Лабораторная работа № 16 Изучение резины и резинотехнических изделий

Цель работы: изучить строение область применения резины и изделий из неё.

Резины — пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящийся в высокопластп-ческом состоянии.

Многие автомобильные детали изготов.яют из резины пли из композиций, основой которых является резина. Число наименований таких деталей на автомобиле превышает 500, а их масса в общей массе автомобиля составляет более 5% для легкового и более 10% для 1рузового автомобиля.

Благодаря высокой эластичности (упругости), способности поглощать вибрации и ударные нагрузки, низкой теплопроводности и звукопроводности, хорошей механической прочности, высокому сопротивлению истиранию, растяжимости, хорошей электроизоляционное, газо- и водонепроницаемости, устойчивости к действию многих агрессивных сред, легкости, невысокой стоимости и другим свойствам резина в ряде случаев является незаменимым материалом для автомобильных деталей. Такое сочетание перечисленных качеств характерно только для резины и делает ее уникальным материалом, в котором наиболее ценится высокая эластичность, г. е. способность восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызывавших деформацию.

Резину получают вулканизацией резиновой смеси. В состав резиновой смеси входят следующие ингредиенты: каучук, вулканизирующие агенты, ускорители вулканизации, активаторы, противо-старители, активные наполнители или усилители, неактивные наполнители, красители, мягчители, ингредиенты специального назначения. В зависимости от назначения состав резины может не включать в себя все перечисленные ингредиенты, но содержание каучука и вулканизирующего агента обязательно.

Каучук

Каучук — полимер с линейной структурой (рисунок 16.1). Каучук яв.шется основой резиновой смеси и определяет качество резины. Каучук подразделяе тся на натуральный (НК) и синтетический (СК).

Натуральный каучук добывают главным образом из млечного сока (латекса) каучуконосного дерева гевеи бразильской, в котором его содержится до 40%. Известны также каучуконосные растения (кок-сагыз, тау-сагыз), содержащие латекс (млечный сок) в корнях.

— Схема молекулы каучука

Рисунок 16.1 — Схема молекулы каучука

Для выделения каучука латекс обрабатывают уксусной пли другой мало диссоциирующей кислотой, под действием которой частицы каучука коагулируют (латекс, образуя гель, свертывается) и легко отделяются, затем рыхлый сгусток промывают водой, прокатывают в листы, сушат и часто коптят дымом для устойчивости против окисления и действия микроорганизмов.

Каучук легко вступает в химические реакции с кислородом, водородом, галогенами, серой и другими элементами из-за его непредельной химической природы. Так, уже при комнатной температуре молекулы кислорода, и особенно озона, внедряясь в молекулы каучука, разрывают их на более мелкие, а каучук, разрушаясь, становится хрупким и теряет своп ценные свойства.

Каучук является материалом для крупномасштабного производства резинотехнических изделий. Однако уже в конце

1920 годов во всем мире, и прежде всего в странах, где отсутствовали источники натурального каучука, возникла необходимость в его замене синтетическим продуктом. Причин здесь несколько: дефицитность, дороговизна, зависимость от импорта натурального каучука.

В 1932 г. в нашей стране впервые в мире был получен синтетический каучук в промышленных условиях по методу, предложенному академиком С. В. Лебедевым. Германия разрешила эту задачу только в 1938 г., а США — в 1942 г.

В настоящее время натуральный каучук имеет ограниченное применен не, и в основном используется синтетический каучук. Его доля, например, в шинном производстве составляет около 85%.

Синтетические каучуки {бутадиеновые, бутадиен-стирольные и др.) получают методами полимеризации.

Первый в мире промышленный синтетический каучук — натрийбутадиеновый (СКБ) изготовлялся на базе этанола (этилового спирта), полученного из пищевых крахмалосодержащих продуктов. Натрийбутадиеновый каучук обладает малой клейкостью, пониженной эластичностью, невысокими прочностью и морозостойкостью.

Ъутадиен-метилстирольный (СКМС) и бутадиен-стирольный (СКС) каучуки превосходят натуральный ио износостойкости, сопротивлению тепловому, озонному и естественному старению, иаро- и водонепроницаемости. Они в то же время уступают натуральному по эластическим свойствам, теплостойкости, клейкости и морозостойкости.

