Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Лабораторная работа № 7 Определение качества резиновых материалов

Резины широко применяют как конструкционный материал в различных отраслях промышленности. Они допускают значительные деформации, оставаясь при этом упругими и эластичными, имеют высокую прочность (при разрыве до 400 кг/см ²), водостойкость, низкую газопроницаемость, малую электропроводность. Эти свойства позволили резине занять особое место среди конструкционных материалов. Из неё изготовляют шины, трубки, ремни, шланги, прокладочные, изоляционные, уплотнительные материалы.

В конструкцию современного автомобиля входит свыше 500 наименований различных деталей из резины. Важнейшим видом резиновых изделий являются шины. На их производство расходуют 65 % всего вырабатываемого каучука.

В состав резин входят: каучук, содержание которого колеблется от 5 до 98 %, мягчители, наполнители, вулканизирующие агенты, ускорители вулканизации, противостарители, а также вещества, повышающие морозостойкость.

Основным компонентом резины является каучук натуральный (НК) и синтетический (СК). Каучук натуральный получают из каучуконосных растений. Товарный НК содержит до 94 % каучука. Натуральный каучук представляет собой высокомолекулярный углеводород с эмпирической формулой (С₅Н₈)_n. Углеводород построен из многих изопреновых единиц, соединённых между собой в линейную структуру:

СН₃ — СН₂— СН = С — СН₂—.

Средний молекулярный вес - 150.000…500.000. Строением и молекулярным весом определяются физико-механические свойства НК. Удельный вес каучука - от 0,915 до 0,930 г/см³.

Эластичные свойства каучука ограничиваются температурным интервалом. При - 70° С каучук становится хрупким, а выше +80° С он начинает плавиться, превращаясь в смолоподобную массу, которая при охлаждении не приобретает свойств исходного вещества. Наличие двойных связей в молекуле НК обусловливает его способность реагировать с водородом, галогенами, серой, кислородом и другими веществами. Взаимодействие каучука с кислородом происходит при комнатной температуре и с течением времени приводит его к старению. При взаимодействии каучука с серой происходит вулканизация - перевод каучука в резину, которая приобретает более высокие технические свойства по сравнению с сырым НК. Натуральный каучук растворяется в углеводородах и не растворяется в воде, спирте и ацетоне.

Натуральный каучук не может удовлетворить все возрастающие потребности в резине, поэтому промышленность вырабатывает большое количество синтетических каучуков.

Синтетические каучуки получают из продуктов переработки нефти. Все виды синтетических каучуков (СК) представляют собой высокомолекулярные органические соединения цепного строения, получающиеся в результате полимеризации мономеров-каучукогенов (соединений, содержащих ненасыщенные связи), и полимеры, описанные выше.

При получении СК в качестве мономеров применяют бутадиен, хлорпрен, изопрен, изобутнлен и другие газообразные углеводороды.

В промышленном масштабе выпускаются каучуки общего и специального назначения. К первым относятся СКВ - бутадиеновый, СКС - бутадиенстирольный, СКИ - изопреновый; ко вторым СКН - бутадиеннитрильный, хлорпреновый (найрит), БК - бутилкаучук и др.

СКВ - бутадиеновые каучуки получают полимеризацией бутадиена

СН₂ = СН — СН = СН₂

в присутствии катализатора - металлического натрия

(— СН₂— С = СН — СН₂—)_m — (СН ₂— СН —)_n

СН СН₂

Натрийбутадиеновый каучук представляет собой полимер с нерегулярным, беспорядочным чередованием звеньев, что является отличительной чертой по сравнению с НК.

Резина из каучука СКБ в отличие от натурального каучука и некоторых видов синтетических каучуков обладает невысокими физико-механическими показателями (предел прочности при разрыве - 18…22 кг/см ² и относительное удлинение - 550…600 %) и низкой износо- и морозостойкостью. Это объясняется неоднородностью молекулярной цепи и меньшим количеством двойных связей по сравнению с НК. Плотность таких каучуков - 0,90…0,92 г/см³, молекулярный вес колеблется в пределах от 80.000 до 200.000. СКБ легко растворяется в бензине, бензоле, хлороформе и других растворителях, но клеящая способность этих растворов низкая. Поэтому при сборке деталей резиновых изделий из натрийбутадиенового каучука применяют клеи из натурального или изопренового каучука. Каучук СКБ широко применялся в автомобильной промышленности для изготовления шин и резиновых технических изделий. Ввиду недостаточно хороших эластических и прочностных свойств он вытесняется более современными марками СК.

Бутадиенстирольный каучук СКС представляет собой продукт сополимеризации бутадиена (CH₂= CH - CH = CH₂) и стирола (C₆H₅ - CH = CH₂). Структурная формула бутадиенстирольного каучука имеет следующий вид:

(- CH₂ - CH = CH - CH₂-)_m- (- CH₂ - CH -)_n

Товарный каучук СКС выпускается в рулонах и брикетах. Протекторы шин из бутадиенстирольного каучука по износостойкости несколько превосходят НК (в летних условиях). Морозостойкость этого каучука зависит от количества связанного стирола. Каучуки, содержащие 8…10 % связанного стирола, более морозостойки, чем НК.

По водостойкости и газопроницаемости вулканизаты из бутадиенстирольного каучука равноценны вулканизатам из НК. Саженаполненные вулканизаты из СКС химически стойки, набухают в бензине, бензоле, толуоле и других подобных растворителях, а также в минеральных и растительных маслах.

