья молекулы каучука могут вращаться не беспрепятственно в любом направлении, а ограниченно — только вокруг одинарных связей. Тепловые колебания звеньев заставляют молекулу изгибаться, при этом концы её в спокойном состоянии сближены.
При растяжении каучука концы молекул раздвигаются и молекулы ориентируются по направлению растягивающего усилия. Если устранить усилие, вызвавшее растяжение каучука, то концы его молекул вновь сближаются и образец принимает первоначальную форму и размеры.
Молекулу каучука можно представить себе как круглую, незамкнутую пружину, которую можно сильно растянуть, разведя её концы. Освобождённая пружина вновь принимает прежнее положение. Некоторые исследователи представляют молекулу каучука в виде пружинящей спирали. Качественный анализ показывает, что каучук состоит из двух элементов — углерода и водорода, то есть, относится к классу углеводородов.
Первоначально принятая формула каучука была С5Н8, но она слишком проста для такого сложного вещества как каучук. Определение молекулярной массы показывает, что она достигает нескольких сот тысяч (150 000 — 500 000). Каучук, следовательно, природный полимер.
Экспериментально доказано, что в основном макромолекулы натурального каучука состоят из остатков молекул изопрена, а сам натуральный каучук — природный полимер цис-1,4-полиизопрен.
Молекула натурального каучука состоит из нескольких тысяч исходных химических групп (звеньев), соединённых друг с другом и находящихся в непрерывном колебательно-вращательном движении. Такая молекула похожа на спутанный клубок, в котором составляющие его нити местами образуют правильно ориентированные участки.
Основной продукт разложения каучука — углеводород, молекулярная формула которого однозначна с простейшей формулой каучука. Можно считать, что макромолекулы каучука образованы молекулами изопрена. Существуют подобные полимеры, которые не проявляют такой эластичности, какую имеет каучук. Чем же объясняется это его особое свойство?
Молекулы каучука, хотя и имеют линейное строение, не вытянуты в линию, а многократно изогнуты, как бы свёрнуты в клубки. При растягивании каучука такие молекулы распрямляются, образец каучука от этого становится длиннее. При снятии нагрузки, вследствие внутреннего теплового движения, звенья молекулы возвращаются в прежнее свёрнутое состояние, размеры каучука сокращаются. Если же каучук растягивать с достаточно большой силой, то произойдёт не только выпрямление молекул, но и смещение их относительно друг друга — образец каучука может порваться.
2. Синтетический каучук
В России не было известно природных источников для получения натурального каучука, а из других стран каучук к нам не завозился, а что такое синтетический каучук тогда ещ не знали. И вот, 30 декабря 1927 г. 2 кг дивинилового каучука было получено путем полимеризации 1,3-бутадиена под действием натрия. С 1932 г. было начато промышленное производство 1,3-бутадиена, а из 1,3-бутадиена — производство каучука.
Сырьём для синтеза бутадиена служит этиловый спирт. Получение бутадиена основано на реакциях дегидрирования и дегидратации спирта. Эти реакции идут одновременно при пропускании паров спирта над смесью соответствующих катализаторов.Бутадиен очищают от не прореагировавшего этилового спирта, многочисленных побочных продуктов и подвергают полимеризации.
Для того чтобы заставить молекулу мономера соединиться друг с другом, их необходимо предварительно возбудить, то есть привести их в такое состояние, когда они становятся способными, в результате раскрытия двойных связей, к взаимному присоединению. Это требует затраты определённого количества энергии или участия катализатора.
При каталитической полимеризации катализатор не входит в состав образующегося полимера и не расходуется, а выделяется по окончанию реакции в своём первоначальном виде. В качестве катализатора синтеза бутадиенового каучука С. В. Лебедев выбрал металлический натрий, впервые применённый для полимеризации непредельных углеводородов русским химиком А. А. Кракау.
Отличительной особенностью процесса полимеризации является то, что при этом молекулы исходного вещества или веществ соединяются между собой с образованием полимера, не выделяя при этом каких-либо других веществ.
Важнейшие виды синтетического каучука
Вышерассмотренный бутадиеновый каучук (СКБ) бывает двух видов: стереорегулярный и нестереорегулярный. Стереорегулярный бутадиеновый каучук применяют главным образом в производстве шин (которые превосходят шины из натурального каучука по износостойкости), нестереорегулярный бутадиеновый каучук — для производства, например, кислото- и щелочестойкой резины, эбонита.
В настоящее время химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков, превосходящих по некоторым свойствам натуральный каучук. Кроме полибутадиенового каучука (СКБ), широко применяются сополимерные каучуки — продукты совместной полимеризации (сополимеризации) бутадиена с другими непредельными соединениями, например, со стиролом (СКС) или с акрилонитрилом (СКН). В молекулах этих каучуков звенья бутадиена чередуются со звеньями соответственно стирола и акрилонитрила.
