Резина. Свойства, состав, применение резины

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 Ϭ_z (МПа), относительное удлинение в момент разрыва ε_z (%) и остаточное относительное удлинение Ѳ_z (%) (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 К_стар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в термостате при температуре -70^оС в течение 144 час, что соответствует естественному старению резины в течение 3 лет. Морозостойкие резины определяется температурой хрупкости Т_хр, при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке хрупко разрушается.

Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент К_м, равный отношению удлинения δ_м образца при температуре замораживания к удлинению δ_о при комнатной температуре.

Состав резины

Резины являются сложной смесью различных ингредиентов, каждый из которых выполняет определённую роль в формировании её свойств (рис. 6). Основу резины составляет каучук. Основным вулканизирующим веществом является сера.

Рис. 6 Компоненты, которые входят в состав резины

Вулканизирующие вещества (сера, оксиды цинка или магния) непосредственно участвуют в образовании поперечных связей между макромолекулами. Их содержание в резине может быть от 7 до 30 %.

Наполнители по воздействию на каучуки подразделяют на активные, которые повышают твёрдость и прочность резины и тем самым увеличивают её сопротивление к изнашиванию и инертные, которые вводят в состав резин в целях их удешевления.

Пластификаторы присутствия в составе резин (8 – 30%), облегчают их переработку, увеличивают эластичность и морозостойкость.

Противостарители замедляют процесс старения резин, препятствуют присоединению кислорода. Кислород способствует разрыву макромолекул каучука, что приводит к потере эластичности, хрупкости и появлению сетки трещин на поверхности.

Красители выполняют не только декоративные функции, но и задерживают световое старение, поглощая коротковолновую часть света. Наибольшее распространение получили сорта натурального каучука янтарного цвета и светлого тона.

Обычно приняты классификация и наименование каучуков синтетических по мономерам, использованным для их получения (изопреновые, бутадиеновые, бутадиен-стирольные и т.п.), или по характерной группировке (атомам) в основной цепи или боковых группах (напр., полисульфидные, уретановые, кремнийорг), фторкаучуки.

Каучуки синтетические подразделяют также по другим признакам, например, по содержанию наполнителей – на ненаполненные и наполненные каучуки, по молекулярной массе (консистенции) и выпускной форме – на твердые, жидкие и порошкообразные.

Получение и применение каучуков

Более широкое применение в производстве резин получили синтетические каучуки, отличающиеся разнообразием свойств. Синтетические каучуки получают из спирта, нефти, попутных газов нефтедобычи, природного газа и т.д. (рис. 7).

Рис. 7 Схема получения синтетических каучуков

СКБ – бутадиеновый каучук, чаще идёт на изготовление специальных резин (рис. 8).

Рис. 8 Уплотнители — упругие прокладки трубчатого или иного сечения

СКС – бутадиенстирольный каучук. Каучук СКС – 30, наиболее универсальный и распространённый, идёт на изготовление автомобильных шин, резиновых рукавов и других резиновых изделий (рис. 9). Каучуки СКС отличаются повышенной морозостойкостью (до -77^оС).

Рис. 9 Изделия из каучука СКС

СКИ – изопреновый каучук. Промышленностью выпускается каучуки СКИ-3 – для изготовления шин, амортизаторов; СУИ-3Д – для производства электроизоляционных резин; СКИ-3В – для вакуумной техники (рис. 10).

Рис. 10 Вакуумный выключатель-прерыватель (а), электрозащитные перчатки (б)

СКН – бутадиеннитрильный каучук. В зависимости от содержания нитрила акриловой кислоты бутадиеннитрильные каучуки разделяют на марки СКН-18, СКН-26, СКН-40. Они стойки в бензине и нефтяных маслах. На основе СКН производят резины для топленных и масляных шлангов, прокладок и уплотнителей мягких топливных баков (рис. 11).

СКТ – синтетический каучук теплостойкий имеет рабочую температуру от -60 до +250^оС, эластичный. На основе этих каучуков производят резины, предназначенные для изоляции электрических кабелей и для герметизирующих и уплотняющих прокладок (рис. 12).

Рис. 11 Масляные шланги и уплотнители топливных баков

Рис. 12 Уплотняющая прокладка и изоляция электрических кабелей

Технология формообразования деталей из резины

Из сырой резины методами прессования и литья под давлением изготавливают детали требуемой формы и размеров. Каждый метод имеет только ему присущие технологические возможности и применяется для изготовления определённого вида деталей.

Прессование. Детали из сырой резины формуют в специальных прессформах на гидравлических прессах под давлением 5 – 10 МПа (рис. 13).

Рис. 13 Гидравлический пресс и готовые изделия

В том случае, если прессование проходило в холодном состоянии, отформованное изделие затем подвергают вулканизации. При горячем прессовании одновременно с формовкой протекает вулканизация. Методом прессования изготавливают уплотнительные кольца, муфты, клиновые ремни.

Литьё под давлением. При этом более прогрессивном методе форму заполняют предварительно разогретой пластичной сырой резиновой смесью под давлением 30 – 150 МПа. Резиновая смесь приобретает форму, соответствующую рабочей полости пресс-формы. Прочность резиновых изделий увеличивается при армировании их стенок проволокой, сеткой, капроновой или стеклянной нитью (рис. 14).

Рис. 14 Резиновые изделия с увеличенной прочностью

Сложные изделия – автопокрышки, гибкие бронированные шланги и рукава – получают последовательно. Сначала наматывают на полый металлический стержень слои резины, затем изолирующие и армирующие материалы (рис. 15).

Рис. 15 Бронированные шланги и устройство автопокрышки

Сборку этих изделий выполняют на специальных дорновых станках (рис. 16).

Рис. 16 Один из разновидностей дорновых станков литья под давлением резины

Вулканизация. В результате вулканизации – завершающей операции технологического процесса – формируются физико-механические свойства резины. Горячую вулканизацию проводят в котлах, вулканизационных прессах, пресс-автоматах (рис. 17), машинах и вулканизационных аппаратах непрерывного действия под давлением при строгом температурном режиме в пределах 130 – 150^оС. Вулканизационной средой могут быть горячий воздух, водяной пар, горячая вода, расплав соли. Основной параметр вулканизации – время – определяется составом сырой резины, температурой вулканизации, формой изделий, природой вулканизационной среды и способом нагрева.

Вулканизацию можно проводить и при комнатной температуре (рис. 18). в этом случае сера отсутствует в составе сырой резины, а изделие обрабатывают в растворе или парах дихлорида серы или в атмосфере сернистого газа.

Рис. 17 Пресс-автомат и котёл для вулканизации резины

Рис. 18 Вулканизация (ремонт) шин при комнатной температуре

В результате вулканизации увеличиваются прочность и упругость резины, сопротвление старению, действию различных органических растворителей, изменяются электроизоляционные свойства.

На фото 1 и 2 показано сборочное оборудование Нижнекамского завода и цех вулканизации шин ЦМК (цельнометаллокордных покрышек).

Фото 1

Фото 2

Главное преимущество цельнометаллокордных покрышек — возможность их двукратного восстановления путем наварки протектора. Это позволяет в конечном итоге удвоить срок их службы и довести до 500 тыс. км пробега. Помимо ресурсосбережения достигается значительный экологический эффект — вдобавок к уменьшению выхлопных газов сокращаются и отходы в виде изношенных покрышек.