Важной вехой в производстве синтетических каучуков явилось освоение промышленностью синтеза стереорегулярных изопреновых (СКИ-3) и бутадиеновых (C 'K I) каучуков. Промышленный выпуск этих каучуков начат соответственно в 1964 и 1965 гг. Каучук CKII-3 имеет молекулярную структуру, аналогичную натуральному каучуку, и весьма близок к нему по комплексу свойств. Он обладает хорошими технологическими свойствами, в том числе высокой клейкостью. Каучук CKU не уступает натуральному по эластичности и превосходит его по сопротивлению истиранию. Он обладает низким коэффициентом механических потерь и низким теплообразованием, хорошей тепло- и морозостойкостью. Основная особенность каучука СКД состоит в низкой клейкости.

Кроме указанных каучуков общего назначения, при производстве шин и резиновых деталей используют другие каучуки, так называемые каучуки специального назначения.

Бутилкаучук отличается высокой газонепроницаемостью и устойчивостью к действию кислорода, озона и других агрессивных сред. Его используют для изготовления камер и герметизирующего слоя бескамерных и ши.

Хлоропреновый каучук (наирит) и бутаЬиен-нитрилъный (СКН) характеризуются повышенной маслобензостойкостью. Из них изготов.мтют детали, работающие в контакте с маслами, топливами и другими растворите.ями, как, например, шланги системы смазки, манжеты и поршни гидравлического тормозного привода и др.

Силоксановые (кремнийорганические) каучуки (СК7) обладают высокой температурной стойкостью, а также озоностойкостью. Изделия из них можно применять при температурах в интервале от -90 до +300°С.

Выпускаются также морозостойкие каучуки, как, например, бутаЬиен-метилстирольный СКМС-10, превосходящие по этом}7 показателю натуральный каучук.

Свойства основных типов каучуков приведены в таблице 16.1.

Однако ни натуральный, ни синтетический каучуки не обладают теми техническими качествами, которые требуются от резины. Каучук при понижении температуры становится хрупким, а при нагреве теряет эластичность и превращается в пластичный, непрочный, легкорастворимый в нефтепродуктах материал. Поэтому каучук смешивается с другими ингредиентами и подвергается вулканизации, в результате которой приобретает свойства эластичности, прочности, нерастворимости в нефтепродуктах, температурную стойкость, износостойкость и другие денные свойства.

Таблица 16.1 — Основные свойства каучуков

Вид каучука

Плотность, г/см3

Предел прочности, МПа

Относительное удлинение, %

Удли 1 ген 1 ге после разрыва,0 о

Диапазон рабочих температурке

1Натуральный (НК)

0,91

29

650

32

-50 - +130

Бутадиеновый синтетический (СКБ)

0,91

17

470

60

-50 - +150

1 1зопреновый синтетический (СКП)

0,91

30

700

28

-50 - +130

Бутадиен-нптрильный (СКН)

0,96

26

600

20

-40 - +170

Силоксановый (СКТ)

1,85

6

250

4

-70 - +300

Фторкаучук (СКФ)

1,85

17

200

8

.40 -г +300

Бутадиен-метилстх 1рольны й (СКМС)

Бутадиенстпрольный (СКС)

0,94

31

800

16

-80 - +130

Вулканизирующие агенты

Основным вулканизирующим агентом для шинных резин служит сера. Ее содержание в резиновой смеси (4 + 15%) зависит от массы каучука.

Сера взаимодействует только с каучуками, представляющими собой ненасыщенные полимеры, к которым относятся натуральный н все синтетические каучуки, полученные на базе диеновых (диолефиновых) углеводородов. От содержания серы зависит твердость резины. При содержании серы 40...60% массы каучука он превращается в эбонит - высокотвердый материал, поддающийся механической обработке резанием.

Для вулканизации некоторых каучуков используются фенолформальдегидные смолы, оксиды металлов, пероксид бензоина и др. Известны каучуки (натрийдивиниловый, наирит и др.), ву.чканизирующиеся при нахреве без вулканизирующего агента. Схема строения вулканизированного каучука показана на рисунке 16.2.

— Схема строения вулканизированного каучука

Рисунок 16.2 — Схема строения вулканизированного каучука

Вулканизация резиновой смеси протекает в течение определенного времени и может осуществ.мпъся в широком диапазоне температур, начиная от нормальной. Скорость вулканизации зависит от состава резиновой смеси и температуры. При повышении температуры на каждые 10°С скорость вулканизации возрастает примерно в 2 раза.

Оптимумом вулканизации называется наименьшая продолжительность вулканизации, обеспечивающая при прочих равных условиях (температура, состав резиновой смеси) сочетание наилучших физико-химических и механических свойств вулканизата (резины).