Бутадиен-стирольный каучук отличается повышенной износостойкостью и применяется в производстве автомобильных шин, конвейерных лент, резиновой обуви.
Бутадиен-нитрильные каучуки — бензо- и маслостойкие, и поэтому используются, например, в производстве сальников.
Винилпиридиновые каучуки — продукты сополимеризации диеновых углеводородов с винилпиридином, главным образом бутадиена с 2-метил-5-винилпиридином.
Резины из них масло-, бензо- и морозостойки, хорошо слипаются с различными материалами. Применяются, в основном, в виде латекса для пропитки шинного корда.
В России разработано и внедрено в производство получение синтетического полиизопренового каучука (СКИ), близкого по свойствам к натуральному каучуку. Резины из СКИ отличаются высокой механической прочностью и эластичностью. СКИ служит заменителем натурального каучука в производстве шин, конвейерных лент, резин, обуви, медицинских и спортивных изделий.
Кремнийорганические каучуки, или силоксановые каучуки, применяются в производстве оболочек проводов и кабелей, трубок для переливания крови, протезов (например, искусственных клапанов сердца) и др. Жидкие кремнийорганические каучуки — герметики.
Полиуретановый каучук используется как основа износостойкости резины.
Фторсодержащие каучуки имеют как особенность повышенную термостойкость и поэтому используются главным образом в производстве различных уплотнителей, эксплуатируемых при температурах выше 200 °C.
Хлоропреновые каучуки — полимеры хлоропрена (2-хлор-1,3-бутадиена) — по свойствам сходны с натуральным каучуком, в резинах применяются для повышения атмосферо-, бензо- и маслостойкости.
Находит свое применение вспененный каучук. Вспениванию подвергаются различные виды каучуков. Существует и неорганический синтетический каучук — полифосфонитрилхлорид.
3. Резина
Вулканизация каучука
Натуральные и синтетические каучуки используются преимущественно в виде резины, так как она обладает значительно более высокой прочностью, эластичностью и рядом других ценных свойств. Для получения резины каучук вулканизируют. Многие учёные работали над вулканизацией каучука. Только получив качественную резину, они до конца поняли что такое синтетичесий каучук.
Современная технология резинового производства осуществляется по следующим этапам:
1. Изготовление полуфабрикатов:
-развеска каучуков и ингредиентов;
-прорезинивание тканей, каландрирование, шприцевание;
-раскрой прорезиненных тканей и резиновых листов, сборка изделий из полуфабрикатов.
2. Вулканизация, после которой из сырых резиновых смесей получают готовые резиновые изделия.
Из смеси каучука с серой, наполнителями (особенно важным наполнителем служит сажа) 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. Такой каучук (резина) будет, конечно, прочнее невулканизированного.
Меняется и растворимость полимера: каучук, хотя и медленно, растворяется в бензине, резина лишь набухает в нём. 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.
Вулканизированный каучук имеет большую прочность и эластичность, а также большую устойчивость к изменению температуры, чем невулканизированный каучук; резина непроницаема для газов, устойчива к царапанию, химическому воздействию, жаре и электричеству, а также показывает высокий коэффициент трения скольжения с сухими поверхностями и низкое — с увлажнёнными.
Ускорители вулканизации улучшают свойства вулканизаторов, сокращают время вулканизации и расход основного сырья, препятствуют перевулканизации. В качестве ускорителей используются неорганические соединения (оксид магния MgO, оксид свинца PbO и другие) и органические: дитиокарбаматы (производные дитиокарбаминовой кислоты), тиурамы (производные диметиламина), ксантогенаты (соли ксантогеновой кислоты) и другие.
Активаторы ускорителей вулканизации облегчают реакции взаимодействия всех компонентов резиновой смеси. В основном, в качестве активаторов применяют оксид цинка ZnO.
Антиокислители (стабилизаторы, противостарители) вводят в резиновую смесь для предупреждения «старения» каучука.
Наполнители — повышают физико-механические свойства резин: прочность, износостойкость, сопротивление истиранию. Они также способствуют увеличению объёма исходного сырья, а, следовательно, сокращают расход каучука и снижают стоимость резины. К наполнителям относятся различные типы саж (технический углерод), минеральные вещества (мел CaCO3, BaSO4, гипс, тальк, кварцевый песок SiO2).
Пластификаторы (смягчители) — вещества, которые улучшают технологические свойства резины, облегчают её обработку (понижают вязкость системы), обеспечивают возможность увеличения содержания наполнителей. Введение пластификаторов повышает динамическую выносливость резины, сопротивление «стиранию». В качестве пластификаторов используются продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафины), вещества растительного происхождения (канифоль), жирные кислоты (стеариновая, олеиновая) и другие.
