Резина

СОСТАВ  И КЛАССИФИКАЦИЯ  РЕЗИН

Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже.

1. Вулканизирующие  вещества (агенты) участвуют в образовании пространственно-сеточной структуры вулканизата. Обычно в качестве таких веществ применяют серу и селен, для некоторых каучуков перекиси. Для резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения — тиурам (тиурамовые резины).

Ускорители процесса вулканизации; полисульфиды, оксиды свинца, магния и другие влияют как на режим  вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии оксидов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе резиновой смеси активаторами.

2. Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс  старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдоль, неозон Д и др.). физические Противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.

3. Мягчители  (пластификаторы) облегчают переработку  резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины. В качестве мягчителей

вводят парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, растительные масла. Количество мягчителей составляет 8—30 % массы каучука.

4. Наполнители  по воздействию на каучук подразделяют  на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Активные наполнители  (углеродистая сажа и белая  сажа — кремнекислота, оксид  цинка и др.) повышают механические  свойства резин: прочность, сопротивление  истиранию, твердость. Неактивные  наполнители (мел, тальк, барит)  вводятся для удешевления стоимости резины.

Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат  — продукт переработки старых резиновых изделий и отходов  резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.

5. Красители  минеральные или органические  вводят для окраски резин. Некоторые красящие вещества (белые, желтые, зеленые) поглощают коротковолновую часть солнечного спектра и этим защищают резину от светового старения.

Подавляющее большинство  каучуков является непредельными, высокополимерными (карбоцепными) соединениями с двойной  химической связью между углеродными  атомами в элементарных звеньях  макромолекулы. (Некоторые каучуки  получают на основе насыщенных линейных полимеров.) Молекулярная масса каучуков исчисляется в 400 000—450 000. Структура макромолекул линейная или слаборазветвленная и состоит из отдельных звеньев,

которые имеют  тенденцию свернуться в клубок, занять минимальный объем, но этому препятствуют силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому молекулы каучука извилистые (зигзагообразные). Такая форма молекул и является причиной исключительно высокой эластичности каучука (под небольшой нагрузкой происходит выпрямление молекул, изменяется их конформация). По свойствам каучуки напоминают термопластичные полимеры. Наличие в молекулах каучука непредельных связей позволяет при определенных условиях переводить его в термостабильное состояние. Для этого по месту двойной связи присоединяется двухвалентная сера (или другое вещество), которая образует в поперечном направлении как бы «мостики» между нитевидными молекулами каучука, в результате чего получается пространственно-сетчатая структура, присущая резине (вулканизату). Процесс химического взаимодействия каучуков с серой в технике называется вулканизацией.

В зависимости  от количества вводимой серы получается различная частота сетки полимера. При введении 1—5 % 8 образуется редкая сетка и резина получается высокоэластичной, мягкой. С увеличением процентного содержания серы сетчатая структура становится все более частой, резина более твердой, и при максимально возможном (примерно 30 %) насыщении каучука серой образуется твердый материал, называемый эбонитом.

При вулканизации изменяется молекулярная структура  полимера (образуется пространственная сетка), что влечет за собой изменение его физико-механических свойств: резко возрастает прочность при растяжении и эластичность каучука, а пластичность почти полностью исчезает (например, натуральный каучук имеет *в = 1,0*1,5 МПа, после вулканизации *в == 35 МПа); увеличиваются твердость, сопротивление износу. Многие каучуки растворимы в растворителях, резины только набухают в них и более стойки к химикатам. Резины имеют более высокую теплостойкость (НК размягчается при температуре 90 °С, резина работает при температуре свыше 100°С).

На изменение  свойств резины влияет взаимодействие каучука с кислородом, поэтому  при вулканизации одновременно происходят два процесса: структурирование под действием вулканизующего агента и деструкция под влиянием окисления и температуры. Преобладание того или иного процесса сказывается на свойствах вулканизата. Это особенно характерно для резин из НК. Для синтетических каучуков (СК) процесс вулканизации дополняется полимеризацией: под действием кислорода и температуры образуются межмолекулярные углеродистые связи, упрочняющие термостабильную структуру, что дает повышение прочности.

Термическая устойчивость вулканизата зависит от характера образующихся в процессе вулканизации связей. Наиболее прочные, а следовательно, термоустойчивые связи —С—С—, наименьшая прочность у полисульфидной связи —С—C—С,

Современная физическая теория упрочнения каучука объясняет повышение его прочности наличием сил связи (адсорбции и адгезии), возникающих между каучуком и наполнителем, а также образованием непрерывной цепочно-сетчатой структуры наполнителя вследствие взаимодействия между частицами наполнителя. Возможно и химическое взаимодействие каучука с наполнителем.По назначению резины подразделяют на резины общего назначения и резины специального назначения (специальные).

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. Кристаллическая фаза возникает также при растяжении каучука, что значительно увеличивает его прочность. Для получения резины НК вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами: *v = 3*1014 * 23*1018 Ом*см; * = 2,5.

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). Он набухает в тех же растворителях, что и НК. Стереорегулярный дивинильный каучук СКД по основным техническим свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.

СКС — бутадиенстирольный каучук получается при совместной полимеризацией бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2=СН—С6Н5). Это самый распространенный каучук общего назначения.

В зависимости  от процентного содержания стирола  каучук выпускают нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука  зависят от содержания стирольных звеньев. Так, например, чем больше стирола, тем выше прочность, но ниже морозостойкость. Из наиболее распространенного каучука СКС-30 получают резины с хорошим cопротивлением старению и хорошо работающие при многократных деформациях. По газонепроницаемости и диэлектрическим свойствам они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-10 можно применять при низких температурах (от —74 до —77 °С). При подборе соответствующих наполнителей можно получить резины с высокой механической прочностью.

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. Резины на основе наирита обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, озоностойкостью, устойчивы к действию топлива и масел, хорошо сопротивляются тепловому старению. (Окисление каучука замедляется экранирующим действием хлора на двойные связи.)

По температуроустойчивости  и морозостойкости (от —35 до —40 °С) они уступают как НК, так и другим СК. Электроизоляционные свойства резины на основе полярного наирита ниже, чем у резины на основе неполярных каучуков. (За рубежом полихлоропреновый каучук выпускается под названием неопрен, пербунан-С и др.).

СКН — бутадиеннитрильный каучук — продукт совместной полимеризации бутадиена с нитрилом акриловой кислоты;

—СН2—СН =СН—СН2—СН2—СНСN— 

В зависимости  от состава каучук выпускают следующих  марок;

СКН-18, СКН-26, СКН-40. (Зарубежные марки: хайкар, пербунан, буна-N и др.). Присутствие в молекулах  каучука группы СN сообщает ему полярные свойства. Чем выше полярность каучука,

тем выше его  механические и химические свойства и тем ниже морозостойкость (например, для СКН-18 от —50 до —60 °С, для , СКН-40 от —26 до —28 °С). Вулканизируют СКН  с помощью серы. 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.).

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.