Плато вулканизации — это продолжительность периода вулканизации, когда незначительно изменяются высокие физико-химические и механическое свойства вулканизата, достигнутые при оптимуме вулканизации.

Ускорители вулканизации

Ускорители вулканизации — сокращают время вулканизации, повышаю! физико-механические свойства и сопротивление старению резины. Ими служат альтакс, каптакс, тиурам и некоторые другие, чаще всего органические соединения, их содержание составляет 1 ...2% массы каучука. От характера ускорителей зависит также температура вулканизации.

Активаторы

Активаторы вулканизации — активизируют действие ускорителей вулканизации и, кроме того, повышают предел прочности при растяжении и сопротивлении раздиру. В виде активаторов используют оксиды некоторых металлов, главным образом, оксид цинка (цинковые белила). Их содержание до 5% массы каучука. Оксид цинка повышает также теплопроводность резины.

Наполнители

Активные наполнители (усилители) — служат для улучшения свойств резины. Основным усилителем шинных резин является сажа, повышающая прочность резины при растяжении, твердость и износостойкость. Сажа повышает предел прочности при растяжении резин на основе большинства синтетических каучуков в несколько раз (до 10) и резин на основе натурального каучука на 20... 30%. В то же время сажа понижает эластичность резины, ухудшает ее обрабатываемость. Кроме углеродных саж в качестве усилителей используются светлые наполнители: белая сажа (кремнезем), оксид магния, оксид цинка, углекислая магнезия, каолин (белая фарфоровая глина).

Неактивные наполнители, например, отмученный мел, асбестовую муку (их содержание 30...40% массы каучука) вводят в состав резины для увеличения объема резиновой смеси и ее удешевления без заметного ухудшения основных технических свойств.

Противостарители

Нротивостарители добавляют к резиновым смесям (1...2% массы каучука) для замедления протекания процесса «старения» резины, 1. е. замедления ухудшения ее физико-механических свойств под действием кислорода воздуха. Старение уменьшает срок службы резиновых деталей, поэтому повышение сопротивления старению имеет важное значение для сокращения затрат на эксплуатацию резиновых деталей.

Мягчители

Мягчители, или пластификаторы — способствуют лучшему смешиванию составных частей резиновых смесей, прежде всего активных и неактивных наполнителей, и делают резиновую смесь более пластичной. Они облегчают приготовление и обработку резиновой смеси. В качестве мягчителей применяют смеси ряда органических веществ, представляющих собой продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафин, церезин, минеральные масла), каменноугольные смолы, продукты растительного происхождения (растительные масла, канифоль, сосновая смола), жирные кислоты (стеариновая кислота, олеиновая кислота), синтетические продукты (полидиены, сложные эфиры). Содержание мягчителей в резиновой смеси колеблется в широких пределах — от 2 до 30% массы каучука. При высоком содержании мягчителя он может быть одновременно и наполнителем. В ряде случаев за счет мягчителей снижают стоимость резины.

Ингредиенты специального назначения

Регенерат (специально обработанная резина из утильных покрышек, камер и других изделий) — применяют для частичной замены каучука. Использование регенерата позволяет снизить стоимость резиновых изделий, и прежде всего тех, к которым предъявляются не слишком высокие технические требования — ободные ленты, коврики и др.

Красители

Красители — применяют для окрашивания светлых резиновых смесей в соответствующие цвета. Для этого используют пигменты минерального и органического происхождения.

11одбирая ингредиенты и их содержание в смеси, исходят из конечной цели — получить резину соответствующего назначения (протекторная, каркасная, брекерная, камерная, клеевая, бензостойкая, морозостойкая, теплостойкая и др.) с теми или иными выраженными свойствами.

Свойства резины

Качество резины оценивается по ряду показателей: предел прочности, относительное удлинение, относительное остаточное удлинение, твёрдость, истирание, сопротивление раздиру, эластичность и др.

Предел прочности МПа) резины характеризуется напряжением, возникающим в момент ее разрыва. Определяется предел прочности о, на разрывной машине (рисунок 8.3) замером нагрузки при которой разрывается специально вырезанный образец резины. Далее подсчет ведут по формуле

(16.1)

п Ь ’

где Рк нагрузка, при которой разрывается образец, Н;

п — первоначальная толщина образца, м;

b — первоначальная ширина образца, м.

Относительное удлинение (^ %) резины представляет собой отношение длины образца в момент разрыва к к его первоначальной длине 1у.