Каучуки специального назначения СКН представляют собой линейные сополимеры бутадиена с нитрилом акриловой кислоты:

(— СН₂— СН = СН — СН₂—)_m — (— СН₂— СН —)_n

СN

Особенностью этих каучуков является маслобензостойкость в сочетании с хорошими физико-механическими свойствами. Бутадиеннитрильные каучуки применяют для изготовления всевозможных прокладок, сальников, манжет, колец различного сечения и других деталей, работающих в контакте с маслом. СКН обладают высокой теплостойкостью и стойкостью к испарению, имеют меньшую морозостойкость, чем резины из НК или СКВ.

Хлорпреновый каучук получают полимеризацией хлорпрена и называют наиритом. Наирит по пределу прочности при разрыве, сопротивлению и эластичности несколько уступает НК и значительно превосходит бутадиенстирольные и бутадиеннитрильные каучуки.

Из хлорпреновых каучуков изготовляют изделия, от которых требуется высокое сопротивление маслам, нагару, истиранию. Они нашли широкое применение в изделиях, когда существенно важное значение имеет негорючесть и стойкость к действию озона. Из него получают клиновидные ремни, которые имеют срок службы в 5…6 раз больше, чем ремни из НК и СКС. Высокая плотность (1,25 г/см³) хлорпренового каучука препятствует его применению в шинах, так как утяжеляет их вес.

Изопреновый каучук СКИ имеет ту же молекулярную структуру, что и натуральный каучук. Его используют в качестве заменителя натурального каучука.

На основе 100-процентного каучука СКИ-3 для всех типов шин изготовляют брекерные резины, а также он входит в состав камерных и протекторных смесей в комбинации с СКС и каучуком СКД.

Резины из силоксановых каучуков могут работать при температуре от - 50 до +200° С. В автомобильной промышленности силоксановые резины применяют для изготовления чехлов свечей зажигания, прокладок, а также уплотнений в коробках передач, в гидравлических муфтах и других узлах. Ассортимент силиконовых каучуков сравнительно большой, что позволяет получать резины с различными физико-химическими и механическими свойствами.

Вулканизация - процесс взаимодействия каучука с серой или другими химическими агентами, приводящий к превращению каучука в резину, обладающую лучшими физико-химическими и механическими свойствами, чем невулканизированиый каучук. Природа процесса вулканизации основана на взаимодействии атома серы по месту двойных связей в молекуле каучука по схеме:

..—СН₂—СН=СН—СН₂—... —СН₂—СН—СН—СН₂—.

+S S

..—СН₂—СН=СН—СН₂—... —СН₂— СН —СН—СН₂—.

Если сера прореагирует лишь с частью двойных связей, то резина получается мягкой. Чем больше двойных связей вступают в реакцию с серой, тем тверже получается резина.

Наилучшие физико-химические свойства резин получаются при содержании серы 5…8 %; повышение содержания серы до 14…1 8 % приводит к образованию вулканизата, обладающего меньшей прочностью при растяжении. Если же повысить содержание серы до 30…50 %, то получается очень жёсткий продукт, обладающий высокой прочностью (предел прочности при растяжении - 520…540 кг/см ²).

Вулканизат с большим содержанием серы известен под названием эбонита, или твёрдого каучука. При вулканизации резиновой смеси не вся сера вступает в химическое взаимодействие с каучуком. Свободная сера с течением времени самопроизвольно выделяется на поверхности резиновых изделий в виде серо-жёлтого порошка (выцветание серы).

Для получения резины, обладающей различными качествами, в каучук вводят, кроме серы, ещё ряд веществ, получивших общее название ингредиентов. Различные ингредиенты, добавляемые в каучук в различных количествах, придают резине определённые свойства.

Наполнители вводятся для увеличения объёма каучука, что позволяет снизить его стоимость, причём некоторые наполнителя улучшают качество продукции: увеличивается твёрдость, прочность, сопротивление на разрыв и истирание. В качестве наполнителя при получении резиновых шин применяют различные виды сажи, тальк, мел, окись цинка и т.д.

Активные наполнители - усилители - применяют для повышения механических качеств вулканизатов, для увеличения сопротивления разрыву и истиранию. В резину, предназначенную для изготовления покрышек, автомобильных шин, вводится сажа в количестве 30…60 %. Одновременно она является и красящим веществом. Эффективное действие активных наполнителей особенно сильно сказывается на резинах, полученных на основе СКВ, СКС и СКН. Их прочность повышается в 10…12 раз по сравнению с ненаполненным вулканизатом.

Ускорители вулканизации вводят для сокращения времени и снижения температуры вулканизации, повышения качества резины, увеличения производительности вулканизационной аппаратуры. Кроме того, они сокращают продолжительность ремонта повреждённого резино-технического изделия. Некоторые ускорители задерживают процесс старения резины. Наиболее широко применяют следующие ускорители: каптакс, тиурам, альтокс, дифенилгуандин и др. Ускорители добавляют в резиновые смеси в количестве 0,1…1,5 %.С течением времени под влиянием света и тепла резина утрачивает эластичность и становится жёсткой и хрупкой. На поверхности изделия появляются мелкие трещины. Это явление называют старением резины, которое объясняют окислением непредельных углеводородов каучуков.

В качестве антиокислителей (противостарителей) для каучука применяют амины, фенолы, хиноны, смолы и другие соединения, которые существенно задерживают процессы старения. Антиокислители вводят в резиновую смесь в количестве от 0,1 до 1,0 %.

Мягчители - или пластификаторы - парафин, вазелин, олеиновая кислота, смолы, воск и другие способствуют равномерному распределению порошкообразных ингредиентов в резиновой смеси, повышают пластичность, а также улучшают технологичность производства изделий из резины.

Красители предназначаются для придания резине различной краски. В качестве красителей используют окись цинка, литопон, окись титана, сажу, охру, зеленый крон, ультрамарин, анилиновые краски и т. д. Красители выполняют также функции усилителей (окись цинка, сажа).