Прочность и нерастворимость резины в органических растворителях связаны с её строением. Свойства резины определяются и типом исходного сырья. Например, резина из натурального каучука характеризуется хорошей эластичностью, маслостойкостью, износостойкостью, но в то же время мало устойчива к агрессивным средам; резина из каучука СКД имеет даже более высокую износостойкость, чем из НК. Бутадиен-стирольный каучук СКС способствует повышению износостойкости. Изопреновый каучук СКИ определяет эластичность и прочность резины на растяжение, а хлоропреновый — стойкость её к действию кислорода.
В каком из городов выпускают каучук и когда началось его производство? В России первое крупное предприятие-производитель в резиновой промышленности было основано в Петербурге в 1860 году, впоследствии названное «Треугольником» (с 1922 года — «Красный треугольник»). За ним были основаны и другие российские заводы резиновых изделий (РТИ): «Каучук» и «Богатырь» в Москве, «Проводник» в Риге и другие.
Применение резины в промышленных товарах
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.
Виды резины и их применение
В зависимости от структуры резину делят на непористую (монолитную) и пористую.
Непористую резину изготовляют на основе бутадиенового каучука. Она отличается высоким сопротивлением истиранию. Срок износа подошвенной резины в 2—3 раза превышает срок износа подошвенной кожи. Предел прочности резины при растяжении меньше, чем натуральной кожи, но относительное удлинение при разрыве во много раз превышает удлинение натуральной подошвенной кожи. Резина не пропускает воду и практически в ней не набухает.
Резина уступает коже по морозостойкости и теплопроводности, что снижает теплозащитные свойства обуви. И, наконец, резина является абсолютно воздухо- и паронепроницаемой. Непористая резина бывает подошвенная, кожеподобная, и транспарентная. Обычную непористую резину применяют для изготовления формованных подошв, накладок, каблуков, полукаблуков, набоек и других деталей низа обуви.
Пористые резины применяют в качестве подошв и платформ для весенне-осенней и зимней обуви.
Кожеподобная резина — это резина для низа обуви, изготовленная на основе каучука с высоким содержанием стирола (до 85%). Повышенное содержание стирола придаёт резинам твёрдость, вследствие чего возможно снижение их толщины до 2,5—4,0 мм при сохранении хороших защитных функций. Эксплуатационные свойства кожеподобной резины сходны со свойствами натуральной кожи. Она обладает высокой твёрдостью и пластичностью, что позволяет создавать след обуви любой формы. Кожеподобная резина хорошо окрашивается при отделке обуви. Она имеет высокую износостойкость благодаря хорошему сопротивлению истиранию и устойчивости к многократным изгибам.
Срок носки обуви с подошвой из кожеподобной резины составляет 179—252 дня при отсутствии выкрашивания в носовой части. Недостатком этой резины являются невысокие гигиенические свойства: высокая теплопроводность и отсутствие гигроскопичности и воздухонепроницаемости.
Кожеподобную резину выпускают трёх разновидностей: непористой структуры с плотностью 1,28 г/см3, пористой структуры, имеющую плотность 0,8-0,95 г/см3, и пористой структуры с волокнистым наполнителем, плотность которых не выше 1,15 г/см3. Пористые резины с волокнистыми наполнителями называются «кожволон». Эти резины по внешнему виду сходны с натуральной кожей. Благодаря волокнистому наполнителю повышаются их теплозащитные свойства, они отличаются лёгкостью, эластичностью, хорошим внешним видом. Кожеподобные резины применяют в качестве подошвы и каблука при изготовлении летней и весенне-осенней обуви клеевого метода крепления.
Транспарентная резина — это полупрозрачный материал с высоким содержанием натурального каучука. Отличается высоким сопротивлением истиранию и твёрдостью, по износостойкости превосходит все виды резин. Транспарентные резины выпускают в виде формованных подошв (вместе с каблуками), с глубоким рифлением на ходовой стороне. Разновидностью транспорентной резины является стиронип, который содержит большее количество каучука. Сопротивление многократному изгибу у стиронипа в три с лишним раза выше, чем у обычных непористых резин. Стиронип применяется при изготовлении обуви клеевого метода крепления.
Резина пористой структуры имеет замкнутые поры, объём которых в зависимости от вида резины колеблется от 20 до 80 % её общего объёма. Эти резины имеют ряд преимуществ по сравнению с непористыми резинами: повышенные мягкость, гибкость, высокие амортизационные свойства, упругость. Недостатком пористых резин является способность давать усадку, а также выкрашиваться в носочной части при ударах. Для повышения твёрдости пористых резин в их состав вводят полистирольные смолы.
В настоящее время освоено производство новых видов пористых резин: порокрепа и вулканита. Порокреп отличается красивым цветом, эластичностью, повышенной прочностью. Вулканит — пористая резина с волокнистыми наполнителями, обладающая высокой износостойкостью, хорошей теплозащитностью. Пористые резины применяют в качестве подошв для весенне-осенней и зимней обуви.