(16.2)

Е юо С io

Относительное удлинение определяется на разрывной машине и образце (рисунок 16.3)

  • 1 - подвижный сектор;
  • 2 - образец резины;
  • 3 - измерительная линейка;
  • 4 — червячный винт;
  • 5 - привод червячного винта;
  • 6 — зажимные метки

Рисунок 16.3 — Схема разрывной машины

Относительное остаточное удлинение (деформация) (ф, %) резины представляет собой отношение длины разорванного образца /2 спустя 1 мин после разрыва к его первоначальной длине 10. Остаточное удлинение определяют также на разрывной машине п подсчитывают по формуле

6^= — -100 (16.3)

Твердость резины замеряют в условных единицах деления шкалы твердомера Шора (рисунок 16.4), зависящих от глубины погружения притуплённой иглы в испытуемый образец.

  • 1 — головка;
  • 2 — пружина;
  • 3 — указательная стрелка;
  • 4 — игла;
  • 5 — шестерня;
  • 6 — зубчатый сектор

Рисунок 16.4 — Твердомер Шора

IСтираниерезины (jCy&l мм3) определяется величиной энергии, затраченной на истирание 1 мм3 резины.

Испытания проводят на специальной машине, где образец определенной формы прижимается с заданным усилием к вращающемуся диску машины с корундовой бумагой.

Сопротивление раздиру кН/м) определяю т на разрывной машине путем замера нагрузки Pk при которой происходит раздир образца испытуемой резины. Для вычисления сопротивления раздира эту нагрузку относят к толщине образца h0

' (16.4)

Образец приготовляют определенной формы и точных размеров с пятью подрезами глубиной 0,5 мм и длиной 2 мм, расположенными на расстоянии 2,5 мм один от другого.

Эластичность (упругость) определяют на маятниковом упру-гомеру (рисунок 16.5) по максимальному углу отклонения маятника после удара его об испытуемый образец.

  • 1 — маятник;
  • 2 — рычаг;
  • 3 — наковальня;
  • 4 — шкала;
  • 5 — стрелка

Рисунок 16.5 — Маятниковый упругомер

Пользуясь полученными значениями угла отклонения, расчетной формулой и специальными таблицами, определяют эластичность в процентах. Чем выше этот показатель, тем эластичнее резина. Угол отклонения устанавливают следующим образом. Испытуемый образец толщиной 6 мм закрепляют на наковальне 3. При нажатии на рычаг 2 освобождают маятник 7, надаюгцпй на образец. Под действием сил упругости образца резины маятник отскакивает обратно, при этом по стрелке 5 на шкале 4 отсчитывают угол отклонения.

Совокупность химических, физических и механических свойств; позволяет использовать резиновые материалы для амортизации, демпфирования, уплотнения, герметизации, химической защиты деталей машин, при производстве тары для хранения масла и горючего, различных трубопроводов (шлангов), для изготовления, покрышек и камер колес транспортных средств, декоративных, изделий и т. д. Номенклатура резиновых изделий чрезвычайно разнообразна. На рисунках 16.6—16.9 показаны некоторые резиновые и резинометаллические изделия.

а—д — уплотнительные профили; е — чашечная манжета; ж—л — уплотнительные прокладки; м — втулка

Рисунок 16.6 — Разновидности резиновых деталей

а — подшипник;

6 — пластинчатый амортизатор;

в — амортизатор «ферма»

Рисунок 16.7 — Резинометаллические детали

  • 1 — внутренний резиновый слой; 2 — хлопчатобумажная оплетка;
  • 3 — мета.хлическая оплетка; 4 — резиновый слой;
  • 5 — наружный резиновый слой

Рисунок 16.8 — Конструкция рукава высокого давления с металлической оплеткой

1 2

  • 1 — брекер;
  • 2 - протектор;
  • 3 — каркас;
  • 4 — резинокордная покрышка;
  • 5 — резиновая покрышка;
  • 6 - обод;
  • 7 — борт;
  • 8 — ободная лента

Рисунок 16.9 — Разрез камерной пневматической шины

Последовательность выполнения работы

  • 7. Изучить теоретическую часть и дать ответы на контрольные вопросы 1—6.
  • 2. Определить предел прочности и относительное удлинение подготовленных образцов.

Контрольные вопросы

  • 1. Перечислите составляющие резины.
  • 2. Как принято классифицировать резины?
  • 3. Какую структуру имеют резины?
  • 4. Как влияет содержание вулканизирующих добавок на свойства резни?
  • 5. Какими основными свойствами обладают резины?
  • 6. Какие изделия изготавливают из резины?

Лабораторная работа № 17

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >